基于雙饋機組風電場并入網后的自適應保護

王 飛， 鄭日紅， 段建東

(1.西安理工大學自動化與信息工程學院，陜西西安 710048;

2.內蒙古工業大學電力學院，內蒙古呼和浩特 010018)

0 引言

風能是一種可再生無污染的綠色能源，風電開發技術逐漸成熟，而且具有較好的經濟效益和社會效益，是現今最具開發前景的新能源之一。但風能的隨機性以及風場容量增大決定了并有風電場的配電網保護成為一個難點［1］。

風電的并網特性一直以來都是人們關心的問題。以前對風電的研究大多圍繞風電場內部故障分析，以及含風電場的配電網電壓穩定性控制進行［2-3］，而對風電場提供短路電流大小及整個系統保護的研究卻很少，針對大型風電場并網保護方案可行性方面研究更少。但隨著風場容量的增大，提供的短路電流也隨之增大，這就對配電網繼電保護的靈敏性和選擇性造成影響。

文獻［4］對分布式電源接入后引起的電壓變化特性進行了分析，并給出了保護方案;文獻［5］提出了一種利用小型監控保護系統對含分布式電源的配電網進行保護的方法;文獻［6］剖析了大型風場接入后會引起系統潮流重新分布，電能質量和諧波污染也會改變，保護會失去選擇性，靈敏性也將受到限制，為此提出了采用全控型高壓直流輸電技術的方案。文章全面分析傳統的繼電保護方案不足，并在此基礎上提出了自適應繼電保護方案。通過深入的理論分析，論證了自適應保護可以應用于并有大型雙饋機組風場的配電網繼電保護當中。

1 雙饋風力發電機數學模型

1.1 風速模型

根據風速隨時間隨機性變化的特征，風速變化可由以下四個部分組成［7］。

(1)基本風:由風電場測風所測得威布爾參數來近視確定為

(2)陣風:在風速變化時用于描述風速的突然變化為

式中:VWG、TG、T1G、Gmax分別為陣風風速、陣風作用時間、陣風起動時間和陣風最大值。

(3)漸變風:描述了風速的漸變特性，表示為

式中:VWG、T1R、T2R、TR、Rmax分別為漸變風風速、漸變風起始時間、漸變風終止時間、漸變風保持時間及漸變風最大值。

(4)隨機噪聲風:反映風速變化的隨機性，表示為

式中:N——統計風速總次數，一般取50;

Δω——風速頻率間距，一般取 0.5 ～2.0 rad/s;

φi——0～2π間均勻分布的隨機變量;

KN——地表粗糙系數，一般取0.004;

F——擾動范圍尺度;

μ——相對高度的平均風速。

綜合上面分析可得出實際風速為基本風、陣風、漸變風及隨即噪聲風的合成，如式(5)所示:

因此要確定精確的繼電保護方法，就需要建立詳細的風速模型來刻畫風速以接近真實風速。

1.2 雙饋風機組數學模型

雙饋風機定、轉子電壓方程分兩相靜止坐標方程(α－β)和兩相旋轉坐標方程(d－q)，式(6)為旋轉坐標下的轉子電壓方程［4］:

式中:vw——風速;

vr——額定風速;

vin——切入風速;

vout——切出風速;

Cp(λ，β)——風力機葉片氣動特性函數;

λ——葉尖速比，λ =ωR/vw;

R——葉片半徑;

ω——風力機的葉輪旋轉角速度;

β——槳距角;

A——風的掃掠面積;

ρ——空氣密度，一般取 1.225;

Pr——風力機的額定機械功率。

雙饋風機的電磁轉矩方程可由式(8)表示:

式中:Te——發電機的電磁轉矩;

n——極對數;

式中:uds，uqs，ids，iqs，udr，uqr，idr，iqr，ψdr，ψqr分別是定轉子在dq軸上的電壓、電流磁鏈分量;ωs、ωr分別為定轉子角速度，以上均忽略了零矢量。

式(7)給出了雙饋風力機機械轉矩方程:

θ——轉子的電角度。

雙饋發電機轉矩平衡方程為

式中:J——發電機的轉動慣量;

D——發電機的阻尼系數;

K——扭轉彈性轉矩系數，一般有D=K=0。

參照上述數學模型，便可對雙饋風機系統進行全面的建模仿真，分析得出風機更為真實的仿真圖形和數據，從而盡可能地減少風機及其出口各項參數指標的誤差，為繼電保護準確動作奠定基礎。

2 傳統三段式保護及其特點

配電網廣泛分布于電力系統中，在我國配電網分高壓配電網(110 kV、66 kV)、中壓配電網(35 kV、10 kV、6 kV)和低壓配電網(220 V、380 V)。配電網的安全運行直接關系到人民的生命財產安全，所以針對配電網的保護必須簡單、安全、可靠。三段式電流保護恰恰具備這些特點，因而被廣泛應用在配電網的保護中，而且在實際應用中得到了認可。三段式電流保護主要是根據輸電線路發生短路故障時電流增大的特點而設計的，主要包括電流速斷保護、限時電流速斷保護及定時限過電流保護［9］。

2.1 電流速斷保護

電流速斷保護又稱無時限電流速斷保護，即瞬時Ⅰ段電流保護，反應了短路電流幅值增大而瞬時動作的電流保護，其整定原則為保證在下一級線路出口處發生短路故障時，保護不會出現誤動，動作電流按躲過被保護線路外部短路時最大短路電流來整定，整定式如式(10)所示:

式中:——考慮各種影響后的電流速斷保護系數一般取1.2 ～1.3;

Kd——短路類型系數;

