張保會(huì)，王 進(jìn)，原 博，郝治國(guó)，黃仁謀，王小立，3

（1.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.海南電網(wǎng)公司，海南 ?？?570100；3.寧夏電力公司調(diào)度中心，寧夏 銀川 750001）

0 引言

我國(guó)的風(fēng)電多以集團(tuán)式風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)，采用超高壓遠(yuǎn)距離送出[1-3]。送出線路保護(hù)仍然采用常規(guī)輸電線路保護(hù)配置，配備縱聯(lián)保護(hù)作為線路主保護(hù)，沒(méi)有考慮風(fēng)電送出的特殊問(wèn)題[4]。而風(fēng)力發(fā)電集中接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)在故障期間的電磁暫態(tài)特性上存在顯著差異，基于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)故障暫態(tài)響應(yīng)特性的繼電保護(hù)動(dòng)作性能無(wú)法保證[5-9]，我國(guó)內(nèi)蒙等地區(qū)已多次發(fā)生風(fēng)電送出線路保護(hù)誤選相及誤動(dòng)作等問(wèn)題。

本文分析了具備低電壓穿越能力的雙饋式風(fēng)電場(chǎng)送出線路故障期間的暫態(tài)特性，故障特征的變化嚴(yán)重影響了風(fēng)電送出線路縱聯(lián)保護(hù)風(fēng)電場(chǎng)側(cè)保護(hù)元件性能。以某地區(qū)實(shí)際風(fēng)電接入為例，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)送出線路保護(hù)進(jìn)行動(dòng)作性能測(cè)試，研究電流差動(dòng)元件、方向元件、距離元件及選相元件的適應(yīng)性問(wèn)題。

1 風(fēng)電場(chǎng)送出線路保護(hù)配置

大規(guī)模集團(tuán)式接入的風(fēng)電場(chǎng)送出線電壓等級(jí)在110 kV及以上，配備具有全線速動(dòng)能力的保護(hù)作為主保護(hù)，如縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)和縱聯(lián)方向保護(hù)，后備保護(hù)為三段式距離保護(hù)。為了單相重合閘以及距離保護(hù)判斷故障相別等的需要，還需保護(hù)具備故障選相的能力。以寧夏某風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際采用的送出線路保護(hù)裝置為例，對(duì)各保護(hù)元件進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

a.電流差動(dòng)元件。

電流差動(dòng)元件針對(duì)線路保護(hù)區(qū)內(nèi)的各種故障配置分相穩(wěn)態(tài)量差動(dòng)和分相故障分量差動(dòng)。穩(wěn)態(tài)量差動(dòng)元件設(shè)置快速區(qū)元件及靈敏區(qū)元件，快速區(qū)元件采用短窗相量自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)作；靈敏區(qū)采用全周傅氏相量算法作為快速區(qū)的補(bǔ)充。故障分量差動(dòng)不受負(fù)荷的影響，采用全周傅氏相量算法并略帶延時(shí)保證其可靠性。

b.方向元件。

裝置采用基于傅氏算法的故障分量方向元件，分為基于比較各相或相間電壓、電流故障分量之間相位關(guān)系的相量故障分量方向元件和基于比較各序故障分量的電壓、電流之間相位關(guān)系的序故障分量方向元件，包括正序、負(fù)序和零序方向元件。

c.距離元件。

階段式距離元件設(shè)置三段式相間距離及三段式接地距離保護(hù)，相間距離保護(hù)由圓特性阻抗元件構(gòu)成，接地距離保護(hù)由多邊形特性阻抗元件構(gòu)成。

d.選相元件。

裝置采用基于比較各序電流故障分量間相位關(guān)系和幅值關(guān)系的對(duì)稱分量選相元件，及利用兩相電流差的變化量的幅值特征進(jìn)行故障選相的相電流差突變量選相元件。

2 雙饋風(fēng)電場(chǎng)送出線路故障特性分析

某地區(qū)有3個(gè)50 MW雙饋式風(fēng)電場(chǎng)，每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部接線均是1.5 MW機(jī)組通過(guò)單機(jī)單變，將出口電壓0.69 kV升高到中壓35 kV，多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組匯集到一條集電線路接入中壓母線，經(jīng)風(fēng)電場(chǎng)主變壓器及110 kV風(fēng)電場(chǎng)送出線到110 kV母線，最后經(jīng)風(fēng)電集群再升壓變壓器將電能送至系統(tǒng)，如圖1所示。

