風電配網保護策略研究

齊始旭，劉啟程，王海鵬

(河北建筑工程學院，河北 張家口 075000

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風電配網保護策略研究

齊始旭，劉啟程，王海鵬

(河北建筑工程學院，河北 張家口 075000

風力發電是一種重要的分布式能源形式。因風力發電受風速、風向等自然因素的影響，其出力不確定性是明顯的。為了使風力發電并網時不對配網保護造成影響，文章提出一種新型的配網分區保護方案，并進行了實例仿真。仿真結果顯示，文章所構建的含風力發電的配網保護模式是合理、有效的，值得在實踐中推廣。

風電；不確定性；保護策略研究

隨著傳統化石能源的日益短缺，各類分布式發電應運而生。在眾多新能源序列中，風力發電以其分布廣、可再生性強、使用清潔等優點而引起人們重視。但風力發電并入配網，會改變配電網的單電源放射式運行方式，且風力發電受風向、風速等自然因素的影響極大，隨機性非常強，因此它會對配電網的原有保護產生負作用，使保護的“四性”下降[1]。文章基于北方某地的風力發電實踐，提出一種新型保護方案，以解決風力發電對配網保護的影響問題。

1　風力發電等效模型構建

風電機組的輸入為風的機械能，由式(1)表示[2]。

PT=0.5ρACP(λ,β)v3

(1)

其中，ρ為空氣密度、v為風速、β為風葉槳距角、A為葉輪接觸風面積、CP為系數、λ為葉尖速比。

圖1所示為風電組群接入配網示意圖以及其等效電路。

圖1　風電機群接入配網示意及等效電路

在忽略單個風電機組內損的前提下，可以得到式(2)所示的風電機群等值阻抗表達，其中，Zi為單臺設備的內阻，n為設備數量，Zeq為等值阻抗。另外，通過求取升壓變壓器視在功率和電壓降，可得到升壓變壓器等效阻抗如式(3)所示，其中Pi為經由每臺變壓器的功率。

(2)

(3)

2　包含風電接入的配網短路電流計算

由上小節的(2)、(3)式可知，風電機組等效阻抗與升壓變壓器等效阻抗與機組的風量輸入密切相關，具有極大波動性[3]。因此，當配網線路短路時，由于風電的存在，使得沿線短路電流出現隨機變化的特征。以線路末端發生故障(圖2)為例進行計算。

圖2　含風電的配網故障等效電路圖

根據電力系統短路計算方法，可求得經由F4的故障電流為：

(4)

因ZG>>ZS，上式可簡化為：

(5)

其中，Ifix為系統大電源貢獻，Iran為風電貢獻。

3　考慮風電接入的配網保護設計

3.1保護區域劃分及保護配置

一般地，根據風電接人饋線的具體位置，將饋線的供電區段劃分為兩片，即風電上游區和風電下游區，如圖3所示(區域1為上游區，區域2為下游區)。

對于區域1，為了達到保護全覆蓋，應在CB2、CB6處配置方向縱聯保護；但考慮到風電的不確定性(如反孤島保護促其與電網解列)，應在CB6處加設弱饋保護，以保證方向縱聯的可靠啟動。在CB2、CB3處配置帶方向的III段電流保護，CB2、CB6處配置重合閘，這樣就可躲過瞬時故障的干擾。

對于區域2，因其可視為單端供電網絡，只需在CB1、CB4、CB5處配置相應的過流保護即可。

圖3　含風電的配網分區示意圖

3.2保護動作分析

以圖3為例，根據上小節的保護配置方案：

(1)若AB區間或BC區間出現短路，則流經CB2、CB6處電流方向將均由相應毋線側指向線路側，即符合正方向規定，因此裝設于CB2、CB6處的開關跳閘，隨后CB2的重合閘動作，若故障性質為瞬時性，則線路恢復供電，若故障為永久性，則由CB2、CB3處的定時限過流保護選擇性動作。

(2)若CD區間或DE區間出現短路，則CB4的電流速斷動作，隨后重合，若若故障性質為瞬時性，則線路恢復供電，若故障為永久性，則由CB4、CB5處的定時限過流保護選擇性動作。

(3)若饋線1短路，則流經CB2、CB3的電流方向均為線路側指向母線側，即符合反向規定，因此都不會產生誤動作。

4　算例分析

設計如圖4所示的含風電的配網單線圖。其中，AB、AD、DE為架空線，長度分別3km、2km、2km，線路參數x1=0.347歐/km、r1=0.26歐/km；BC、EF、FG為電纜，分別長5km、8km、11km，線路參數x1=0.092歐/km、r1=0.26歐/km。B、D、E、F等母線處接有5MVA、功率因素0.9的負荷。

圖4　算例的配網單線圖

(一)首先計算風電不接入時流經各保護的可能的最大負荷電流，并將其與保護定值做比對，見表1所示。保護6為0秒速斷，其余保護時間階差0.3s。

表1　不計風電接入的相關定值(kA)

(二)設E處接入12組風電，每組1MW、額定電壓650V、機組內阻ZS=1.85+j3.65Ω。每組的升壓變壓器容量1.2MW、空載電流1.2%、短路阻抗5.5%。根據文章第1小節內容，將風電機組及升壓變壓器等效變換后求取網絡的短路電流。

按照第3小節內容，需對饋線2進行上下游分區并在AE段的保護上配置方向縱聯保護。取系統最小運行方式，以饋線2末端發生短路為例，求得各保護流經電流，如表2所示。顯然，不論風機出力如何波動，故障均能被及時切除。

表2　最小方式下計及風電接入的短路電流

5　結論

由于風力發電出力的不確定性，使得其接入配網對原有保護造成一定影響。對含有風電的配網保護保護裝置，首先要將網絡劃分為風電上有區和風電下游區，對于風電下游區配置常規的過流保護即可；對于上游區，應在首末端配置方向縱聯保護和重合閘，在末端加弱電反饋保護。文章的研究經受了算例的檢驗。算例表明，文章建立的模型是正確的，具有工程應用價值。

[1]周專.大規模風電并網對孤網頻率穩定性影響的研究[J].中國電力.2014,47(3):132-135.

[2]張超.分布式發電對配電網饋線保護的影響[J].繼電器.2006,36(2):226-228.

[3]楊國生.風電場接入對配電網繼電保護的影響與對策[J].電網技術.2012,36(8):199-203.

齊始旭(1995-)，男，漢，河北省雞澤，本科，河北建筑工程學院，新能源科學與工程。

劉啟程(1996-)，男，漢，河北省樂亭，本科河北建筑工程學院，新能源科學與工程。

TM614

A

1671-1602(2016)16-0291-02

王海鵬(1991-)，男，滿，河北省滿族蒙古族自治縣，河北建筑工程學院，新能源科學與工程。