雙饋風電場接入系統對電流突變量選相元件的影響及改進措施

何奎 呂飛鵬

摘要：風電作為一種新能源接入電網的容量越來越大，并且有著不同于常規電源的故障特性，這對于傳統繼電保護元件有較大的影響。其不同于傳統電源之處主要體現在弱電源、正負序阻抗不同以及電力電子裝置產生的諧波等三個方面。這對基于電流突變量的故障選相元件產生了巨大影響。本文通過分析雙饋式風電場故障序阻抗特征，提出利用負序補償電流改進單相選相元件的策略。通過分析單相接地故障電流的特點，采用了故障相電流突變量與非故障相電流突變量之差的比值進行選相的方法，提高了風電側選相的靈敏度。本文研究問題提高了電流突變量選相元件面臨風電的適應性。最后通過PSCAD/EMTDC搭建模型并仿真驗證了本文所提出方法的有效性，具有一定的應用價值。

關鍵詞：雙饋式風電場；電流突變量；選相元件；弱電源；正負序阻抗

Abstract：The wind power as a new energy access grid capacity is growing and different from the traditional power failure characteristics.The differences are mainly reflected in the weak fed， positive and negative sequence impedance， power electronic devices harmonic problems.Great impact on the traditional relay protection components is caused by these characteristics.The influence of wind power access on the phase selector elements of the mutation is analyzed theoretically，and the new method is proposed to improve the sensitivity and reliability of the single phase selector element.Finally the effectiveness of the proposed method is validated by simulating on the platform of PSCAD / EMTDC.

Key words：doublyfed wind farms；phase fault current surge；phase selector elements；week source；positive and negative sequence impedance

隨著我國風力發電的迅速發展，并網容量越來越大，由于風電異于常規發電系統的故障特性，給保護裝置的配置、整定造成了巨大影響。因此研究風電接入對保護裝置的影響十分重要。我國的風電場主要為集中式并網，經升壓至高電壓等級接入主電網。高壓輸電線多配置縱聯保護、光纖差動保護以及后背距離保護，選相元件是其基本元件。選相元件可靠動作極大地影響到保護裝置的動作性能，進而影響供電的可靠性和系統的穩定性。選相元件按原理主要包括：電流突變量選相元件；序分量選相元件；阻抗選相元件[1]。相電流差及序分量選相元件選相都是建立在背側正、負序阻抗近似相等的基礎上，但是雙饋式風電并網系統正負序阻抗并不相等[2]。此外，風電中大量的諧波及嚴重故障時產生的頻率偏移現象對基于工頻傅里葉算法的相量提取有較大影響。相對于電網，風電具有明顯的弱饋性[3]，提供短路電流的能力較小，并且在單相接地故障中，零序電流遠大于正負序電流，因此對選相元件的靈敏度影響較大。本文綜合考慮風電的弱電源及序阻抗特征，研究電流突變量單相選相元件的適應性，并提出相應改進方案。

1 突變量選相元件基本原理

如圖1所示為風電并網的系統，線路上發生A相接地故障。從電力系統分析理論可知，電網發生故障時可采用疊加原理將電網分為非故障網絡和故障附加網絡；故障分量為故障全量減去故障前的正常量[4]。對應于圖1所示系統的故障分量網絡如圖2所示。M、N側分別為系統側和風電側，j=0，1，2分別表示零序、正序、負序；ΔIjm、ΔIjn分別為系統側、風電側故障電流分量；ΔUjn為風電側故障電壓分量；Zjm、Zjn為系統側、風電側阻抗；ZjmF、ZjmF為系統側、風電側母線到短路點阻抗；IjF為故障點A相故障電流各序分量，RF為接地電阻，UF為故障附加電源。

風電側保護安裝處測量的突變量分別ΔIA、ΔIB、ΔIC，應用對稱分量法有：

相間（BC）相故障時，帶入邊界條件可得：

根據式（4）及式（5）可以實現故障選相。

2 弱電源及序阻抗特性

我國的風電場主要以集中式并網，即每臺風機經過集電線連接并入匯流母線，然后經過變壓器升壓后通過送出線路并入電網。與電網容量相比，風電場屬于弱電源，具有明顯弱饋特征[5]。發電機機端電壓通常為0.69kV，經換算到高壓側后正負序阻抗很大，零序阻抗由于不包括電源而很小。風電場提供短路電流能力弱，故障相電流幅值很小，并且風電側保護安裝處感受到的短路電流中零序電流占比遠大于正、負序電流，三相短路電流幅值相位十分接近。因此選相元件的靈敏度會顯著降低，導致依靠電流突變量選相不再滿足實際電力系統的運行要求。目前電網公司通常要求風力發電系統具備低電壓穿越能力，雙饋風力發電機一般通過安裝撬棒保護以獲得低電壓穿越能力[6]。由于撬棒保護啟時動時間一般為幾毫秒，所以發生短路故障后可以看成是普通異步發電機運行[7]，其正、負等效電路如下圖：