在PSCAD／EMTDC下建立圖1所示系統(tǒng)，系統(tǒng)主要參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[10]，以送出線路L1為例，研究風(fēng)電場(chǎng)送出線路故障期間暫態(tài)特性，進(jìn)而分析風(fēng)電線路繼電保護(hù)的動(dòng)作性能。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)送出線路保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Testing system of wind farm outgoing transmission line protection

2.1 風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)電壓、電流特性

雙饋式感應(yīng)變速發(fā)電機(jī)可變速范圍為±30%，正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子變頻交流勵(lì)磁使定子輸出50 Hz交流。雙饋式風(fēng)電機(jī)組一般采用Crowbar保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)故障穿越[11-13]。外部故障發(fā)生后，風(fēng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩降低，穩(wěn)態(tài)矢量解耦控制將會(huì)增大轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，試圖使電磁和機(jī)械轉(zhuǎn)矩重新回到平衡狀態(tài)，風(fēng)機(jī)檢測(cè)轉(zhuǎn)子過(guò)流、電網(wǎng)側(cè)變流器支路過(guò)流、直流環(huán)節(jié)過(guò)壓等，投入Crowbar保護(hù)電路來(lái)保護(hù)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，該階段時(shí)間短暫，波形復(fù)雜，一般持續(xù)3～5 ms，線路保護(hù)來(lái)不及動(dòng)作。此后雙饋電機(jī)相當(dāng)于普通的異步發(fā)電機(jī)，一直持續(xù)到故障消失、Crowbar電路退出運(yùn)行，本文主要分析該階段的電壓、電流特征及保護(hù)的動(dòng)作行為。該階段中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈不能突變以及定轉(zhuǎn)子相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)在定子端感應(yīng)出短路前轉(zhuǎn)速頻率的交流電動(dòng)勢(shì)，機(jī)端輸出短路前轉(zhuǎn)速頻率的交流電流，該交流電動(dòng)勢(shì)和電流也是衰減的，三相電壓跌落情況下在此期間機(jī)端故障電流近似如式（1）[14]所示：

其中，φ為投入Crowbar電路時(shí)的初始相位角；a1、a2、a3為常數(shù)，大小取決于電機(jī)參數(shù)與電壓跌落水平，且a3?a1；ω1為電網(wǎng)角頻率；ωr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速角頻率；τ′s、τ′r分別為定子回路和轉(zhuǎn)子回路的時(shí)間常數(shù)。

可知投入Crowbar電路后，機(jī)端故障電流近似由穩(wěn)態(tài)交流分量、衰減直流分量以及衰減交流分量三部分構(gòu)成。其中在電壓跌落較深時(shí)，衰減交流分量為故障初期機(jī)端電流的主要構(gòu)成部分，其頻率取決于當(dāng)前轉(zhuǎn)速，即故障前的運(yùn)行工況。雙饋式風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍一般為0.7～1.3 p.u.，因此不同的運(yùn)行工況下機(jī)端輸出故障電流主要由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率分量構(gòu)成，將會(huì)在35～65 Hz范圍內(nèi)變化。

仿真t=0時(shí)刻在風(fēng)電送出線路L1中點(diǎn)f1處發(fā)生三相短路，故障過(guò)渡電阻為1 Ω，故障前風(fēng)速較小，所有風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速為0.7 p.u.，故障持續(xù)0.1 s，故障后5 ms機(jī)組投入Crowbar電路，得到系統(tǒng)側(cè)電流i1、風(fēng)電場(chǎng)側(cè)電流i2以及系統(tǒng)側(cè)母線電壓u1、風(fēng)電場(chǎng)側(cè)母線電壓u2分別如圖2和圖3所示。

由圖2所示，故障前轉(zhuǎn)速頻率為0.7×50=35（Hz）。通過(guò)FFT運(yùn)算結(jié)果計(jì)算，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)B相電流中35 Hz分量大小是50 Hz分量的9.67倍，而系統(tǒng)側(cè)B相電流中35 Hz分量大小是50 Hz分量的11%。系統(tǒng)側(cè)電流由系統(tǒng)和其余兩風(fēng)電場(chǎng)共同提供，由于系統(tǒng)電流占較大比重，此時(shí)系統(tǒng)側(cè)電流主要為工頻分量。

