感應風電機組LVRT措施對線路電流速斷保護影響

鐘　勇，李生虎，陳閩江，朱國偉

（1.合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009；2.福建省電力有限公司輸變電設備檢修分公司，福州 350003）

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感應風電機組LVRT措施對線路電流速斷保護影響

鐘勇1，李生虎1，陳閩江2，朱國偉1

（1.合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009；2.福建省電力有限公司輸變電設備檢修分公司，福州 350003）

摘要：風電并網，影響輸電線路繼電保護動態特性。針對含感應發電機（IG）風力發電系統，分析串聯制動電阻（SBR）和靜止無功補償器（SVC）兩種低電壓穿越（LVRT）措施對短路電流分量及電流速斷保護的影響。基于外網故障后IG等值電路，分別采用簡化理論分析和詳細動態仿真方法，分析LVRT措施的影響。發現保護動作電流為全電流時，SBR使得保護范圍變小。保護動作電流為基頻分量時，保護范圍隨著SBR增加先變大后變小，前者可能導致保護失去選擇性誤動。采用SVC無功補償時，無論動作電流為全電流或基頻分量，保護范圍都將增加，保護可能失去選擇性而誤動；動作電流為基頻分量時，保護更容易誤動。

關鍵詞：電流速斷保護；感應風電機組；低電壓穿越；串聯制動電阻；靜止無功補償器；風電系統

隨著風電并網容量不斷增大，風電機組對電力系統繼電保護的影響受到越來越多的關注。風電場中包含了大量的籠型感應發電機IG（induction generator）和雙饋感應發電機，其故障特性不同于傳統同步發電機。當風電滲透率達到一定程度后，為了保證電網無功平衡和電壓穩定性，要求并網風電場必須具有低電壓穿越能力LVRT（low voltage ride through）［1］。國內外對籠型感應風電機組低電壓穿越作了大量的研究［2］，文獻［3-5］研究采用串聯制動電阻SBR（series braking resistors）措施，改善感應風電機組暫態穩定性，增強感應發電機組低電壓穿越能力。文獻［6-9］研究采用增加靜止無功補償器SVC（static var compensator）補償無功容量措施，在低電壓狀況下抬高機端電壓，幫助感應風電機組成功實現低電壓穿越。

風電場接入電網可能對電力系統繼電保護產生負面影響［10］。文獻［11］研究了風電場等值問題，通過建模仿真分析了風電場投運組數、有功出力、故障類型對并網點故障短路電流的影響，而并未從理論角度分析。文獻［12］仿真驗證大規模風電場接入系統時，不應該忽視風電場向系統提供的短路電流，應考慮對系統繼電保護產生的影響，但是并未很全面分析對保護的影響。文獻［13］研究了小型風電場接入輻射型配電網，對母線上下級電流保護的影響，提出配置自適應電流保護來識別并切除故障，驗證了其有效性，然而未分析低電壓穿越措施對保護的影響。文獻［14］研究了風電場異步發電機的阻抗特性，指出其與發電機輸入機械功率和定子電壓有關，負荷的變化影響輸電線路距離保護III段保護的動作裕度，但未考慮風電場內部變化對保護的影響。文獻［15］利用繼電保護測試設備和實際的繼電保護裝置，通過仿真研究了過電流保護受風電場影響的情況，因感應發電機組只能提供短時的短路電流，提出了在短路后2、3周期內可采用同步發電機模型計算短路電流。文獻［16］分析了風力發電機集團式接入電力系統時，風電場的短路故障特性，指出了風電場的弱饋特性，但未深入分析對保護的影響，也未考慮風電場的低電壓穿越措施。文獻［17］研究了雙饋風電機組，采用投入撬棒電阻的低電壓穿越措施對其故障特性的影響，分析了撬棒電路對風電場聯絡線距離保護的影響，但對籠型感應風力發電機組和其他低電壓穿越措施以及對電流保護的影響并未研究。

