崔洪遠(yuǎn)，岳 亮，高 亮

(1.江西中電投新能源發(fā)電有限公司，江西 南昌 330038;2.上海電力學(xué)院電力與自動化工程學(xué)院，上海 200090)

近年來，以風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池等為代表的分布式電源技術(shù)得到了迅速發(fā)展.其中，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)作為目前世界上可再生能源開發(fā)利用中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一，更是受到世界各國的重視并得到快速的發(fā)展.但當(dāng)以風(fēng)力發(fā)電為代表的分布式電源接入配電網(wǎng)時，必然將會改變配電網(wǎng)的潮流分布，也會給配電網(wǎng)的保護(hù)帶來影響.

目前，在電力系統(tǒng)的保護(hù)配置中尚未考慮風(fēng)電場的影響，只是簡單地將風(fēng)電場視為一個負(fù)荷或同等容量的同步發(fā)電機(jī).然而，當(dāng)大規(guī)模風(fēng)電場接入系統(tǒng)后，在電網(wǎng)發(fā)生故障時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將向短路點提供一定的短路電流［1］.如果此時仍然忽略風(fēng)電場注入的短路電流，則將會對保護(hù)設(shè)備的動作產(chǎn)生影響.此外，不同類型的風(fēng)電機(jī)組并入電網(wǎng)時對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響也不相同.

本文利用Matlab中的動態(tài)仿真工具Simu-link，構(gòu)建了3種不同的風(fēng)電機(jī)組(雙饋異步風(fēng)電機(jī)組、永磁同步風(fēng)電機(jī)組和鼠籠式異步風(fēng)電機(jī)組)并入電網(wǎng)后的模型，比較3者在相同故障下短路電流的特點，并對它們并網(wǎng)運行后的短路電流注入問題進(jìn)行了探討.

1 風(fēng)電機(jī)組簡介

目前，并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng).變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化而變化，系統(tǒng)通過電力電子變換技術(shù)使發(fā)電機(jī)頻率與系統(tǒng)頻率保持一致.該系統(tǒng)主要有雙饋異步發(fā)電機(jī)和直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)兩種.

(1)雙饋異步發(fā)電機(jī) 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.風(fēng)力機(jī)經(jīng)齒輪箱驅(qū)動雙饋電機(jī)，發(fā)電機(jī)的定子繞組直接與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子繞組通過變頻器與電網(wǎng)相連.根據(jù)風(fēng)速的變化和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，由變頻裝置調(diào)整轉(zhuǎn)子電流的頻率，以實現(xiàn)定子感應(yīng)電勢的恒頻控制，即變速恒頻控制.

圖1 雙饋異步發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意

(2)直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī) 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.風(fēng)力機(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子直接耦合，發(fā)電機(jī)的輸出端電壓和頻率隨風(fēng)速的變化而變化，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子由風(fēng)力機(jī)直接拖動，省略了升速齒輪箱，因此增加了機(jī)組的可靠性，延長了機(jī)組的壽命.

圖2 永磁同步發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意

2 仿真分析

將風(fēng)電場接入單機(jī)無窮大系統(tǒng)后，當(dāng)聯(lián)絡(luò)線發(fā)生故障時對其進(jìn)行動態(tài)仿真，仿真系統(tǒng)見圖3.

在相同故障情況下，比較同容量雙饋異步風(fēng)電機(jī)組、永磁同步風(fēng)電機(jī)組和鼠籠式異步風(fēng)電機(jī)組的短路電流變化情況.其中，風(fēng)電場由9 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組成，風(fēng)力發(fā)電機(jī)出口電壓為575 V，通過升壓將其升至25 kV，再通過長為30 km的25 kV輸電線路送至升壓站，將電壓升至120 kV，最終接入無窮大系統(tǒng).

圖3 風(fēng)電場接入到無窮大系統(tǒng)示意

假設(shè)在圖3中的K處3 s時發(fā)生了三相故障，3.1 s時故障清除，則雙饋異步風(fēng)電機(jī)組和永磁同步風(fēng)電機(jī)組的短路電流分別見圖4和圖5.

圖4 K處發(fā)生故障時雙饋異步發(fā)電機(jī)的短路電流波形

圖5 K處發(fā)生故障時直驅(qū)式永磁發(fā)電機(jī)的短路電流波形

由圖4和圖5可知，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時，雙饋異步發(fā)電機(jī)的瞬間最大短路電流達(dá)到3.0 p.u.，而永磁同步發(fā)電機(jī)的瞬間最大短路電流為1.5 p.u..經(jīng)過短時的波動后，當(dāng)故障清除時，兩種風(fēng)機(jī)的電流均達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài).因此，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的介入使電網(wǎng)具有更高的可控性，在一定程度上保證了風(fēng)力場并網(wǎng)運行的可靠性和安全性.

在同樣情況下，鼠籠式異步發(fā)電機(jī)的短路電流曲線如圖6所示.

由圖6可以看出，發(fā)生三相短路故障時，鼠籠式異步發(fā)電機(jī)提供的瞬間最大短路電流達(dá)到3.5 p.u.，但由于發(fā)電機(jī)組配置了無功補(bǔ)償裝置，因此電流在經(jīng)過波動后達(dá)到了新的穩(wěn)定狀態(tài).

圖6 K處發(fā)生故障時鼠籠式異步發(fā)電機(jī)的短路電流波形

在相同的故障狀況下，不同風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)時注入短路電流的特性也不相同，且隨著風(fēng)力發(fā)電容量及其在發(fā)電總?cè)萘恐兴急戎氐脑龃?，其暫態(tài)電流等因素也需要在保護(hù)配置時加以考慮.通過對各種風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、并網(wǎng)方式及仿真結(jié)果的分析可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展方向?qū)⒁噪p饋異步發(fā)電機(jī)和直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)為主.

