風電場集中接入對集電線電流保護的影響研究

張軍六， 張興忠

（1.國網(wǎng)山西省電力公司 電力科學研究院， 山西 太原 030001； 2.太原理工大學， 山西 太原 030024）

0 引言

風電場集中接入電網(wǎng)后， 由于其復(fù)雜的短路電流特性和劇烈變化的運行方式， 會影響傳統(tǒng)電流的保護性能。發(fā)生故障時，風機提供的短路電流包含特殊的暫態(tài)分量和序分量； 雙饋型風機（Double Feed Induction Generator，DFIG） 的撬棒保護動作時， 風場內(nèi)部的運行方式和短路電流分布會產(chǎn)生較大的變化。針對這些問題，傳統(tǒng)的電流保護整定需要做出相應(yīng)的改進， 從而滿足應(yīng)用要求[1]。 文獻[2]分析了集電線路在接入接地變壓器前后的零序電流變化及故障特征， 同時研究了零序電流保護在風電系統(tǒng)集電線路的應(yīng)用。 文獻[3]分析了直驅(qū)風機的短路電流特性和對選相元件的影響。 文獻[4]提出了一種基于雙曲正切函數(shù)動作特性的風電場集電線路反時限保護方法， 實現(xiàn)了風機箱變?nèi)蹟嗥髋c集電線路保護之間的反時限動作特性配合。

風電機組由于區(qū)別于傳統(tǒng)發(fā)電機， 故障時饋出的短路電流會對風場內(nèi)部的集電線的正確動作造成影響。此外，DFIG 的撬棒保護動作情況，以及風場內(nèi)部復(fù)雜多變的運行方式， 也給風電場集電線電流保護的整定帶來了新的挑戰(zhàn)。對此，本文以典型風電場為例，建立了DFIG 的短路計算模型，分析了傳統(tǒng)電流保護整定計算模式在風電場集中接入時存在的問題， 并給出了相應(yīng)的整定調(diào)整策略。 結(jié)合仿真，驗證了這些調(diào)整策略的正確性。

1 DFIG短路電流特性

撬棒保護是DFIG 提高低電壓穿越能力的主要措施， 撬棒保護的動作行為直接影響DFIG 的短路電流特性。 因此，DFIG 的故障特性研究應(yīng)分別從考慮撬棒保護動作和計及勵磁調(diào)節(jié)特性影響兩個方面進行。

1.1 考慮撬棒電路動作的DFIG短路計算模型

在發(fā)生近區(qū)嚴重故障時， 撬棒保護動作，DFIG 定子電流中除含有穩(wěn)態(tài)基頻分量和衰減直流分量外， 還有角頻率為ωr的轉(zhuǎn)速頻率電流分量。 在實際短路計算中，主要關(guān)心的則是基頻分量[5]。 當發(fā)生故障時，文獻[6]推導(dǎo)出了撬棒保護動作后DFIG 故障相電流正、 負序分量等效計算模型，等效電路如圖1 所示。

圖1 撬棒保護動作后DFIG 故障相正負序等效電路Fig.1 Equivalent positive and negative sequence circuit of DFIG when its crowbar protections act

圖中：s 為轉(zhuǎn)差率；Lsσ為定子漏抗；Lrσ為轉(zhuǎn)子漏抗；Lm為定轉(zhuǎn)子互感；為轉(zhuǎn)子繞組等效電阻。

從圖1 可以看出，DFIG 穩(wěn)態(tài)基頻分量的等效計算模型實際上為異步電動機的等效模型。 撬棒保護動作瞬間，DFIG 對于電網(wǎng)而言由發(fā)電機變?yōu)殡妱訖C， 即由故障前的產(chǎn)生電流成為故障后的吸收電流。 對電流保護而言，它改變了電流流向，有可能會引起電流保護的工作異常。

1.2 計及勵磁調(diào)節(jié)特性的DFIG短路計算模型

遠區(qū)非嚴重故障情況下，DFIG 的轉(zhuǎn)子繞組仍由變頻器進行勵磁。 此時，DFIG 定子繞組故障電流特性與傳統(tǒng)同步發(fā)電機的故障電流特性相比存在較大的區(qū)別。 文獻[7]通過研究DFIG 定子電力的故障特性， 指出定子繞組故障電流中只有衰減直流分量和強制基頻分量， 而不含衰減的基頻分量。 強制基頻分量的大小則由電網(wǎng)電壓跌落深度和低電壓穿越運行期間所采用的控制策略共同決定。

