羅要云 寧愛(ài)林 羅媚媚

摘 要：DFIG接入配電網(wǎng)后，由于有了助增電流的影響，使得原有電流保護(hù)和距離保護(hù)都不再實(shí)用。本文分析了考慮低電壓穿越時(shí)，DFIG接入配電網(wǎng)的工頻故障分量距離保護(hù)，結(jié)果表明，DFIG接入對(duì)工頻故障分量距離保護(hù)沒(méi)有影響。同時(shí)分析了實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題，提出應(yīng)用保護(hù)安裝處電壓突變量進(jìn)行比較的判據(jù)，并通過(guò)仿真驗(yàn)證該理論的正確性。

關(guān)鍵詞：DFIG；低電壓穿越；工頻故障分量距離保護(hù)；保護(hù)安裝處；電壓突變量；仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.155

0 引言

近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電以其投資省、能耗低、清潔環(huán)保[1]等優(yōu)勢(shì)在新能源發(fā)電中迅速發(fā)展起來(lái)。風(fēng)力發(fā)電有很大一部分是通過(guò)分布式方式接入配電網(wǎng)，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)保護(hù)通常按照輻射型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行配置，采用的保護(hù)方式多為三段式電流保護(hù)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入以后，配電網(wǎng)絡(luò)就從傳統(tǒng)的單一輻射型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變成多電源網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)配網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，配電網(wǎng)的潮流方向、故障電流的分布發(fā)生了根本性變化，這將導(dǎo)致原有的繼電保護(hù)配置存在誤動(dòng)和拒動(dòng)的可能[2]。為了保證配電網(wǎng)絡(luò)安全可靠地運(yùn)行研究風(fēng)力發(fā)電接入配電網(wǎng)后繼電保護(hù)的配置，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 風(fēng)力發(fā)電接入配電網(wǎng)對(duì)繼電保護(hù)的影響

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)是單輻射型的，電流以一個(gè)方向流動(dòng)，通常配置的為簡(jiǎn)單的三段式電流保護(hù)，當(dāng)配電網(wǎng)接入逆變型電源，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以后，電網(wǎng)形式就從單一電源轉(zhuǎn)變成為多電源形式，此時(shí)，電流的流向是多向型的，同時(shí)電流的幅值也隨DFIG的容量、接入位置等變化而變化。距離保護(hù)具有不受運(yùn)行方式影響的優(yōu)點(diǎn)，而且距離保護(hù)中的方向阻抗圓特性具有特定的方向性，使得它在分布式電源接入配電網(wǎng)的應(yīng)用中受歡迎[3]-[7]，但是傳統(tǒng)的距離保護(hù)Ⅱ段須與下級(jí)線路Ⅰ段相配合，以圖1為例，保護(hù)1的Ⅱ段的整定值在DFIG接入配電網(wǎng)之前，它的整定值，此時(shí)，當(dāng)DFIG接入以后，如不改變整定值，當(dāng)在保護(hù)1的Ⅱ段末端發(fā)生短路時(shí)，在保護(hù)1所測(cè)到的阻抗為：

由于有DFIG接入配電網(wǎng)，這時(shí)，，就會(huì)使保護(hù)1測(cè)得的阻抗增大，這樣就有可能在保護(hù)1的保護(hù)范圍內(nèi)拒動(dòng)，保護(hù)2卻誤動(dòng)的情況產(chǎn)生，當(dāng)根據(jù)接入的DFIG重新整定時(shí)，必須要考慮分支系數(shù)，分支系數(shù)中電流與DFIG的容量和出力有關(guān)，但實(shí)際運(yùn)行中，DFIG的出力還與風(fēng)速有關(guān)，風(fēng)速的不可控因素導(dǎo)致不確定，所以傳統(tǒng)的距離保護(hù)應(yīng)用到DFIG接入的配電網(wǎng)存在局限性。

2 基于工頻故障分量距離保護(hù)的原理

基于工頻故障分量距離保護(hù)基本原理如圖2所示。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)疊加原理可將故障狀態(tài)分解為正常負(fù)荷狀態(tài)和故障附加狀態(tài)[9-10]，其中故障附加狀態(tài)如圖2（a） 所示，即在故障點(diǎn)引入一個(gè)與故障前電壓幅值相等、相位相反的電壓源[8]，從而在短路附加狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生故障分量的電流和電壓。如圖2（a）所示， K1 、K2為正、反方向兩個(gè)故障點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)于電壓源。圖中Y 點(diǎn)為距離保護(hù)整定點(diǎn)， 是保護(hù)安裝處到整定點(diǎn)的阻抗值， 為正方向保護(hù)范圍內(nèi)故障時(shí)阻抗值，為系統(tǒng)電源內(nèi)阻抗。保護(hù)安裝處M 所測(cè)量到的電壓、電流突變量分別為ΔU、ΔI。根據(jù)圖2中各電氣量的正方向，補(bǔ)償?shù)奖Ｗo(hù)范圍末端Y點(diǎn)處的突變量電壓為：

