雙饋電源接入對變壓器差動保護的影響機理分析

肖 繁，尹 柳，戚宣威，張 哲，尹項根

（1.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，武漢 430077；2.國網湖南省電力有限公司長沙供電分公司，長沙 410000；3.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；4.華中科技大學電氣與電子工程學院，武漢 430074）

0 引言

變壓器是電力系統重要的一次設備，其安全運行對電力系統穩定至關重要。但隨著雙饋感應風力發電機組的規模化接入，其短路電流特性與傳統同步發電機組有很大區別，可能會影響變壓器差動保護性能，進而影響電力系統的正常運行。

目前，國內外學者對可再生能源接入電網的影響主要側重在含可再生能源接入的配電網繼電保護，以及可再生能源電場保護的分析與研究，而新能源電場接入對電網保護的影響缺乏相關的分析。特別是對于雙饋型電源，其低電壓穿越方案包括多種，且配置了Crowbar（撬棒）保護，不同控制策略下的故障電流特性復雜，將可能對變壓器保護性能產生影響。對于新能源電場升壓變壓器保護，文獻[1]分析了雙饋感應風電機組提供的短路電流中2次諧波分量的產生原因，并分析了故障電流中2次諧波分量將可能導致雙饋風電場近區變壓器差動保護中2次諧波制動元件發生誤動作的現象；文獻[2]從含雙饋風電機群接入的電網在不同位置和不同故障類別等方面，定性地分析了以相量值及采樣值為基礎的近區變壓器差動保護的動作情況及正確性。以上工作的開展對新能源電場近區變壓器的繼電保護原理研究和實際應用具有參考價值，但對雙饋感應發電機組的Crowbar保護激活引起的各電氣量暫態變化特征分析較為缺乏。此外，為減小故障電流對外部電網保護影響，文獻[3]提出將新能源電場升壓變壓器中性點經SFCL（超導故障限流器）接地，并提出了新能源機組規模化接入電網后，其近區變壓器與其內部匯流母線、集電線路以及箱式變壓器等保護的協調配合策略，以提高新能源電場的安全運行水平，但該方案存在花費較高、推廣范圍有限的問題。因此，亟待開展雙饋型電源接入對變壓器差動保護影響的研究，并針對相關缺陷提出改進方案。

針對雙饋感應發電機組對變壓器差動保護的影響，本文首先考慮雙饋感應發電機組低電壓穿越運行方案的影響，并分析了雙饋感應發電機組的故障電流特征。在此基礎上，分析了雙饋感應發電機組接入對變壓器差動保護的影響機理，最后通過仿真驗證了分析結論的正確性。

1 雙饋感應發電機組的短路電流特性

為確保自身的安全穩定運行，雙饋感應發電機組一般配置了Crowbar保護。Crowbar保護的行為特征對雙饋感應發電機組的短路電流特性有重要影響。在Crowbar保護激活前，雙饋感應發電機組將處于勵磁系統控制的工況下，在Crowbar保護激活后，將運行于類似異步電動機的工況。因此，需要分別建立考慮RSC（轉子變流器）勵磁調節控制影響和Crowbar激活后的雙饋感應發電機組的短路計算等值模型。

1.1 考慮RSC影響的雙饋感應發電機組短路計算模型

由現有研究可知，當Crowbar保護未激活時，雙饋感應發電機組的短路電流特性與其采用的低電壓穿越勵磁控制策略有關。因此，需要根據雙饋感應發電機組采用的低電壓穿越控制方案建立雙饋感應發電機組對應的短路計算等值模型。

根據GB/T 19963-2011《風電場接入電力系統技術規定》規范，當電網發生三相對稱故障時，風電機組需要發出無功功率來維持電網電壓穩定。同時，當電網發生不對稱故障時，雙饋感應發電機將可能存在轉矩脈動、功率振蕩、定子繞組不均衡發熱等狀況。為確保電網故障條件下雙饋型電源的安全穩定運行，國內外研究人員開展了多方面的研究。提出的主要控制方案有[4-8]：

（1）采用平衡定子電流控制的策略。以消除定子短路電流中負序分量為目標，通過對轉子和網側換流器進行控制，減小定子短路電流負序分量帶來的不利影響。

（2）采用恒定有功功率控制的策略。主要通過轉子和網側換流器進行協調控制，消除雙饋感應發電機向電網所提供有功功率中的2次倍頻分量。

（3）采用恒定的電磁轉矩控制策略。為消除雙饋感應發電機組電磁轉矩中的2次倍頻分量，減小對軸系的機械扭振，主要通過轉子換流器的運行控制來實現。

根據文獻[9-13]，當電力系統發生不對稱故障時，雙饋感應發電機組在各不同勵磁控制方案下定子短路電流可知，雙饋感應發電機組的短路電流等值計算模型可等效為受控電流源模型，雙饋感應發電機組提供的正序短路電流可表征為：

在式（2）中引入 δv（1）主要是因為當雙饋感應發電機組采用定子電壓定向矢量控制方案時，和 d 軸同相，則可表征正序電流 IDFIG（1）與正序定子電壓矢量的夾角， 因此才能準確地表示短路電流正序分量IDFIG（1）與參考量之間的相角差。

