双馈风电机组接入对配电网保护的影响及其对策研究

双馈风电机组接入对配电网保护的影响及其对策研究
田文奇;冯江哲;赵小明;王顺超
【摘要】介绍风电场短路电流特性及风电接入后配电网传统保护出现的问题,通过仿真分析了故障位置、风速、无功功率不同时对配电网原有继电保护的不同影响,提出改进自适应电流保护的整定计算方法,并使用实时数字仿真仪(RTDS)和Matlab联合建立仿真模型,仿真结果表明改进的自适应电流保护对舍风电的配电网具有良好的保护效果.
【期刊名称】《河北电力技术》
【年(卷),期】2014(033)005
【总页数】5页(P11-14,19)
【关键词】风力发电;自适应电流保护;配电网;继电保护;实时数字仿真
【作者】田文奇;冯江哲;赵小明;王顺超
【作者单位】龙源(北京)风电工程技术有限公司,北京 100034;龙源(北京)风电工程技术有限公司,北京 100034;龙源(北京)风电工程技术有限公司,北京 100034;龙源(北京)风电工程技术有限公司,北京 100034
【正文语种】中文
【中图分类】TM614
近年来，大量风力发电机组接入中低压配电网给传统配电网保护带来不可忽视的影响。

传统的单侧电源、辐射状配电网，三段式电流保护具有保护原理简单、可靠性高等优点，并且在一般情况下能够满足快速、可靠切除故障的要求。

当接入风电场
的容量不大时，继电保护配置和整定计算往往不考虑风电场的影响，而是简单地将风电场看作是一个负荷［1］。

然而，当接入的风电场达到一定规模时，提供的短路电流很大，甚至会超过系统侧提供的短路电流，可能导致继电保护装置的误动或拒动。

因此，随着风电并网容量的增大，非常有必要研究其对现有继电保护的影响及对策。

目前，国内外针对风电的研究大都集中在风电机组的控制［2－4］、风电场内部
及其联络线的保护［5－7］、风电引起的电能质量问题等方面［8－9］，还有许
多文献也仅仅是针对分布式电源接入位置不同对保护的影响展开研究［10－11］，而同时考虑风电场接入容量、风速、有功功率、无功功率等因素对保护影响问题的研究相对较少。

因此，以下以目前广泛应用的双馈机型为例，结合以上因素深入研究风电场接入电网后配电网保护可能出现的问题及其对策。

风电场接入后，系统与风电场之间的区域为双端电源供电，其他区域仍为单侧电源供电，系统的潮流将重新分布。

当故障发生时，风电场将提供短路电流，使故障电流的大小和流向发生改变，从而影响配电网的保护。

风电场并入配电网接线示意见图1。

下面根据图1中故障发生位置的不同，具体说明风电接入后风速、容量、有功功率、无功功率等因素对配电网保护的影响。

1.1 风电场接入点下游F1点发生短路故障
当故障发生在风电场接入点下游的F1点时，系统和风电场同时提供故障电流，流过保护1和保护2的短路电流都会增大。

对于保护2来说，灵敏度提高，速断保
护的保护范围扩大，可能会延伸到下一级线路而发生误动，从而失去了选择性，而且风电场容量越大，影响越明显。

同时，由于风速状态决定运行状态，而且风电场在超同步运行状态下提供的短路电流大于同步运行状态和亚同步运行状态，所以风速越大，风电场提供的短路电流越大，保护2发生误动的可能性也越大。

另外，
风电场输出无功功率时短路电流比吸收无功功率时大，所以输出无功功率时保护2误动的可能性更大。

1.2 风电接入点下游F2点发生短路故障
当故障发生在风电场接入点下游的F2点时，系统和风电场同时提供故障电流，保护2流过的短路电流增大，风电场的接入能够提高保护2的灵敏度，这对保护2
是有利的。

