王銀萍，王維慶，常喜強(qiáng)

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830008;2.新疆電力調(diào)度通信中心，新疆 烏魯木齊 830001)

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，風(fēng)機(jī)容量不斷地增加，使電網(wǎng)可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的要求更高。為了提高風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能的利用率，特別是在系統(tǒng)發(fā)生單相瞬時(shí)性故障時(shí)，使風(fēng)電場(chǎng)不被脫網(wǎng)，可采用單相綜合重合閘，發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)，切除故障相重合故障相，發(fā)生永久性故障時(shí)，切除三相，這里基于風(fēng)電場(chǎng)與系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)線發(fā)生單相瞬時(shí)故障時(shí)，采用單相重合閘方式進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)不同類型風(fēng)機(jī)組成的風(fēng)電場(chǎng)、不同容量的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行了深入的研究，找出了其中的問(wèn)題及規(guī)律，并通過(guò)仿真程序驗(yàn)證了相關(guān)的結(jié)論。找出同容量下何種機(jī)型產(chǎn)生的沖擊比較小以及同種機(jī)型情況下容量和沖擊之間的關(guān)系。

1 重合閘概述［1］

1.1 概念及作用

重合閘就是線路非永久性故障時(shí)(如雷擊、樹(shù)枝碰線跳閘等等)保護(hù)動(dòng)作斷路器切斷故障線路后經(jīng)過(guò)一定時(shí)限后又再次合閘，為線路重新供電，提高供電可靠性及系統(tǒng)穩(wěn)定性。通常輸電線路的故障大都是瞬時(shí)性的，當(dāng)故障消失后，進(jìn)行一次重合閘，就可能恢復(fù)供電。重合閘對(duì)電力系統(tǒng)供電可靠性起了很大作用。

1.2 單相重合閘

所謂單相重合閘，是指線路上發(fā)生單相接地故障時(shí)，保護(hù)只跳開(kāi)故障相的斷路器，然后進(jìn)行單相重合。重合成功，即可恢復(fù)三相供電;不成功，則跳三相不重合。若是相間故障，則跳三相不重合。

單相重合閘的適用范圍:①由于輸電線路的故障大都是瞬時(shí)性的，因此輸電線路主要采用單相重合閘，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性;②電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，使用三相重合閘不能保證系統(tǒng)穩(wěn)定的線路，常采用單相重合閘;③330 kV、500 kV及并聯(lián)回路數(shù)等于及小于3回的220 kV回路，采用單相重合閘;④在雙側(cè)電源的聯(lián)絡(luò)線上采用單相重合閘，可以在故障時(shí)大大加強(qiáng)兩個(gè)系統(tǒng)之間的聯(lián)系，從而提高系統(tǒng)并列運(yùn)行的可靠性。

2 風(fēng)電場(chǎng)目前采用的重合閘方式

按照中國(guó)《3～110 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程》，對(duì)于110 kV雙端電源線路上網(wǎng)重合閘方式選擇，原則上大電源側(cè)選用“檢線路無(wú)壓”方式，小電源側(cè)選用“檢同期”方式［6］。

3 風(fēng)電場(chǎng)與系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線發(fā)生單相重合閘的機(jī)理分析

當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)與系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線發(fā)生單相故障時(shí)，保護(hù)只跳開(kāi)故障相的斷路器，然后進(jìn)行單相重合，在重合的瞬間會(huì)產(chǎn)生沖擊，下面對(duì)最大沖擊電流進(jìn)行分析。不考慮負(fù)荷的影響，首先根據(jù)系統(tǒng)等值線路接線，選擇實(shí)際可能的運(yùn)行方式，再根據(jù)非同期時(shí)兩個(gè)系統(tǒng)之間的等值電抗，由式(1)算出最大沖擊電流I cj·max 。［4］

式中，E″xt1、E″xt2為線路兩側(cè)系統(tǒng)的等值電勢(shì);Ue為線路額定線電壓;x1Σ為非同期并列的兩側(cè)等值系統(tǒng)間的等值串聯(lián)阻抗。

