宇 衛(wèi)，凃玲英，陳 健

(湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430068)

近年來，以風(fēng)電為代表的可再生能源發(fā)電技術(shù)受到了廣泛關(guān)注和高度重視，在國家強(qiáng)有力的政策支持下，我國風(fēng)力發(fā)電正在向大規(guī)模、高集中開發(fā)方向快速發(fā)展[1]。

風(fēng)電場集中接入電網(wǎng)后，由于其復(fù)雜的短路電流特性和劇烈變化的運(yùn)行方式，會(huì)影響傳統(tǒng)電流保護(hù)性能：發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)機(jī)提供的短路電流包含特殊的暫態(tài)分量和序分量；雙饋型風(fēng)機(jī)的撬棒保護(hù)動(dòng)作時(shí)，風(fēng)廠內(nèi)部的運(yùn)行方式和短路電流分布會(huì)產(chǎn)生較大的變化。針對(duì)這些問題，傳統(tǒng)的電流保護(hù)整定需要做出相應(yīng)的改進(jìn)從而滿足應(yīng)用要求[2]。

以典型風(fēng)電場為例，建立了雙饋型風(fēng)機(jī)的短路計(jì)算模型，提出了傳統(tǒng)電流保護(hù)整定計(jì)算模式在風(fēng)電場集中接入時(shí)存在的問題。針對(duì)這些問題給出了相應(yīng)的整定調(diào)整策略，并結(jié)合仿真，驗(yàn)證了這些調(diào)整策略的正確性。

1 雙饋型風(fēng)電機(jī)組短路電流特性

撬棒保護(hù)是雙饋型風(fēng)電機(jī)組提高低電壓穿越能力的主要措施，撬棒保護(hù)的動(dòng)作行為直接影響雙饋型風(fēng)電機(jī)組的短路電流特性。因此，雙饋型風(fēng)電機(jī)組的故障特性研究應(yīng)分別從考慮撬棒保護(hù)動(dòng)作和計(jì)及勵(lì)磁調(diào)節(jié)特性影響這兩個(gè)方面進(jìn)行。

1.1 考慮撬棒電路動(dòng)作的DFIG短路計(jì)算模型

在發(fā)生近區(qū)嚴(yán)重故障時(shí)，撬棒保護(hù)會(huì)動(dòng)作，DFIG定子電流中除含有穩(wěn)態(tài)基頻分量和衰減直流分量外，還有角頻率為ωr的轉(zhuǎn)速頻率電流分量。然而，在實(shí)際短路計(jì)算中，主要關(guān)心的是基頻分量[3]。文獻(xiàn)[4]推導(dǎo)出了發(fā)生故障時(shí)，撬棒保護(hù)動(dòng)作后雙饋型風(fēng)機(jī)故障相電流正、負(fù)序分量等效計(jì)算模型，等效電路見圖1。

圖1 撬棒保護(hù)動(dòng)作后雙饋型風(fēng)機(jī)故障相正負(fù)序等值電路

從圖1可以看出，實(shí)際上，DFIG穩(wěn)態(tài)基頻分量的等效計(jì)算模型即為異步電動(dòng)機(jī)的等效模型。故撬棒保護(hù)動(dòng)作瞬間，雙饋型風(fēng)機(jī)對(duì)于電網(wǎng)而言由發(fā)電機(jī)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)，即由故障前的產(chǎn)生電流成為故障后的吸收電流。對(duì)電流保護(hù)而言，它改變了電流流向，有可能會(huì)引起電流保護(hù)的工作異常。

1.2 計(jì)及勵(lì)磁調(diào)節(jié)特性的DFIG短路計(jì)算模型

遠(yuǎn)區(qū)非嚴(yán)重故障情況下，雙饋型風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組仍由變頻器進(jìn)行勵(lì)磁。此時(shí)雙饋型風(fēng)機(jī)定子繞組故障電流特性與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的故障電流特性相比存在較大的區(qū)別。文獻(xiàn)[5]通過研究雙饋風(fēng)電機(jī)組定子電力的故障特性，指出定子繞組故障電流中只有衰減直流分量和強(qiáng)制基頻分量，而不含衰減的基頻分量。強(qiáng)制基頻分量的大小則由電網(wǎng)電壓跌落深度和低電壓穿越運(yùn)行期間所采用的控制策略共同決定。

