王紫薇, 肖 繁, 王友懷, 張 哲, 尹項根

(1. 三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院, 湖北省宜昌市 443002; 2. 國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 湖北省武漢市 430077; 3. 強(qiáng)電磁與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室(華中科技大學(xué)), 湖北省武漢市 430074)

0 引言

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(doubly-fed induction generator,DFIG)由于具有較為優(yōu)異的能量轉(zhuǎn)換效率及靈活的運(yùn)行方式已逐步發(fā)展為風(fēng)電領(lǐng)域的主要機(jī)型。目前,雙饋風(fēng)電機(jī)組一般采用單元接線方式,并聯(lián)分組后就地形成集約式風(fēng)電場,然后經(jīng)過升壓變壓器和聯(lián)絡(luò)線連接到電網(wǎng)中。因此,雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線作為風(fēng)電場向電網(wǎng)輸送功率的重要通道,其運(yùn)行安全對于風(fēng)電場和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行都具有重要意義。

為了防止電網(wǎng)故障期間風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模脫網(wǎng)給電網(wǎng)造成的沖擊,確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,并網(wǎng)規(guī)程中明確要求風(fēng)電機(jī)組應(yīng)具備良好的低電壓穿越運(yùn)行能力。由于雙饋風(fēng)電機(jī)組的短路電流特性與其低壓運(yùn)行控制策略以及本體保護(hù)方式等諸多因素有關(guān),與傳統(tǒng)的交流同步電機(jī)相比存在較大差異,使得基于傳統(tǒng)同步電機(jī)故障特性的電網(wǎng)保護(hù)選相原理與算法都會受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。中國內(nèi)蒙古自治區(qū)等地區(qū)曾發(fā)生多起風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線保護(hù)誤選相發(fā)生的脫網(wǎng)事故[1-3]。為保證風(fēng)電場和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,研究適用于雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線的選相元件具有重要意義。

由于高壓系統(tǒng)單相重合閘、距離保護(hù)元件和故障定位等方面[4-6]的選相需要,選相元件成為高壓保護(hù)裝置的重要元件。對于雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線選相元件,文獻(xiàn)[7-8]指出在風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)生故障時,由于風(fēng)場側(cè)等值電源的正負(fù)序阻抗不相等,且正序阻抗有較大波動,使得風(fēng)電系統(tǒng)中的突變量選相元件難以滿足雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線保護(hù)的選相需求。文獻(xiàn)[1,9]分析了雙饋型電源撬棒保護(hù)動作后可能導(dǎo)致傳統(tǒng)電流選相元件存在誤選相的問題,同時也指出穩(wěn)態(tài)量電壓選相元件可以滿足雙饋型電源撬棒保護(hù)動作條件下的選相需求;而文獻(xiàn)[10]則提出了計及撬棒保護(hù)動作影響的改進(jìn)電流突變量選相方案,該方案通過對電流突變量進(jìn)行正序故障電流補(bǔ)償來消除正、負(fù)序阻抗之間的差異,進(jìn)而減小阻抗差異的影響。然而,上述分析主要針對雙饋風(fēng)電場撬棒電路投入的情況。事實(shí)上,在電壓跌落不深的情況下,雙饋機(jī)組的撬棒保護(hù)將不會動作,此時DFIG主要由轉(zhuǎn)子變頻器進(jìn)行勵磁調(diào)節(jié)控制[11-13]。在勵磁調(diào)節(jié)運(yùn)行狀態(tài)下,DFIG饋出短路電流遠(yuǎn)較撬棒保護(hù)動作時復(fù)雜,其短路電流大小與機(jī)端電壓及采用的低電壓穿越控制策略相關(guān)[14-15],對聯(lián)絡(luò)線選相元件的影響更為嚴(yán)重。然而,目前研究大多側(cè)重于DFIG在勵磁調(diào)節(jié)狀態(tài)下采用的低電壓穿越控制策略及其故障電流特性,缺乏對聯(lián)絡(luò)線選相元件動作行為的分析。

