適用于雙饋風電場集電線路保護的LVRT保護動作判據

劉書玉，劉毅力，董 哲

（西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安 710048）

0 引言

電網電壓跌落嚴重時，為了滿足風機不脫網運行，要求并網風力發電機具有低電壓穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）功能。風力發電機組并網后，其復雜的輸出特性對傳統三段式電流保護是一個巨大的挑戰[1]～[3]。

為了防止風電場風機故障電流使下游集電線路保護誤動，文獻[4]針對集電線路提出了一套比較完整的具有針對性的相間故障和接地故障的繼電保護方案。文獻[5]分析了風電場集電線路發生故障，有可能引起相鄰線路發生保護誤動。文獻[6]分析了風電場繼電保護配置以及集電線路保護受到熔斷器動作時間的影響。文獻[7]從撬棒電阻阻值與電壓跌落程度對風機提供的短路電流穩態交流分量角度分析，根據風機箱式變壓器熔斷器與集電線路電流保護的反時限特點，優化了集電線路保護選擇性和速動性。對于具有低電壓穿越能力的雙饋風電場而言，采用不同低電壓穿越措施后會對風電場提供的短路電流造成不同影響，但是上述文獻并未針對這一問題進行研究。

本文分析了當風機并網點發生不同程度電壓跌落對稱故障時，LVRT控制措施中保護電路投入的不同情況下，雙饋異步風力發電機（Doubly Fed Induction Generator，DFIG）暫態電流的變化規律，以及對傳統集電線路電流保護可能產生拒動的影響。因此，在集電線路電流保護基礎上采用LVRT保護電路是否投入的判據，基于MATLAB/Simulink搭建含有DFIG的風電場模型，仿真了集電線路三相對稱故障情況。結果表明，采用檢測LVRT保護電路是否投入的保護方法，能夠保證風電場集電線路繼電保護的正確動作。

1 DFIG的LVRT控制方法

1.1 LVRT控制措施

本文將Crowbar電路與DC-Chopper保護電路相結合，提出一種改進的保護電路實現LVRT，如圖1所示。

圖1 LVRT控制電路圖Fig.1 LVRT control circuit diagram

DFIG的定子側通過變壓器與電網相連，轉子側通過背靠背換流器與電網間接相連接。在轉子側變換器通過在繞組中加入交流勵磁，通過調節勵磁電流的幅值、相位控制無功功率，調節勵磁電流的頻率控制有功功率和轉速，實現定子側輸出的恒頻恒壓；通過矢量控制實現功率的調節，以及最大風能追蹤。網側變換器主要為保持直流母線電壓恒定和網側無功功率的控制[8]。Crowbar保護通過采用三相二極管不可控整流橋結構，整流橋直流通道由可關斷IGBT電力電子器件串聯釋能電阻組成，IGBT觸發脈沖信號通過反應轉子瞬時電流突變來實現。

由圖1可知，轉子側變換器與Crowbar電路的關系為

式中：ir，iCrowbar，iConv分別為轉子電流、旁路電流和流入轉子側變換器回路電流；RCrowbar為撬棒電阻值；uCrowbar，uConv分別為Crowbar旁路電壓、轉子側變換器回路的電壓。當撬棒保護不投入時，iCrowbar=0；當撬棒保護投入時，iCrowbar≠0。

DC-Chopper電路并聯電容是為了抑制直流母線過電壓。DC-Chopper保護是在直流母線并聯卸荷電路，卸荷電路由卸荷電阻和IGBT組成，通常采取直流母線過壓投入、低壓返回的滯環控制投退方式[9]。DC-Chopper保護實際上是通過反復投入與切出，維持母線電壓在直流母線電壓下限值（uDCmin）至直流母線電壓上限值（uDCmax）內。