目前，DFIG 在電網(wǎng)故障條件下的低電壓穿越策略包括多種， 主要有平衡DFIG 總輸出電流的控制策略[7]～[10]、恒定的DFIG 電磁轉(zhuǎn)矩的控制策略[11]、恒定的DFIG 系統(tǒng)輸出有功功率的控制策略[12]，[13]、恒定的 DFIG 發(fā)電系統(tǒng)無功功率的控制策略[14]，[15]。 本文將采用平衡的 DFIG 總輸出電流控制策略[8]～[10]，[16]建立其短路計算模型。當 DFIG 的撬棒保護沒有動作時， 在控制策略下，DFIG 等效為受控電流源模型， 僅向外部提供正序電流。DFIG 的正序等效電路如圖2 所示。

圖2 DFIG 正序等效電路Fig.2 Equivalent positive sequence circuit of DFIG

2 傳統(tǒng)集電線電流保護的整定方法

典型的雙饋型風廠如圖3 所示，單臺DFIG的容量為1.5 MW， 風機通過箱式變壓器升壓至35 kV，再通過主變升壓至110 kV，與外部電網(wǎng)相連。 風電場集電線電壓等級為35 kV，線路不長，在電網(wǎng)側(cè)配置有兩段式電流保護（圖中M 點）。

圖3 典型的雙饋型風廠示意圖Fig.3 Diagram of typical wind farms

2.1 傳統(tǒng)集電線電流保護Ⅰ段整定方法

在圖3 中，當待整定集電線末端f1處發(fā)生故障時， 根據(jù)傳統(tǒng)電流保護整定原則，M 點的電流保護Ⅰ段定值按保本線故障具有足夠靈敏度整定。

在計算Imin-end時， 傳統(tǒng)整定方法采用的計算條件如下：圖3 中f1處發(fā)生兩相短路；系統(tǒng)采取最小運行方式；所有風電機組退出運行。

2.2 傳統(tǒng)集電線電流保護Ⅱ段整定方法

在圖3 中， 當待整定集電線的箱式變壓器低壓側(cè)f2處發(fā)生故障時，根據(jù)傳統(tǒng)電流保護整定原則，M 點的電流保護Ⅱ段定值按躲過集電線最近處箱式變壓器低壓側(cè)最大短路電流整定。

在計算Imax時， 傳統(tǒng)的整定方法采用的計算條件如下：圖3 中f2處發(fā)生三相短路；系統(tǒng)采用最大運行方式；所有風電機組投入運行。

3 傳統(tǒng)集電線電流保護整定方法存在的主要問題和調(diào)整策略

3.1 傳統(tǒng)電流保護Ⅰ段整定方法存在的主要問題和調(diào)整策略

（1）電流保護Ⅰ段整定計算存在的主要問題

由式（1）可知，在電流保護Ⅰ段整定中，關(guān)鍵在于正確計算集電線末端最小短路電流Imin-end。傳統(tǒng)的整定方法中，所有風機將退出運行，只考慮系統(tǒng)提供的短路電流。 這一整定方法的最大問題是沒有考慮DFIG 的撬棒保護動作所導(dǎo)致的分流作用。因此，在計算待整定集電線上的最小短路電流時，應(yīng)考慮其他集電線上風機的撬棒動作情況。

（2）電流保護Ⅰ段整定方法的調(diào)整策略

在DFIG 的撬棒保護不動作時， 風機為有源支路，故可采用傳統(tǒng)整定方法計算Imin-end。 但當發(fā)生近區(qū)短路故障時， 可能導(dǎo)致風電機組撬棒保護動作，此時DFIG 勵磁回路經(jīng)撬棒電阻短接，失去勵磁，其等值電路類似為異步電動機，會對系統(tǒng)的短路電流有分流作用， 導(dǎo)致流過待整定集電線上的短路電流減小，如圖4 所示。

圖4 電流保護Ⅰ段整定等效示意圖Fig.4 Equivalent diagram of current protection I

在圖4 中： 待整定集電線末端f 點發(fā)生兩相短路；I1為系統(tǒng)側(cè)向風場提供的短路電流；I2為DFIG 的撬棒保護動作導(dǎo)致的分流作用；I3為故障集電線上的短路電流。

根據(jù)以上分析，為了正確計算Imin-end，調(diào)整后的計算條件如下：集電線末端f 點發(fā)生兩相短路；系統(tǒng)最小運行方式； 其他集電線上的DFIG 全部投入運行，并且撬棒保護動作。

3.2 傳統(tǒng)電流保護Ⅱ段整定方法存在的主要問題和調(diào)整策略

（1）電流保護II 段整定計算存在的主要問題

由式（2）可知，在電流保護Ⅱ段整定中，關(guān)鍵在于正確計算流過待整定集電線的最大短路電流Imax。傳統(tǒng)的整定計算方法在計算Imax時，將風機看作傳統(tǒng)發(fā)電機的電壓源串接內(nèi)阻抗的等效電源，故計算條件為所有風機全部投入運行。 根據(jù)前述分析， 故障發(fā)生時，DFIG 的短路計算模型與傳統(tǒng)發(fā)電機的等效模型有很大的不同： 若DFIG 的撬棒保護動作， 則DFIG 等效為異步電動機；若DFIG 的撬棒保護沒有動作，則DFIG 等效為受控電流源模型，向外提供短路電流。 此時，其他集電線上的風機會向待整定集電線上輸出短路電流。故傳統(tǒng)的整定方法的計算條件不一定適用于風電場集中時集電線電流保護Ⅱ段的整定。