本文基于籠型感應風力發電系統，分析風電機組采用串聯制動電阻和靜止無功補償器兩種低電壓穿越措施對風電場輸電線路電流速斷保護的影響。通過感應發電系統等值簡化電路研究輸電線路上發生電壓跌落時，低電壓穿越措施對風電場輸電線路上短路電流各分量的影響，再通過其影響分析低電壓穿越措施對輸電線路靠風電場側電流速斷保護的影響。

1　感應風電機組短路電流

圖1　感應風力發電系統Fig.1　Wind power system with induction generator

風電系統結構見圖1所示，由感應發電機（IG）、升壓變壓器、固定并補、輸電線路和電網組成。圖中風電場由40臺籠型感應發電機組成。籠型感應發電機額定容量為1.25 MW，額定電壓為0.69 kV。取基準容量為50 MW，基準電壓0.69 kV。發電機參數為：定子電阻0.006 p.u.，轉子電阻0.007 p.u.，定子電抗0.14 p.u.，轉子電抗0.05 p.u.，勵磁電抗為3.0 p.u.；風電場升壓變額定容量為50 MW，變比為0.69/35 kV，短路百分比為10.5%；輸電線路OA、AB長度都為20 km。

為實現低電壓穿越，在升壓變低壓側加入SVC（以可變電容表示），或在集電線上投入串聯制動電阻。在出線靠近風電場側O、A點都裝有電流速斷保護作為后備保護，保護1保護線路OA，保護2保護線路AB，傳統電流速斷保護整定值并未將低電壓穿越措施考慮進去，保護1的整定值為Iset.1。

SVC控制模型如圖2所示，其中KSL、KR為比例系數，TR為時間常數，Uref為控制參考電壓，BSVC為SVC導納。

圖 2SVC動態控制模型Fig.2　Dynamic control model of SVC

1.1感應發電機低電壓穿越等值電路

假設在圖1中線路末端A點發生對稱電壓跌落，其感應發電機低電壓穿越的等值電路見圖3，其中U、I、R、X和B分別表示電壓、電流、電阻、電抗和電納，s表示轉差率，下標r、s、f、SVC、SBR、C和L分別表示轉子、定子、故障點、SVC、SBR、補償電容器和線路。

圖3 感應發電機LVRT電路Fig.3　Electrical circuit of IG under LVRT

將圖3化簡為圖4，其中下標e表示等值參數，則等值后的定子電阻Rse、電抗Xse和電勢比例系數ξ分別為

圖4　感應發電機等值電路Fig.4　Equivalent circuit for IG

1.2外部故障短路電流計算

如圖4所示的感應發電機等值電路，在dq坐標系下的基本方程為

穩態電流I?s0的求解：RSBR=0、BSVC=0，?s= ξU?f，Dψr、Dψs都為零。由式（7）可得

δI?s求解：RSBR≠0或 BSVC≠0，?s=-0.8ξ?f，pψr、pψs都不為零。由式（5）經過拉氏變換和反拉氏變換計算可得

Ilac、Iac、Idc分別為強制基頻周期分量幅值、衰減基頻周期分量幅值、非周期分量幅值，φ0、φ1、φ2分別為各分量余弦函數的初相角。

為了方便討論本文取φ0=π、φ1=0、φ2=π使得短路后A相非周期分量為正值，短路后半個周期短路電流達到最大值且A相幅值最大，即t=π/ωs時，電流最大值本文接下來都以A相短路電流作為討論對象。

2　LVRT對IG短路電流影響

雖然詳細理論證明暫時很難給出，但是根據上述短路電流理論分析結果，考慮LVRT措施對連接阻抗影響，可判斷對電流保護影響。

2.1串聯制動電阻（SBR）

串聯制動電阻引起等值電路參數Rse、Xse、ξ、T’r、T’s的變化如圖5所示，隨著制動電阻增加，Rse大幅度增加，并且Xse小幅度減小，引起Ts′大幅度減小，即非周期分量衰減速度加快；Xse小幅度減小，引起Tr′減小，即基頻周期分量衰減速度加快；隨之減小。