1.2 RCrowbar與uDC開斷電壓的整定

RCrowbar主要與轉子電流ir和直流母線電壓uDC有關。當轉子電壓最大值urmax保持不變時，為使暫態分量更快的衰減，RCrowbar須足夠大。為了防止撬棒電阻阻值過大而引起轉子側過電壓，RCrowbar上的電壓須小于直流母線電壓最大閾值uDCmax，即：

式中：RCrowbarmax，RCrowbarmin分別為撬棒電阻最大值、最小值；L′r=（LsLr-Lm2）/Ls；Ls，Lr，Lm分別為定子電感、轉子電感、勵磁電感；i′rmax為故障時最大轉子電流；ωr為轉子角速度。

DC-Chopper開斷電壓選取，如圖2所示。

圖2 Crowbar控制原理圖Fig.2 Crowbar control principle diagram

DC-Chopper開通保護閾值uDCmax應低于Crowbar開通閾值，并留有裕量。直流側電壓一般不允許超過額定電壓的110%[9]，在仿真中將閾值設置為1.1unDC，如圖3所示。

圖3 DC-Chopper控制原理圖Fig.3 DC-Chopper control principle diagram

2 DFIG短路電流特性

2.1 DFIG故障電流

若風電機組并網點處發生三相對稱短路故障，DFIG輸出的短路電流為

式中：is為DFIG定子輸出短路電流；iGSC為網側輸出短路電流，一般很小，因此可以用定子輸出短路電流來表示雙饋風機所提供的短路電流[10]。

假設t=0時，雙饋風力發電機機端發生三相對稱故障，機端電壓跌落至（1-k）us，k為跌落深度，若不考慮Crowbar動作延時，瞬時投入，將撬棒電阻看作轉子繞組的一部分。此時，轉子側電阻可等效為

式中：ks=Lm/Ls，kr=Lm/Lr分別為定、轉子互感系數；σ為漏磁系數，σ=1-kskr；τ′s為定子衰減時間常數；τ′r為轉子衰減時間常數。

由式（6）可知，DFIG輸出的短路電流由工頻分量、直流分量、與轉速有關的轉速頻率分量組成。

2.2 DFIG故障電流分析

本文以1臺5.5 MW的雙饋風力發電機為例，設2 s發生三相對稱短路故障，故障時間設置為0.625 s。對以下保護電路投入的3種不同情況進行仿真對比，情況1：當機端電壓跌落到額定電壓80%時，不投入Crowbar與DC-Chopper保護電路；情況2：當機端電壓跌落到額定電壓50%時，DC-Chopper保護電路不投入，Crowbar保護電路投入；情況3：當機端電壓跌落到額定電壓20%時，Crowbar與DC-Chopper保護電路都投入。圖4給出了3種情況下雙饋風機的直流母線電壓uDC、有功功率P、無功功率Q及定、轉子側的a相電流ir，is波形圖。

圖4 三相短路保護電路DFIG響應曲線Fig.4 Three-phase short circuit protection circuit DFIG response curve

由圖4可知，當機端電壓跌落至額定電壓80%時，只靠轉子側變流器就能完成LVRT過程，無需Crowbar和DC-Chopper保護的投入。此時DFIG直流母線電壓最大值為1.551 kV，轉子電流最高為0.6 p.u.，對轉子側變流器及轉子繞組造成的影響不大；定子短路電流最大值為14.41 p.u.，是正常運行時的1.3倍；同時風電機輸出有功功率產生較小波動。定子電流波形相對穩定，DFIG能輸出相對穩定的短路電流。

當機端電壓跌落額定電壓50%時，Crowbar保護電路投入，由于直流母線電壓為1.626 kV，未超過閾值，DC-Chopper保護電路不作用，此時轉子電流最高達到0.28 p.u.，定子短路電流最大值為21.84 p.u.，經過0.07 s迅速衰減至7.3 p.u.，故障消除時刻無功出現波動。當機端電壓跌落額定電壓20%時，隨著Crowbar保護電路的投入，轉子電流最高達到12.44 p.u.，這會嚴重損壞轉子側變流器及轉子繞組；定子短路電流迅速衰減，其峰值最大為40.42 p.u.，約為正常運行時的4倍，但隨著保護投入、切出，電流值迅速增減至6.22 p.u.；由于直流母線電壓超過電壓閾值，DC-Chopper投入后控制電壓使直流母線電壓最高為1.626 kV，隨著保護電路的投切，電壓不斷衰減；故障清除時，風機無功功率產生較大波動。