Eph——系統等效電勢;

Zsmin——最大運行方式下保護背側系統等效阻抗;

ZL——被保護線路正序阻抗;

為了確定電流速斷保護范圍，設故障發生在λZL線路處，則短路電流為

令式(10)等于式(11)，可推得

式中:Zs——保護背側系統等效系統阻抗。

綜上可得電流速斷保護的原理圖及動作特性，如圖1所示。

圖1 電流速斷保護原理圖及動作特性

由此可見，傳統電流速斷保護不能保護線路的全長，并且保護范圍受系統運行方式及短路類型的影響較大。

2.2 限時電流速斷保護

電流速斷保護不能保護本線路的全長，所以其保護范圍外的故障必須由帶時限的電流速斷保護切除，這就是限時電流速斷保護，也稱Ⅱ段保護，其整定原則為躲過下一級線路瞬時電流速斷保護范圍末端最大短路電流。整定式為

式中:——本線路帶時限電流速斷保護系數，一般取1.10 ～1.15;

為了保證選擇性要求，限時電流速斷保護的時間要比下一級線路瞬時電流保護動作時間高一個時限 Δt，即=+Δt，我國 Δt一般取0.5 s(下一級瞬時電流保護的動作時間)。限時電流速斷保護原理及動作特性如圖2所示。

2.3 定時電流速斷保護

定時過電流保護也叫過流保護，也即為第Ⅲ段保護，它是作為下級線路的主保護拒動和斷路

式中:——Ⅲ段保護的可靠系數一般取1.15 ～1.25;

Kss——電機起動系數，一般取1.5 ～3;

Kre——繼電返回系數，一般取0.85 ～0.95;

ILmax——最大負荷電流。器拒動時的遠后背保護，也作為過負荷保護。整定原則是躲過最大負荷整定。整定式為

圖2 限時電流速斷保護原理及動作特性

定時限電流不僅能保護本線路全長，還能保護相鄰線路全長，同樣為了保護選擇性，定時電流保護時間要比相鄰下一級線路定時電流保護動作時間高一個Δt，即=+Δt(為下一級線路第三段保護的動作時間)。

2.4 傳統繼電保護在含風場配電網中的缺點

在我國，傳統的繼電保護對單側輻射網絡可以滿足要求，但是隨著大規模風電場接入配電網，一方面風力機輸出容量的不穩定會影響接入點電力參數發生變化，另一方面使得系統中的潮流、運行方式及參數發生改變，而這些又是影響傳統繼電保護的最大因素。因此，如果不加以改進就繼續用于含風力發電的配電網，將會帶來保護拒動、誤動等，使保護失去選擇性和靈敏性，從而嚴重威脅電力系統可靠性。

綜上，必須對傳統的繼電保護方案加以改進，為此引入了自適應保護，從而優化保護性能。

3 含風場配網的自適應保護及其特點

3.1 自適應電流速斷保護

自適應電流速斷保護要按考慮故障類型、風場接入點位置，以及風場提供的短路電流隨機變化特性進行整定，整定式為

式中:——保護的可靠系數;

K——可自動檢測估計故障類型系數;

Es1——保護背側等效電勢;

Zs1——保護系統背側等效阻抗;

ZL1——被保護線路等效阻抗。

令式(11)等于式(15)，即得自適應電流速斷保護的保護范圍為λ1:

式中:——自適應保護系數;

K——自動估計的故障類型系數;

Es1——保護背側系統等效電勢;

Zs1——保護背側等效阻抗值;

ZL1——被保護線路等效阻抗。

3.2 自適應限時電流速斷保護

本線路自適應限時電流速斷保護要與下一級線路自適應電流速斷保護相配合，整定式為

式中:——自適應保護Ⅱ段保護可靠系數系數;

3.3 自適應過電流保護

為了克服傳統保護方案的不足，自適應過電流保護必須能夠自動調整其整定值來滿足變化的負荷，整定式為

式中:——自適應定時電流速斷保護系數;

Kss1——電機自起動系數;

Kre1——返回系數，應小于1;

ILs——本線路時實負荷電流。

3.4 自適應保護參數的確定

先按圖3所示步驟對配電網進行故障分量等效，自適應保護應按以下幾個步驟來確定其參數。

(1)保護范圍的確定。

因為Kd≤1，所以λ1∶λ≥1，因此自適應的保護范圍大于傳統保護范圍，而且不受故障類型及接入位置的影響。

(2)系統等效阻抗及等效電勢的確定。

采用故障附加狀態來求解保護背側等效阻抗，如圖3所示，那么考慮風電場電流分量后得

系統等效電源通過在線計算獲得，為

式中:UAF、IAF分別為被保護線路故障時，保護安裝處的電壓、電流。

圖3 含風場配網故障等效圖

(3)故障類型系數確定。

圖4 含風場配網各分量等效圖

風電場并網后，風速變化及風機投切引起的系統容量的變化和接入點位置變化的影響都通過在線測量電勢及計算出的背側阻抗來反映。因此，利用自適應電流保護可滿足接有雙饋機組的大型風電場配電網繼電保護要求。

4 結語

本文論述了含雙饋機組風場的配電網保護，建立了詳細風速及雙饋風機的數學模型。通過分析得知:由于風速變化引起的出力變化、風機投切引起的容量變化及分布式風場接入點位置變化，都會使得傳統保護不能滿足動作的選擇性和靈敏性。因此，引入了自適應保護，分析了自適應保護的性能及特點，自適應電流保護通過實時計算改變定值，從而實現了保護動作可靠，使得保護性能有了明顯改善，提高了含風電場的配電網的可靠性。

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