串聯制動電阻改變等值電路參數進而影響短路電流各分量的幅值如圖6所示。殘余基頻周期分量幅值較小，隨制動電阻增加而增大；衰減基頻周期分量幅值隨制動電阻增大先增大后減小，當串聯制動電阻較大時，幅值可能比未串聯制動電阻時小；非周期分量幅值隨制動電阻增大先略微增大后減小。串聯制動電阻主要使得非周期分量衰減時間常數T大幅度減小，即使Ilac、Iac、Idc都有所增加，但是短路電流最大值iAmax呈下降趨勢。

圖5　串聯制動電阻對IG等效電路參數影響Fig.5　Equivalent parameters of IG with SBR

圖6　制動電阻對短路各分量幅值的影響Fig.6　Short current components with SBR

分析SBR對短路電流的影響，如圖7所示。SBR增加使得短路電流最大值變小，非周期分量衰減速度加快。

2.2靜止無功補償器（SVC）

圖7　制動電阻對短路電流的影響Fig.7　Short current with SBR

SVC補償無功容量變化引起等值電路參數Rse、Xse、、T、T值的影響如圖8所示。隨著補償容量增加，即導納BSVC幅值變大，Rse、Xse幅值都增大，但是Rse對T的影響更突出，使得T小幅度減小，即非周期分量衰減有所加快；Xse增大引起T隨之增大，即衰減基頻周期分量衰減變慢；相對于其他參數，BSVC對ξ影響較明顯，ξ隨之增大。

圖8SVC補償容量對等效電路參數Fig.8　Equivalent parameters of IG with SVC

SVC補償無功容量的增加影響短路電流各分量的幅值如圖9所示。相對于SVC未補償無功時，SVC補償無功使得短路電流中殘余基頻周期分量略微增加，衰減基頻周期分量和非周期分量幅值增大且幅度較大，并且隨著補償容量增加繼續增加。SVC補償無功容量增加，基頻周期分量和非周期分量幅值增加，對衰減時間常數影響不大，使得短路電流最大值也隨之升高。

圖9　SVC補償容量對短路電流各分量幅值的影響Fig.9　Short current components with SVC compensation

采用動態仿真軟件，分析SVC補償無功容量對短路電流的影響如圖10所示。SVC補償無功容量的增加使得短路最大值增加，對衰減時間常數影響不大。

圖10SVC補償容量對短路電流的影響Fig.10　Short current with SVC compensation

3　低電壓穿越措施對電流速斷保護的影響

3.1采用串聯制動電阻

如果電流速斷保護繼電器動作電流為全電流，線路OA短路電流最大值曲線如圖11所示。當RSBR=0 p.u.時，保護1保護線路長度為OD，RSBR= 0.07 p.u.時，保護線路長度為OE＜OD，保護范圍變小，當RSBR=0.30 p.u.時，保護1無法保護線路OA。

如果電流速斷保護繼電器動作電流為短路電流基頻周期分量，線路OB短路電流基頻周期分量最大值曲線如圖12所示。當RSBR=0 p.u.時，保護1保護范圍為OD，當RSBR=0.07 p.u.時，保護范圍為OF，且OF＞OA＞OD，擴大了保護范圍。但是如果故障發生在線路AF內，保護1可能會誤動作，失去選擇性。當RSBR=0.30 p.u.時，保護范圍為OE＜OD，保護范圍變小。

圖11　線路OA短路電流最大值曲線Fig.11　Maximum short-circuit current curves on OA line

圖12　線路OB短路電流基頻周期分量最大值曲線Fig.12　Maximum fundamental periodic component of short-circuit current curves on OB line