在計(jì)算時(shí)，一般采用標(biāo)幺值，此時(shí)式(1)式可化為

從式(2)式可以明顯看出，對(duì)于同一個(gè)系統(tǒng)圖，最大沖擊電流Icj·max與x1Σ成反比。當(dāng)發(fā)生故障的聯(lián)絡(luò)線位置固定、發(fā)電機(jī)的容量和類型改變時(shí)，x1Σ會(huì)隨著發(fā)電機(jī)電抗值XG的變化而變化。

若統(tǒng)一選定的基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)功率分別為VB和SB，那么以此為基準(zhǔn)的標(biāo)幺電抗值為［3］

式中，SB為功率基準(zhǔn)值;VB為電壓基準(zhǔn)值;SN為額定功率;VN為額定電壓;X(N)*為額定電壓下電抗的標(biāo)幺值。

由式(3)可以看出，基準(zhǔn)值的發(fā)電機(jī)標(biāo)幺電抗值主要由發(fā)電機(jī)電抗和發(fā)電機(jī)容量決定，與發(fā)電機(jī)電抗成正比、發(fā)電機(jī)容量成反比。由此可得出，最大沖擊電流Icj·max與發(fā)電機(jī)電抗和發(fā)電機(jī)容量相關(guān)。由于不同風(fēng)機(jī)的電抗值不同，因此需要對(duì)不同的風(fēng)機(jī)類型進(jìn)行討論。另外，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)機(jī)的容量一般也會(huì)隨之變化，也需要對(duì)其不同容量的風(fēng)機(jī)進(jìn)行討論。

4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)常見(jiàn)類型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用的發(fā)電機(jī)有異步發(fā)電機(jī)、雙饋異步發(fā)電機(jī)、直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)等類型。

4.1 異步發(fā)電機(jī)［2］

異步發(fā)電機(jī)主要是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率為負(fù)值。此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)狀態(tài)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化。鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.2 雙饋異步發(fā)電機(jī)

雙饋異步發(fā)電機(jī)本質(zhì)上是一種繞線式異步發(fā)電機(jī)，應(yīng)用的是交流勵(lì)磁變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。定子側(cè)繞組產(chǎn)生的工頻交流電直接饋入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)的功率通過(guò)變換器接入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)雙向功率控制。雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.3 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)

直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)屬于變漿寬帶調(diào)速同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，無(wú)齒輪箱。目前國(guó)際先進(jìn)的無(wú)齒輪直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)多沿用低速多級(jí)永磁發(fā)電機(jī)。直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 風(fēng)機(jī)單相重合閘仿真分析

5.1 系統(tǒng)仿真圖

基于上述理論，這里選擇研究對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行A相短路接地，之后再對(duì)A相進(jìn)行重合閘，觀察其重合閘沖擊電流的大小。系統(tǒng)圖如圖4所示:雙側(cè)電源線路，其中G1為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，G2為平衡機(jī)，端電壓均為10.5 kV;兩臺(tái)變壓器T1、T2均為升壓變壓器，把電壓從10.5 kV升到115 kV;4個(gè)負(fù)荷分別在母線G1、B2、B3、B4上。在線路3上發(fā)生A相短路接地，短路點(diǎn)接近母線B1。

圖4 系統(tǒng)仿真圖

5.2 不同容量系統(tǒng)的仿真

以鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，在短路線路傳輸容量為69.7 MW不變的前提下，改變風(fēng)機(jī)的裝機(jī)容量以及負(fù)荷的容量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行A相重合閘仿真。其中A相短路接地時(shí)間為1.1～2 s，A相斷線時(shí)間為1.22～2.22 s。電流仿真圖形為圖5。由于改變風(fēng)機(jī)的裝機(jī)容量和負(fù)荷的容量，得到的圖形大致一樣，現(xiàn)只給出一個(gè)圖形，并用圖6給出不同情況下的沖擊電流值的比較。其中，1是基準(zhǔn)情況;2是增加發(fā)電機(jī)容量的情況;3是增加負(fù)荷的情況;4是發(fā)電機(jī)容量和負(fù)荷同時(shí)增加的情況。