（2）電流保護Ⅱ段整定方法的調(diào)整策略

由式（2）可以看出，箱式變低壓側(cè)的最大短路電流與電網(wǎng)的運行方式、 其他集電線的風機運行方式和本集電線上其他風機的運行方式有關(guān)。 每一個條件的變動， 均會影響待整定集電線的最大短路電流。 下面以圖5 所示的電流保護Ⅱ段整定等效示意圖為例，詳細分析電網(wǎng)不同計算條件對短路電流Imax的影響。

圖5 電流保護Ⅱ段整定等效示意圖Fig.5 Equivalent diagram of current protection II

在圖5 中， 待整定集電線箱變低壓側(cè)f 點發(fā)生三相短路故障，I1為系統(tǒng)側(cè)向風場提供的短路電流，I2為其他集電線風電機組提供的短路電流，I3為故障集電線上的短路電流，I4為待整定集電線上其他DFIG 提供的短路電流。

計算Imax也即計算I3的最大值。 由圖5 可知，I3主要受 I4，I2和 I1影響。其中：I4由待整定集電線其他并聯(lián)風電機組的運行方式?jīng)Q定；I2由其他集電線風電機組的運行方式?jīng)Q定；I1由外部系統(tǒng)的運行方式?jīng)Q定。下面分別對這三個方面進行分析。

①待整定集電線其他并聯(lián)風電機組的運行方式

在傳統(tǒng)的整定方法中，待整定集電線上并聯(lián)的其他風電機組的運行方式為全部投入運行。 考慮到DFIG 的撬棒保護動作情況后，這些DFIG 可以等效為異步電動機， 此時DFIG 由提供短路電流轉(zhuǎn)變?yōu)槲斩搪冯娏鳎?從而減小短路阻抗并增大I3。 故傳統(tǒng)整定方法中待整定集電線上其他并聯(lián)風電機組的運行方式應(yīng)將DFIG 的撬棒保護設(shè)置為動作動態(tài)。

②其他集電線風電機組的運行方式

在傳統(tǒng)的整定方法中， 其他集電線上的風電機組的運行方式為全部投入運行， 此時其他集電線上的風機提供的短路電流I2最大，同時也增大了I3。 故傳統(tǒng)整定方法中其他集電線風電機組的運行方式不需要作調(diào)整。

③外部系統(tǒng)運行方式

對圖5 使用疊加定理，得到圖6。

圖6 考慮系統(tǒng)運行方式時的疊加等效圖Fig.6 Equivalent diagram when considering the operation mode of power system

在圖6 中，根據(jù)疊加定理有：

由式（3）可以看出，I3由兩部分組成，當同時最大時，I3最大。

根據(jù)以上對三個影響因素的分析， 集電線電流保護Ⅱ段整定方法如下： 集電線箱變低壓側(cè)發(fā)生三相短路； 待整定集電線上其他并聯(lián)的DFIG的撬棒保護動作； 其他集電線上的風電機組全部投入運行； 系統(tǒng)運行方式的選取須考慮系統(tǒng)強弱和風電場容量兩個方面。

4 仿真分析

為了驗證對集電線傳統(tǒng)電流保護的分析和調(diào)整策略的正確性，以PSCAD/EMTDC 為仿真平臺，構(gòu)建如圖3 所示的典型風電場的仿真模型。 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置： 基準電壓為110 kV， 基準容量為100 MV·A；最大運行方式下，正序阻抗為0.169 3 p.u.，零序阻抗為0.328 6 p.u.；最小運行方式下，正序阻抗為 0.175 p.u.，零序阻抗為 0.355 p.u.。 風電場參數(shù)設(shè)置：單臺風機額定容量為1.5 MW，單臺箱式變壓器的額定容量為1 600 kV·A， 變比為0.69/36.75 kV，聯(lián)結(jié)組別為Yd，漏電抗為6.44%；主變額定容量為100 000 kV·A，變比為36.75/115 kV，聯(lián)結(jié)組別為YY，漏電抗為10.6%；待整定集電線阻抗為0.243 p.u.。

4.1 集電線電流保護Ⅰ段仿真驗證

在構(gòu)建的仿真模型中， 在待整定集電線末端f 點發(fā)生AB 兩相短路時，分別對以下兩種整定方法進行仿真分析，Imin-end仿真結(jié)果如表1 所示。 表中△為按照調(diào)整后的整定方法得到的Imin-end相比于傳統(tǒng)整定方法的Imin-end的變化率。