3.2采用靜止無功補償器

如果保護動作電流為全電流，線路OB短路電流最大值曲線如圖13所示。當BSVC=0 p.u.時，保護1保護線路長度為OD，當BSVC=0.5 p.u.，保護線路長度分別為OE＞OD，擴大了保護范圍，當BSVC= 0.9 p.u.時，保護1保護范圍更長，但是當線路AF上故障時，保護1可能會誤動作，失去選擇性。

圖13　線路OB短路電流最大值曲線Fig.13　Maximum short-circuit current curve on OB line

如果保護動作電流為短路電流的基頻周期分量，線路OB短路電流基頻周期分量最大值曲線如圖14所示。BSVC=0 p.u.時，保護1保護線路長度為OD，當 BSVC=0.5 p.u.，保護線路長度分別為OE＞OD，擴大了保護范圍。當BSVC=0.9 p.u.時，故障發生在線路OB上短路電流值都大于保護1整定值，如果故障發生在線路AB上時，保護1可能會引起保護誤動作；并且在相同SVC補償無功容量，相對于保護動作電流為全電流，保護動作為基頻周期分量更易使保護誤動作。

圖14　線路OB短路電流基頻周期分量最大值曲線（靜止無功補償）Fig.14　Maximum fundamental periodic component of short-circuit current curve on OB line（SVC）

3.3仿真驗證LVRT對繼電保護影響

限于篇幅，只討論保護動作電流為全電流，在不同位置故障，采用SRB和SVC時保護動作情況。

采用串聯不同阻值的制動電阻，在不同位置故障時保護動作情況如圖15所示，圖中flag=1表示保護動作，flag=0表示保護不動作。當RSBR=0.07 p.u.使得故障發生在線路ED區間內（RSBR=0 p.u.時，保護動作）保護拒動。當RSBR=0.30 p.u.時，故障發生在線路OA內都不動作。

圖15　串聯制動電阻對保護動作的影響Fig.15　Impact of SBR on relay performance

采用SVC補償不同容量的無功功率，在不同位置故障時保護動作情況如圖16所示，圖中flag=1表示保護動作，flag=0表示保護不動作。當BSVC=0.5 p.u.、BSVC=0.9 p.u.時，使得故障發生在線路DA區間內（RSBR=0 p.u.時，保護不動作）保護動作，增大了保護范圍。但是當故障發生在下段線路AE、AF時，保護可能誤動作，失去選擇性。

圖16SVC補償容量對保護動作的影響Fig.16　Impact of SVC capacity on relay performance

4　結論

（1）當電流速斷保護繼電器動作電流為全電流時，串聯制動電阻使得全電流最大值變小。隨著串聯制動電阻增大，輸電線路靠風電場側的保護保護范圍變小。當電阻比較大時，可能使得保護無法保護此線路。

（2）當電流速斷保護繼電器動作電流為基頻周期分量時，串聯制動電阻使得短路電流基頻周期分量最大值先增大后變小，從而使得保護范圍也隨著SBR增加先變大后變小，當保護范圍增大時，保護范圍外故障，保護可能誤動作，失去選擇性。

（3）當電流速斷保護繼電器動作電流為全電流時，SVC無功補償容量的增加，全電流最大值隨之增大，輸電線路靠風電場側的保護范圍變大，但是當補償容量很大時，保護范圍外故障時，保護可能誤動作，失去選擇性。

4）當電流速斷保護繼電器動作電流為基頻周期分量時，基頻周期分量最大值隨著SVC補償容量增加而增大，輸電線路靠風電場側的保護范圍變大，但是當補償容量很大時，可能引起保護誤動作，失去選擇性，相對于保護動作電流為全電流，保護動作為基頻周期分量更易使得保護產生誤動作。

參考文獻：

［1］Q/GDW 392—2009，風電場接入電網技術規定［S］.

［2］張興，張龍云，楊淑英，等（Zhang Xing，Zhang Longyun，Yang Shuying，et al）.風力發電低電壓穿越技術綜述（Low voltage ride-through technologies in wind turbinegeneration）［J］.電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2008，20（2）：1-8.

