劉闖，晁勤，吐爾遜·依布拉音，童柱，周二彪,4

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊830008；2.昌吉供電公司，新疆昌吉831100；3.廣水供電公司，湖北隨州432700；4.新疆電力經濟技術研究院，新疆烏魯木齊830008)

含風電電網輸電線距離保護測量阻抗特性研究

劉闖1,2，晁勤1，吐爾遜·依布拉音1，童柱3，周二彪1,4

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊830008；2.昌吉供電公司，新疆昌吉831100；3.廣水供電公司，湖北隨州432700；4.新疆電力經濟技術研究院，新疆烏魯木齊830008)

分析了聯絡線風電側距離保護測量阻抗隨風速、過渡電阻等參數變化時的特性。基于雙饋異步(DFIG)、普通異步(IG)機組仿真了線路不同故障下改變風速、過渡電阻等參數時距離保護測量阻抗的變化。結果表明，由于對側電源的助增和本側風機風速變化使過渡電阻呈電容性或電感性，可引起距離保護保護范圍縮短或使保護裝置超范圍動作，從而導致保護產生誤動或拒動。針對測量阻抗隨過渡電阻變化的特性，提出了相應的改進措施。

DFIG；IG；Matlab；距離保護；風速；過渡電阻；測量阻抗

隨著風電技術的快速發(fā)展，風電機組的單機容量不斷增加，風電場規(guī)模不斷增大。電力系統(tǒng)中風電承擔的負荷日益增多，高壓輸電線路成為風電電能輸送的有效載體。在我國，大容量風電場出口輸電線路為了保證更好的安全性和獨立性，首先考慮距離保護[1]。然而，由于風速的間歇性，風電場運行狀態(tài)和參數不斷變化，對風電場出口輸電線路距離保護將造成一定影響[2]。同時，電網側短路點過渡電阻變化也會對聯絡線距離保護產生影響。因此，需要對多參數變化時的距離保護測量阻抗特性進行研究。

文獻[3]分析了分布式發(fā)電的容量、接入位置以及變壓器連接組別對距離保護的影響，文獻[4-7]介紹了不同類型風電機組的短路特性及對電網電流保護的影響與對策，文獻[8]研究了不同負荷水平和功率因素時風電場對其出口輸電線路距離保護的影響，文獻[9-10]介紹了風電場聯絡線距離保護的自適應整定方法，但均未對不同風電機組下風速、過渡電阻、短路容量等參數變化時測量阻抗的特性進行對比分析。本文主要研究了含風電場的雙側電源聯絡線的距離保護測量阻抗隨風速、過渡電阻、接入點短路容量、故障類型等參數變化時的特性，并基于雙饋異步(DFIG)、普通異步(IG)機組仿真分析了風速、過渡電阻和故障類型等變化時對出口輸電線路距離保護的影響，并針對測量阻抗隨過渡電阻的變化特性，提出了相應的改進措施。

1 距離保護測量阻抗的原理分析

大容量風電場通過單回高壓線路向電網注入電能，距離保護作為輸電線路的保護。圖1為輸電線路上發(fā)生單相接地故障時的接線圖，仿真時系統(tǒng)側和風電側均采用簡化等效模型，本文主要研究風電側距離保護。線路在K點發(fā)生短路接地，過渡電阻為。如圖1所示，W、G分別代表風電側和系統(tǒng)側母線；1SW、1SG分別為風電側和系統(tǒng)側電源的等效A相正序阻抗；1LW、1LG分別為母線W、G與F點間的輸電線路A相正序阻抗；1W和1G分別代表風電側電源和系統(tǒng)側電源與故障點之間的A相正序阻抗。以下下標中含0、2的阻抗代表相應的零序和負序參數。

