雙饋風電機組接入對配電網保護的影響及其對策研究

田文奇，馮江哲，趙小明，王順超

（龍源（北京）風電工程技術有限公司，北京 100034）

0 引言

近年來，大量風力發電機組接入中低壓配電網給傳統配電網保護帶來不可忽視的影響。傳統的單側電源、輻射狀配電網，三段式電流保護具有保護原理簡單、可靠性高等優點，并且在一般情況下能夠滿足快速、可靠切除故障的要求。當接入風電場的容量不大時，繼電保護配置和整定計算往往不考慮風電場的影響，而是簡單地將風電場看作是一個負荷［1］。然而，當接入的風電場達到一定規模時，提供的短路電流很大，甚至會超過系統側提供的短路電流，可能導致繼電保護裝置的誤動或拒動。因此，隨著風電并網容量的增大，非常有必要研究其對現有繼電保護的影響及對策。

目前，國內外針對風電的研究大都集中在風電機組的控制［2－4］、風電場內部及其聯絡線的保護［5－7］、風電引起的電能質量問題等方面［8－9］，還有許多文獻也僅僅是針對分布式電源接入位置不同對保護的影響展開研究［10－11］，而同時考慮風電場接入容量、風速、有功功率、無功功率等因素對保護影響問題的研究相對較少。因此，以下以目前廣泛應用的雙饋機型為例，結合以上因素深入研究風電場接入電網后配電網保護可能出現的問題及其對策。

1 風電接入對配電網保護的影響

風電場接入后，系統與風電場之間的區域為雙端電源供電，其他區域仍為單側電源供電，系統的潮流將重新分布。當故障發生時，風電場將提供短路電流，使故障電流的大小和流向發生改變，從而影響配電網的保護。風電場并入配電網接線示意見圖1。

圖1 風電場并入配電網接線

下面根據圖1中故障發生位置的不同，具體說明風電接入后風速、容量、有功功率、無功功率等因素對配電網保護的影響。

1.1 風電場接入點下游F1點發生短路故障

當故障發生在風電場接入點下游的F1 點時，系統和風電場同時提供故障電流，流過保護1和保護2的短路電流都會增大。對于保護2來說，靈敏度提高，速斷保護的保護范圍擴大，可能會延伸到下一級線路而發生誤動，從而失去了選擇性，而且風電場容量越大，影響越明顯。同時，由于風速狀態決定運行狀態，而且風電場在超同步運行狀態下提供的短路電流大于同步運行狀態和亞同步運行狀態，所以風速越大，風電場提供的短路電流越大，保護2發生誤動的可能性也越大。另外，風電場輸出無功功率時短路電流比吸收無功功率時大，所以輸出無功功率時保護2誤動的可能性更大。

1.2 風電接入點下游F2點發生短路故障

當故障發生在風電場接入點下游的F2 點時，系統和風電場同時提供故障電流，保護2流過的短路電流增大，風電場的接入能夠提高保護2的靈敏度，這對保護2 是有利的。但是，由于風電場的存在，接入點的殘壓提高了，保護3流過的短路電流會減小，并且風電場容量越大越明顯。由于F2 處故障時，保護3的電流速斷保護不應動作，所以在保護2能夠可靠動作時不會產生影響。但如果保護2由于某種原因拒動了，需要保護3的定時限電流速斷保護動作，由于保護3流過的短路電流減小了，靈敏度降低，保護范圍減小，嚴重時會拒動。所以風電場的接入使得保護3不能很好的作為下一級線路的遠后備保護。與F1 處故障相同，風電場對保護3 的影響程度會因風速的大小和無功功率狀態的不同而不同。

1.3 風電接入點上游F3點發生短路故障

當在風電場接入點上游的F3點發生短路故障時，由于通過保護3的短路電流全部由系統電源提供，因此風電場的接入不會對保護3的正確動作產生影響。

1.4 相鄰饋線F4點發生短路故障

當故障發生在相鄰饋線的F4 點時，系統和風電場都將提供短路電流。保護5測量到的短路電流會增大，靈敏度提高，保護5能夠可靠動作，這對保護5是有利的。保護3和保護4測量到的是風電場提供的短路電流，方向為線路到母線，如果保護3和保護4沒有加裝方向元件，風電場容量很大時，則可能造成保護3和保護4的誤動作，這時將擴大停電范圍。