為保證風(fēng)電場和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,減小因選相元件誤選相造成大規(guī)模雙饋風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)事故的發(fā)生,本文在分析傳統(tǒng)選相元件應(yīng)用于雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線存在不足的基礎(chǔ)上,提出了基于相間電壓突變量和相電壓突變量幅值比較的故障選相新方法。仿真結(jié)果表明所提出的電壓突變量綜合選相新方法的選相性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)電壓和電流突變量選相方案,可以滿足新能源電場聯(lián)絡(luò)線保護(hù)與重合閘的選相要求。

1 DFIG故障電流特性分析

當(dāng)撬棒保護(hù)不動作時,DFIG的短路電流特性與其所采用的勵磁控制策略等因素有關(guān)。根據(jù)采用的控制策略方案,文獻(xiàn)[14-15]分別對DFIG在電網(wǎng)故障條件下的故障電流特性進(jìn)行了分析研究,結(jié)果表明,計及勵磁調(diào)節(jié)特性影響后,DFIG故障電流中只含有衰減的直流分量和基頻分量,不含衰減的基頻分量。因此,只需分析DFIG饋出短路電流基頻分量對聯(lián)絡(luò)線選相元件的影響。

在對稱故障條件下,根據(jù)國家電網(wǎng)公司頒布的《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》[16]要求,風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)故障期間應(yīng)發(fā)出無功功率,以穩(wěn)定電網(wǎng)電壓和緩解電網(wǎng)的無功壓力。在不對稱故障條件下,由于DFIG定子繞組會產(chǎn)生不均衡發(fā)熱,轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)脈動,輸出功率發(fā)生振蕩等現(xiàn)象[17]。為保證DFIG的運(yùn)行安全,增強(qiáng)其低電壓穿越運(yùn)行能力,國內(nèi)外學(xué)者提出了多種不同的控制策略[17-20],目前應(yīng)用較多的主要為平衡DFIG總輸出電流的控制策略。

由于突變量選相元件成立的一個前提是正序和負(fù)序電流的分流系數(shù)相等,而采用平衡總輸出電流控制策略的DFIG故障電流中將不含負(fù)序分量,其對選相元件性能的影響最為嚴(yán)重。因此,本文基于平衡DFIG總輸出電流的控制策略,建立其短路計算模型和在電網(wǎng)中的等值電路模型,為后續(xù)選相元件的性能評估及改進(jìn)措施的提出奠定基礎(chǔ)。

由文獻(xiàn)[21]可知,在滿足電網(wǎng)無功支撐需求和限制轉(zhuǎn)子電流大小,以及平衡FIG總輸出電流的控制策略下,DFIG定子電流的等值計算模型為:

(1)

根據(jù)上式可知,DFIG在故障網(wǎng)絡(luò)中的等效電路如圖1所示。

圖1 DFIG的等效電路Fig.1 Equivalent circuit of DFIG

2 傳統(tǒng)選相元件應(yīng)用于雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線面臨的問題

為分析方便,以圖2中的簡單電網(wǎng)模型為例,對傳統(tǒng)選相元件性能進(jìn)行分析評估。圖中,f為短路點(diǎn),DFIG為雙饋風(fēng)電場的等效模型,保護(hù)安裝在N端。

圖2 含雙饋風(fēng)電場的簡單電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of a simple grid with DFIG-based wind farms

2.1 電流突變量元件

以A相接地故障為例,對電流突變量性能進(jìn)行評估。電流突變量選相元件判斷電網(wǎng)故障為單相接地故障的選相條件是:

(2)

當(dāng)f點(diǎn)發(fā)生A相接地故障時,N側(cè)電流突變量選相元件有:

(3)

當(dāng)線路L的M側(cè)和N側(cè)外部電網(wǎng)均為傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)電源供電時,兩側(cè)的正序和負(fù)序電流分流系數(shù)相同,電流突變量選相元件可做出正確判斷,即有

(4)

然而,當(dāng)N側(cè)保護(hù)流過的短路電流主要由風(fēng)電機(jī)組提供時,其短路電流特性與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)存在較大差異。雙饋風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)不對稱故障條件下為正序受控電流源,不含負(fù)序電流分量,即CN2=0。此時,式(3)將改寫為:

(5)