①傳統(tǒng)整定方法：系統(tǒng)最小運行方式，所有風機退出運行。

②調(diào)整后的整定方法： 系統(tǒng)最小運行方式，DFIG 投入運行且撬棒保護動作。

表1 電流保護I 段仿真結(jié)果Table 1 Simulation results of current protection I

表1 的仿真結(jié)果表明， 通過調(diào)整后的整定方法得到的Imin-end相比于傳統(tǒng)方法得到的Imin-end減小了2.8%，減小的幅度不大。 故集電線電流保護Ⅰ段整定可以忽略風電機組的影響， 按傳統(tǒng)整定方法計算。

4.2 集電線電流保護II段仿真驗證

在構(gòu)建的仿真模型中， 當待整定集電線箱式變壓器低壓側(cè)f 點發(fā)生三相短路時， 分別對以下5 種整定方法進行仿真，Imax仿真結(jié)果如表2 所示。 表中△為按照調(diào)整后的方法得到的Imax相比于傳統(tǒng)整定方法的Imax的變化率。

①傳統(tǒng)整定方法：系統(tǒng)最大運行方式，所有風機投入運行。

②調(diào)整后的整定方法1：系統(tǒng)最大運行方式，待整定集電線上其他并聯(lián)的DFIG 的撬棒保護動作，其他集電線上的風機全部退出運行。

③調(diào)整后的整定方法2：系統(tǒng)最小運行方式，待整定集電線上其他并聯(lián)的DFIG 的撬棒保護動作，其他集電線上的風機全部退出運行。

④調(diào)整后的整定方法3：系統(tǒng)最大運行方式，待整定集電線上其他并聯(lián)的DFIG 的撬棒保護動作，其他集電線上的風機全部投入運行。

⑤調(diào)整后的整定方法4：系統(tǒng)最小運行方式，待整定集電線上其他并聯(lián)的DFIG 的撬棒保護動作，其他集電線上的風機全部投入運行。

表2 電流保護II 段仿真結(jié)果Table 2 Simulation results of current protection II

表2 的仿真結(jié)果表明： 調(diào)整后的整定方法②和③相比于①，Imax減小了。 這兩種整定方法中將其他集電線上的風機退出了運行， 這也證明了為了得到更大的Imax，需要將其他集電線上的風機全部投入運行； 整定方法④相比于①，Imax增大了16.9%，說明待整定集電線上的DFIG 的撬棒動作對減小短路阻抗的作用十分明顯， 證明了前述理論分析的正確性； 整定方法⑤相比于①，Imax增大了24.65%，與方法④相比，增幅更大。說明在其他條件相同的情況下， 系統(tǒng)選擇最小運行方式時的Imax要大于系統(tǒng)選擇最大運行方式時的Imax， 而且系統(tǒng)運行方式的選擇應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)強弱和風電場容量兩個因素的影響。 在對集電線電流保護Ⅱ段進行整定時，對于弱系統(tǒng)、大容量風場的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)運行方式應(yīng)選擇最小運行方式；對于強系統(tǒng)、小容量風場的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)運行方式應(yīng)選擇最大運行方式。

5 結(jié)論

雙饋風電機組復(fù)雜的故障電流特性對風電場集電線電流保護有重要影響， 將嚴重影響風電場和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。 基于此， 本文分析了DFIG 的故障電流特性， 建立了相應(yīng)的計算模型。分析了風電場集電線傳統(tǒng)電流保護存在的缺陷，提出了適用于DFIG 集電線的電流保護整定新方案。 得出以下結(jié)論。

①撬棒保護對DFIG 故障電流有重要影響，傳統(tǒng)同步發(fā)電機的次暫態(tài)電勢串接次暫態(tài)阻抗模型已不適用，需要建立考慮撬棒保護動作的DFIG模型和計及勵磁調(diào)節(jié)特性影響的DFIG 模型。

②適用DFIG 集電線電流保護與傳統(tǒng)電流保護整定原則有較大區(qū)別， 與系統(tǒng)的運行方式和風場內(nèi)部的運行方式等因素有關(guān)。 在電流保護I 段進行整定計算時， 需要將DFIG 的撬棒保護設(shè)為動作狀態(tài)。 而在電流保護II 段整定計算時，系統(tǒng)運行方式的選擇要考慮系統(tǒng)強弱和風場容量等因素的影響， 待整定集電線上其他并聯(lián)的DFIG 的撬棒保護應(yīng)設(shè)定為動作狀態(tài)， 其他集電線上的風機應(yīng)全部投入運行。

③仿真結(jié)果證明了調(diào)整后的集電線電流保護整定方法的正確性。 調(diào)整后的整定方法提高了風電場繼電保護性能， 對電網(wǎng)和風電場的安全穩(wěn)定運行有重大幫助。