3 風(fēng)電場接入對繼電保護(hù)的影響及解決措施

3.1 風(fēng)電場接入對繼電保護(hù)的影響

目前，我國的中、低壓配電網(wǎng)主要是不接地(或經(jīng)消弧線圈接地)、單側(cè)電源、輻射型供電網(wǎng)絡(luò)［2］，這種配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單、投資小且維護(hù)方便.而大多數(shù)的風(fēng)電場是通過配電網(wǎng)接入電網(wǎng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入配電網(wǎng)后將改變電網(wǎng)的原有結(jié)構(gòu)特征，對電網(wǎng)的短路電流分布和繼電保護(hù)之間的配合都會產(chǎn)生影響.

在配電網(wǎng)中，一般配置傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)，即電流速斷保護(hù)、限時電流速斷保護(hù)和定時限過電流保護(hù).其中，電流速斷保護(hù)是按照躲開本線路末端的最大短路電流的方法對配電網(wǎng)進(jìn)行整定，不能保護(hù)線路全長;限時電流速斷保護(hù)是按照本線路末端故障有足夠靈敏度并與相鄰線路的瞬時電流速斷保護(hù)相配合的方法對配電網(wǎng)進(jìn)行整定，能夠保護(hù)本線路全長;定時限過電流保護(hù)按照躲過本線路最大負(fù)荷電流并與相鄰線路的過電流保護(hù)相配合的方法對配電網(wǎng)進(jìn)行整定，作為相鄰線路保護(hù)的遠(yuǎn)后備，且能夠保護(hù)相鄰線路的全長［3］.現(xiàn)有的配電系統(tǒng)引入風(fēng)力發(fā)電機(jī)組后，原有的配電網(wǎng)絡(luò)將不再是純粹的單電源、輻射型供電網(wǎng)絡(luò)，配電網(wǎng)絡(luò)中短路電流的大小、流向、分布等都將與風(fēng)電場接入之前有較大差別.風(fēng)電場接入對保護(hù)動作的行為產(chǎn)生如下影響:

(1)導(dǎo)致線路保護(hù)動作的靈敏度降低，嚴(yán)重時甚至拒動;

(2)導(dǎo)致線路保護(hù)誤動作;

(3)導(dǎo)致相鄰線路的瞬時速斷保護(hù)誤動作，從而失去選擇性.

3.2 基于多Agent系統(tǒng)的保護(hù)方案

Agent是一種具有知識、目標(biāo)和能力，并能單獨或在人的點撥下進(jìn)行推理決策的能動實體，Agent系統(tǒng)具有自治性、可通信等特點［4］.而多Agent系統(tǒng)是一種智能化的開放的分布式系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點:可在軟件、硬件上簡化保護(hù)的配置;通過Agent之間的協(xié)作可以增強(qiáng)問題的求解能力及求解的可靠性;多個智能體可并行操作，以提高效率;智能體之間相互通信協(xié)作，具有較好的容錯能力;智能體既可協(xié)同工作，也可單獨工作，具有較高的靈活性［5］.因此，采用多Agent系統(tǒng)可以提高并改善保護(hù)性能.用于電力系統(tǒng)保護(hù)中的多Agent系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖7.

圖7 用于協(xié)調(diào)保護(hù)的多Agent結(jié)構(gòu)示意

Agent不僅可以在同類之間進(jìn)行通信同時還可以在不同類之間進(jìn)行通信.這一結(jié)構(gòu)模式相當(dāng)于在傳統(tǒng)的保護(hù)裝置基礎(chǔ)上增加了網(wǎng)絡(luò)通信、同步相量測量、廣域后備保護(hù)算法等功能構(gòu)成的智能體，因此也需要可以為這些軟件Agent提供支持的硬件平臺.隨著多Agent技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用，以及通信技術(shù)的快速發(fā)展，多Agent技術(shù)在配電網(wǎng)保護(hù)領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更大的作用，得到廣泛應(yīng)用.

4 結(jié)語

筆者使用Matlab中的動態(tài)仿真工具Simulink，對3種不同風(fēng)機(jī)接入電網(wǎng)的情況進(jìn)行了故障仿真，分析了其短路電流的特性，為電網(wǎng)的保護(hù)和整定提供了依據(jù).同時，隨著通信技術(shù)和智能電子裝置等的快速發(fā)展，基于多Agent的技術(shù)在繼電保護(hù)領(lǐng)域?qū)泻芎玫膽?yīng)用前景，能解決以風(fēng)力發(fā)電為代表的分布式電源接入給電網(wǎng)保護(hù)帶來的諸多問題.

［1］文玉玲，晁勤，吐爾遜·依不拉音，等.關(guān)于風(fēng)電場適應(yīng)性繼電保護(hù)的探討［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(5):47-51.

［2］王明俊，劉廣一，于爾鏗.配電系統(tǒng)自動化及其發(fā)展［J］.電網(wǎng)技術(shù)，1996，20(12):62-65.

［3］張保會，尹項根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)［M］.北京:中國電力出版社，2005:20-28.

［4］盛萬興，楊旭升.多Agent系統(tǒng)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［M］.北京:中國電力出版社，2007:64-70.

［5］王慧芳.電網(wǎng)繼電保護(hù)整定技術(shù)及基于多Agent的保護(hù)新方法研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2006.