圖1A相接地單相接線圖

對單相接地(AG)和相間短路(BC)，W母線處距離保護感受到的阻抗如下：

式中：K0=(Z0L-Z1L)/3Z1L是零序電流補償因素。

測量阻抗為：

單相接地時：

式中：C′′=C+C+CZ/Z。

相間短路時：

三相短路時：

其中：

過渡電阻為：

2 聯絡線距離保護測量阻抗仿真系統(tǒng)

為研究風電對輸電線路距離保護測量阻抗的影響，本文以220 kV輸電線路為例，基于風速、過渡電阻、F點短路容量、故障類型研究過渡電阻對測量阻抗的影響。在Matlab環(huán)境下搭建如圖2所示的仿真系統(tǒng)，仿真時風電場分別由容量為30 MW的IG機組和DFIG機組組成，單機容量均為1.5 MW，每臺風機均與0.69 kV/35 kV的2 MVA配電變壓器(DYn1)相連。從保護角度來看，由于零序電流分量的存在，DYn連接是比YnYn連接更好的一種接法，故本文變壓器采用DYn接法。

圖2 含風電場系統(tǒng)結構

3 風電場和電網參數變化時測量阻抗特性仿真分析

3.1 風電場由DFIG機組組成時距離保護的測量阻抗

風電場由DFIG機組組成，仿真時風速分別為8、12、16m/s，短路故障在線路50%(||＝8Ω)處發(fā)生。基于1、2、0和式(2)～式(4)可計算出，當典型風速為12m/s時，風電側距離保護處如表1所示，觀察得其他風速時，幅值保持不變，但角度有1°～2°的變化。

表1 基于DFIG機組時W側過渡電阻補償系數Kr

短路容量為1000 MVA時，基于仿真系統(tǒng)分別仿真出不同風速時風電側距離保護（母線W處）測量阻抗的特性，仿真結果見圖3～圖5(圖中均為DFIG)。由圖3得當K點單相接地且風速一定時，過渡電阻越大則保護測量阻抗越大，=15Ω時測量阻抗為36.53∠15.22°Ω；過渡電阻一定時，風速越大則測量阻抗越小。由圖4和圖5得相間和三相短路且風速為16m/s時，過渡電阻增大，則保護測量阻抗不同程度地向實軸靠攏，甚至可能出現負值，=5Ω時測量阻抗分別為57.13∠－0.12°Ω和69.73∠－3.18°Ω。由圖3～圖5得使過渡電阻呈電感性或電容性，過渡電阻、風速對測量阻抗有顯著影響，可能使保護誤動或拒動。但當故障均為金屬性短路即=0Ω時，無論風速大小，風電側距離繼電器均能正確測出阻抗值。

圖3 K點單相接地時風電側保護的測量阻抗(從0變到15Ω)

圖4 K點兩相短路時風電側保護的測量阻抗(從0變到5Ω)

圖5 K點三相短路時風電側保護的測量阻抗(從0變到5Ω)

3.2 風電場由IG機組組成時保護的測量阻抗

將DFIG機組改為同容量的IG機組接入電網。當典型風速12m/s時，如表2所示。接入點短路容量為1000 MVA，不同風速時風電側距離保護測量阻抗的特性見圖6～圖8(圖中均為IG)。

表2 基于IG機組時W側過渡電阻補償系數Kr

圖6 K點單相接地時風電側保護的測量阻抗(從0變到15Ω)

圖7 K點兩相短路時風電側保護的測量阻抗(從0變到5Ω)

圖8 K點三相短路時風電側保護的測量阻抗(從0變到5Ω)

由圖6得K點單相接地且風速一定時，過渡電阻越大，保護測量阻抗越大；過渡電阻一定時，風速越大則測量阻抗越小。單相接地時，當風速為16m/s，=15Ω時，測量阻抗達43.4∠12.87°Ω。由圖7和圖8得相間和三相短路時，風速為16m/s且過渡電阻為5Ω，測量阻抗分別為85.48∠2.93°Ω和86.21∠－0.31°Ω。由圖6～圖8得使過渡電阻呈電感性或電容性，對保護測量阻抗有顯著影響，可能使保護誤動或拒動。但當三種故障均為金屬性短路，距離保護均能正確測出阻抗值。相同條件下，與DFIG機組相比，當風電場由IG機組組成時，過渡電阻對測量阻抗影響更大。

