風電場集電線路電流速斷保護整定研究

楊平怡，王寶華

（南京理工大學自動化學院，江蘇南京210094）

風電場集電線路電流速斷保護整定研究

楊平怡，王寶華

（南京理工大學自動化學院，江蘇南京210094）

風電場的接線方式和運行方式與常規火電廠不同，機組往往通過箱變升壓后經集電線路相連，再升壓后并入電網，因此集電線路保護對風電場的穩定運行十分重要。而風力發電機組提供的短路電流與常規同步發電機組的特征并不相同，所以需要對風電場內部集電線路電流保護的整定計算進行深入研究。通過分析雙饋風機機端電壓發生對稱性深度跌落時，轉子撬棒保護動作后的定子短路電流表達式，并結合線路電流保護的需要重點分析了定子短路電流中的穩態基頻部分，并進行了仿真驗證，在此基礎上給出了風電場集電線路的電流速斷保護的整定方法，并給出了整定計算實例。

風電場；集電線路；短路電流分析；速斷保護

風力發電成本低、環境污染小以及風電場建設周期短等優勢使得風力發電成為世界各國政府大力發展的目標。我國風電場在電力系統中承擔的負荷越來越多，風電場的裝機容量的規模已經達到可以和常規機組的規模相當［1］。而風電場有著與常規火電廠所不同的特殊的接線方式和運行方式，風電機組出口電壓較低，通常通過箱式變壓器升壓后經集電線路相連，再經主變壓器升壓后并入電網。因此進行風電場內部集電線路保護的研究，對于風電場內的故障切除及穩定運行來說有著十分重要的意義。

1　雙饋風力發電機組故障特征分析

1.1雙饋風力發電機組簡介

風力發電機組根據運行特征和控制技術可以分為恒速恒頻與變速恒頻兩類。鼠籠式感應風力發電機（FSIG）是恒速恒頻機組的代表機型，而雙饋式風力發電機（DFIG）和永磁直驅式風力發電機（D-PMSG）是變速恒頻機組的代表機型［2］。雙饋風機因為其有功和無功功率獨立控制、可變速運行及勵磁變流器容量小等特點，已成為國內兆瓦級并網風電機組的首選機型。

風電場內部發生短路故障后，雙饋風力發電機組提供的短路電流與常規火電廠中同步發電機組提供的短路電流特征是不一樣的。根據當前國內的風電場運行規程要求，風電場必須具有一定的故障穿越能力，因此短路時雙饋風機提供的短路電流是不能忽略的。為了實現低電壓穿越，目前大部分雙饋風機采用撬棒（Crowbar）電路來保護變流器和電機，一旦檢測到故障后轉子電流過大時，立即投入吸收電阻來短接轉子繞組旁路轉子側變流器，從而避免轉子側過電流［3］。圖1為含有Crowbar的風力發電機組系統結構圖。

典型的撬棒電路分為旁路電阻型、IGBT型、混合橋型等，圖1中Crowbar電路保護裝置選用IGBT型，每個橋臂由2個二極管串聯組成，而電路直流側由IGBT器件和吸收電阻串聯接入。

1.2雙饋風力發電機組短路電流理論分析

故障發生后，當檢測到電壓跌落或者轉子電流過流時，撬棒電路投入，轉子繞組被短接，轉子電壓突變為0，并封鎖轉子變流器觸發脈沖［4］。可以得出轉子電壓Ur=0，轉子電阻增加為Rrc=Rc+Rr，其中Rc為撬棒電阻阻值，Rr為撬棒電阻投入前轉子電阻阻值。當電網發生不對稱短路故障時，由于雙饋風力發電機組不接地，因此風機提供的短路電流只包含正序電流分量和負序電流分量［5］：

圖1　雙饋風力發電機組結構Fig.1Structure of doubly-fed wind generator

式中：U1表示機端正序電壓，U2表示機端負序電壓，Us0為雙饋風機正常運行時的機端電壓，ω1為風機同步轉速，ω為風機轉子電角速度，s為轉差率；Lm表示勵磁電感；Ls、Lr分別表示定、轉子全電感，且Ls=L1s+Lm，Lr=L1r+Lm，其中L1s、L1r分別為定、轉子漏感。

可以看出，雙饋風機定子短路電流共有3部分構成：穩定的基頻交流分量、衰減的直流分量和衰減的頻率等于轉速頻率的暫態諧波分量。繼電保護中的電流保護大都提取短路電流中的穩態基頻交流分量，所以本文重點研究的是雙饋風機定子短路電流中的穩態基頻交流分量。