將式(5)代入式(2)可知,電流突變量選相判據(jù)不成立,無法正確選相。

2.2 電壓突變量元件

對于相間補(bǔ)償電壓突變量選相元件[22-25],其判斷單相(A相)接地短路電壓突變量選相判據(jù)為:

(6)

當(dāng)電網(wǎng)電源均為傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī),且忽略正、負(fù)序阻抗參數(shù)差異,不難證明有

(7)

式中:Z1S為背側(cè)系統(tǒng)等值正序阻抗;ZCM為事先整定的補(bǔ)償阻抗。

然而,雙饋風(fēng)電機(jī)組接入后,其饋出的故障電流中不含負(fù)序電流分量,將影響電壓突變量選相元件的性能。此時,線路L的N側(cè)選相元件為:

(8)

由于N側(cè)的雙饋風(fēng)電場無負(fù)序電流分量饋出,則式(8)可改寫成:

(9)

2.3 突變量電壓電流復(fù)合元件

由于電壓突變量和電流突變量在實(shí)際應(yīng)用中均存在一定的問題,文獻(xiàn)[22]提出在電壓突變量的基礎(chǔ)上引入電流突變量構(gòu)成突變量電壓電流復(fù)合選相元件KΔIφφ+ΔUBC,通過綜合兩種選相方案的優(yōu)點(diǎn)來改善選相元件的性能。在系統(tǒng)運(yùn)行方式變化較大的時候,該選相方案具有較好的選相效果。但在電源正負(fù)序阻抗不等時,電壓突變量選相元件和電流突變量選相元件都將失效,則KΔIφφ+ΔUBC也將失效。在風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線上,由于雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子繞組受變頻器勵磁控制,饋出平衡的三相故障電流,因此任意兩相電流突變量之差均相等,則KΔIφφ+ΔUBC選相元件同樣難以滿足雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線的選相需求。

綜上可知,無論電流還是電壓突變量選相元件均存在一定的弱點(diǎn),難以滿足雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線保護(hù)的選相需求。

3 電壓突變量綜合選相新方法

為了提高風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線保護(hù)的選相性能,減小雙饋風(fēng)電場饋出短路電流對選相元件的影響,本文提出了基于相間電壓突變量和相電壓突變量幅值比較的電壓突變量綜合選相新方法。

當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時,故障啟動元件不動作。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時,保護(hù)安裝處故障啟動元件動作,開始進(jìn)行故障選相。首先根據(jù)測量電壓中是否含有零序分量,判定是接地短路還是相間短路,然后進(jìn)行故障相的判斷。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時,故障相電壓突變量相較于非故障相的其他相電壓突變量具有更高的靈敏度(此處靈敏度定義為變化量與額定值的比值,下文同),并且健全相電壓突變量的靈敏度應(yīng)基本相同;而對于兩相相間電壓突變量來說,與故障相相關(guān)的兩相相間電壓突變量相較于健全相的兩相相間電壓突變量具有更高的靈敏度,并且含一相故障相的相間電壓突變量靈敏度應(yīng)基本相同。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生兩相相間故障時,任一故障相的電壓突變量相較于健全相的電壓突變量應(yīng)具有更高的靈敏度,并且兩個故障相的電壓突變量靈敏度應(yīng)基本相同;同時,故障相的兩相相間電壓突變量比含一相故障相的兩相相間電壓突變量的靈敏度更高,且含一相故障相的兩相相間電壓突變量靈敏度應(yīng)基本相同。而對于三相故障來說,各相電壓突變量的靈敏度應(yīng)相同,同時兩相相間電壓突變量也應(yīng)相同。

(10)

式中:K1,K2和K3為故障相別選擇系數(shù)。在此基礎(chǔ)上,將K1,K2和K3的大小進(jìn)行比較,可得到其從小到大的排序為:

Kmin

(11)

mKmid

(12)

式中:m為比例系數(shù),其值與故障類型、過渡電阻大小、系統(tǒng)等值阻抗及故障線路的正序和零序阻抗等因素有關(guān),主要受電網(wǎng)故障類型和過渡電阻大小的影響。本文根據(jù)傳統(tǒng)電壓突變量將m取值為4,在考慮實(shí)際電網(wǎng)可能存在的極端運(yùn)行條件基礎(chǔ)上,通過改變系統(tǒng)等值阻抗、過渡電阻大小和線路參數(shù),對m取值的有效性進(jìn)行了仿真驗證,可適用于采用抑制負(fù)序電流的雙饋風(fēng)電場或光伏電站。