（1）正反向故障情況。從圖2可以看出，當(dāng)保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生正方向故障時(shí)，存在如下關(guān)系：

從而得到：

此時(shí)故障點(diǎn)處的突變量電壓為：

對(duì)比可以知道，在正方向保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，則 ；同理，可以推得在正方向保護(hù)區(qū)外故障時(shí) ，則。

（2）反方向故障情況。從圖2短路附加狀態(tài)圖可以看出，當(dāng)故障點(diǎn)發(fā)生在反方向K2時(shí)：

，從以上分析可知，判別正反向故障時(shí)，只需判別與的關(guān)系即可，當(dāng)在正向故障時(shí)，短路點(diǎn)在M母線右側(cè)，；反向，則短路點(diǎn)在M母線左側(cè)，因此，基頻故障分量距離保護(hù)的動(dòng)作條件就是。

3 DFIG接入配電網(wǎng)的基頻分量距離保護(hù)

作為目前的主流風(fēng)電機(jī)型之一的雙 饋 感 應(yīng) 發(fā) 電 機(jī)（doubly fed inductiongenerator，DFIG），通常在電網(wǎng)故障時(shí)，要求風(fēng)電機(jī)組具備低壓穿越能力（Low Voltage Ride Through，LVRT）[11-12]。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，在一定電壓跌落范圍內(nèi)，風(fēng)場(chǎng)能夠維持并網(wǎng)運(yùn)行，甚至向電網(wǎng)供給部分無(wú)功功率和電壓支撐，直到電網(wǎng)恢復(fù)，從而“穿越”整個(gè)低電壓區(qū)段的時(shí)間[13]。在故障發(fā)生的瞬間，并網(wǎng)點(diǎn)電壓下降，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向故障點(diǎn)提供短路電流，但很快低電壓穿越功能啟動(dòng)，撬棒電路投入，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出有功P 和無(wú)功Q 會(huì)很快返回到設(shè)定值。在正序分量控制下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的故障電流只含正序分量，不含負(fù)序分量，PCC 上下游線路流過(guò)的負(fù)序電流完全相等[7]；當(dāng)DFIG接入配電網(wǎng)之后，在驗(yàn)證動(dòng)作的可行性時(shí)，在考慮基頻分量的距離保護(hù)中電流電壓突變量分量的時(shí)候就要考慮序分量，針對(duì)圖1的系統(tǒng)圖來(lái)分析DFIG接入配電網(wǎng)的基頻分量距離保護(hù)。

（1）距離Ⅰ段范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)。對(duì)稱(chēng)性故障分析比較簡(jiǎn)單，為充分考慮DFIG接入配電網(wǎng)后對(duì)繼電保護(hù)的影響，現(xiàn)以不對(duì)性BC相故障，以圖1配電網(wǎng)系統(tǒng)圖中保護(hù)2為對(duì)象，此時(shí)為B母線上的故障突變量電壓，它包含由系統(tǒng)提供的和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提供的兩部分的故障突變量電壓；而由于在故障過(guò)程中，考慮風(fēng)力發(fā)電的LVRT特性，在正序控制方式下，DFIG只產(chǎn)生正序電流，接入點(diǎn)B母線上兩側(cè)的負(fù)序電流相等，因而發(fā)生故障后的電流突變量，它包含負(fù)序電流和由系統(tǒng)和DFIG提供的正序電流和。推導(dǎo)B、C相的整定點(diǎn)的補(bǔ)償電壓以及B、C相故障點(diǎn)的電壓如式（7）、（8）所示：

式中：為系統(tǒng)電源對(duì)C相提供的突變量電壓；為-斷路器2，C相正序電流突變量 為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)C相提供的突變量電壓。由于故障發(fā)生在正向保護(hù)區(qū)內(nèi)，，所以滿(mǎn)足動(dòng)作條件，保護(hù)可靠動(dòng)作。比較式（7）、式（8）可以看出，雖然接入了DFIG電源，但是在工頻故障分量距離保護(hù)中，它對(duì)整定點(diǎn)的電壓突變量和短路點(diǎn)的電壓突變量的影響是對(duì)等的，可以相互抵消。因此，不管風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的容量大小和出力大小，它對(duì)工頻故障分量距離保護(hù)沒(méi)有影響。