同理，計及RSC影響的雙饋感應發電機短路電流負序分量可表征為：

1.2 Crowbar保護動作后的雙饋感應發電機組短路計算等值模型

在電網發生故障的條件下，如果雙饋感應發電機組的轉子電流或者直流母線電壓大于Crowbar保護激活時設置的整定值，為保證RSC的運行安全，雙饋感應發電機組配置Crowbar保護將激活。此時，雙饋感應發電機組的短路電流與受RSC勵磁調節狀態下的短路電流有較大區別，需要重新建立雙饋感應發電機組短路計算等值模型。

在雙饋感應發電機組的Crowbar保護激活后，其在兩相靜止坐標系下短路電流基頻分量可表達為：

可推導得到雙饋感應發電機三相定子故障電流的基頻分量為：

由此可以得到A相正、負序分量等效計算模型。通過對比可知，雙饋感應發電機組短路電流穩態基頻分量對應的等效計算模型與異步電動機類同。因此，Crowbar保護激活后，雙饋感應發電機組在電力系統正序和負序網絡中的等值阻抗分別為：

式中：Lrσ為機組的轉子漏抗；Lm為機組的定轉子互感；Lsσ為機組的定子漏抗；′為機組的轉子繞組等效電阻。

2 變壓器差動保護原理

由于差動保護具有動作速度快和選擇性好的特點，變壓器一般采用差動保護作為其主保護。與電網中輸電線路的差動保護相比，它不僅配置電流基頻分量保護，還配置有諧波保護，主要用來防止因勵磁涌流的影響而造成變壓器保護誤動。然而，雙饋感應發電機組的短路電流特性復雜，其在Crowbar保護激活的情況下提供的短路電流將含有諧波分量，將可能會對變壓器保護的性能產生影響[14-17]。因此，需要對雙饋風電場近區的變壓器差動保護性能進行分析研究。

變壓器差動保護一般以相量方式實現，包含3個主要元件，分別為差動速動元件、涌流閉鎖元件和比率制動特性的差動元件。

當變壓器為兩繞組變壓器時，其比率差動保護的動作表達式為：

式中：IOP.O為差動保護最小動作電流值；Ires.0為差動保護最小制動電流值；Ires為差動保護制動電流；IOP為差動保護的差動電流；Ie為變壓器二次側額定電流；k為差動保護比率制動系數值。其中，IOP=I1+I2， Ires≥ I1-I2/2； I1， I2分別為變壓器兩側指向變壓器的二次側電流值。

同時，為了防止變壓器差動保護因變壓器中勵磁涌流過高而誤動，其差動保護中一般有2次諧波的閉鎖元件，閉鎖表達式為：

式中：IOP.2為差動電流中的2次諧波分量值；IOP.1為差動電流中的基頻分量值；K2為差動保護中2次諧波制動系數的整定值。

此外，當變壓器發生嚴重故障時，為減小對變壓器的損壞，應快速切除故障，變壓器差動保護中還有差流速斷保護元件，其原理為當繼電器中任何一相的差動電流大于差流速斷的整定值時，差動保護的差流速斷元件立刻動作，即跳開變壓器各側的斷路器。

3 雙饋感應發電機組對變壓器差動保護影響

根據雙饋感應發電機組的短路電流特性以及建立的短路等值計算模型可知，在Crowbar保護激活的條件下，雙饋感應發電機組中短路電流包含有穩態基頻分量、轉速頻率分量和衰減的直流分量。其中，故障發生前的雙饋感應發電機組機端電流初始值及相位對其轉速頻率分量有影響。由于雙饋感應機組為慣性設備，在電網暫態故障期間，其轉速基本可認為不變，因此雙饋感應發電機組頻率的大小取決于故障時刻的雙饋感應發電機組轉速的大小，即故障發生之前的轉速大小。同時，由于雙饋感應發電機組轉速的變化范圍一般在0.7～1.3 p.u.，因此雙饋感應發電機組輸出的短路電流頻率將會在35～65 Hz。此外，在靠近雙饋風電機群接入的近區電網發生故障時，Crowbar保護將自動激活。由于Crowbar保護激活前后，雙饋感應發電機組中短路電流將發生明顯變化，且Crowbar保護激活存在時延，將可能會導致計算短路電流2次諧波分量的保護算法出現跨越數據窗口進行計算的問題。此時，計算出來的結果與實際相差較大，可能會對變壓器勵磁涌流判據正確性造成影響，使差動保護發生誤閉鎖現象。因此，雙饋感應發電機組接入后需要考慮轉速頻率分量對差動保護算法的影響，以及電網故障暫態期間跨越保護數據計算窗口的影響。

下面分析雙饋感應發電機組Crowbar保護激活后，因跨越保護數據計算窗口以及短路電流暫態分量等因素所產生的“2次”分量的影響，從而系統全面地分析雙饋感應發電機組給變壓器差動保護帶來的影響。以圖1所示的含雙饋風電機組群接入的電網模型為例，假設升壓變壓器內部T1處發生了輕微和嚴重的內部故障，通過全周富氏算法可以計算出變壓器差動保護中差動電流的2次諧波分量的大小，以及雙饋風電機組所提供短路電流中2次諧波分量的大小。