因此，當風電場內發生三相短路時，機端電壓跌落為kUs，Us為風機正常運行時的機端電壓，風機輸出的基頻穩態短路電流為

2　雙饋風機機端電壓深度跌落仿真

2.1風電場模型

圖2所示為雙饋風電機組接入無窮大系統示意圖，雙饋風電機組出口電壓為690 V，經過箱式變壓器升壓到35 kV，通過110/35 kV升壓變壓器接入110 kV無窮大系統。

雙饋風機參數如表1所示。

圖2　雙饋風電機組接入無窮大系統示意圖Fig.2Schematic diagram of studied power system

表1　雙饋風機仿真參數Tab.1Simulation parameters of DFIG

式（2）可以看出，Crowbar電阻的阻值越大，則衰減直流分量和穩態交流分量都會越小，且轉子磁鏈衰減加快，有利于雙饋風機的保護。但是Crowbar電阻阻值并不是越大越好，Crowbar電阻阻值太大會引起直流母線箝位效應，從而導致直流側過電壓，導致的危害比轉子繞組短時過流更大。因此本文仿真中選取的Crowbar電阻阻值為風機轉子電阻的30倍。

2.2仿真分析

t=0.5 s時，35 kV處k點發生三相短路故障，故障持續0.1 s后切除。故障發生在離風機出口較近的地方，從而風機機端電壓發生深度跌落，故障發生瞬間投入Crowbar保護，同時封鎖轉子側變流器脈沖。圖3～5給出了電網發生三相短路故障后風機機端的電壓、電流以及電流基頻分量的波形。

圖3　風機機端電壓波形Fig.3Voltage waveform of DFIG

圖4　風機機端輸出電流波形Fig.4Current waveform of DFIG

圖5　風機機端電流交流分量波形Fig.5AC component of the DFIG current waveform

由仿真波形可以看出故障發生后，風機機端電壓立刻降低，并迅速穩定到0.3 pu，定子輸出電流峰值達到了4.442 pu，這是因為短路電流中包含衰減的直流分量，基頻交流分量以及頻率等于轉速頻率的暫態諧波分量，直流分量和頻率等于轉速頻率的暫態諧波分量很快衰減。定子輸出的電流基頻分量也在短路后發生的50 ms內出現了峰值3.208 pu，并迅速穩定為0.340 6 pu。

仿真中ω=1.2 pu，代入式（2）可以計算出Isw=0.313 5 pu，計算誤差約為

由仿真結果和計算結果可知，計算誤差在可以允許的范圍內，基頻穩態短路電流表達式能夠反映電網發生對稱短路時風機機端基頻短路電流的情況。

3　風電場集電線路保護配置的分析和改進

3.1傳統風電場集電線路的保護配置

國內大部分風電場集電線路的保護都按照電網35 kV線路的配置標準配置階段式電流保護［6］。因為集電線路保護的選擇性比較低，當箱變高壓側故障時，集電線路保護經常會越級動作擴大停電范圍。目前普遍采用兩段式電流保護來改善集電線路保護選擇性，兩段式分為限時電流速斷保護和定時限過流保護。限時電流速斷保護電流定值按線路末端兩相短路有靈敏度整定，時間定值按0.3 s整定，來躲過箱變熔斷器的熔斷時間，保證在箱變高壓側短路時，必須由箱變熔斷器切除故障。定時限過流保護電流定值按照躲過風機正常運行時的線路負荷電流整定，作為線路的后備保護，時間定值按0.6 s整定。

3.2傳統風電場集電線路的保護配置存在的不足

當集電線路靠近35 kV母線側故障時，由于集電線路保護設有0.3 s的延時，因而不能快速動作，而雙饋風機機端電壓多數會跌落至20%額定電壓以下，此時如果不能迅速切除故障，35 kV母線上的所有風電機組保護都有可能動作于跳閘，大范圍擴大事故范圍。因此有必要對集電線路的電流保護配置速斷保護，從而迅速切除集電線路的嚴重故障，防止事故范圍的擴大。

