風(fēng)電配網(wǎng)保護(hù)策略研究

齊始旭，劉啟程，王海鵬

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000

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風(fēng)電配網(wǎng)保護(hù)策略研究

齊始旭，劉啟程，王海鵬

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000

風(fēng)力發(fā)電是一種重要的分布式能源形式。因風(fēng)力發(fā)電受風(fēng)速、風(fēng)向等自然因素的影響，其出力不確定性是明顯的。為了使風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)時(shí)不對(duì)配網(wǎng)保護(hù)造成影響，文章提出一種新型的配網(wǎng)分區(qū)保護(hù)方案，并進(jìn)行了實(shí)例仿真。仿真結(jié)果顯示，文章所構(gòu)建的含風(fēng)力發(fā)電的配網(wǎng)保護(hù)模式是合理、有效的，值得在實(shí)踐中推廣。

風(fēng)電；不確定性；保護(hù)策略研究

隨著傳統(tǒng)化石能源的日益短缺，各類分布式發(fā)電應(yīng)運(yùn)而生。在眾多新能源序列中，風(fēng)力發(fā)電以其分布廣、可再生性強(qiáng)、使用清潔等優(yōu)點(diǎn)而引起人們重視。但風(fēng)力發(fā)電并入配網(wǎng)，會(huì)改變配電網(wǎng)的單電源放射式運(yùn)行方式，且風(fēng)力發(fā)電受風(fēng)向、風(fēng)速等自然因素的影響極大，隨機(jī)性非常強(qiáng)，因此它會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的原有保護(hù)產(chǎn)生負(fù)作用，使保護(hù)的“四性”下降[1]。文章基于北方某地的風(fēng)力發(fā)電實(shí)踐，提出一種新型保護(hù)方案，以解決風(fēng)力發(fā)電對(duì)配網(wǎng)保護(hù)的影響問(wèn)題。

1　風(fēng)力發(fā)電等效模型構(gòu)建

風(fēng)電機(jī)組的輸入為風(fēng)的機(jī)械能，由式(1)表示[2]。

PT=0.5ρACP(λ,β)v3

(1)

其中，ρ為空氣密度、v為風(fēng)速、β為風(fēng)葉槳距角、A為葉輪接觸風(fēng)面積、CP為系數(shù)、λ為葉尖速比。

圖1所示為風(fēng)電組群接入配網(wǎng)示意圖以及其等效電路。

圖1　風(fēng)電機(jī)群接入配網(wǎng)示意及等效電路

在忽略單個(gè)風(fēng)電機(jī)組內(nèi)損的前提下，可以得到式(2)所示的風(fēng)電機(jī)群等值阻抗表達(dá)，其中，Zi為單臺(tái)設(shè)備的內(nèi)阻，n為設(shè)備數(shù)量，Zeq為等值阻抗。另外，通過(guò)求取升壓變壓器視在功率和電壓降，可得到升壓變壓器等效阻抗如式(3)所示，其中Pi為經(jīng)由每臺(tái)變壓器的功率。

(2)

(3)

2　包含風(fēng)電接入的配網(wǎng)短路電流計(jì)算

由上小節(jié)的(2)、(3)式可知，風(fēng)電機(jī)組等效阻抗與升壓變壓器等效阻抗與機(jī)組的風(fēng)量輸入密切相關(guān)，具有極大波動(dòng)性[3]。因此，當(dāng)配網(wǎng)線路短路時(shí)，由于風(fēng)電的存在，使得沿線短路電流出現(xiàn)隨機(jī)變化的特征。以線路末端發(fā)生故障(圖2)為例進(jìn)行計(jì)算。

圖2　含風(fēng)電的配網(wǎng)故障等效電路圖

根據(jù)電力系統(tǒng)短路計(jì)算方法，可求得經(jīng)由F4的故障電流為：

(4)

因ZG>>ZS，上式可簡(jiǎn)化為：

(5)

其中，Ifix為系統(tǒng)大電源貢獻(xiàn)，Iran為風(fēng)電貢獻(xiàn)。

3　考慮風(fēng)電接入的配網(wǎng)保護(hù)設(shè)計(jì)

3.1保護(hù)區(qū)域劃分及保護(hù)配置

一般地，根據(jù)風(fēng)電接人饋線的具體位置，將饋線的供電區(qū)段劃分為兩片，即風(fēng)電上游區(qū)和風(fēng)電下游區(qū)，如圖3所示(區(qū)域1為上游區(qū)，區(qū)域2為下游區(qū))。

對(duì)于區(qū)域1，為了達(dá)到保護(hù)全覆蓋，應(yīng)在CB2、CB6處配置方向縱聯(lián)保護(hù)；但考慮到風(fēng)電的不確定性(如反孤島保護(hù)促其與電網(wǎng)解列)，應(yīng)在CB6處加設(shè)弱饋保護(hù)，以保證方向縱聯(lián)的可靠啟動(dòng)。在CB2、CB3處配置帶方向的III段電流保護(hù)，CB2、CB6處配置重合閘，這樣就可躲過(guò)瞬時(shí)故障的干擾。