圖1 風電場集中接入電力系統的等值模型

圖1中，各線路型號相同，單位長度參數為：r（1）=r（2）=0.17 Ω/km，r（1）=r（2）=0.394 Ω/km，r（0）=0.19 Ω/km， r（0）=0.43 Ω/km， 線路 L1， L2， L3的長度分別為2 km，3 km，0.2 km。雙繞組變壓器T1的容量為2/2 MVA，變比為0.69/36.75 kV，聯結組別為Yd，漏電抗為6.5%，負荷LD的等效阻抗為（120+j39.1）Ω。雙饋感應發電機組的參數如下：Usn=690 V， fn=50 Hz， Ls=Lr=23 192 p.u.， Lm=21 767 p.u.，Rs=0.007 56 p.u.， Rr=0.005 33 p.u.， 轉子額定轉速為1.2 p.u.。在電網故障發生前，雙饋感應發電機組輸出有功功率為1.0 p.u.。

當電網發生故障時，雙饋感應發電機群提供故障電流中2次諧波分量的大小和基頻分量大小的仿真數據如圖2—圖5所示。其中，電網發生故障的時刻為1.0 s；圖中兩條曲線分別表示短路電流中基頻分量的大小，以及短路電流中2次諧波分量的大小。此外，圖2（a）表示故障相短路電流靠近雙饋感應發電機組側的基頻分量和2次諧波分量的大小；圖2（b）表示變壓器差動保護差動電流中2次諧波分量在基頻分量中的占比。

圖2 單相接地故障

由圖2—圖5所示可知，在所研究的含雙饋風電機組接入的電網環境下，即使在變壓器內部發生任何類型的短路故障，由于系統提供的故障電流遠大于雙饋風電機群提供的故障電流，因此，雖然雙饋風電機群所提供故障電流中2次諧波分量在基頻分量中的占比較大，但在變壓器差動保護的差動電流中，其2次諧波分量在基頻分量中的占比仍很小，即不會導致變壓器差動保護發生誤閉鎖現象，變壓器差動保護將正常動作。但需要說明的是，本文所考慮的是外部電網較強的情況，在外部電網較弱的情況下，雙饋風電機群提供的短路電流在差動電流中的占比較大，此時雙饋風電機組提供故障電流中的2次諧波大小不能忽略，嚴重時會影響變壓器差動保護的性能。

圖3 兩相相間故障

圖4 兩相接地故障

圖5 三相對稱故障

為研究外部電網為弱系統時，雙饋風電機群提供短路電流對變壓器差動保護的影響，基于圖1中的電網結構，假設將系統電源的內阻抗增至50 Ω，在變壓器內部T1處設置不同短路故障類型。在此條件下，變壓器差動保護中差動電流的2次諧波和基頻分量的變化情況見圖6—圖9。可知，在電網發生故障的暫態過程中，靠近雙饋風電機群近區電網的變壓器差動保護存在短時誤閉鎖現象，將可能降低變壓器差動保護的動作速度。

圖6 單相接地故障

圖7 兩相相間故障

圖8 兩相接地故障

由圖6—圖9可知，在系統電源的內阻抗增加后，其向變壓器提供的短路電流將減小。當其提供的短路電流小到一定程度時，由于雙饋風電機群的Crowbar保護激活后存在保護算法跨越數據窗口的問題，以及轉速頻率分量對保護算法的影響等，將可能導致變壓器差動保護誤閉鎖。

圖9 三相對稱故障

綜合上述分析，對Crowbar保護未激活的雙饋感應風電機組，其在電網故障條件下主要受轉子換流器勵磁調節的影響，其提供的短路電流將不會影響變壓器差動保護的動作性能。但在雙饋風電機群規模化接入的近區電網發生變壓器內部故障時，將會使得雙饋風電機群配置的Crowbar保護激活，由于雙饋感應風電機組提供的短路電流中包含有較大的2次諧波分量，將可能對其近區電網的變壓器差動保護動作性能產生影響，具體影響程度與外部電網的強弱有關。當外部電網為弱電網時，雙饋風電機群提供的短路電流在變壓器差動保護差動電流的占比較高，在電網故障的暫態過程中，其差動保護將會因2次諧波制動而短時誤閉鎖，即將影響變壓器差動保護的動作速度。

4 結語

本文根據雙饋風電機組低電壓穿越控制策略分析了其故障特性，并建立了相應的故障計算模型。在此基礎上，分析了雙饋風電機組對變壓器差動保護的影響。結果表明：外部電網較強時，其饋出的短路電流不會影響變壓器差動保護的動作性能；當外部電網相對較弱且雙饋風電機組Crowbar保護投入時，雙饋感應風電機組提供的短路電流在差動電流中占比較高，在電網故障的暫態過程中，變壓器差動保護可能會發生短時誤閉鎖的現象，即雙饋感應發電機組的規模化接入將影響其近區電網變壓器差動保護的動作速度[19-21]。