當前對風電場內部集電線路電流保護定值進行整定時，一般的做法是將風電機組作為不考慮故障時提供短路電流的負荷來進行處理，或者是將其比照同步電機的故障模型來考慮風電機組提供的短路電流［7］。根據對雙饋風電機組的短路電流詳細分析可以知道，短路電流大小與故障前風機的轉速、故障后Crowbar投入與否以及機端電壓大小密切相關。因此前者進行保護的整定計算時忽略風電機組提供的短路電流，造成保護范圍擴大；而后者增大了風機故障電流幅值，造成保護范圍縮小。

3.3風電場集電線路的電流速斷保護的整定方法

圖6所示為某風電場主接線圖，風電場通過主變壓器接入110 kV電網系統S1，除故障集電線路的風電場內部其他風機等效為系統S2，各風機通過箱式變壓器連接到集電線路上。XS1為35 kV系統等效阻抗，XL1為保護安裝處至系統S2的等效阻抗，XL2為保護安裝處至集電線路第1臺風機安裝處（即d1點）的阻抗。

圖6　某風電場簡化接線圖Fig.6Simplified wiring diagram of a wind farm

電流速斷保護定值按照躲過被保護線路末端發生三相短路時的電流來整定。為了保證集電線路電流保護的選擇性，防止箱變高壓側故障時保護越級動作，保護動作電流定值不是躲過被保護線路末端d2點短路時的電流，而是按照躲過最大運行方式下d1點發生三相短路時的電流來整定：

式中：Krel為可靠系數，一般取1.3為故障集電線路短路時S1提供的三相短路電流為等效風電系統S2提供的三相短路電流，可由式（2）計算得出。

如果集電線路保護沒有裝設方向元件，還要考慮躲過主變壓器低壓側三相短路時此條集電線路提供的最大短路電流，防止保護誤動作：

3.4整定計算實例

圖6所示某風電場，系統基準容量100 MW，基準電壓37 kV，風電場各風機參數與上節仿真中的風機參數相同，風機次暫態阻抗系統S1最大運行方式阻抗Xs1.min= j4.04 Ω，最小運行方式Xs1.min=j5.61 Ω，除故障集電線路的風電場內部其他12臺風機等效為系統S2，XL1=j5.10 Ω，XL2= j2.94 Ω。

系統最大運行方式下d1點發生三相短路時，系統S1提供的短路電流為計算等效系統S2提供的短路電流時，可以列寫風電場節點導納矩陣，用公式（1）表示節點3的注入電流，得到節點3電壓U3=0.32 pu，S2提供的短路電流為代入式（4）中可得到整定值Iset=4.24 kA。

系統最小運行方式（所有風機停運）下集電線路末端d2點發生兩相短路時短路電流為可以計算出整定的電流速斷保護靈敏度為Ksen=1.75/4.24=0.41。

將風機比照同步電機的故障模型來計算風電機組提供的短路電流，可得到代入式（4）得可以看出按照同步電機來計算風機短路電流增大了風機故障電流幅值，降低了保護的靈敏度。

4　結論

隨著風電場規模的日益擴大，有效的風電場內部集電線參考文獻：

路保護對風電場的穩定運行和故障的及時切除有著十分重要的意義。文中詳細分析了雙饋風機機端電壓發生深度跌落時，轉子Crowbar保護動作后的定子短路電流，并針對繼電保護的需要重點分析了定子短路電流中的穩態基頻部分，得到了可以應用到風電場集電線路保護整定中的短路電流表達式，并進行了仿真驗證，并在此基礎上給出集電線路的電流速斷保護的整定方法，該方法實用可行。

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The instantaneous over-current protection of wind farm collector line research

YANG Ping-yi，WANG Bao-hua
（School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

Wiring and operation mode of wind farms is different from conventional thermal power plants，the export voltage of wind turbine is step-up by the box transformer，then is connected by collector lines to the grid，so the protection of collector lines is very important for the stable operation of the wind farm.The characteristics of the wind turbine short-circuit current is not the same as the synchronous generator，so the deep study of wind farm collector lines current protection is needed.By analyzing the wind turbine stator short-circuit current expression，and combining with the fundamental frequency part of the stator short-circuit current which current protect needs，a method for the instantaneous over-current protection of wind farm collector line is proposed，and a example shows the method right.

wind farm；collector line；analysis of the short-circuit current；the instantaneous over-current protection

TM77

A

1674-6236（2015）20-0158-03

2014-12-31稿件編號：201412317

楊平怡（1990—），女，江蘇高郵人，碩士研究生。研究方向：風電場繼電保護。