由圖4情況2，3可知，故障期間投入保護電路，同時短路轉子側變流器，電機所提供的短路電流交流分量在撬棒電路的影響下衰減較快，不能提供周期性的穩態電流。保護電路投入后，定轉子短路電流的峰值持續時間短，衰減速度快，且迅速衰減至最小。這一特點有可能使常規的電流速斷保護誤動，而對于過電流保護，短路電流迅速衰減至極小，有可能小于保護的動作整定值，導致過電流保護拒動。

3 雙饋風機LVRT措施保護動作判據

由于風電場向系統提供短路電流這一特點，傳統的配電網電流保護不再適用于風電場集電線路繼電保護。結合上述分析，需要考慮到LVRT控制措施保護的動作情況，本文采用文獻[11]的方法，得到Crowbar與DC-Chopper保護是否投入的判據。

設系統穩定運行時風機的額定電壓為un，故障發生后，機端電壓由us0跌落至us1，us1=（1-kd）·us0，將故障后的機端電壓跌落系數kd作為兩種保護電路互相協同配合控制下的動作判據。DCChopper保護動作的觸發電壓uChopper，取DCChopper的觸發電壓即直流母線上允許流過的最大電壓值uDCmax。uCrowbar為Crowbar保護動作的觸發電壓，Crowbar電路的投入一般為轉子電流超過額定電流上限值irmax，即：

令轉子電流最大值irmax等于轉子電流額定電流的上限閾值irnmax，根據us1=（1-kd）us0求得跌落系數kd，此時的uCrowbar=us1，也就是Crowbar的動作判據。

當系統故障后測得實際電壓u滿足uChopper＜u≤un時，Crowbar和DC-Chopper保護電路不投入；當uChopper＜u≤uCrowbar時，Crowbar保護電路投入，DC-Chopper保護電路不投入；當0＜u≤uChopper時，Crowbar和DC-Chopper保護電路都投入。

判據流程如圖5所示。

圖5 雙饋風機LVRT控制措施保護動作判據流程圖Fig.5 Flow chart of protection action criteria for LVRT control measures of DFIG

由圖5可知，本文將保護的動作情況分為兩類，狀態1表示機端電壓輕微跌落，保護電路不投入；狀態2表示電壓跌落程度較深，保護電路相繼投入。

4 集電線路電流保護配置

4.1 集電線路電流保護改進方案

為了防止風機機端發生輕微故障，因不滿足快速性導致保護拒動的情況，電流速斷保護按照匯集線末端在最大運行方式下發生三相短路時的短路電流進行整定，取時限為0 s[12]。限時電流速斷保護的范圍延展到主變壓器，除了作為本級的保護，也作為變壓器的后備保護，增加一個時間級[13]。同時需判斷Crowbar與DC-Chopper保護電路是否動作，當電流超過整定值時，判斷電壓條件是否滿足，若檢測到保護投入后，電流保護啟動，即使保護啟動后電流快速衰減而造成電流條件不滿足也能確保故障可靠切除。定時限過電流保護按照大于該線路上可能出現的最大負荷電流進行整定。