從式（8）及式（9）可以看出，雙饋式風力發電機序阻抗與轉差率及撬棒電阻值成一定的函數關系。在發電機接近同步速時正序阻抗變化幅度很大，負序阻抗較為穩定。在實際運行中，轉差率s一般為±0.2，所以正、負序阻抗不一定相等，并且一般可以認為正序阻抗大于負序阻抗。文獻[8，9]指出，撬棒保護啟動后撬棒電阻阻值對電抗分量影響較大，正序阻抗與撬棒電阻呈正相關關系；并且變壓器接線方式的不影響零序阻抗。

由于風電場控制策略及運行方式變化，其正、負序阻抗變化非常大。因此基于正、負序電流分配系數相等的突變量選相元件不再適用于雙饋式風電場并網系統。

3 改進方案

為解決現有電流突變量選相方法在風電側靈敏度不足以及風電側保護感受到的正負序阻抗不相等帶來的可靠性問題。本文提出了相應的改進方案。文獻[10]提出了使用故障相電流突變量與其余兩相正常相電流突變量之差的比值，即選相系數進行選相。

單相（A相）接地故障時，把單相接地短路邊界條件帶入式（8）可以得到K1K2=K3。選相系數具有明顯特征，考慮一定裕量，選相判據為：

該方法可以提高弱電源側電流突變量選相元件靈敏度，但是該原理是針對傳統電源而言，即正、負序阻抗相等。為了滿足該應用條件，使用C1代替C2。假定C1=μC2，帶入式（1），并與式（3）結合，整理成正、負序電流分配系數相等的形式：

考慮到風電場阻抗折算到高壓側后其阻抗遠大于電網及線路阻抗，式（11）中等式左側μ近似為：

通過加入負序補償電流解決了正、負序阻抗不等的問題，從而可以進行選相。此方法兼顧雙饋風電場弱電源及序阻抗特征，能很好地改善風電側電流突變量選相元件性能。

4 仿真分析

在PSCAD/EMTDC平臺搭建如圖1所示風電并網系統，線路電壓等級為110kV；線路長度200km。應用容量加權法搭建具低電壓穿越能力的30MW風電場等值模型，風機結構、控制方式及參數均參照主流風機：轉子側采用定子磁鏈定向，定子側采用電網電壓定向[11]。風機處于位功率因素運行。正序線路參數為r1=0.081/km，l1=0.401mH/km，c1=0.003μF/km；零序線路參數為r0=0.475/km，l0=1.143mH/km，c0=00025μF/km；系統側參數為Z0m=（1.1+j6.6） ，Z1m=（2.43+j19） ；A相接地故障距離風電側母線50km；短路時間為05s。

仿真結果表明，風電場正序阻抗大于負序阻抗，并且負序阻抗變化幅度較小；A相接地故障時三相短路電流以零序分量為主，驗證了理論分析的正確性。

針對不同接地電阻及故障位置進行詳細仿真，ε1=0.9，ε2=1.1；ε3=0.2，η1=8，η2=40；門檻電流值δ整定為15 A。采用故障后20 ms計算選相系數，仿真結果如下表所示：

仿真結果表明，對于金屬性及高阻接地故障本文所提出方法都能準確快速選出故障相；此外還表現出較高的靈敏度。

5 結論

雙饋風電場送出線發生短路故障后，風電側阻抗會發生變化，故障網絡中風電場的正、負阻抗不再相等，因而引起正、負序電流分配系數也不相等，從而導致選相結果不正確。此外，風電場相對于大電網容量小、電壓等級低，經折算到高電壓后阻抗遠大于電網側阻抗，因而短路發生后提供短路電流的能力差，對基于突變量的保護元件產生較大的影響。本文從電流突變量選相元件的原理出發，結合雙饋式風電場故障特點，理論上分析了突變量選相元件面臨風電接入的適應能力，并提出了綜合考慮風電的弱電源及正、負序阻抗不一致特征的選相方法。該方法通過實時測量風電側序阻抗及負序電流以得到補償電流從而解決了電流分配系數不相等的問題，很大程度上提高了風電場接入電網時電流突變量單相選相的靈敏性及可靠性。本文的主要結論包括：

1）基于突變量的選相元件的應用前提條件為保護背側正、負序阻抗相等。

2）不同于常規電網，雙饋式風電場運行方式、控制策略變化較大，其短路電流呈復雜多態性，并且風場側阻抗不穩定且正負序阻抗不相等，不能保證突變量選相元件正確動作。

3）在弱電源側故障電流零序電流占比大，三相電流幅值及相位相近，造成基于突變量原理的選相元件靈敏度降低。

4）當具有低電壓穿越能力的風電場送出線路發生故障時，撬棒電阻瞬時投入，把風力發電機當作普通異步電機處理。

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作者簡介：何奎（1990），男，四川南充人，工學碩士，主要從事電力系統繼電保護研究；呂飛鵬（1968），男，云南玉溪人，博士，教授，主要從事電力系統繼電保護。

通信作者：何奎