雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障特性及保護方案構(gòu)建

撖奧洋 張 哲 尹項根 張 健 梁明輝

（華中科技大學(xué)強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室 武漢 430074）

1 引言

近年來，雙饋型發(fā)電機作為風(fēng)電場中的主力機型，被大量地接入電網(wǎng)。為了降低風(fēng)電場對大電網(wǎng)原有運行方式、保護系統(tǒng)及緊急控制策略等方面的影響，目前常用的一種運行方式為：當(dāng)電廠出口母線電壓波動超出預(yù)設(shè)值（如額定電壓的±10%）時，電機被切除退出運行[1]。隨著風(fēng)電容量在系統(tǒng)中比重的增加，大量風(fēng)電機組在電網(wǎng)故障時被同時切除，將對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和供電可靠性帶來嚴(yán)重影響。風(fēng)電場除了實現(xiàn)可再生能源利用，節(jié)能減排的目的外，其作為分布式電源，更應(yīng)該具有提高系統(tǒng)安全可靠性，增強電網(wǎng)抵御自然災(zāi)害的能力。故新的電網(wǎng)規(guī)程要求風(fēng)電場根據(jù)接入系統(tǒng)方案和自身機組的電氣特點能夠進行故障穿越運行[1-4]。為了滿足這一要求，風(fēng)力機不僅要具有故障期間的耐壓承流能力及本身的機械控制技術(shù)[5]，同時風(fēng)電場并網(wǎng)處繼電保護必須按照電網(wǎng)故障時風(fēng)電機組的運行條件來進行調(diào)整，以避免風(fēng)電機組的不必要切除和功率的損失。更為重要的一點是，雙饋電機提供的短路電流與傳統(tǒng)同步電機提供的短路電流具有明顯的差異，當(dāng)電機作故障穿越運行時，其饋入電網(wǎng)的故障電流具有“多態(tài)”變化特征，將改變電網(wǎng)的故障特性。尤其當(dāng)高滲透率的風(fēng)電場接入系統(tǒng)時，基于傳統(tǒng)同步電機故障特性而構(gòu)建的電網(wǎng)保護算法、配合關(guān)系及整定原則都受到了嚴(yán)重的破壞，不再能滿足系統(tǒng)安穩(wěn)運行的要求。

迄今，針對雙饋電機在故障情況下的運行，國內(nèi)外學(xué)者開展了多方面的研究工作。文獻[6，7]介紹了正常運行的雙饋機組的發(fā)電調(diào)控策略；文獻[8]給出了姚南風(fēng)電場短路試驗的錄波圖；風(fēng)力機在故障初始階段由于過電流被切除，沒有記錄故障電流的整個暫態(tài)過程；文獻[9]給出故障電流峰值的計算公式；文獻[10]指出勵磁系統(tǒng)能夠影響到電流的幅值與衰減特性，但對于勵磁系統(tǒng)強、弱調(diào)節(jié)性能下電流的特性差異未深入研究。此外，雙饋電機的“多態(tài)性”故障特性可能導(dǎo)致傳統(tǒng)保護發(fā)生拒動或誤動，目前針對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)時從繼電保護的角度去分析的較少。因此，深化雙饋電機短路電流特性的研究，進而構(gòu)建含有高滲透率風(fēng)電場的電網(wǎng)保護模式，對實現(xiàn)風(fēng)電場的故障穿越運行，促進風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義[11,12]。

本文首先對雙饋電機短路電流存在的“多態(tài)”性故障特征進行了研究和分析，然后結(jié)合風(fēng)力機故障穿越運行的要求，以風(fēng)電場并網(wǎng)處保護為例，提出了一種新型復(fù)合式電流-電壓保護方案，并通過仿真算例驗證了其有效性。

2 雙饋電機多態(tài)性故障電流特性分析

雙饋電機不同于傳統(tǒng)的同、異步電機，其轉(zhuǎn)子接三相逆變器勵磁。正常運行時，逆變器采用功率解耦策略，通過PI控制器來實現(xiàn)功率的輸出[13]；故障時為了防止過電流過電壓對逆變器的損害，轉(zhuǎn)子側(cè)旁路有Crowbar保護[14]。故障點位置的不同，會造成轉(zhuǎn)子勵磁特性發(fā)生變化，從而使得定子故障電流具有多種變化形態(tài)。