4.2 電流保護邏輯框圖

結合前文對DFIG故障特性的分析情況，本文提出一種改進方法實現風電場集電線路保護，其原理如圖6所示。

圖6 電流保護原理邏輯框圖Fig.6 Logic block diagram of current protection principle

5 仿真驗證

圖7為內蒙古東部某風電場并網模型。其中單臺DFIG參數：定、轉子匝數比Ns∶Nr=1∶3，轉子電阻為Rr=0.005Ω，定子電阻Rs=0.007Ω，轉子漏感Lr=0.143 mH，定子漏感Ls=0.157 mH，勵磁互感Lm=2.68 mH，直流母線額定電壓unDC=1.45 kV，電纜電抗值為0.852 0Ω，電阻值為2.791Ω，阻抗值為2.918 1Ω。以集電線路1為例，為了證明集電線路在發生故障且低電壓穿越措施投入后，改進的電流保護方案能夠使保護正確動作，仿真三相對稱短路故障。

圖7 風電場并網模型圖Fig.7 Grid-connected wind farm model diagram

圖9 加入LVRT措施下流過保護的短路電流Fig.9 Short-circuit current flowing through protection under LVRT measures

圖10 流過改進保護的短路電流Fig.10 Short-circuit current flowing through improved protection

由圖8可見，對于傳統的電流保護，電壓輕微跌落時，由于未投入DC-Chopper以及Crowbar限流策略，故障后，直流電容電壓增大，轉子側會有很大的過電流，流過保護的短路電流超過保護整定值，此時流過BRK3的電流不會減小，BRK3保護的電流II段不會拒動，0.3 s后保護動作，切除故障。Crowbar電路和DC-Chopper電路的投入，限制了轉子的過電流，直流電容電壓沒有過電壓，同時Crowbar電路的投入限制了流過BRK3的電流，導致BRK3保護II段拒動，BRK3在故障后沒有分閘，保護拒動。針對改進的匯集線保護，通過添加Crowbar投入信號，消除了BRK3的II段保護拒動動作影響，保護正常動作。

圖8 未加LVRT措施下流過保護的短路電流Fig.8 Short-circuit current flowing through protection without LVRT measures

動作驗證結果如表1所示。

表1 保護動作結果Table 1 Protection action result

當保護區外故障時，流過保護的電壓會略微降低，此時風機因不穩定因素吸收無功，產生過電流，導致Crowbar電路誤投，引起集電線路保護誤動。因此為防止保護區外發生故障，在Crowbar電路安裝一個低電壓保護電路，設置短路電壓中三相線電壓其中任意一項跌落低于0.85倍相電壓時保護才投入，如圖11所示。

圖11 低電壓保護電路Fig.11 Low voltage protection circuit

表2為安裝低電壓保護電路后的保護動作結果。

表2 保護動作結果Table 2 Protection action result

當電網側設置區外近端金屬性接地故障f1，此時短路點電流主要由電網側提供，集電線路保護也會有過電流，但故障點所在線路保護優先動作，因該保護不是本文討論重點在此不多做解釋。故障切除后集電線路保護安裝處電壓輕微下降，此時配合低電壓保護電路，保護不會誤動作，如圖12所示。

圖12 發生區外故障流過保護的故障電流Fig.12 The fault current flowing through the protection when an out-of-zone fault occurs

綜上，集電線路發生故障，由于保護電路的投入而引起的短路電流迅速衰減，使流過集電線路電流保護的電流小于保護整定值，引起保護II段拒動，此時加入保護電路是否投入的判據后，保護能夠可靠動作。該仿真結果證明了在電流保護II段采用Crowbar與DC-Chopper是否投入的判據，通過時限的配合，使得保護II段避免了因LVRT控制保護電路投入后引起的保護拒動；驗證了改進的電流保護方法可以使集電線路繼電保護正確而可靠的動作。

6 結論

本文基于傳統的配電網電流保護已不適用于接入具有低電壓穿越能力的雙饋風力發電場集電線路的繼電保護，從一種改進的LVRT控制措施入手，通過Crowbar與DC-Chopper保護動作情況分析了DFIG提供的短路電流特性。并針對集電線路電流保護的因素做出了適當整改，在電流保護II段增加了判斷LVRT控制保護是否投入的電壓判據，并根據LVRT的控制要求，解決傳統電流保護的選擇性及保護拒動問題。最后通過仿真，驗證了該方法的有效性。