集群接入的風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線單相重合策略研究

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(國網(wǎng)新疆經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引 言

能源危機(jī)已受到世界各國的高度關(guān)注，大力發(fā)展可再生能源已成為目前社會的當(dāng)務(wù)之急。風(fēng)電作為中國基本能源政策對緩解能源供應(yīng)、改善能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)環(huán)境、實現(xiàn)和諧社會和電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義，加快可再生清潔能源的發(fā)展和高效利用已成為中國能源領(lǐng)域的重點發(fā)展戰(zhàn)略之一。

由于受風(fēng)能資源的影響，風(fēng)電場運行方式多變使風(fēng)電場集群的故障特性具有特殊性，常規(guī)故障分析如疊加原理不適應(yīng)，無法進(jìn)行數(shù)學(xué)分析[1-3]。隨著風(fēng)電高滲透接入和單元容量的增加，不考慮風(fēng)電的運行特性及其影響，按常規(guī)線路配置保護(hù)及重合閘(一般重合閘不投或采用單相重合閘)，容易導(dǎo)致保護(hù)誤動、配合困難，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組不必要的切機(jī)，既影響風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)效益也會影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，且難以實現(xiàn)電網(wǎng)故障時的電源支持。從近年來的運行情況來看，如果風(fēng)電場并網(wǎng)專用線路發(fā)生故障，具備無功支撐及低電壓穿越能力的風(fēng)電場運行工況不同，故障性質(zhì)不同，重合的效果也大不相同。如果重合策略不合理，不但風(fēng)電場要遭受二次沖擊，也會影響電網(wǎng)及其他相鄰并網(wǎng)風(fēng)電場，而風(fēng)電場的集群特性還可能放大這種影響，導(dǎo)致事故擴(kuò)大，嚴(yán)重影響風(fēng)電場及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。隨著風(fēng)電場集群規(guī)模及系統(tǒng)中風(fēng)電容量的不斷增大，合理的重合閘策略已成為保證風(fēng)電場及其接入系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提。下面旨在依據(jù)集群風(fēng)電場的運行特點和研究風(fēng)電場故障穿越動態(tài)特性的基礎(chǔ)上，研究適應(yīng)風(fēng)電場集群運行特點的重合閘策略。

風(fēng)電場故障特性隨運行方式、風(fēng)電機(jī)組類型而變。在風(fēng)電場故障特性及相關(guān)保護(hù)方面，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量研究，取得了一定的研究成果。而與風(fēng)電相關(guān)的重合閘研究方面對分布式發(fā)電系統(tǒng)中重合閘技術(shù)的研究較多[4-6]。文獻(xiàn)[7]研究了影響雙側(cè)有源線路重合閘的主要因素，分析了準(zhǔn)同期重合閘方式的可行性。文獻(xiàn)[8]剖析了風(fēng)電場側(cè)保護(hù)重合閘采用檢同期方式難以動作成功的原因，提出了風(fēng)電場并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線重合閘的合理配合方式。文獻(xiàn)[9]詳細(xì)分析了大規(guī)模風(fēng)電場對保護(hù)和重合閘的影響，提出了相關(guān)建議措施。

下面將重點對集群風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線的單相重合閘展開研究，從潛供電流入手，在分析了線路數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合風(fēng)電特性，提出了抑制潛供電流，縮短熄弧時間的方法，在一定程度上提高了單相重合的成功率。

1 線路數(shù)學(xué)模型分析

如圖1所示，假設(shè)輸電線路c相發(fā)生單相接地故障，故障后c相兩側(cè)斷路器跳開。但是由于故障相和正常相之間存在電感耦合和電容耦合，另一方面，線路此時非全相運行，正常相還將持續(xù)流過電流，通過線路間互感在故障相產(chǎn)生互感電勢EM，然后通過故障相對地電容經(jīng)c0由故障點形成互感電流。電容電流和互感電流之和稱為潛供電流。

圖1 潛供電流原理圖

(1)

(2)

式中，U為故障相電壓；I為 c相故障電流；l為線路長度，以下均相同不再復(fù)述。

設(shè)電弧電阻不計，短路點位于x處，在前半段0-x處有

將邊界條件帶入推導(dǎo)得

(3)

(4)

兩式聯(lián)立得

(5)

該式只能求解左半邊提供的潛供電流，同理有后半部分分量為

總的潛供電流為

(7)

由該表達(dá)式可知，組成潛供電流的兩部分不僅與線路參數(shù)有關(guān)，還與故障位置相關(guān)，前一分量耦合電容占主導(dǎo)，與線路長度呈線性關(guān)系；后一分量由相間互感耦合決定，不僅與線路參數(shù)有關(guān)，還與線路傳送功率及故障位置有關(guān)。

潛供電弧熄滅瞬間在弧道上產(chǎn)生的電壓叫做恢復(fù)電壓。如果恢復(fù)電壓上升快、幅值高，就會使弧道重燃，研究表明潛供電流和恢復(fù)電壓是影響電弧熄滅的兩個主要因素。

2 集群風(fēng)電場重合動態(tài)特性分析

圖2是某地區(qū)集群風(fēng)電場接入電網(wǎng)地理接線圖。以圖中風(fēng)電場A為例，假設(shè)送出線路發(fā)生單相接地故障，仿真驗證其重合不成功對電網(wǎng)的沖擊。220 kV送出線路1 s發(fā)生單相接地故障，1.05 s保護(hù)速斷，2.5 s單相重合，重合失敗后2.6 s風(fēng)電場跳三相脫網(wǎng)的動態(tài)過程。