圖2 系統(tǒng)電流與風(fēng)電場(chǎng)電流Fig.2 System current and wind farm current

圖3 系統(tǒng)電壓與風(fēng)電場(chǎng)電壓Fig.3 System voltage and wind farm voltage

由圖3所示，送出線路發(fā)生三相故障后，Crowbar電路投入雙饋電機(jī)變成感應(yīng)鼠籠電機(jī)，轉(zhuǎn)子電流為衰減直流，風(fēng)機(jī)機(jī)端會(huì)感應(yīng)故障前轉(zhuǎn)速頻率的交流電動(dòng)勢(shì)，但該電動(dòng)勢(shì)衰減較快，且風(fēng)電場(chǎng)所接系統(tǒng)較強(qiáng)，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)阻抗遠(yuǎn)大于系統(tǒng)側(cè)阻抗，因此風(fēng)電場(chǎng)側(cè)電壓由電網(wǎng)電壓支撐，主要為工頻分量。只有當(dāng)線路發(fā)生三相金屬性短路時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法繼續(xù)維持風(fēng)電場(chǎng)側(cè)母線電壓，此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)母線電壓主要為機(jī)組感應(yīng)的轉(zhuǎn)速頻率的交流電動(dòng)勢(shì)，其幅值很小且衰減很快。

風(fēng)電場(chǎng)側(cè)電流為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的35 Hz交流，而電壓主要由電網(wǎng)50 Hz電壓支撐，致使電壓、電流頻率不同，且常規(guī)傅氏濾波的旁瓣效應(yīng)使得基于工頻量的相量提取不再準(zhǔn)確。

2.2 風(fēng)電場(chǎng)弱電源特征

由于風(fēng)電場(chǎng)的容量相對(duì)較小，一般小于被接入系統(tǒng)短路容量的5%～10%，當(dāng)送出線路發(fā)生接地故障時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的正、負(fù)序等值阻抗包括高壓送出線路、風(fēng)電場(chǎng)主變壓器以及風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部匯流線路與機(jī)組的阻抗，遠(yuǎn)大于系統(tǒng)側(cè)的等值阻抗；而對(duì)于零序網(wǎng)絡(luò)，由于風(fēng)電場(chǎng)主變壓器的中性點(diǎn)直接接地，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的零序等值阻抗僅包括送出線路與風(fēng)電場(chǎng)主變的零序阻抗，零序等值阻抗遠(yuǎn)小于正、負(fù)序阻抗。因此在發(fā)生接地故障時(shí)，零序電流將成為風(fēng)電場(chǎng)側(cè)故障電流的主要分量，而正、負(fù)序電流所占的比例非常小[15-16]。

仿真t=0時(shí)刻在風(fēng)電送出線路L1中點(diǎn)f1處發(fā)生單相接地故障，機(jī)組運(yùn)行工況與三相故障時(shí)相同，系統(tǒng)側(cè)電流i1、風(fēng)電場(chǎng)側(cè)電流i2，以及系統(tǒng)側(cè)母線電壓u1、風(fēng)電場(chǎng)側(cè)母線電壓u2分別如圖4和圖5所示。

圖4中，系統(tǒng)側(cè)故障相電流遠(yuǎn)大于非故障相電流，而風(fēng)電場(chǎng)側(cè)故障電流主要為零序分量，使得三相電流幅值相位相近，利用序電流大小及相電流差突變量的常規(guī)選相元件在風(fēng)電場(chǎng)側(cè)使用，其正確性都將受到嚴(yán)重影響。

圖5中，系統(tǒng)側(cè)與風(fēng)電場(chǎng)側(cè)母線電壓均為故障相電壓跌落。

風(fēng)電場(chǎng)的弱電源接入特性是集團(tuán)式接入風(fēng)電場(chǎng)的普遍特性，風(fēng)電場(chǎng)弱電源特性導(dǎo)致的故障誤選相與距離保護(hù)不正確動(dòng)作等問(wèn)題已經(jīng)成為保護(hù)不正確動(dòng)作的主要問(wèn)題。

