風電場送出線路距離保護的探究

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(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2.教育部可再生能源發電與并網控制工程技術研究中心，新疆 烏魯木齊 830047)

0 緒 論

在風電場如何聯網的爭論中，它的特點就是綜合了保護的復雜性和系統的安全性。簡單的投切式連接或用熔絲T接對配電等級是可以接受的，但對輸電等級就不能接受。距離保護(Weedy和Cory，1998)是人們經常使用的系統之一，但這種保護很可能發生誤動作，因為它把1區范圍的末端“看成”必須保護的主干電路，這種保護方案會越限進入甚至超過向風電場供電的變壓器。因此風電場內的主干系統可能會因擾動而跳閘。

1 采用雙饋風機的變速恒頻風電機組概述

為了使機組轉速能夠快速跟蹤風速的變化，必須對發電機的轉矩實施控制，為此，只需在發電機與電網之間接入變流器，使發電機與電網之間解耦，就允許發電機變速運行了。由于變流器通過發電機的全部輸出功率，因此，變流器的容量較大、成本較高。當變速恒頻風電機組不需要大范圍的變速運行，而只需在較窄的范圍內實現變速控制時，可選擇雙饋(繞線轉子)感應發電機，發電機的定子繞組直接與電網相連，用于變速恒頻控制的變流器接到發電機轉子繞組與電網之間[1]。這時，需要對雙饋感應發電機實行轉速和轉矩的Ⅳ象限控制。實際上，采用雙饋感應發電機的方案在原理上與感應電動機串級調速相類似，當電機運行于第Ⅱ象限時，電機運行于發電機狀態，其電磁轉矩為制動特性；當調節轉子附加電動勢(即變流器的電機側電壓)的大小或相位時，就改變了發電機的轉子電流和電磁轉矩，同時，也就改變了發電機的轉速。只要令變流器的電機側電壓跟蹤風速變化，發電機的轉速就可以快速跟蹤風速的變化了。

采用雙饋發電機時，需要控制的只是轉差功率，而轉差功率一般不超過發電機額定功率的1/3，使變速恒頻雙饋感應發電機組的控制成本大為降低，這也是雙饋感應發電機在大型發電機組中的應用日益廣泛的主要原因。雙饋(繞線轉子)感應發電機的運行原理與籠型感應發電機基本相同，只是由于轉子使用了繞線型繞組，才使之可以實現雙饋運行。所謂雙饋就是電機的定子和轉子都可以饋電的一種運行方式，而饋電一般是指電能的有方向傳送。對于雙饋感應發電機來說，定、轉子的饋電方向都是可逆的[2]。在定子側，當電能的傳送方向為電機至電網方向時，電機為發電機運行，電能傳送方向為電網至電機方向時，電機為電動機運行；在轉子側，在變流器的電機側電壓的控制下，電能傳送的方向也是可逆的[3]。雙饋感應發電機的運行狀態和功率傳遞關系見圖1。

圖1 雙饋感應發電機的運行狀態和功率傳遞關系

2 風電場送出線路距離保護的模型分析

2.1 與輸電系統相連的風電場距離保護

繼電器可以通過相關的電壓和電流有效測量阻抗。對于小阻抗距離(比如到變電站2距離的80%——目的是防止超越到變電站2中的變壓器)內的故障，故障會被無延時的1區保護迅速清除。2區保護檢測這一范圍之外的故障，并引入一個延時。到變電站2距離最后20%區段的故障經常被檢測成節點2的反向潮流，并會有一個加速信號送到節點1，產生一個1區跳閘時間[4]。

結果是，規劃人員很可能用開關設備把回路分成兩段，把風電場放在兩個普通饋線之間。這需要2至3臺斷路器。圖2是三斷路器配置，而圖3是兩斷路器配置。

圖2 距離保護——三斷路器配置

圖3 距離保護——兩斷路器配置

2.2 模型的建立

風力發電機組會對無線電磁波的傳輸產生干擾，因此應避免在導航設施或通訊中繼站附近安裝風力發電機組。風力發電機組對電視和無線電信號的干擾，很大程度上受機型和地理環境的制約。可以采用下面的經驗公式來估算信號受干擾的區域。

式中，r為受干擾區域半徑；A為葉輪的投影面積；η為葉輪的干擾率，金屬葉片取0.7，玻璃鋼葉片取0.3；l為電視信號的波長；c為電視發射塔，接收機和風力發電機組之間的幾何位置常數：如果電視發射塔、接收機和風力發電機組三者在一條線上取c=2，如果風力發電機組在電視發射塔所發射的電波水平線后面，取c=2～5；m0為干擾強度指數，一般取0.15。

