線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)改善風(fēng)電場35kV系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行能力的研究

賈德峰 王明東 寧 靜

線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)改善風(fēng)電場35kV系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行能力的研究

賈德峰1王明東2寧 靜2

（1.許昌開普檢測技術(shù)有限公司，河南 許昌 461000；2.鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

風(fēng)電場35kV系統(tǒng)故障不能快速切除是風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)容量增加的主要原因之一。在風(fēng)電場35kV出線配置縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)，可快速切除故障，縮短系統(tǒng)故障時(shí)間，避免非故障支路風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)，從而提升含風(fēng)電場電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力。在MATLAB平臺(tái)上搭建了含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)仿真模型，針對風(fēng)電機(jī)組35kV送出線路上的各種故障，比較了線路配置縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)和配置常規(guī)三段式電流保護(hù)時(shí)風(fēng)電場的動(dòng)作行為。結(jié)果表明，線路配置縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)可以提升風(fēng)電場的穩(wěn)定運(yùn)行能力。

縱聯(lián)電流差動(dòng)；風(fēng)電場；穩(wěn)定運(yùn)行能力

風(fēng)力發(fā)電低碳環(huán)保，有巨大的市場潛力，然而含風(fēng)電電網(wǎng)時(shí)常出現(xiàn)的風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)現(xiàn)象對電力系統(tǒng)造成了不同程度的影響，受到了專家學(xué)者的廣泛重視［1-9］。饋線故障是導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)電場風(fēng)機(jī)饋線電纜頭缺陷占所有故障的51%［10］。由于電力系統(tǒng)中35kV及以下線路屬配電網(wǎng)，按常規(guī)只配置三段式過流保護(hù)，這使得風(fēng)電場35kV系統(tǒng)故障不能快速排除，導(dǎo)致事故擴(kuò)大，風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)容量增加。例如，2011年4月，張北地區(qū)佳鑫風(fēng)電場35kV匯集線發(fā)生L2、L3相間短路故障后，沒有快速切除故障，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模脫網(wǎng)［11,12］。本文對風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)的原因進(jìn)行分析，采用既有選擇性、又能保證速動(dòng)性的縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)代替常規(guī)三段式過流保護(hù)，基于MATLAB平臺(tái)建立了含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)仿真模型并進(jìn)行仿真分析，研究提升風(fēng)電場穩(wěn)定運(yùn)行能力的方法。

1 風(fēng)電機(jī)組與線路保護(hù)配置

風(fēng)電場保護(hù)主要由風(fēng)電機(jī)組保護(hù)、饋線保護(hù)、變壓器保護(hù)、35kV送出線保護(hù)四部分構(gòu)成。35kV送出線發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作行為對風(fēng)電場運(yùn)行的影響主要與其中的風(fēng)電機(jī)組保護(hù)和35kV送出線保護(hù)相關(guān)。

1.1 風(fēng)電機(jī)組保護(hù)配置

目前的風(fēng)電機(jī)組主力機(jī)型為雙饋機(jī)組，其采用的變速恒頻發(fā)電方式具有傳統(tǒng)感應(yīng)發(fā)電機(jī)無法比擬的優(yōu)越性。變流器是變速恒頻發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件，其功率模塊大多選用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），但其過載能力較差，因此變流器是雙饋風(fēng)電機(jī)組的首要保護(hù)對象。按常規(guī)配置電流速斷、直流過電壓等保護(hù)，詳見表1。

表1 風(fēng)電機(jī)組保護(hù)配置

1.2 風(fēng)電場35kV送出線保護(hù)配置

110kV及以上線路的主保護(hù)以縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)為主。對于35kV線路，由于屬于重要性稍次的配電網(wǎng)，在保護(hù)配置上更為關(guān)注經(jīng)濟(jì)性；再者，35kV配電線路一般都是單電源，配置縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)沒有太大意義。因此，35kV線路一般配置三段式電流保護(hù)（主保護(hù)為電流速斷保護(hù)SD、限時(shí)電流速斷保護(hù)OC），保護(hù)定值見表2。

表2 一般35kV送出線三段式電流保護(hù)配置

風(fēng)電場的35kV送出線與一般35kV線路有所不同。風(fēng)電場35kV送出線雖然仍是配電線路，卻也是聯(lián)絡(luò)線，兩端都有電源。因此，除了一般35kV線路配置的三段式電流保護(hù)方案外，風(fēng)電場35kV送出線還可以選擇縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)（CD）方案，保護(hù)接線如圖1所示。圖中S、W分別表示系統(tǒng)側(cè)35kV母線和風(fēng)電場側(cè)35kV母線，QF1、QF2分別為系統(tǒng)側(cè)斷路器和風(fēng)電場側(cè)斷路器，TA1、TA2分別為系統(tǒng)側(cè)電流互感器器和風(fēng)電場側(cè)電流互感器，Line為35kV線路。

縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)差動(dòng)動(dòng)作方程為：

式（1）和式（2）中，ICD為保護(hù)動(dòng)作電流，Ir為制動(dòng)電流，I1為線路系統(tǒng)側(cè)電流，I2為線路風(fēng)電場側(cè)電流，ISET為差動(dòng)動(dòng)作電流定值，取1p.u.。

圖1 35kV線路差動(dòng)保護(hù)接線示意圖

2 含風(fēng)電場電力系統(tǒng)及其仿真模型

某含風(fēng)電場110kV電力系統(tǒng)如圖2所示，由風(fēng)電機(jī)組A和B（WTA、WTB）、風(fēng)電場負(fù)荷（Load1、Load2）、變壓器T1-T3、110kV系統(tǒng)（110kV電源S和線路Line3）、35kV線路（Line1、Line2）等組成。兩臺(tái)風(fēng)電機(jī)組均為雙饋機(jī)組，容量均為1.5MW，采用加拿大魁北克水電局的風(fēng)電機(jī)組向量模型。WTA中風(fēng)速模型采用恒風(fēng)速，11m/s；WTB中風(fēng)速模型采用漸變風(fēng)速，從8m/s漸變到11m/s，漸變時(shí)間5s。WTA、WTB均采用電壓控制模式（控制機(jī)端電壓在1p.u.）。110kV系統(tǒng)短路容量200MVA。風(fēng)電機(jī)組出口電壓575V，升壓到35kV，經(jīng)10km架空線匯集到35kV系統(tǒng)母線。

圖2 某含風(fēng)電場電力系統(tǒng)示意圖

圖2 所示系統(tǒng)的MATLAB仿真模型如圖3所示，35kV線路系統(tǒng)側(cè)為S側(cè)，風(fēng)電場側(cè)為W側(cè)。K1點(diǎn)為S側(cè)故障點(diǎn)、K2點(diǎn)為線路中點(diǎn)故障點(diǎn)，K3點(diǎn)為W側(cè)故障點(diǎn)。

圖3所示模型中的保護(hù)子系統(tǒng)采用的是數(shù)字虛擬繼電器（trip模塊）。以線路差動(dòng)保護(hù)L1相數(shù)字虛擬差動(dòng)繼電器為例，計(jì)算、判斷、出口邏輯如圖4所示。

3 仿真研究

設(shè)WTA的35kV送出線路分別在K1、K2、K3點(diǎn)發(fā)生各種類型故障，包括單相接地故障f（1）、兩相短路故障f（2）、兩相短路接地故障f（1,1）、三相短路故障f（3）。故障時(shí)刻為35s，持續(xù)時(shí)間為0.2s。采用三段式電流保護(hù)方案和縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)方案時(shí)的各保護(hù)動(dòng)作時(shí)間分別如表3所示。表中的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間從故障起始時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，其中包含斷路器分?jǐn)鄷r(shí)間，按40ms考慮；表中的“/”表示保護(hù)不動(dòng)作。

圖3 含風(fēng)電場電力系統(tǒng)仿真模型

圖4 數(shù)字虛擬差動(dòng)繼電器

從表3可以看出，K1、K2或K3發(fā)生各種故障時(shí)，兩種方案均能快速切除故障（K3故障時(shí)，三段式保護(hù)方案限時(shí)電流速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為0.14s，比差動(dòng)保護(hù)CD的0.04s慢），WTA機(jī)組保護(hù)動(dòng)作切機(jī)；K1發(fā)生三相金屬性短路故障時(shí)，不管采用哪種方案，由于35kV系統(tǒng)側(cè)電壓跌落到0kV，使WTB電壓過低，直流過電壓保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作，造成WTB脫網(wǎng)；K3發(fā)生兩相短路接地故障或三相短路故障時(shí)，三段式方案電流限時(shí)速斷保護(hù)動(dòng)作較慢而導(dǎo)致WTB脫網(wǎng)。而采用縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)方案，既能實(shí)現(xiàn)快速性，也可實(shí)現(xiàn)選擇性，可以避免WTB脫網(wǎng)導(dǎo)致事故擴(kuò)大。

表3 線路保護(hù)、風(fēng)電機(jī)組保護(hù)動(dòng)作時(shí)間表（單位：s）

圖5為K3發(fā)生三相短路故障時(shí)，兩種保護(hù)方案下的B575B母線電壓變化曲線。故障后，B575A電壓跌落到0V，直流過電壓保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作，切除風(fēng)電機(jī)組WTA。若采用三段式限時(shí)電流速斷保護(hù)方案，到0.14s保護(hù)才能切除故障，但WTB的交流正序低電壓保護(hù)在0.11s就切除了風(fēng)電機(jī)組，如圖中虛線所示。若采用縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)方案，故障后0.04s即切除故障，0.06s時(shí)WTB電壓恢復(fù)正常，從而可以繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，如圖中實(shí)線表示。