對(duì)于區(qū)域2，因其可視為單端供電網(wǎng)絡(luò)，只需在CB1、CB4、CB5處配置相應(yīng)的過(guò)流保護(hù)即可。

圖3　含風(fēng)電的配網(wǎng)分區(qū)示意圖

3.2保護(hù)動(dòng)作分析

以圖3為例，根據(jù)上小節(jié)的保護(hù)配置方案：

(1)若AB區(qū)間或BC區(qū)間出現(xiàn)短路，則流經(jīng)CB2、CB6處電流方向?qū)⒕上鄳?yīng)毋線側(cè)指向線路側(cè)，即符合正方向規(guī)定，因此裝設(shè)于CB2、CB6處的開(kāi)關(guān)跳閘，隨后CB2的重合閘動(dòng)作，若故障性質(zhì)為瞬時(shí)性，則線路恢復(fù)供電，若故障為永久性，則由CB2、CB3處的定時(shí)限過(guò)流保護(hù)選擇性動(dòng)作。

(2)若CD區(qū)間或DE區(qū)間出現(xiàn)短路，則CB4的電流速斷動(dòng)作，隨后重合，若若故障性質(zhì)為瞬時(shí)性，則線路恢復(fù)供電，若故障為永久性，則由CB4、CB5處的定時(shí)限過(guò)流保護(hù)選擇性動(dòng)作。

(3)若饋線1短路，則流經(jīng)CB2、CB3的電流方向均為線路側(cè)指向母線側(cè)，即符合反向規(guī)定，因此都不會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作。

4　算例分析

設(shè)計(jì)如圖4所示的含風(fēng)電的配網(wǎng)單線圖。其中，AB、AD、DE為架空線，長(zhǎng)度分別3km、2km、2km，線路參數(shù)x1=0.347歐/km、r1=0.26歐/km；BC、EF、FG為電纜，分別長(zhǎng)5km、8km、11km，線路參數(shù)x1=0.092歐/km、r1=0.26歐/km。B、D、E、F等母線處接有5MVA、功率因素0.9的負(fù)荷。

圖4　算例的配網(wǎng)單線圖

(一)首先計(jì)算風(fēng)電不接入時(shí)流經(jīng)各保護(hù)的可能的最大負(fù)荷電流，并將其與保護(hù)定值做比對(duì)，見(jiàn)表1所示。保護(hù)6為0秒速斷，其余保護(hù)時(shí)間階差0.3s。

表1　不計(jì)風(fēng)電接入的相關(guān)定值(kA)

(二)設(shè)E處接入12組風(fēng)電，每組1MW、額定電壓650V、機(jī)組內(nèi)阻ZS=1.85+j3.65Ω。每組的升壓變壓器容量1.2MW、空載電流1.2%、短路阻抗5.5%。根據(jù)文章第1小節(jié)內(nèi)容，將風(fēng)電機(jī)組及升壓變壓器等效變換后求取網(wǎng)絡(luò)的短路電流。

按照第3小節(jié)內(nèi)容，需對(duì)饋線2進(jìn)行上下游分區(qū)并在AE段的保護(hù)上配置方向縱聯(lián)保護(hù)。取系統(tǒng)最小運(yùn)行方式，以饋線2末端發(fā)生短路為例，求得各保護(hù)流經(jīng)電流，如表2所示。顯然，不論風(fēng)機(jī)出力如何波動(dòng)，故障均能被及時(shí)切除。

表2　最小方式下計(jì)及風(fēng)電接入的短路電流

5　結(jié)論

由于風(fēng)力發(fā)電出力的不確定性，使得其接入配網(wǎng)對(duì)原有保護(hù)造成一定影響。對(duì)含有風(fēng)電的配網(wǎng)保護(hù)保護(hù)裝置，首先要將網(wǎng)絡(luò)劃分為風(fēng)電上有區(qū)和風(fēng)電下游區(qū)，對(duì)于風(fēng)電下游區(qū)配置常規(guī)的過(guò)流保護(hù)即可；對(duì)于上游區(qū)，應(yīng)在首末端配置方向縱聯(lián)保護(hù)和重合閘，在末端加弱電反饋保護(hù)。文章的研究經(jīng)受了算例的檢驗(yàn)。算例表明，文章建立的模型是正確的，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

[1]周專.大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定性影響的研究[J].中國(guó)電力.2014,47(3):132-135.

[2]張超.分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)饋線保護(hù)的影響[J].繼電器.2006,36(2):226-228.

[3]楊國(guó)生.風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響與對(duì)策[J].電網(wǎng)技術(shù).2012,36(8):199-203.

齊始旭(1995-)，男，漢，河北省雞澤，本科，河北建筑工程學(xué)院，新能源科學(xué)與工程。

劉啟程(1996-)，男，漢，河北省樂(lè)亭，本科河北建筑工程學(xué)院，新能源科學(xué)與工程。

TM614

A

1671-1602(2016)16-0291-02

王海鵬(1991-)，男，滿，河北省滿族蒙古族自治縣，河北建筑工程學(xué)院，新能源科學(xué)與工程。