對于電視信號受到干擾的區域，可以通過調整接收天線、安裝一個小型的輔助差轉臺或用有線電纜傳輸電視信號等方法消除干擾對居民生活的不利影響。

3 風電場送出線上故障時距離保護的動作

如果要把遠方操作、接地、SCADA、蓄電池充電器和安全配置都納入，很可能會導致保護方案過于昂貴。輸電企業可能會盡可能確保T接設備的所有問題都配備自我保護，力圖保留主干電路的安全配置，使主干系統保持原樣。盡管三段距離保護方案是可以實現的，但T接電路的長度和位置在決定方案的可靠性方面卻非常重要。它的替代方案是通信要求很高的全三端單元保護(full 3-ended unit protection)。

風電機組的感應發電機通過0.69/35 kV箱式變壓器接入風電場內部電網。內部電網配置為8排(8段)，每段含10臺風力發電機組。各排內部的風電機組都連接到30 kV海底電纜。同段內相鄰風電機組間距為1 500 m，而相鄰段的距離為850 m。這樣的距離選擇符合5倍風輪直徑的經驗值，可以保證能顯著降低塔影效應。所有30 kV海底電纜段都連接到裝有30/30/132 kV三繞組變壓器的海上平臺。再通過一條132 kV海底和地下電纜，將海上風電場接入陸地輸電系統的連接點。這種情況下，選擇交流接入輸電網，進行短路故障研究之前，首先要確保線路分斷本身(短路容量降低到1 000 MVA)不會導致電網電壓失穩。如果發生電壓失穩，則必定是由施加于輸電系統選擇點的短路故障引發的。系統仿真圖如圖4所示及線路參數。

圖4 系統仿真圖

表1 線路參數

在單相接地故障下，對保護進行仿真設置故障在0.5 s發生，持續時間為0.1 s，各變量仿真圖如圖5所示。

從圖5可看出，當風電場接入系統后，發生單相接地故障時，導致相間接地距離阻抗圓中的AC相落在阻抗圓內，導致保護誤動，擴大了故障范圍。

經常可以使用故障后自動重合閘，因為大量故障是暫時現象，如與樹枝觸碰、導線和鳥接觸等。這種措施被視為一種減少用戶用電中斷時間的主要工具。但隨著嵌入式發電的增長，它也會造成一些困難。即使出于安全考慮把自動重合閘排除在常規事件之外，它也經常在雷電和風暴條件下使用，以減少對檢修隊伍的需求。通常的規定是不允許對電纜和變壓器故障使用自動重合閘，因為它是暫時性現象，可某些風電場直接接入大電源或電網的低壓側。可以擁有這類發電設備的斷路器是電業部門的決策問題，但開關設備配備的母線區保護可能需要擴展(或更換)，以納入增加的電路。它的關鍵節點被分為幾個子段。這種保護會檢測故障發生區域，并僅將這一區域隔離。在關鍵位置，還要配置斷路器失效保護。在發生斷路器拒跳事件時，這一保護會檢測故障，跳開該節點的其他所有電路，以防止繼續向故障點供電。對這一保護還需要修改，把新回路考慮在內。另一個問題是變壓器是否配置逆功率保護。低負荷時，大型風電場大量發電會導致通過變壓器的潮流反向。但如果變壓器有能力承受這一水平的逆向潮流，那么這就只是一個保護定值問題。可以安裝逆功率保護來防止故障點逆向供電[5]。

圖5 接入風電場后線路阻抗仿真圖

風電機組的故障穿越能力可用定速風電機組的結構與控制來改善。這種改善基于定速風電機組的動態穩定極限，它可降低動態無功補償的容量要求。因此，降低動態無功補償容量要求可作為結構改進和改善定速風電機組故障穿越能力控制的度量。

4 結 論

因此，研究短時電壓穩定性時，可以把定速主動失速控制的風電機組表示為失速控制。當動態無功補償和其他控制都沒有時，短路故障會導致大型海上風電場電壓失穩。只要風電機組保持聯網，大型海上風電場內不同風電機組上標注的發電機轉速、機端電壓和其他參數的波動就都會是同相的，不會相互反相。這樣的同相波動稱為相干響應，波動的固有頻率等于機軸的扭曲模。

[1] 徐巖，林旭濤，趙亮，等. 大型風電場對工頻故障分量距離保護影響的研究[J]. 電力系統保護與控制，2013(10)：118-125.

[2] 張保會，張金華，原博，等. 風電接入對繼電保護的影響(六)——風電場送出線路距離保護影響分析[J]. 電力自動化設備，2013(6)：1-6.

[3] 余昆,曹一家,陳星鶯,等. 含分布式電源的地區電網動態概率潮流計算[J]. 中國電機工程學報，2011(10)：118-125.

[4] 陳培育，郭小燕. 風電場風速平穩性及其平穩化處理研究[J]. 河南科技，2013(16)：153-154.

[5] Urmila M. Diwekar. A Novel Sampling Approach to Combinatorial Optimization Under Uncertainty[J]. Computational Optimization and Applications,2012(20)：102-103.