2.1 近端故障—電機“弱饋”電流特性

近端發(fā)生故障，如機端三相短路時，定子電流將在轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)出較高電壓。以轉(zhuǎn)子內(nèi)過電壓最嚴(yán)重的情況，即轉(zhuǎn)子開路為例，設(shè)電機正常運行電壓為V1，故障后定子電壓跌落到V2。根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾愣桑ㄗ哟沛湲a(chǎn)生直流分量，衰減時常記為Tz，此時磁通ψs可表示為

式中，ωs，t0分別表示同步角頻率和故障發(fā)生時刻。將式（1）代入電機的磁鏈、電動勢方程，可以得到轉(zhuǎn)子電壓表達式為

式中，Lσs、Lσr為電機定、轉(zhuǎn)子漏感與互感；RCrowbar為Crowbar保護串接的釋能電阻。此情況下故障電流的仿真波形如圖1所示。

圖1 近端故障下，雙饋電機饋入電網(wǎng)短路電流Fig. 1 DFIG three-phase short-circuit current to severe voltage drop

2.2 遠端故障—電機“強饋”電流特性

如果發(fā)生遠端故障，轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生的過電壓較低，不足以啟動Crowbar保護。在實際連接有逆變器的情況下，由于轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)電流的“去磁”作用，使得過電壓、過電流會更低，逆變器能夠在故障期間連接在轉(zhuǎn)子上，依靠 PI控制器來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電壓，從而影響故障過程中的定子電流。短路故障所導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子內(nèi)過電流，將在PI控制器的輸入端造成余差。PI依靠比例積分系數(shù)ki、kp在一定時間內(nèi)消除此余差，使系統(tǒng)重新達到穩(wěn)定。歸算到定子側(cè)，暫態(tài)周期電流的幅值和持續(xù)時間很大程度上取決于PI控制過渡過程的波形和消除余差的時間。應(yīng)用內(nèi)模控制和主動阻尼法得到的比例積分系數(shù)對于故障所引起的擾動，使逆變器有三種可能的控制效果，如圖2所示。

圖2 PI控制器典型暫態(tài)曲線Fig. 2 Typical transient waveforms of PI controller

如果雙饋電機的 PI控制器參數(shù)有較好的余差平抑能力，故障情況時轉(zhuǎn)子勵磁系統(tǒng)在dq坐標(biāo)系下的暫態(tài)調(diào)節(jié)過程同曲線2類似。可以看出，故障發(fā)生初始，余差達到最大，然后在時間T′內(nèi)余差消除。在定子側(cè)故障電流表現(xiàn)為，工頻暫態(tài)分量衰減迅速，較快過渡到工頻穩(wěn)態(tài)分量。工頻暫態(tài)分量的衰減時間不單取決于轉(zhuǎn)子的時間常數(shù)，更依賴于逆變器調(diào)整余差的能力。與故障的類型、位置（嚴(yán)重程度）及PI的比例積分系數(shù)有關(guān)。此種情況下的仿真波形如圖3所示。

圖3 遠端故障，強PI控制下故障電流波形Fig.3 DFIG short-current to a voltage sag with strong PI controller performance

如果 PI的比例積分參數(shù)對于故障沒有很好的平抑能力，則轉(zhuǎn)子勵磁暫態(tài)過程同曲線3甚至曲線1。dq坐標(biāo)系下勵磁電壓發(fā)生振蕩，變換到 abc坐標(biāo)系下定子故障電流表現(xiàn)為工頻暫態(tài)分量發(fā)生振蕩，電流幅值發(fā)生波動，且含有明顯的諧波分量。這將影響保護中測量元件的準(zhǔn)確性，需要有針對性地加以處理。此種情況下的仿真波形如圖4所示。

圖4 遠端故障，弱PI控制下故障電流波形Fig.4 DFIG short-current to a voltage sag with poor PI controller performance

3 適應(yīng)故障穿越運行的風(fēng)電場并網(wǎng)處保護方案

風(fēng)機一般采用單元接線方式，然后以并聯(lián)分組形式集中升壓，通過風(fēng)電場出線連接到配電網(wǎng)中。系統(tǒng)接線如圖5所示。

圖5 接入風(fēng)電場的配電網(wǎng)典型接線圖Fig.5 Schematic diagram of typical distribution grid with wind farm