但是，由于风电场的存在，接入点的残压提高了，保护3流过的短路
电流会减小，并且风电场容量越大越明显。

由于F2处故障时，保护3的电流速断保护不应动作，所以在保护2能够可靠动作时不会产生影响。

但如果保护2由于
某种原因拒动了，需要保护3的定时限电流速断保护动作，由于保护3流过的短
路电流减小了，灵敏度降低，保护范围减小，严重时会拒动。

所以风电场的接入使得保护3不能很好的作为下一级线路的远后备保护。

与F1处故障相同，风电场对保护3的影响程度会因风速的大小和无功功率状态的不同而不同。

1.3 风电接入点上游F3点发生短路故障
当在风电场接入点上游的F3点发生短路故障时，由于通过保护3的短路电流全部由系统电源提供，因此风电场的接入不会对保护3的正确动作产生影响。

1.4 相邻馈线F4点发生短路故障
当故障发生在相邻馈线的F4点时，系统和风电场都将提供短路电流。

保护5测量到的短路电流会增大，灵敏度提高，保护5能够可靠动作，这对保护5是有利的。

保护3和保护4测量到的是风电场提供的短路电流，方向为线路到母线，如果保
护3和保护4没有加装方向元件，风电场容量很大时，则可能造成保护3和保护
4的误动作，这时将扩大停电范围。

使用实时数字仿真系统RTDS对图1所示的系统进行建模、仿真。

具体的参数为：系统电源的电压为10.5kV，初始相位角为0°，最小内阻抗为0.091 Ω，最大内阻抗为0.126Ω；AB线路阻抗为0.54＋j0.694Ω，BC线路阻抗为0.54＋j0.694Ω，
CD线路阻抗为1.813＋j0.651Ω，DE线路阻抗为3.26＋j1.302Ω，AF线路阻抗
为1.08＋j1.388Ω。

该系统的负荷分布是：馈线1和馈线2的末端所带负荷阻抗
均为30＋j15.7Ω；母线B、C、D、F、H所带负荷均为14.17＋j8.78Ω。

风电场
利用单机等效的方法，采用双馈风力发电机型，容量为30MVA，风机出口电压为0.69kV，经过升压变压器升至10kV后，接入馈线2的母线C处。

风机的切入风
速为3m／s，额定风速为12m／s。

未接入风电场前，保护1、2、3和5采用传
统三段式电流保护，其整定值计算结果见表1。

以故障位置的不同为顺序，对接入风电场后保护出现的问题进行研究分析如下。

F1选择为DE线路出口处4%位置，t＝0.2s时该处发生三相短路故障。

图2（a）是风速为7 m／s、12m／s及不含风电场时通过保护2的短路电流；图2（b）是输出无功功率、吸收无功功率及不含风电场时通过保护2的短路电流。

从图2（a）可以看出风速为12m／s时明显比风速7m／s时的短路电流大，说明风电场的风速会直接影响故障时的短路电流。

风速具有随机性和波动性，风速的变化是比较频繁的，在高风速下短路电流大，保护2的灵敏性提高，但可靠性降低，短路电流超过原有保护整定值，保护2和保护1失去选择性。

从图2（b）可以看出，无论风电场无功功率的情况如何，风电场在故障时均对短路电流起助增作用，扩大了保护2的保护范围。

输出无功功率时风电场提供的短路电流比吸收无功功
率时大，保护2发生无选择性的误动。

因此，风电场无功功率的状态对配电网原
有保护也会产生很大的影响。

F2选择为CD线路40%位置，t＝0.2s时发生三相短路故障。

图3（a）是风速为
7m／s、12m／s及不含风电场时通过保护3的短路电流；图3（b）是输出无功
功率、吸收无功功率及不含风电场时通过保护3的短路电流。

从图3可以看出，由于风电场对并网点提供一定的电压支撑，使得通过保护3的
短路电流比无风电场时减小，且风速越大减小的越多，输出无功功率时比吸收无功
功率时减小的多，对于保护3的带时限电流速断保护是不利的，可能会影响保护3带时限电流速断保护对相邻下一条线路的远后备作用。