圖5 電流仿真圖

圖6 不同情況下的沖擊電流值的比較

分析:從圖6中可看出隨著風(fēng)機(jī)容量的增加，重合閘沖擊電流增加;隨著負(fù)荷容量的增加，重合閘沖擊電流增加，但增加的很少;當(dāng)風(fēng)機(jī)容量和負(fù)荷容量都增加時(shí)，重合閘沖擊電流增加。這是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)機(jī)容量增加時(shí)，基準(zhǔn)值的發(fā)電機(jī)標(biāo)幺電抗值減小，等值阻抗減小，使得沖擊電流增大;當(dāng)負(fù)荷容量增加時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量不變，平衡機(jī)的發(fā)電量增加，同樣使得等值電抗減小，沖擊電流增大，由于故障點(diǎn)離平衡機(jī)比風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)，因此，產(chǎn)生的影響相對(duì)小點(diǎn)，所以，第3種情況比第2種情況增加的少。

5.3 不同機(jī)型系統(tǒng)的仿真

在短路線路傳輸容量為69.7 MW不變的前提下，分別用同容量的鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機(jī)、雙饋直驅(qū)通用風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行A相重合閘仿真。其中A相短路接地時(shí)間為1.1～2 s，A相斷線時(shí)間為1.22～2.22 s。鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電流仿真圖形為圖7，雙饋直驅(qū)通用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電流仿真圖形為圖8，為了可以明顯地看出兩者沖擊電流的大小，對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比，即圖9。

分析:通過(guò)對(duì)圖9可以明顯地看出，在重合閘的瞬間用鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的重合閘沖擊電流比用雙饋直驅(qū)通用風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的重合閘沖擊電流大。因?yàn)閺娘L(fēng)機(jī)工作原理上來(lái)看，鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機(jī)屬于異步發(fā)電機(jī)，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)屬于同步發(fā)電機(jī)，而雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似異步發(fā)電機(jī)，但工作原理接近于同步發(fā)電機(jī)。同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)在電力系統(tǒng)突然短路或負(fù)荷突然增、減時(shí)，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)行勵(lì)磁或者強(qiáng)行減磁，以此來(lái)提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性［5］，因此在重合時(shí)比異步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的波動(dòng)相對(duì)小，產(chǎn)生的沖擊也相對(duì)較小。故鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的重合閘沖擊電流比雙饋直驅(qū)通用風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的重合閘沖擊電流大。

圖7 鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電流仿真圖

圖8 雙饋直驅(qū)通用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電流仿真圖

圖9 不同機(jī)型重合閘沖擊電流比較圖

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)仿真得出了重合閘沖擊電流在鼠籠式風(fēng)機(jī)下與風(fēng)機(jī)容量以及負(fù)荷容量的關(guān)系，即隨著風(fēng)機(jī)容量以及負(fù)荷容量的增加，重合閘沖擊電流增加。然后比較了鼠籠式風(fēng)機(jī)類型和雙饋直驅(qū)通用風(fēng)機(jī)類型對(duì)重合閘沖擊電流的影響，即鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的重合閘沖擊電流比雙饋直驅(qū)通用風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的重合閘沖擊電流大。仿真的結(jié)果與理論分析相一致，為研究繼電保護(hù)重合閘提供了更為可靠的理論依據(jù)。

［1］張保會(huì)，尹項(xiàng)根.繼電保護(hù)(第2版)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2010.

［2］辜承林，陳喬夫.電機(jī)學(xué)(第2版)［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2005.

［3］何仰贊，溫增銀.電力系統(tǒng)分析(第3版)［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2002.

［4］崔家佩，孟慶巖，等.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置整定計(jì)算(第一版)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，1993.

［5］國(guó)家電力調(diào)度通信中心.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)用技術(shù)問(wèn)答(第一版)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，1997.

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