目前，DFIG在電網(wǎng)故障條件下的低電壓穿越策略包括多種，主要有平衡DFIG總輸出電流的控制策略[6]，恒定的DFIG電磁轉(zhuǎn)矩的控制策略[7]，恒定的DFIG系統(tǒng)輸出有功功率的控制策略[8]，恒定的DFIG發(fā)電系統(tǒng)無功功率的控制策略[9]。本文中，將采用平衡的DFIG總輸出電流控制策略來建立其短路計(jì)算模型。當(dāng)雙饋型風(fēng)機(jī)撬棒保護(hù)沒有動(dòng)作時(shí)，在這一控制策略下，雙饋型風(fēng)機(jī)等效為受控電流源模型，僅向外部提供正序電流。DFIG的正序等效電路見圖2。

圖2 DFIG正序等效電路

2 原有集電線電流保護(hù)的整定方法

典型的雙饋型風(fēng)廠見圖3，單臺(tái)雙饋型風(fēng)機(jī)的容量為1.5 MW，風(fēng)機(jī)通過箱式變壓器升壓至35 kV，再通過主變升壓至110 kV，與外部電網(wǎng)相連。風(fēng)電場集電線電壓等級(jí)為35 kV，并且線路通常不長，故通常在電網(wǎng)側(cè)配置有兩段式電流保護(hù)(圖3中M處)。

圖3 典型風(fēng)廠示意圖

2.1 原有集電線電流保護(hù)Ⅰ段整定方法

在圖3中，待整定集電線末端f1處發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)原有電流保護(hù)整定原則，在保護(hù)安裝處M點(diǎn)的電流保護(hù)I段定值按保本線故障具有足夠靈敏度整定，即有：

(1)

在計(jì)算Imin-end時(shí)，原有整定方法采用的計(jì)算條件為：圖2中f1處發(fā)生兩相短路；系統(tǒng)采取最小運(yùn)行方式；所有風(fēng)電機(jī)組退出運(yùn)行。

2.2 原有集電線電流保護(hù)Ⅱ段整定方法

在圖3中，在待整定集電線的箱式變壓器低壓側(cè)f2處發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)原有電流保護(hù)整定原則，在保護(hù)安裝處M點(diǎn)的電流保護(hù)Ⅱ段定值按躲過集電線最近處箱式變壓器低壓側(cè)最大短路電流整定，即有：

(2)

在計(jì)算Imax時(shí)，原有整定方法采用的計(jì)算條件為：圖3中f2處發(fā)生三相短路；系統(tǒng)采用最大運(yùn)行方式；所有風(fēng)電機(jī)組投入運(yùn)行。

3 原有集電線電流保護(hù)整定方法存在的主要問題和調(diào)整策略

3.1 原有電流保護(hù)Ⅰ 段整定方法存在的主要問題和調(diào)整策略

3.1.1 原有電流保護(hù)Ⅰ段整定計(jì)算存在的主要問題由式(1)可知，原有電流保護(hù)Ⅰ段整定的關(guān)鍵在于正確計(jì)算集電線末端最小短路電流Imin-end。原有整定方法中，將所有風(fēng)機(jī)退出運(yùn)行，只考慮系統(tǒng)提供的短路電流。這一整定方法最大的問題在于沒有考慮雙饋型風(fēng)機(jī)撬棒保護(hù)動(dòng)作所導(dǎo)致的分流作用。

3.1.2 集電線電流保護(hù)Ⅰ段整定方法的調(diào)整策略在雙饋型機(jī)組的撬棒保護(hù)不動(dòng)作時(shí)，風(fēng)機(jī)為有源支路，故可采用原有整定方法來計(jì)算Imin-end。但當(dāng)發(fā)生近區(qū)短路故障時(shí)，可能導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組撬棒保護(hù)動(dòng)作，此時(shí)雙饋型風(fēng)電機(jī)組勵(lì)磁回路經(jīng)撬棒電阻短接，失去勵(lì)磁，其等值電路類似為異步電動(dòng)機(jī)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的短路電流有分流作用，從而導(dǎo)致流過待整定集電線上的短路電流減小(圖4)。