當(dāng)式(12)成立時,判斷為單相接地故障,且Kmax對應(yīng)相為故障相,否則為兩相接地故障,且Kmin對應(yīng)的相為健全相。因此,通過判斷故障相別選擇系數(shù)的大小,可以對單相接地故障和兩相接地故障進(jìn)行正確判斷。

mKmin

(13)

式中:m取值同式(12)。

當(dāng)上述(13)式成立時,為兩相相間故障,且Kmin對應(yīng)的相為健全相。在三相對稱故障情況下,單相電壓突變量的靈敏度類似,而兩相相間電壓突變量的靈敏度也基本相同,不滿足上述判據(jù)。因此,通過判斷故障相別選擇系數(shù)的大小,同樣可以區(qū)分兩相相間故障和三相對稱故障。

圖3為雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線電壓突變量綜合選相方法流程。

圖3 故障選相的流程圖Fig.3 Flow chart of fault phase selection method

此外,雙饋風(fēng)電機(jī)組在撬棒動作條件下,其正、負(fù)序電流的基頻分量同樣也不相等[23]。因此,相較于傳統(tǒng)的突變量選相方案,本文所提的選相方法在雙饋風(fēng)電機(jī)組撬棒動作條件下的選相性能同樣具有更好的選相能力。

4 仿真驗證

為了驗證本文所提出雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線電壓突變量綜合選相方案的正確性,利用PSCAD/EMTDC仿真軟件,構(gòu)建了如圖2所示的含雙饋風(fēng)電場接入的電網(wǎng)仿真模型。需要說明,在忽略風(fēng)電場內(nèi)部損耗的情況下,即使不同雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障電流大小可能不同,但由于采用的控制策略相同,其故障電流特征應(yīng)相同。在這種情況下,整個雙饋風(fēng)電場可以用單臺DFIG等效替代。

在圖2中,仿真模型中假設(shè)單位長度輸電線路參數(shù)為:r(1)=r(2)=0.1 Ω/km,x(1)=x(2)=0.394 Ω/km,r(0)=0.3 Ω/km,x(0)=1.18 Ω/km,線路L的長度為100 km。接入電網(wǎng)的DFIG容量為49.5 MW,額定線電壓為690 V;定子漏電抗為0.124 5(標(biāo)幺值);轉(zhuǎn)子漏電抗為0.124 5 (標(biāo)幺值);定轉(zhuǎn)子互感為2.176 7 (標(biāo)幺值);轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速為1.2 (標(biāo)幺值);轉(zhuǎn)子電流過流控制值Irset為1.2 (標(biāo)幺值)。另外,雙繞組變壓器T容量均為50 MVA,變比為0.69 kV/220 kV,聯(lián)結(jié)組別為Yd,漏電抗為6.5%。系統(tǒng)電壓為220 kV,內(nèi)阻為1 Ω。

附錄A圖A1至A3和圖4 分別給出了電網(wǎng)單相接地故障條件下的電流突變量、單相電壓突變量、兩相相間電壓突變量和電壓突變量綜合選相方法故障相別選擇系數(shù)與故障時間的關(guān)系。其中,接地電阻為1 Ω,故障發(fā)生時刻為1.0 s,故障點(diǎn)位置為線路L上離雙饋風(fēng)電場保護(hù)安裝處50%處,數(shù)據(jù)窗為20 ms。

由附錄A圖A1可知,在電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障條件下,雖然接地阻抗較小,但傳統(tǒng)電流突變量仍不能滿足聯(lián)絡(luò)線的選相需求。這是因為在撬棒保護(hù)不動作的情況下,DFIG為受控的電流源模型,其三相電流對稱,即各線電流突變量幅值基本相同,因此,電流突變量不能正確選相。由附錄A圖A1至A3和圖4可知,雖然相間電壓突變量和相電壓突變量可以正確選相,但本文所提的電壓突變量綜合選相方法明顯具有更好的選相性能。

