風電場集中接入對集電線電流保護的影響研究

李靖

摘要：風電機組由于區別于傳統發電機，故障時饋出的短路電流會對風場內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，以及風場內部復雜多變的運行方式，也給風電場集電線電流保護的整定帶來了新的挑戰。

關鍵詞：風電場;集中接入;集電線電流;保護;影響

1傳統集電線電流保護的整定方法

典型的雙饋型風廠如圖1所示，單臺DFIG的容量為1.5MW，風機通過箱式變壓器升壓至35kV，再通過主變升壓至110kV，與外部電網相連。風電場集電線電壓等級為35kV，線路不長，在電網側配置有兩段式電流保護（圖中M點）。

1.1傳統集電線電流保護Ⅰ段整定方法

在圖1中，當待整定集電線末端f1處發生故障時，根據傳統電流保護整定原則，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。

式中：IⅠset為電流保護I段整定值;KⅠsen為I段靈敏度系數，典型值取1.5;Imin-end為故障時，流過保護的最小短路電流。

在計算Imin-end時，傳統整定方法采用的計算條件如下：圖1中f1處發生兩相短路;系統采取最小運行方式;所有風電機組退出運行。

1.2傳統集電線電流保護Ⅱ段整定方法

在圖1中，當待整定集電線的箱式變壓器低壓側f2處發生故障時，根據傳統電流保護整定原則，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最大短路電流整定。

式中：IⅡset為電流保護II段整定值;KⅡrel為II段可靠系數，典型值取1.5;Imax為故障時，流過保護的最大短路電流。在計算Imax時，傳統的整定方法采用的計算條件如下：圖1中f2處發生三相短路;系統采用最大運行方式;所有風電機組投入運行。

2傳統集電線電流保護整定方法存在的主要問題和調整策略

2.1傳統電流保護Ⅰ段整定方法存在的主要問題和調整策略

（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，關鍵在于正確計算集電線末端最小短路電流Imin-end。傳統的整定方法中，所有風機將退出運行，只考慮系統提供的短路電流。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，故可采用傳統整定方法計算Imin-end。但當發生近區短路故障時，可能導致風電機組撬棒保護動作，此時DFIG勵磁回路經撬棒電阻短接，失去勵磁，其等值電路類似為異步電動機，會對系統的短路電流有分流作用，導致流過待整定集電線上的短路電流減小，如圖2所示。

在圖2中：待整定集電線末端f點發生兩相短路;I1為系統側向風場提供的短路電流;I2為DFIG的撬棒保護動作導致的分流作用;I3為故障集電線上的短路電流。

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

2.2傳統電流保護Ⅱ段整定方法存在的主要問題和調整策略

（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。傳統的整定計算方法在計算Imax時，將風機看作傳統發電機的電壓源串接內阻抗的等效電源，故計算條件為所有風機全部投入運行。根據前述分析，故障發生時，DFIG的短路計算模型與傳統發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。

（2）電流保護Ⅱ段整定方法的調整策略

由式（2）可以看出，箱式變低壓側的最大短路電流與電網的運行方式、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。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3所示的電流保護Ⅱ段整定等效示意圖為例，詳細分析電網不同計算條件對短路電流Imax的影響。

在圖3中，待整定集電線箱變低壓側f點發生三相短路故障，I1為系統側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3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風電機組的運行方式決定;I2由其他集電線風電機組的運行方式決定;I1由外部系統的運行方式決定。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風電機組的運行方式

在傳統的整定方法中，待整定集電線上并聯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由提供短路電流轉變為吸收短路電流，從而減小短路阻抗并增大I3。故傳統整定方法中待整定集電線上其他并聯風電機組的運行方式應將DFIG的撬棒保護設置為動作動態。

②其他集電線風電機組的運行方式

在傳統的整定方法中，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。故傳統整定方法中其他集電線風電機組的運行方式不需要作調整。

③外部系統運行方式

對圖3使用疊加定理，得到圖4。

在圖4中，根據疊加定理有：

式中：I3′為只考慮其他集電線的風機提供短路電流時，流過故障集電線的短路電流;I3″為只考慮系統側提供短路電流時，流過集電線的短路電流;I1′為只考慮其他集電線的風機提供短路電流時，往系統側的分流;I1″為只考慮系統側提供短路電流時，流過故障集電線的短路電流;I2′為流向待整定集電線的短路電流;I2″為流向其他集電線風機的短路電流。

由式（3）可以看出，I3由I3′和I3″兩部分組成，當I3′和I3″同時最大時，I3最大。為了使I3′最大，必須使其他集電線上的風機提供的短路電流往系統側的分流I1′最小。由電路理論可知，當系統側的等效阻抗最大時，流向系統側的分流I1′越小，I3′越大，故此時系統應為最小運行方式。為了使I3″最大，必須使系統側提供的短路電流I1″最大，此時系統應為最大運行方式。由以上分析可知，I3′和I3″無法同時取最大值。當系統為強系統并且風電場容量較小時，I3受系統側提供的短路電流的影響要大一些，系統應選擇最大運行方式;當系統為弱系統并且風電場容量較大時，I3受風機提供的短路電流的影響要大一些，系統應選擇最小運行方式來減少分流作用。故在整定集電線電流保護Ⅱ段時，須要考慮系統強弱和風場容量，從而確定系統的運行方式。

結束語

雙饋風電機組復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的安全穩定運行。基于此，本文分析了DFIG的故障電流特性，建立了相應的計算模型。分析了風電場集電線傳統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。

參考文獻

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