圖5 K3三相短路故障時(shí)，兩種保護(hù)方案下的B575B母線電壓變化曲線

4 結(jié)論

風(fēng)電場35kV系統(tǒng)如果只配置三段式過流保護(hù)，會(huì)造成35kV送出線故障不能快速切除，導(dǎo)致事故擴(kuò)大，風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)容量增加。本文采用既有選擇性，又能保證速動(dòng)性的縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)代替常規(guī)三段式過流保護(hù)，基于MATLAB平臺(tái)建立含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)仿真模型并進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，采用縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)，可快速切除風(fēng)電機(jī)組送出線故障，避免非故障支路風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)，提升風(fēng)電場的穩(wěn)定運(yùn)行能力。由于目前35kV系統(tǒng)采用真空斷路器，分?jǐn)鄷r(shí)間可減到40ms以內(nèi)（不包含滅弧時(shí)間），能滿足快速切除故障的要求，在工程上也是可行的。建議加強(qiáng)對含風(fēng)電場電力系統(tǒng)的保護(hù)配置研究，試點(diǎn)將風(fēng)電場送出線保護(hù)改造為縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，從而避免風(fēng)電機(jī)組大容量脫網(wǎng)，這將有利于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］葉希，魯宗相，喬穎，等.大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組連鎖脫網(wǎng)事故機(jī)理初探［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012（8）：11-17.

［2］趙宏博，姚良忠，王偉勝，等.大規(guī)模風(fēng)電高壓脫網(wǎng)分析及協(xié)調(diào)預(yù)防控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015（23）：43-48.

［3］丁濤，郭慶來，孫宏斌，等.抑制大規(guī)模連鎖脫網(wǎng)的風(fēng)電匯集區(qū)域電壓預(yù)防控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014（11）：7-12.

［4］周明，葛江北，郭飛，等.改善連鎖脫網(wǎng)的風(fēng)電場群電壓無功緊急控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2016（5）：71-77.

［5］侯玉強(qiáng)，劉福鎖，徐海波，等.撬棒保護(hù)與電網(wǎng)交直流控制協(xié)調(diào)的風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)抑制方法［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013（23）：15-19.

［6］何世恩，董新洲.大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)原因分析及對策［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012（1）：131-137.

［7］屠競哲，張健，劉明松，等.風(fēng)火打捆直流外送系統(tǒng)直流故障引發(fā)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)的問題研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2015（12）：3333-3338.

［8］徐峰達(dá)，郭慶來，孫宏斌，等.多風(fēng)場連鎖脫網(wǎng)過程分析與仿真研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2014（6）：1425-1431.

［9］張琳，仇衛(wèi)東.大規(guī)模風(fēng)電脫網(wǎng)事故的幾點(diǎn)思考［J］.電力建設(shè)，2012（3）：11-14.

［10］汪寧渤，馬彥宏，丁坤，等.酒泉風(fēng)電基地脫網(wǎng)事故頻發(fā)的原因分析［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012（19）：42-46.

［11］李丹，賈琳，許曉菲，等.風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)原因及對策分析［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012（22）：41-44.

［12］張鵬，趙喜，尹柏清，等.大規(guī)模運(yùn)行風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故調(diào)查分析［J］.內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2010（2）：1-4.

Study on the Improvement of the Stability of Wind Farm 35kV System by Line Longitudinal DIfferential Protection

Jia Defeng1Wang Mingdong2Ning Jing2
（1.Xuchang Kaipu Inspection Technology Co.,Ltd.，Xuchang Henan 461000；2.College of Electrical Engineering,Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

The failure of 35kV system in wind farm can not be eliminated quickly,which is one of the main reasons for the increase of the capacity of wind turbines.Line configuration in wind farm 35kV longi?tudinal differential current protection,can quickly remove the fault,shorten the time of system failure,avoid non fault branches off grid wind turbines,so as to enhance the stability of power system containing wind farms.To build a simulation model of power system with wind farm on the MATLAB platform,aim?ing at all kinds of fault of wind turbine 35kV transmission lines,the line current differential protection and configuration of the conventional three section current protection action of wind farms.The results show that the line configuration and differential current differential protection can improve the stability of the wind farm.

∶longitudinal current differential；wind farm；stable operation capability

TM773

A

1003-5168（2017）10-0122-04

2017-09-01

賈德峰（1977-），男，碩士，研究方向：電力系統(tǒng)仿真、繼電保護(hù)。