圖4 電壓突變量綜合選相方法(過渡電阻為1 Ω)Fig.4 Comprehensive phase selection method based on voltage difference (transition resistance is 1 Ω)

附錄A圖A4至圖A6和圖5分別給出了電網(wǎng)單相接地故障條件下的電流突變量、單相電壓突變量和兩相相間突變量,以及電壓突變量綜合選相方法故障相別選擇系數(shù)與故障時間的關(guān)系。其中,過渡電阻為100 Ω,故障時間與故障點(diǎn)位置與過渡電阻為1 Ω時相同。

根據(jù)上述仿真結(jié)果,得出雙饋風(fēng)電場保護(hù)安裝處各選相方案的計算結(jié)果如附錄A表A1所示。從表A1可知,在雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線中點(diǎn)短接100 Ω阻抗發(fā)生A相接地故障時,三個電流突變量相差不大,將選相失敗。電壓突變量ΔUAB/ΔUBC≈2.8,同樣難以滿足選相需求。而電壓突變量選相新方案,Kmax/Kmid≈18.3,可以正確選出故障相。

圖5 電壓突變量綜合選相方法(過渡電阻為100 Ω)Fig.5 Comprehensive phase selection method based on voltage difference (transition resistance is 100 Ω)

在電網(wǎng)不同位置設(shè)置不同類型和不同接地阻抗大小的故障,以全面分析和評估基于線電壓和相電壓突變量幅值比較的選相方案的選相性能。附錄A表A2至表A4分別給出了電壓突變量綜合選相方法在圖2聯(lián)絡(luò)線L上離雙饋風(fēng)電場保護(hù)安裝處20,50,80 km處發(fā)生不同類型故障的選相結(jié)果。

大量的仿真結(jié)果表明,本文所提的電壓突變量綜合選相方案不僅在單相接地故障下具有較好的選相性能,其在相間接地故障條件下的靈敏度也優(yōu)于傳統(tǒng)選相方案,可以較好地滿足雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線的選相需求。

此外,本算法主要基于相電壓突變量和相間電壓突變量提出,發(fā)生三相電壓互感器(TV)斷線時,由于各相電壓突變量和相間電壓突變量變化幅值基本相同,因此,本文所提選相方案會將三相TV斷線誤選為三相對稱故障;同時,當(dāng)發(fā)生單相TV斷線或兩相TV斷線時,TV斷線所在相的相電壓突變量變化較大,而含故障相的相間電壓突變量變化較小,本文所提選相方案也存在誤選相的情況。因此,當(dāng)發(fā)生TV斷線時,需要閉鎖選相元件。

綜上可知,受風(fēng)電場復(fù)雜故障電流的影響,傳統(tǒng)電壓突變量和電流突變量選相方法已難以滿足風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線的選相需求,而本文所提出的電壓突變量選相方案的選相性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)電壓和電流突變量選相方案,可以滿足雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線保護(hù)與重合閘的選相要求。

5 結(jié)語

本文提出了基于相間電壓突變量和相電壓突變量幅值比較的故障選相方法。根據(jù)雙饋風(fēng)電場側(cè)保護(hù)安裝處相電壓突變量與相間電壓突變量之間的比例關(guān)系,構(gòu)建了故障相別選擇系數(shù),并根據(jù)其在不同電網(wǎng)故障類型下的特征,來實(shí)現(xiàn)故障選相。仿真研究表明,新型突變量選相方案應(yīng)用于雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線時,較傳統(tǒng)的電壓和電流突變量選相元件具有更高的靈敏度,能夠滿足雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線保護(hù)與重合閘的選相要求。

需要說明,所提故障選相方法應(yīng)用于雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線時,主要針對雙饋風(fēng)電機(jī)組撬棒保護(hù)不動作條件下DFIG采用平衡DFIG總輸出電流的控制策略的情況。同時,由于光伏電源逆變器的控制策略一般也采用抑制負(fù)序電流的控制策略,因此,本文所提的選相方案也適用于接入220 kV電網(wǎng)的光伏電站聯(lián)絡(luò)線。下一步將在考慮新能源電源不同控制策略的基礎(chǔ)上,對含新能源電源接入的電網(wǎng)保護(hù)新原理展開研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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