［3］Causebrook A，Atkinson D J，Jack A G.Fault ride-through of large wind farms using series dynamic braking resistors ［J］.IEEE Trans on Power Systems，2007，22（3）：966-975.

［4］王虹富，林國慶，邱家駒，等（Wang Hongfu，Lin Guoq?ing，Qiu Jiaju，et al）.利用串聯制動電阻提高風電場低電壓穿越能力（Improvement of low voltage ride-through capability of wind farms by use of series dynamic braking resistors）［J］.電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2008，32（18）：81-85.

［5］湯凡，劉天琪，李興源（Tang Fan，Liu Tianqi，Li Xingyu?an）.通過串聯制動電阻改善恒速異步發電機風電場的暫態穩定性（Improving transient stability of wind farm consisting of fixed speed induction generator by series connected dynamic breaking resistors）［J］.電網技術（Power System Technology），2010，34（4）：163-167.

［6］范高鋒，王純琦，喬元，等（Fan Gaofeng，Wang Chunqi，Qiao Yuan，et al）.SVC補償型定速風電機組模型及其特性分析（Model of fixed speed wind turbine with SVC and its characteristic analysis）［J］.電網技術（Power Sys?tem Technology），2007，31（22）：64-68.

［7］Akhmatov V，Sebrink K.A static var compensator model for improved ride-through capability of wind farms［J］.Wind Engineering，2004，28（6）：715-727.

［8］遲永寧，關宏亮，王偉勝，等（Chi Yongning，Guan Hongli?ang，Wang Weisheng，et al）.SVC與槳距角控制改善異步機風電場暫態電壓穩定性（Enhancement of transient voltage stability of induction generator based wind farm by SVC and pitch control）［J］.電力系統自動化（Automa?tion of Electric Power Systems），2007，31（3）：95-100，104.

［9］Molinas M，Jon Are Suul，Undeland T.Low voltage ride through of wind farms with cage generators：STATCOM versus SVC［J］.IEEE Trans on Power Electronics，2008，23 （3）：1104-1117.

［10］焦在強（Jiao Zaiqiang）.大規模風電接入的繼電保護問題綜述（A survey on relay protection for grid-connection of large-scale wind farm）［J］.電網技術（Power System Technology），2012，36（7）：195-201.

［11］蘇常勝，李鳳婷，晁勤，等（Su Changsheng，Li Fengting，Chao Qin，et al）.異步風力發電機等值及其短路特性研究（Research on equivalent aggregation of asynchronous wind power generators and its short-circuit characteris?tics）［J］.電網技術（Power System Technology），2011，35 （3）：177-182.

［12］文玉玲，晁勤，吐爾遜.伊布拉音（Wen Yuling，Chao Qin，Tuerxun Yibulayin）.風電場對電網繼電保護的影響（Impact of interconnected wind farm on power system protection）［J］.電網技術（Power System Technology），2008，32（14）：15-18.

［13］楊國生，李欣，周澤昕（Yang Guosheng，Li Xin，Zhou Zex?in）.風電場接入對配電網繼電保護的影響與對策（Im?pacts of wind farm on relay protection for distribution net?work and its countermeasures）［J］.電網技術（Power Sys? tem Technology），2009，33（11）：87-91，103.

［14］李生虎，賈樹森，孫莎莎（Li Shenghu，Jia Shusen，Sun Shasha）.風電系統距離III段保護動作特性分析（Oper?ation characteristics analysis of zone 3 distance protection in wind power systems）［J］.電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2011，35（5）：31-35，41.

［15］Comech M P，Montanes M A，Garcia M G.Overcurrent protection behavior before wind farm contribution［C］// IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference.Ajac?cio，France，2008：762-767.

［16］張保會，王進，李光輝，等（Zhang Baohui，Wang Jin，Li Guanghui，et al）.風力發電機集團式接入電力系統的故障特征分析（Analysis on fault features of wind turbine generators concentratedly connected to power grid）［J］.電網技術（Power System Technology），2012，36（7）：176-183.