2 風電對保護影響的仿真分析

使用實時數字仿真系統RTDS 對圖1所示的系統進行建模、仿真。具體的參數為：系統電源的電壓為10.5kV，初始相位角為0°，最小內阻抗為0.091Ω，最大內阻抗為0.126Ω；AB 線路阻抗為0.54＋j0.694Ω，BC 線路阻抗為0.54＋j0.694Ω，CD 線路阻抗為1.813＋j0.651Ω，DE 線路阻抗為3.26＋j1.302Ω，AF線路阻抗為1.08＋j1.388Ω。該系統的負荷分布是：饋線1和饋線2的末端所帶負荷阻抗均為30＋j15.7Ω；母線B、C、D、F、H 所帶負荷均為14.17＋j8.78Ω。風電場利用單機等效的方法，采用雙饋風力發電機型，容量為30 MVA，風機出口電壓為0.69kV，經過升壓變壓器升至10 kV 后，接入饋線2 的母線C 處。風機的切入風速為3m／s，額定風速為12m／s。未接入風電場前，保護1、2、3和5采用傳統三段式電流保護，其整定值計算結果見表1。

表1 各線路電流保護的整定值

以故障位置的不同為順序，對接入風電場后保護出現的問題進行研究分析如下。

2.1 DE段F1點短路時風電場對保護2的影響

F1選擇為DE 線路出口處4%位置，t＝0.2s時該處發生三相短路故障。圖2（a）是風速為7 m／s、12m／s及不含風電場時通過保護2的短路電流；圖2（b）是輸出無功功率、吸收無功功率及不含風電場時通過保護2的短路電流。

圖2 F1點短路時風電場對保護2的影響

從圖2（a）可以看出風速為12m／s時明顯比風速7m／s時的短路電流大，說明風電場的風速會直接影響故障時的短路電流。風速具有隨機性和波動性，風速的變化是比較頻繁的，在高風速下短路電流大，保護2的靈敏性提高，但可靠性降低，短路電流超過原有保護整定值，保護2和保護1失去選擇性。從圖2（b）可以看出，無論風電場無功功率的情況如何，風電場在故障時均對短路電流起助增作用，擴大了保護2的保護范圍。輸出無功功率時風電場提供的短路電流比吸收無功功率時大，保護2發生無選擇性的誤動。因此，風電場無功功率的狀態對配電網原有保護也會產生很大的影響。

2.2 CD段F2點短路時風電場對保護3的影響

F2選擇為CD 線路40%位置，t＝0.2s時發生三相短路故障。圖3（a）是風速為7m／s、12m／s及不含風電場時通過保護3的短路電流；圖3（b）是輸出無功功率、吸收無功功率及不含風電場時通過保護3的短路電流。

圖3 F2點故障時風電場對保護3的影響

從圖3可以看出，由于風電場對并網點提供一定的電壓支撐，使得通過保護3的短路電流比無風電場時減小，且風速越大減小的越多，輸出無功功率時比吸收無功功率時減小的多，對于保護3的帶時限電流速斷保護是不利的，可能會影響保護3帶時限電流速斷保護對相鄰下一條線路的遠后備作用。

2.3 BC段F3點短路時風電場對保護3的影響

F3選擇為BC線路50%位置，t＝0.2s時發生三相短路故障。圖4（a）所示為接入風電場前后通過保護3的短路電流，可以看出，風電場的接入不會影響保護3的可靠動作。