圖4 電流保護(hù)Ⅰ 段整定等效示意圖

在圖4、圖5中，待整定集電線末端f點(diǎn)發(fā)生兩相短路時(shí)，I1為系統(tǒng)側(cè)向風(fēng)廠提供的短路電流，I2為雙饋型機(jī)組撬棒保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致的分流作用，I4為故障集電線上的短路電流。

根據(jù)以上分析，為了正確計(jì)算Imin-end，調(diào)整后的計(jì)算條件應(yīng)該是：集電線末端f處發(fā)生兩相短路；系統(tǒng)最小運(yùn)行方式；其他集電線上的雙饋型風(fēng)電機(jī)組全部投入運(yùn)行，并且撬棒保護(hù)動(dòng)作。

3.2 原有電流保護(hù)Ⅱ段整定方法存在的主要問題和調(diào)整策略

3.2.1 原有電流保護(hù)Ⅱ段整定計(jì)算存在的主要問題由式(2)可知，在電流保護(hù)Ⅱ段整定中，關(guān)鍵是要正確計(jì)算流過待整定集電線的最大短路電流Imax。原有的整定計(jì)算方法在計(jì)算Imax時(shí)，將風(fēng)機(jī)看作傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的電壓源串接內(nèi)阻抗的等效電源，故計(jì)算條件為所有風(fēng)機(jī)全部投入運(yùn)行。根據(jù)前述分析，發(fā)生故障時(shí)，雙饋型風(fēng)機(jī)的短路計(jì)算模型與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的等效模型有很大的不同：如果雙饋型風(fēng)機(jī)的撬棒保護(hù)動(dòng)作了，那么此時(shí)雙饋型風(fēng)機(jī)等效為異步電動(dòng)機(jī)；如果雙饋型風(fēng)機(jī)的撬棒保護(hù)沒有動(dòng)作，那么此時(shí)雙饋型風(fēng)機(jī)等效為受控電流源模型，向外提供短路電流。故原有整定方法的計(jì)算條件不一定適用于風(fēng)電場集中時(shí)集電線電流保護(hù)Ⅱ段的整定。

3.2.2 集電線電流保護(hù)Ⅱ段整定方法的調(diào)整策略現(xiàn)以電流保護(hù)Ⅱ段整定等效示意圖(圖5)為例，詳細(xì)分析電網(wǎng)不同計(jì)算條件對(duì)短路電流Imax的影響。

圖5 電流保護(hù)Ⅱ段整定等效示意圖

在圖5中，待整定集電線箱變低壓側(cè)f處發(fā)生三相短路故障，I1為系統(tǒng)側(cè)向風(fēng)廠提供的短路電流，I2為其他集電線風(fēng)電機(jī)組提供的短路電流，I3為故障集電線上的短路電流，I4為待整定集電線上其他雙饋型風(fēng)機(jī)提供的短路電流。

計(jì)算Imax也即計(jì)算I3的最大值。由圖5可知，I3主要受I4、I2和I1影響。其中，I4由待整定集電線其他并聯(lián)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行方式?jīng)Q定；I2由其他集電線風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行方式?jīng)Q定；I1由系統(tǒng)的運(yùn)行方式?jīng)Q定。下面分別對(duì)這三個(gè)方面進(jìn)行分析。

1)待整定集電線其他并聯(lián)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行方式

在原有的整定方法中，待整定集電線上并聯(lián)的其他風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行方式為全部投入運(yùn)行。但考慮到雙饋型風(fēng)電機(jī)組的撬棒保護(hù)動(dòng)作情況后，這些雙饋型風(fēng)機(jī)可以等效為異步電動(dòng)機(jī)，此時(shí)這些雙饋型風(fēng)機(jī)由提供短路電流轉(zhuǎn)變?yōu)槲斩搪冯娏?，從而減小短路阻抗并增大I3。故原有整定方法中待整定集電線上其他并聯(lián)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行方式應(yīng)調(diào)整：雙饋型風(fēng)機(jī)撬棒保護(hù)設(shè)置為動(dòng)作動(dòng)態(tài)。

2)其他集電線風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行方式

在原有的整定方法中，其他集電線上的風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行方式為全部投入運(yùn)行，此時(shí)其他集電線上的風(fēng)機(jī)提供的短路電流I2最大，也同時(shí)增大I3。故原有整定方法中其他集電線風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行方式不需要作調(diào)整。