如果風(fēng)電場并網(wǎng)專用線路發(fā)生故障，具備無功支撐及低電壓穿越能力的風(fēng)電場運行工況不同，故障性質(zhì)不同，重合的效果也大不相同。仿真結(jié)果表明，如果重合策略不合理，不但風(fēng)電場要遭受二次沖擊，也會影響電網(wǎng)及其他相鄰并網(wǎng)風(fēng)電場，而風(fēng)電場的集群特性還可能放大這種影響，極端情況下可能導(dǎo)致集群脫網(wǎng)事故。

圖2 地理接線示意圖

圖3 風(fēng)電場A、B母線電壓曲線

圖4 風(fēng)電場B、C母線電壓曲線

圖5 220 kV變電站母線電壓曲線

現(xiàn)有風(fēng)電場送出線路重合配置與常規(guī)電源無異，單相自動重合閘都是固定時限的，整定值的選取考慮電弧熄滅時間、絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)、以及兩側(cè)保護(hù)的動作時間。綜合考慮一般取0.6～1.5 s[10]。故障點的電弧熄滅時間不但與線路參數(shù)有關(guān)，還與故障點的風(fēng)速、電弧長度、潛供電流等因素有關(guān)，因此惡劣天氣條件下二次電弧長時間無法熄滅會極大增加重合失敗的可能。

3 重合措施分析與仿真

3.1 重合措施分析

條件不同電弧熄滅時間也不同，當(dāng)輸電線路在惡劣天氣條件下，如雨、霧等潮濕天氣發(fā)生單相接地故障，兩側(cè)斷路器跳開后很長時間二次電弧無法熄滅，在線路參數(shù)固定的前提下，如何降低潛供電流是決定單相重合成功率的決定因素。針對集群接入的風(fēng)電場惡劣條件下單相重合成功率不高的原因，提出以下解決措施。

圖6 單相重合策略示意圖

根據(jù)前述數(shù)學(xué)分析，式(7)中潛供電流由兩部分組成，前一分量耦合電容占主導(dǎo)，與線路長度呈線性關(guān)系；后一分量由相間互感耦合決定，不僅與線路參數(shù)有關(guān)，還與線路傳送功率有關(guān)，如若在故障同時限制風(fēng)電場出力，就能達(dá)到降低潛供電流，加速電弧熄滅的目的。

因此提出的重合策略為：當(dāng)送出線路f點發(fā)生單相接地故障，兩側(cè)斷路器QF-A斷開后，風(fēng)電場側(cè)集電線路QF1斷開。通過限制風(fēng)電場出力，從而減小聯(lián)絡(luò)線的功率傳送，達(dá)到抑制潛供電流，使電弧快速熄滅，重合時QF-A重合成功后QF1通過檢同期并入電網(wǎng)。而風(fēng)電場是由若干條集電線路組成，這為重合策略的實施提供了可能。

3.2 重合策略仿真驗證

以圖2為例搭建仿真模型，采用PSASP仿真軟件分析風(fēng)電場A聯(lián)絡(luò)線路故障后，通過限制風(fēng)電場出力達(dá)到降低潛供電流的目的。

風(fēng)電場A總?cè)萘?98 MW，通過一條220 kV送出線路接入一座220 kV變電站。送出線路1 s發(fā)生單相接地故障，1.02 s保護(hù)速斷，2.5 s單相重合，分別仿真送出線路傳輸功率為198 MW和180 MW，約限制出力20 MW情況下線路潛供電流值。

潛供電流值取故障后0.1 s時IA的值。其值由軟件報表輸出，單位為標(biāo)幺值。有名值由下列公式可算出。

I=IA*·IA

潛供電流標(biāo)幺值：IA*=0.023 71

潛供電流值：I=0.023 71×251.02=5.951 6 A

不同線路長度下潛供電流值如表1所示。

表1 潛供電流計算值 /A

仿真結(jié)果表明，風(fēng)電場故障時，在非全相運行期間通過限制風(fēng)電場出力能在一定程度上降低潛供電流，從而加速電弧熄滅。

現(xiàn)有單相重合閘都為固定時限，整定值的設(shè)定綜合考慮了電弧熄滅時間及其絕緣恢復(fù)時間，因而成功率較高。而惡劣天氣嚴(yán)重影響熄弧時間，極大地增加了重合失敗的可能性，該重合策略能在惡劣外界條件的情況下，通過抑制潛供電流加速熄弧，提高重合成功率。但同時該方法具有一定局限性，在風(fēng)電滿發(fā)且天氣條件惡劣時效果明顯。

該方案通過切機(jī)的方式來限制潛供電流，與現(xiàn)有風(fēng)電場并網(wǎng)規(guī)程不相符，但如若重合失敗，不但該風(fēng)電場脫網(wǎng)，極端情況下可能導(dǎo)致附近風(fēng)電場群脫網(wǎng)，給電網(wǎng)帶來災(zāi)難性的后果。而如若對風(fēng)電場小部分主動切機(jī)來抑制潛供電流，不但對電網(wǎng)影響微乎其微，而且達(dá)到了提高重合成功率的目的，從這一點出發(fā)，該方法具有一定的借鑒意義。

4 結(jié) 論

兩側(cè)斷路器跳開后很長時間二次電弧無法熄滅，是造成聯(lián)絡(luò)線單相重合閘失敗的主要原因，從理論上分析了聯(lián)絡(luò)線潛供電流的數(shù)學(xué)模型，提出了在非全相運行期間通過限制風(fēng)電場出力達(dá)到抑制潛供電流，加速電弧熄滅的目的，雖然具有局限性，但在特定情況下有一定的借鑒意義。

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