4 輸電線路距離保護存在的問題及改進措施

由仿真分析得含風電的雙側電源線路發(fā)生短路故障時，對側電源和本側風機風速增大對過渡電阻有助增電流作用，過渡電阻將呈電容性或電感性。風電側距離保護的測量阻抗將隨過渡電阻的容抗性變化而減小或增大，可使距離保護保護范圍縮短或引起保護裝置的超范圍動作，從而導致距離保護誤動或拒動。如圖9(a)所示，呈現容性，進入保護的動作范圍引起保護誤動；圖9(b)中呈現感性，使在保護范圍之外即保護拒動。

圖9使保護誤動或拒動

針對上述問題，選用具有躲過渡電阻能力的自適應式阻抗繼電器，比如多邊形繼電器。如圖10所示，阻抗繼電器動作特性邊界以整定的阻抗矢量作為其軸心，通過旋轉傾斜角來消除短路點過渡電阻帶來的不利影響。

圖10 距離保護改進措施

圖10(a)中為克服線路末端故障時過渡電阻的影響，五邊形阻抗繼電器的BC邊可在軸方向獨立移動以適應大小不同的過渡電阻，通常1取45°～60°。0A邊為保證線路出口經過渡電阻短路時能夠可靠動作，2通常取15°。傾斜角4的選取應能避免在輸電線路末端發(fā)生短路時保護誤動和拒動，其通過實時計算得到。對短線路，由于其值比較小，容易受過渡電阻影響。此時，可加大/比值以增強其允許過渡電阻的能力。

5 結論

（1）含風電的雙電源線路由于對側電源的助增和本側風機運行風速變化使過渡電阻呈電容性或電感性，可導致距離保護超范圍動作或使距離保護的保護范圍縮短，從而導致保護誤動或拒動。

（2）風電場出口線路距離保護整定時，必須考慮過渡電阻、風速、短路容量的影響，盡量配置多邊形繼電器并適當調整其保護范圍，以避免極端情況下保護產生誤動或拒動。另外，風電場升壓變壓器采用DYn接法，在單相接地時，零序電流的存在使阻抗繼電器有更好的動作條件。

（3）相同條件下，與DFIG機組相比，當風電場由IG機組組成時，過渡電阻對測量阻抗影響更大。但當故障為金屬性短路時，兩種機組風電側距離繼電器均能正確測出阻抗值。

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Research onmeasured impedance characteristics of transmission line distance protection of power grid with wind farm

LIU Chuang1,2,CHAO Qin1,TUERXUN Yibulayin1,TONG Zhu3,ZHOU Er-biao1,4

The characteristics ofmeasured impedance in wind power side distance protection of the contact line based on variations of the wind speed and fault resistance were analyzed.Two types of WTGU:Doubly Fed(DFIG)and Squirrel Cage Induction Generators(IG)were simulated and connected to grid with single circuit transmission line. The effect of the fault resistance and wind speed onmeasured impedance of distance protection was simulated. Obtained thatmeasured impedance and Change of wind speedmay exceed the scope of action or shortened the scope of the protection,protectionmalfunction or refuse tomovemight be resulted.Aiming at the characteristics ofmeasured impedance that variation with fault resistance,the corresponding protection configuration and principle were put forward.

DFIG;IG;Matlab;distance protection;wind speed;fault resistance;measured impedance

TM 614

A

1002-087 X(2014)10-1900-04

2014-03-15

國家自然科學基金項目(51267020)；科技部國家國際科技合作專項資助(2013DFG61520)

劉闖(1987—)，男，湖北省人，碩士研究生，主要研究方向為潔凈能源及其并網技術。