3)外部系統(tǒng)運(yùn)行方式

對(duì)圖5使用疊加定理，有圖6。

(a)只有風(fēng)機(jī)提供短路電流時(shí)的疊加等效圖

(b)只有系統(tǒng)提供短路電流時(shí)的疊加等效圖圖 6 考慮系統(tǒng)運(yùn)行方式時(shí)的疊加等效圖

在圖6中，根據(jù)疊加定理有：

(3)

(4)

(5)

綜上所述，集電線電流保護(hù)Ⅱ段整定方法應(yīng)調(diào)整為：集電線箱變低壓側(cè)發(fā)生三相短路；待整定集電線上其他并聯(lián)的雙饋型風(fēng)機(jī)撬棒保護(hù)動(dòng)作；其他集電線上的風(fēng)電機(jī)組全部投入運(yùn)行；系統(tǒng)運(yùn)行方式的選取需考慮系統(tǒng)強(qiáng)弱和風(fēng)電場容量這兩個(gè)因素。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證對(duì)集電線原有電流保護(hù)的問題分析和調(diào)整策略的正確性，以PSCAD/EMTDC為仿真平臺(tái)，構(gòu)建圖2所示的典型風(fēng)電場的仿真模型。其中，系統(tǒng)參數(shù)為：基準(zhǔn)電壓110 kV，基準(zhǔn)容量100 MVA，最大運(yùn)行方式下，正序阻抗0.1693 p.u.，零序阻抗0.3286 p.u.，最小運(yùn)行方式下，正序阻抗0.175 p.u.，零序阻抗0.355 p.u.；風(fēng)電廠的參數(shù)為：單臺(tái)風(fēng)機(jī)額定容量1.5 MW，單臺(tái)箱式變壓器的額定容量 為1600 kVA，變比0.69/36.75 kV,聯(lián)結(jié)組別為Yd，漏電抗6.44%，主變額定容量100000 kVA，變比36.75/115 kV，聯(lián)結(jié)組別為YY，漏電抗10.6%；待整定集電線阻抗0.243 p.u.。

4.1 電流保護(hù)Ⅰ段仿真驗(yàn)證

在構(gòu)建的仿真模型中，在待整定集電線末端f點(diǎn)發(fā)生AB兩相短路時(shí)，分別對(duì)以下兩種整定方法做仿真分析，Imin-end仿真結(jié)果見表1。表1中的Δ表示按照調(diào)整后的整定方法得到的Imin-end與原有整定方法的Imin-end比較的變化率。

1)原有整定方法：系統(tǒng)最小運(yùn)行方式，所有風(fēng)機(jī)退出運(yùn)行；

2)調(diào)整后的整定方法：系統(tǒng)最小運(yùn)行方式，雙饋型風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行且撬棒保護(hù)動(dòng)作。

表1 電流保護(hù)Ⅰ 段仿真結(jié)果

表1的仿真結(jié)果表明調(diào)整后的整定方法得到的Imin-end相比于原有方法得到的Imin-end減小了2.8%，減小的幅度不大，故集電線電流保護(hù)Ⅰ 段整定可以忽略風(fēng)電機(jī)組的影響，按原有整定方法來計(jì)算。

4.2 電流保護(hù)Ⅱ段仿真驗(yàn)證

構(gòu)建的仿真模型中，在待整定集電線箱式變壓器低壓側(cè)f點(diǎn)發(fā)生三相短路時(shí)，分別對(duì)以下整定方法進(jìn)行仿真，Imax仿真結(jié)果見表2。表2中的Δ表示按照調(diào)整后的方法得到的Imax相比于原有整定方法的Imax的變化率。

1)原有整定方法：系統(tǒng)最大運(yùn)行方式，所有風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行；

2)修正整定方法1：系統(tǒng)最大運(yùn)行方式，待整定集電線上其他并聯(lián)的雙饋型風(fēng)機(jī)撬棒保護(hù)動(dòng)作，其他集電線上的風(fēng)機(jī)全部退出運(yùn)行；

3)修正整定方法2：系統(tǒng)最小運(yùn)行方式，待整定集電線上其他并聯(lián)的雙饋型風(fēng)機(jī)撬棒保護(hù)動(dòng)作，其他集電線上的風(fēng)機(jī)全部退出運(yùn)行；