2.3 BC段F3点短路时风电场对保护3的影响
F3选择为BC线路50%位置，t＝0.2s时发生三相短路故障。

图4（a）所示为接
入风电场前后通过保护3的短路电流，可以看出，风电场的接入不会影响保护3
的可靠动作。

2.4 AF段F4点短路时风电场对保护3的影响
F4选择为AF线路20%位置，t＝0.2s时发生三相短路故障，仿真结果如图4（b）所示。

当没有接入风电场时，保护3正常的负荷电流小于各保护电流整定值，当
相邻馈线1上的AF段发生故障时，通过保护3的电流反而减小，这是因为当AF
故障时，母线A上的电压降低，导致馈线2上的电流减小。

当接入30MVA的风
电场时，其提供的流过保护3的电流为反向电流，由线路流向母线，且比保护3Ⅱ段和Ⅲ段的保护整定值大，如果保护5的无时限电流速断保护由于某种原因拒动，则保护3有可能会误动作，扩大停电范围。

所以，在接入风电场后，其上游线路
上的保护应装设方向元件。

自适应电流保护［12－13］是一种根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实
时地改变保护装置动作特性或整定值的保护。

自适应电流速断保护整定值应随系统运行方式和短路类型的实际情况变化，按下式计算：式中：K′rel为保护的可靠系数；Kd为可自动估计的故障类型系数；ES为保护背侧的系统电源等效电势；ZS
为保护背侧的系统等效阻抗；ZL为被保护线路的阻抗。

其中，通常采用故障分量
原理在线计算的参数有：故障类型系数Kd、保护背侧系统电源等效电势ES和故
障发生时保护背侧的系统等效阻抗Z［14］。

S
对于含有风电场的配电网，将风电场等效为一个电流变化的电流源，其值为风电场
在对应情况下的输出电流，采用故障分量法对故障后含风电的配电系统进行分解，如图5所示。

在此基础上，对式（1）所描述的各参数的计算方法进行改进。

a.系统等效阻抗ZS。

式中为通过对称分量法求得的正序电压故障分量和正序电流故障分量。

b.保护背侧的系统电源等效电势E。

式中：UAF、IAF分别为被保护线路故障时保护安装处的电压、电流。

c.故障类型系数Kd。

由于在相同运行方式下，同一地点分别发生两相短路和三相短路时，两相短路电流是三相短路电流的／2倍，当发生三相短路时，设置故障类型系数Kd为1，发生两相短路时设置故障类型系数Kd为／2。

考虑到E′S是包含风电场的等效电源，其大小与风电场的出力变化或故障发生的类型、位置有关，而在式（1）中的系统等效电势ES为保护所在线路的末端发生三相短路时所对应的系统等效电势，所以式（3）计算值将等于或大于整定计算所需要的值。

同时，含风电的系统两相短路时系统的等效电势比三相短路时小（因为风电场在两相短路时提供的短路电流小），所以两相短路时的短路电流应该小于三相短路时的／2倍，即在整定计算时两相短路故障的故障类型系数Kd应该小于槡3／2。

针对以上问题，文中仍然按照原自适应电流速断保护的整定方法来计算系统等效电势ES及故障类型系数Kd，但适当减小式（1）中的可靠系数K′rel，以减轻原计算方法所带来的整定值偏大问题，更精确的计算方法还有待进一步研究。

利用RTDS仿真和MATLAB编程相结合的方法，针对图1所示的系统F1点发生故障时，仿真对比了线路CD首端保护R2采用传统电流Ⅰ段保护和采用自适应电流速断保护的保护效果。

其中，利用突变量判断故障的发生，在故障发生之前设定自适应无时限电流速断保护的整定值与传统无时限的电流速断保护整定值相等，当判断故障发生之后才进行在线计算获得新的保护整定值，仿真结果如图6所示。

从仿真结果可以看出，对于含有风电场的配电网，自适应电流保护在不同风速、不
同出力情况、不同故障类型情况下都能够达到良好的保护效果。

a.定性分析了风电场接入后故障位置不同对传统保护的影响，并且利用实时数字仿真仪（RTDS）建模仿真，定量分析了各故障位置情况下风速和无功功率不同时对保护的影响程度。

b.提出了改进的自适应电流保护及其整定方法，通过仿真对各种故障情况下保护动作情况进行了验证，仿真结果表明改进的自适应电流保护能够解决含风电场的配电网电流保护出现的问题，具有良好的保护效果。

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