圖4 風電場接入對保護3的影響

2.4 AF段F4點短路時風電場對保護3的影響

F4選擇為AF線路20%位置，t＝0.2s時發生三相短路故障，仿真結果如圖4（b）所示。當沒有接入風電場時，保護3正常的負荷電流小于各保護電流整定值，當相鄰饋線1上的AF段發生故障時，通過保護3的電流反而減小，這是因為當AF故障時，母線A 上的電壓降低，導致饋線2上的電流減小。當接入30MVA 的風電場時，其提供的流過保護3的電流為反向電流，由線路流向母線，且比保護3Ⅱ段和Ⅲ段的保護整定值大，如果保護5的無時限電流速斷保護由于某種原因拒動，則保護3有可能會誤動作，擴大停電范圍。所以，在接入風電場后，其上游線路上的保護應裝設方向元件。

3 含風電的配電網自適應電流速斷保護

自適應電流保護［12－13］是一種根據電力系統運行方式和故障狀態的變化而實時地改變保護裝置動作特性或整定值的保護。自適應電流速斷保護整定值應隨系統運行方式和短路類型的實際情況變化，按下式計算：

式中：K′rel為保護的可靠系數；Kd為可自動估計的故障類型系數；ES為保護背側的系統電源等效電勢；ZS為保護背側的系統等效阻抗；ZL為被保護線路的阻抗。其中，通常采用故障分量原理在線計算的參數有：故障類型系數Kd、保護背側系統電源等效電勢ES和故障發生時保護背側的系統等效阻抗ZS［14］。

對于含有風電場的配電網，將風電場等效為一個電流變化的電流源，其值為風電場在對應情況下的輸出電流，采用故障分量法對故障后含風電的配電系統進行分解，如圖5所示。在此基礎上，對式（1）所描述的各參數的計算方法進行改進。

圖5 含風電的配電系統故障分量法分解

a.系統等效阻抗ZS。

式中：、為通過對稱分量法求得的正 序電壓故障分量和正序電流故障分量。

b.保護背側的系統電源等效電勢E′S。

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。

c.故障類型系數Kd。由于在相同運行方式下，同一地點分別發生兩相短路和三相短路時，兩相短路電流是三相短路電流的／2 倍，當發生三相短路時，設置故障類型系數Kd為1，發生兩相短路時設置故障類型系數Kd為／2。

考慮到E′S是包含風電場的等效電源，其大小與風電場的出力變化或故障發生的類型、位置有關，而在式（1）中的系統等效電勢ES為保護所在線路的末端發生三相短路時所對應的系統等效電勢，所以式（3）計算值將等于或大于整定計算所需要的值。同時，含風電的系統兩相短路時系統的等效電勢比三相短路時小（因為風電場在兩相短路時提供的短路電流?。?，所以兩相短路時的短路電流應該小于三相短路時的／2 倍，即在整定計算時兩相短路故障的故障類型系數Kd應該小于／2。針對以上問題，文中仍然按照原自適應電流速斷保護的整定方法來計算系統等效電勢ES及故障類型系數Kd，但適當減小式（1）中的可靠系數K′rel，以減輕原計算方法所帶來的整定值偏大問題，更精確的計算方法還有待進一步研究。

4 含風電配電網自適應電流速斷保護仿真結果

利用RTDS仿真和MATLAB 編程相結合的方法，針對圖1所示的系統F1點發生故障時，仿真對比了線路CD首端保護R2采用傳統電流Ⅰ段保護和采用自適應電流速斷保護的保護效果。其中，利用突變量判斷故障的發生，在故障發生之前設定自適應無時限電流速斷保護的整定值與傳統無時限的電流速斷保護整定值相等，當判斷故障發生之后才進行在線計算獲得新的保護整定值，仿真結果如圖6所示。

圖6 不同情況下自適應電流保護的保護效果

從仿真結果可以看出，對于含有風電場的配電網，自適應電流保護在不同風速、不同出力情況、不同故障類型情況下都能夠達到良好的保護效果。

5 結論

a.定性分析了風電場接入后故障位置不同對傳統保護的影響，并且利用實時數字仿真儀（RTDS）建模仿真，定量分析了各故障位置情況下風速和無功功率不同時對保護的影響程度。

b.提出了改進的自適應電流保護及其整定方法，通過仿真對各種故障情況下保護動作情況進行了驗證，仿真結果表明改進的自適應電流保護能夠解決含風電場的配電網電流保護出現的問題，具有良好的保護效果。

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