4)修正整定方法3：系統(tǒng)最大運(yùn)行方式，待整定集電線上其他并聯(lián)的雙饋型風(fēng)機(jī)撬棒保護(hù)動(dòng)作，其他集電線上的風(fēng)機(jī)全部投入運(yùn)行；

5)修正整定方法4：系統(tǒng)最小運(yùn)行方式，待整定集電線上其他并聯(lián)的雙饋型風(fēng)機(jī)全部保護(hù)動(dòng)作，其他集電線上的風(fēng)機(jī)全部投入運(yùn)行。

表2 電流保護(hù)Ⅱ段仿真結(jié)果

表2的仿真結(jié)果表明：調(diào)整后的整定方法2)和方法3)相比于方法1)(即原有方法)，Imax減小了，這兩種整定方法中，其他集電線上的風(fēng)機(jī)退出了運(yùn)行，這也就證明了為了得到更大的Imax，需要將其他集電線上的風(fēng)機(jī)全部投入運(yùn)行；整定方法4)相比于方法1)，Imax增大了16.9%，這說明待整定集電線上的雙饋型風(fēng)機(jī)的撬棒動(dòng)作導(dǎo)致減小短路阻抗的作用十分明顯，這也證明了前述理論分析的正確性；整定方法5)相比于方法1)，Imax增大了24.65%，與方法3)相比，具有更大的增幅，說明在其他條件相同的情況下，系統(tǒng)選擇最小運(yùn)行方式時(shí)的Imax要大于系統(tǒng)選擇最大運(yùn)行方式時(shí)的Imax，這進(jìn)一步說明了系統(tǒng)的運(yùn)行方式的選擇應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)強(qiáng)弱和風(fēng)電場容量這兩個(gè)因素的影響。在對(duì)集電線電流保護(hù)Ⅱ段進(jìn)行整定時(shí)，對(duì)于弱系統(tǒng)、大容量風(fēng)廠的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)運(yùn)行方式應(yīng)選擇最小運(yùn)行方式，對(duì)于強(qiáng)系統(tǒng)、小容量風(fēng)廠的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)運(yùn)行方式應(yīng)選擇最大運(yùn)行方式。

5 結(jié)論

雙饋風(fēng)電機(jī)組復(fù)雜的故障電流特性對(duì)風(fēng)電場集電線電流保護(hù)有重要影響，將嚴(yán)重影響風(fēng)電場和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。基于此，本文首先分析了雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障電流特性，并建立了相應(yīng)的計(jì)算模型。在此基礎(chǔ)上，分析了風(fēng)電場集電線傳統(tǒng)電流保護(hù)存在的缺陷，并提出了適用于雙饋風(fēng)電場集電線的電流保護(hù)整定新方案。主要結(jié)論如下：

1)撬棒保護(hù)對(duì)雙饋風(fēng)電場機(jī)組故障電流有重要影響，傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的次暫態(tài)電勢串接次暫態(tài)阻抗模型已不適用，需要建立考慮撬棒保護(hù)動(dòng)作的DFIG模型和計(jì)及勵(lì)磁調(diào)節(jié)特性影響的DFIG模型；

2)適用雙饋風(fēng)電場集電線電流保護(hù)與傳統(tǒng)電流保護(hù)整定原則有較大區(qū)別：與系統(tǒng)的運(yùn)行方式和風(fēng)場內(nèi)部的運(yùn)行方式等因素有關(guān)。在電流保護(hù)I段進(jìn)行整定計(jì)算時(shí)，需要將DFIG的撬棒保護(hù)設(shè)為動(dòng)作后狀態(tài)；而在電流保護(hù)Ⅱ段整定計(jì)算時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行方式的選擇要考慮系統(tǒng)強(qiáng)弱和風(fēng)場容量等因素的影響，待整定集電線上其他并聯(lián)的雙饋型風(fēng)機(jī)的撬棒保護(hù)應(yīng)設(shè)定為動(dòng)作狀態(tài)，其他集電線上的風(fēng)機(jī)應(yīng)全部投入運(yùn)行。

3)仿真結(jié)果證明了調(diào)整后的集電線電流保護(hù)整定方法的正確性。調(diào)整后的整定方法提高了風(fēng)電場繼電保護(hù)性能，對(duì)電網(wǎng)和風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運(yùn)行有較大幫助。