隨著并網(wǎng)風(fēng)電容量的不斷增加，為了避免外部電網(wǎng)故障導(dǎo)致大量風(fēng)機從系統(tǒng)中解列，從而影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，電網(wǎng)要求風(fēng)機在故障過程中作穿越運行，以起到對電網(wǎng)的支撐作用[15]，典型故障穿越運行要求如圖6所示[1]。

圖6 電網(wǎng)規(guī)程下的風(fēng)電場故障穿越運行曲線Fig.6 Operational curve of wind farm during fault ride-through

區(qū)域1為電機低壓穿越運行區(qū)。其要求在外部電網(wǎng)故障時，若風(fēng)電場母線電壓不低于Ulow_set時，能保持連接在電網(wǎng)中t1時間，由電網(wǎng)保護切除故障。Ulow_set一般可選擇為0.15倍的額定電壓。區(qū)域2為電壓恢復(fù)區(qū)，要求母線電壓在t1時刻后（外部故障切除后），能迅速恢復(fù)，在 t2時刻，電壓恢復(fù)到額定值，一般t2值為3s。區(qū)域3為保護動作區(qū)，即如果電機母線電壓恢復(fù)不理想，則出口處保護動作，切除電機。顯然，傳統(tǒng)的線路保護，如三段式電流保護無法滿足上述運行要求。鑒于此，本文以風(fēng)電廠并網(wǎng)保護為研究對象，提出了一種新的復(fù)合式電流-電壓保護方案。在方案設(shè)計中，除考慮了風(fēng)電場低壓穿越運行的要求外，也計及了雙饋電機“多態(tài)”故障特性對保護的影響，以更好地適應(yīng)風(fēng)電場的特殊運行條件和要求。

新型復(fù)合式電流-電壓保護由改進型三段式電流保護以及低電壓保護構(gòu)成，兩保護并聯(lián)出口（任一保護動作，均出口跳閘）。電流保護主要用于保證聯(lián)絡(luò)線故障的快速切除以及作為相鄰線路的后備保護，其基本原理如下：

（1）改進型三段式過流保護：當(dāng) I≥IsetI時，保護Ⅰ段瞬時動作，其中IsetI為電流保護I段定值。需要指出的是，對于雙饋電機，當(dāng)近端發(fā)生故障時，Crowbar保護動作，將造成故障電流迅速衰減，波形如圖1所示。因此，為了保證電流保護Ⅰ段可靠動作，在微機保護中宜采用基于瞬時值的快速保護算法。保護Ⅱ段和Ⅲ段：由于電流保護Ⅱ段和Ⅲ段經(jīng)延時跳閘，從前述分析可知，雙饋電機提供的短路電流具有“多態(tài)性”特征，特別是Crowbar保護動作后，短路電流幅值衰減很劇烈，其穩(wěn)態(tài)值甚至可能小于負(fù)荷電流。若不采取措施，傳統(tǒng)的電流保護Ⅱ、Ⅲ段存在拒動的可能。一種改進方法是采用低電壓保持的定時限過流保護，其動作邏輯框圖如圖7所示，即一旦過電流元件動作，只要低電壓條件滿足，保護一直動作（即使過流元件返回），從而可有效消除雙饋電機短路電流多態(tài)性的影響，確保故障的可靠切除。

圖7 低壓保持定時限電流保護邏輯圖Fig.7 Low voltage keeping definite-time of over current protection

（2）故障穿越低電壓保護：為了實現(xiàn)圖6所示的低電壓故障穿越運行要求，除過電流保護外，增設(shè)與風(fēng)電場故障穿越曲線相適應(yīng)的低電壓保護，主要作為網(wǎng)內(nèi)保護的后備和確保電壓恢復(fù)，其動作方程為

其中，U為電機連接母線測量電壓；Ulow_set為電機所能承受的母線電壓跌落最低值；t1、t2分別為低電壓穿越時間和電壓恢復(fù)時間（見圖 6），t為當(dāng)前時刻（以故障發(fā)生時刻為起點）。