［17］黃濤，陸于平，凌啟程，等（Huang Tao，Lu Yuping，Ling Qicheng，et al）.撬棒電路對風電場側聯絡線距離保護的影響及對策（Impact of crowbar on wind farm side in?terconnection line distance protection and mitigation method）［J］.電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2013，37（17）：30-36.

［18］卓忠疆，湯寧平（Zhuo Zhongjiang，Tang Ningping）.異步發電機并網合閘和線端三相突然短路的瞬態分析（The transient analysis of the surge current of the asyn?chronous generator caused by switching rush and 3-phase sudden short-circuit at the terminals）［J］.電工技術學報（Transactions of China Electrotechnical Society），1993，8 （3）：10-15.

［19］李少飛，李生虎（Li Shaofei，Li Shenghu）.STATCOM不對稱控制策略下線路距離保護測量阻抗的改進算法（Improved algorithm for transmission distance protection measuring impedance with STATCOM under unbalanced control strategy）［J］.電力系統保護與控制（Power System Protection and Control），2013，41（21）：65-70.

［20］楊志越，李風婷（Yang Zhiyue，Li Fengting）.并網型異步風電機組的低電壓穿越性能分析（Analysis on low volt?age ride-through characteristics for grid-based asynchro?nous wind turbine）［J］.電力系統及其自動化學報（Pro?ceedings of the CSU-EPSA），2013，25（2）：154-158.

［21］井艷清，李興源，吳華堅，等（Jing Yanqing，Li Xingyuan，Wu Huajian，et al）.考慮異步電動機的動態電壓穩定特征值指標（Dynamic voltage stability eigenvalue index considering asynchronous motors）［J］.電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2012，24（1）：14-18.

鐘勇（1991—），男，碩士研究生，研究方向為風電系統動態仿真與控制。Email：zhy6855@126.com

李生虎（1974—），男，博士，教授，研究方向為電力系統規劃與可靠性、風電系統分析與控制、柔性輸電技術在電力系統中應用。Email：shenghuli@hfut.edu.cn

陳閩江（1975—），男，博士，高級工程師，研究方向為電力系統狀態檢修和智能變電站技術。Email：mjchen@126.com

中圖分類號：TM77；TM315

文獻標志碼：A

文章編號：1003-8930（2016）06-0019-07

DOI：10.3969/j.issn.1003-8930.2016.06.004

作者簡介：

收稿日期：2014-05-27；修回日期：2015-11-25

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51277049）

Impact of LVRT of Induction Generator on Instantaneous Over-current Protection

ZHONG Yong1，LI Shenghu1，CHEN Minjiang2，ZHU Guowei1
（1.School of Electrical Engineering and Automation，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Maintenance Department of Transmission and Transformation Equipment，Fujian Provincial Electrical Power Company，Fuzhou 350003，China）

Abstract：Wind power integration may have adverse effect on the operation condition of transmission protection.For the wind power system with induction generators（IGs），impact of low-voltage ride-through（LVRT）measures，i.e.series braking resistors（SBR）and static var compensator（SVC），on short current components and overcurrent protection is analyzed.Based on the equivalent circuit of the IG under network contingency，the simplified theoretical analysis and detailed dynamic simulation are applied to quantify the impact of LVRT measures.The numerical results show that when the operation current is the full current，the protection region decreases with the SBR；when the operation current is fundamental-frequency component，the protection region increases then decreases with larger SBR；the former possi?ble leads to maloperation.When using SVC for LVRT，whether the operation current is the full current or the fundamen?tal-frequency component，the protection region increases，possible yielding maloperation，which is more easily with the fundamental frequency component as the operation value.

Key words：instantaneous overcurrent protection；induction generator（IG）；low-voltage-ride through（LVRT）；series braking resistors（SBR）；static var compensator（SVC）；wind power system