（2）對(duì)距離Ⅱ段的分析。仍然以圖1的配電網(wǎng)系統(tǒng)圖為例，以保護(hù)1為對(duì)象，當(dāng)故障發(fā)生在K2點(diǎn)，保護(hù)1的距離Ⅱ段時(shí)，考慮BC相故障，來(lái)驗(yàn)證工頻故障分量距離保護(hù)的動(dòng)作特性。

由距離Ⅰ段分析可知：

此時(shí)在距離Ⅱ段的整定點(diǎn)所得到的B、C相補(bǔ)償電壓以及故障點(diǎn)的B、C相電壓如式（11）、（12）所示：

可以看出，不管是距離Ⅰ段還是距離Ⅱ段，基頻分量距離保護(hù)都能正確反映。因此該繼電保護(hù)原理可以克服運(yùn)行方式變化的影響，針對(duì)DFIG接入的配電網(wǎng)路有很好的保護(hù)效果。

4 實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題

在實(shí)際應(yīng)用中，最大的難點(diǎn)就是對(duì)的提取，因?yàn)楣收习l(fā)生的位置很難預(yù)測(cè)，因此不能確定Zk的位置，為此，可以近似選擇短路前保護(hù)范圍末端Y點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)M母線上的電壓突變量作為整定參考值，這時(shí)：

以此為參考，下面分別對(duì)正方向在故障保護(hù)范圍以?xún)?nèi)和保護(hù)范圍以外的情況進(jìn)行區(qū)分當(dāng)在保護(hù)范圍內(nèi)K1點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，M母線上的突變量電壓為：

比較式（13）和（14）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生同一種類(lèi)型短路故障時(shí)，在M側(cè)斷路器所檢測(cè)到的短路電流是隨故障的距離而變化的，越遠(yuǎn)離M點(diǎn)，故障電流越小，在M側(cè)上所檢測(cè)到的突變量電壓要小，導(dǎo)致。

同理，當(dāng)K1在保護(hù)范圍以外時(shí)，在M側(cè)所檢測(cè)到的電壓突變量絕對(duì)值要小，因此在實(shí)際應(yīng)用可以依據(jù)同類(lèi)型故障時(shí)，作為動(dòng)作判據(jù)。把保護(hù)范圍末端時(shí)的短路情況下M母線上電壓突變量定義為參考值，根據(jù)短路類(lèi)型，可以分為，。

因此，可以得到保護(hù)跳閘出口邏輯如圖3所示。

5 仿真

為了驗(yàn)證風(fēng)力發(fā)電接入配電網(wǎng)絡(luò)的基頻分量距離保護(hù)的可以行，在PSCAD仿真軟件搭建如圖4所示。分別在AB線路和BC線路設(shè)立短路點(diǎn)，以?xún)上嘞嚅g短路為例，A相電壓、電流最大值為參考，得到數(shù)據(jù)如表 1所示。

由表1仿真數(shù)據(jù)，可以得出工頻A相工頻故障分量在保護(hù)安裝處A母線上的突變量電壓、突變量電流規(guī)律符合本文所提出觀點(diǎn)，同時(shí)可以看出，加入DFIG的配電網(wǎng)，在應(yīng)用工頻分量距離保護(hù)時(shí)，不受DFIG的影響。

6 結(jié)論

（1）本文分析了DFIG接入配電網(wǎng)的工頻分量距離保護(hù)，考慮了風(fēng)力發(fā)電的LVRT特性所引起的故障電流的影響，但是由于故障電流在工頻分量距離保護(hù)對(duì)整定值和故障點(diǎn)電壓的影響可以相互抵消，所以應(yīng)用工頻距離保護(hù)對(duì)DFIG 接入的配電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)，不受DFIG的影響，（2）在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，故障點(diǎn)的電壓很難求得，本文提出了用保護(hù)安裝處的整定點(diǎn)所產(chǎn)生的突變量電壓代替整定值，用實(shí)時(shí)故障時(shí)在保護(hù)安裝處所產(chǎn)生的突變量電壓與之比較來(lái)判斷故障是否在保護(hù)區(qū)內(nèi)，并通過(guò)搭建仿真模型，用仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該理論的正確性。

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基金項(xiàng)目：湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016TP1023）；邵陽(yáng)學(xué)院2016年研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CX2016SY035）

作者簡(jiǎn)介：羅要云（1980-），男，湖南邵陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向：多電源地區(qū)保護(hù)整定與控制技術(shù)。

*為通訊作者