對于低電壓穿越運行時間 t1，IEEE 1547中，在沒有區(qū)分電源類型的情況下，規(guī)定電壓跌落到0.5(pu)以下時的 t1推薦時間為 160ms。一般而言，t1取值越小，對 DG自身的安全越有利。t1過大，容易造成旋轉(zhuǎn)類電源轉(zhuǎn)子失速，端口電壓的持續(xù)跌落。研究表明，微型燃?xì)廨啓C能承受的時間為300ms左右。然而對于風(fēng)力機，由于機體具有較大的阻尼，不存在轉(zhuǎn)子失速暫態(tài)失穩(wěn)的問題。其低電壓穿越運行時間t1在考慮電機耐壓承流的能力的基礎(chǔ)上，可以取較大的值。適度增加t1的取值，一方面能夠充分發(fā)揮風(fēng)電場在故障過程中對電網(wǎng)的支撐作用，避免大量風(fēng)場在短時間內(nèi)被切除，造成系統(tǒng)嚴(yán)重的功率缺失；更為重要的是，較大的t1值，允許配網(wǎng)內(nèi)原有的保護有較長的時間切除故障，不需要大規(guī)模的提升原有保護的性能，節(jié)約了成本。目前我國大型風(fēng)電場取為625ms。

對于接入配電網(wǎng)的風(fēng)電場，此故障穿越低電壓保護需要考慮故障點位置和線路重合閘之間的配合。并不是電網(wǎng)內(nèi)部任一處故障，風(fēng)電場都能夠做故障穿越運行。例如對于饋線采用重合閘前加速方式，當(dāng)故障發(fā)生在風(fēng)電場接入的本條饋線上時，為了避免風(fēng)電場對故障電弧的重燃，導(dǎo)致重合閘失敗，風(fēng)電場要加速退出運行。故關(guān)于故障穿越低電壓保護的適用條件，此處給出分析結(jié)果如下：①重合閘前、后加速配置下的饋線，當(dāng)故障發(fā)生在鄰線時，風(fēng)電場能夠和系統(tǒng)并網(wǎng)運行，并網(wǎng)處的保護采用故障穿越低電壓保護；②重合閘前加速配置下的本線故障時，風(fēng)電場需要加速退出；③重合閘后加速配置下的饋線，如果故障發(fā)生在風(fēng)電場接入母線的上游，則風(fēng)電場需要退出運行；④如故障發(fā)生在母線的下游，則風(fēng)電場并網(wǎng)處保護采用故障穿越低電壓保護。

新型復(fù)合式電流-電壓保護方案通過電流保護和低電壓保護的協(xié)調(diào)配合，可實現(xiàn)聯(lián)絡(luò)線故障的可靠切除，同時使得發(fā)生外部電網(wǎng)故障時，風(fēng)電機組具有良好的故障穿越運行能力。

4 算例仿真

建立如圖5所示的典型配電網(wǎng)模型。系統(tǒng)基準(zhǔn)容量500MVA。線路AB、BC、AF為架空線路，線路參數(shù)為 x1=0.347Ω/km，r1=0.27 Ω/km；CD、DE、FG 為地下電纜，線路參數(shù)為 x1=0.093 Ω/km，r1=0.259 Ω/km。在每個節(jié)點處接入額定容量為6MVA、額定功率因數(shù)為0.85的負(fù)荷。節(jié)點B處通過聯(lián)絡(luò)線接入 10MVA的風(fēng)電場：雙饋電機出口線電壓690V，通過升壓變和聯(lián)絡(luò)線接入配電網(wǎng)中，定子電阻0.007(pu)（以下無單位數(shù)字均為標(biāo)幺值），漏感0.171，互感2.9，轉(zhuǎn)子側(cè)電阻0.005，漏感0.156，升壓變壓器20MVA，短路阻抗比4%。轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器采用PQ解耦矢量控制策略，Crowbar保護采用轉(zhuǎn)子電流峰值為動作判據(jù)，整定值為2(pu)，保護中串接的釋能電阻為0.25 Ω。利用Matlab/Simulink仿真軟件對此系統(tǒng)進行故障仿真分析，驗證所提保護方案的有效性。

4.1 風(fēng)電場接入系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線上故障

風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線（8km）由遠及近設(shè)置三相短路，Crowbar保護啟動值為2倍的轉(zhuǎn)子電流峰值，短路電流峰值大小及并網(wǎng)處母線電壓跌落程度見下表。

電流保護的I、II整定值分別按躲過線路末端最大短路電流和保證本線線末故障具有足夠靈敏度整定。由表1可知，故障發(fā)生在聯(lián)絡(luò)線末端時，機端電壓跌落到40%附近。表明在聯(lián)絡(luò)線任一處故障都會引起Crowbar保護的動作。對保護I段而言，由于Crowbar保護動作后轉(zhuǎn)子繞組被短接，電流迅速衰減，其峰值電流的有效波形寬度可能僅為5～10ms，如圖1所示。通過采用基于瞬時值的快速保護算法可實現(xiàn)故障的可靠切除。當(dāng)故障發(fā)生在II段范圍內(nèi)，由于II段保護存在0.5s的時延，且短路電流會迅速衰減到20A左右，遠小于II段電流定值，傳統(tǒng)的II段保護將發(fā)生拒動。而本文提出的改進方案，II段過電流元件僅作為啟動元件，采用低電壓保持出口跳閘，低電壓保護按躲過線路Crowbar保護動作時的最小電壓跌落程度整定。這樣在Crowbar保護啟動時，此方案也能夠確保風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線上故障的可靠切除。

表 Crowbar保護下的對稱短路電流及電壓跌落Tab. Three-phase short circuit current and voltage drop degree at active Crowbar protection

4.2 風(fēng)電場相鄰饋線故障

為考察所提出的新型保護方案對改善風(fēng)電場低壓穿越運行能力的效果，在相鄰饋線1上設(shè)置不同位置的故障，此時風(fēng)電場并網(wǎng)處的電壓跌落程度如圖8所示。

圖8 鄰線不同故障距離下，風(fēng)電場并網(wǎng)處電壓跌落Fig.8 PCC voltage drop degree in adjacent feeder line fault

從圖8可知，當(dāng)故障發(fā)生在3.5km以內(nèi)時，風(fēng)電場并網(wǎng)母線電壓跌落到0.9(pu)以下。當(dāng)并網(wǎng)處保護采用基于電壓偏移的傳統(tǒng)保護策略時（當(dāng)電廠出口母線電壓偏移超出預(yù)設(shè)值，如額定電壓的±10%時，切除風(fēng)力機），則鄰線AF段發(fā)生短路故障時，風(fēng)廠機組會退出運行，將對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和供電可靠性帶來不利影響。采用本文提出的改進保護方案，當(dāng)鄰線發(fā)生故障后，仍可保持電機連接在電網(wǎng)中，并向系統(tǒng)提供有功功率。圖9所示為風(fēng)力機在不同故障點的有功輸出情況。

圖9 鄰線不同故障距離下，風(fēng)電場輸出功率Fig.9 Real power output of wind farm in adjacent line fault

從圖9中可以看出，對于大多數(shù)鄰線故障（見圖9d～圖9f），采用改進的保護策略，可使風(fēng)力機組能夠在更低的電壓區(qū)間向系統(tǒng)提供功率，擴大了風(fēng)力機組的低電壓運行范圍，利于電網(wǎng)的故障恢復(fù)與穩(wěn)定。需要指出的是，當(dāng)鄰線故障點距離風(fēng)電場較近時，由于機端電壓跌落較為嚴(yán)重，Crowbar保護動作后會導(dǎo)致風(fēng)力機組的輸出功率接近于 0，如圖 9a～圖 9c所示，此時風(fēng)力機組僅“虛接”在電網(wǎng)中，但這種“虛接”方式仍優(yōu)于傳統(tǒng)的將機組切除的保護模式，一旦系統(tǒng)電壓恢復(fù)，“虛接”機組可快速平滑地并入電網(wǎng)。

5 結(jié)論

理論分析和仿真試驗表明：雙饋電機提供的短路電流大小以及衰減特性與傳統(tǒng)的同步電機相比存在較大差異，電機本體Crowbar保護的動作行為以及勵磁控制方式對短路電流特性有重大影響，使得短路電流具有“多態(tài)”性的變化特征，能夠給傳統(tǒng)的繼電保護運行帶來新的理論和技術(shù)問題。

本文提出的新型復(fù)合電流-電壓保護，考慮了雙饋電機“多態(tài)”故障特性對保護的影響，提高了并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線故障時保護動作的可靠性，并能較好滿足外部配電網(wǎng)故障時風(fēng)電廠低壓穿越運行的應(yīng)用要求，是對傳統(tǒng)保護技術(shù)的優(yōu)化與拓展。

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