圖4 系統(tǒng)電流與風(fēng)電場(chǎng)電流Fig.4 System current and wind farm current

圖5 系統(tǒng)電壓與風(fēng)電場(chǎng)電壓Fig.5 System voltage and wind farm voltage

3 某地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)送出線路保護(hù)測(cè)試

在PSCAD／EMTDC下仿真圖1系統(tǒng)中線路區(qū)內(nèi)外各種故障，測(cè)試線路保護(hù)各元件的動(dòng)作性能。由于具備低電壓穿越能力的雙饋風(fēng)電機(jī)組故障特征受運(yùn)行工況的影響，測(cè)試分別取故障前機(jī)組轉(zhuǎn)速為70%同步轉(zhuǎn)速（亞同步狀態(tài)）、同步轉(zhuǎn)速、1.3倍同步轉(zhuǎn)速（超同步狀態(tài)）；測(cè)試故障點(diǎn)選取區(qū)內(nèi)線路L1區(qū)內(nèi)50%處f1點(diǎn)以及區(qū)外母線f2點(diǎn)；測(cè)試故障類型為單相接地故障（AG）、相間故障（BC）、相間接地故障（BCG）以及三相故障，其中三相故障分為金屬性短路（ABC）以及經(jīng)過(guò)渡電阻短路（ABC1Ω），三相金屬性短路情況下風(fēng)電場(chǎng)母線僅由故障期間機(jī)組感應(yīng)出很小交流電壓且很快衰減，后者情況下風(fēng)電場(chǎng)母線可由系統(tǒng)支撐，維持穩(wěn)定的工頻電壓。

3.1 電流差動(dòng)元件

風(fēng)電送出線路的縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)需線路兩端電流信息，其中系統(tǒng)側(cè)故障電流為工頻，風(fēng)電場(chǎng)故障電流頻率隨短路前機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化，不再保持工頻，基于工頻相量的保護(hù)算法（如傅氏算法）無(wú)法準(zhǔn)確提取風(fēng)電工頻電流相量，其值會(huì)大范圍波動(dòng)，因此差動(dòng)與制動(dòng)電流也將不再是穩(wěn)定值。由于風(fēng)電場(chǎng)短路容量比一般要求不超過(guò)5%～10%，系統(tǒng)側(cè)工頻故障電流遠(yuǎn)大于風(fēng)電場(chǎng)側(cè)，對(duì)電流差動(dòng)保護(hù)的影響大幅降低。

經(jīng)過(guò)區(qū)內(nèi)外不同類型故障仿真計(jì)算，分相穩(wěn)態(tài)量差動(dòng)和故障分量差動(dòng)元件均可正確判斷區(qū)內(nèi)外故障，但保護(hù)靈敏度降低。

3.2 方向元件

送出線路縱聯(lián)方向保護(hù)需要對(duì)區(qū)內(nèi)外故障同時(shí)判斷線路兩側(cè)方向元件。對(duì)區(qū)內(nèi)故障，當(dāng)線路兩側(cè)的方向元件任一側(cè)在故障期間出現(xiàn)判斷故障發(fā)生在反方向，則縱聯(lián)方向保護(hù)“拒動(dòng)”；對(duì)區(qū)外故障，當(dāng)線路兩側(cè)的方向元件在故障期間同時(shí)判斷故障發(fā)生在正方向時(shí)，則縱聯(lián)方向保護(hù)“誤動(dòng)”。經(jīng)過(guò)不同類型故障仿真計(jì)算，如前面對(duì)風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)電壓、電流特性的分析結(jié)果，傳統(tǒng)提取工頻分量的傅氏濾波算法得到的相位結(jié)果誤差很大，對(duì)基于電壓、電流相位關(guān)系方向元件的動(dòng)作特性影響十分嚴(yán)重。各類型方向元件的動(dòng)作結(jié)果如表1—4所示。

由表1—4可以看出，相量故障分量方向元件、正序方向元件和負(fù)序方向元件受風(fēng)電接入影響很大，當(dāng)故障電壓、電流頻率不再是工頻后均不能正常工作；而零序方向元件基本不受風(fēng)電接入影響，主要是因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)送出變壓器中性點(diǎn)是接地的，所以接地故障時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的零序網(wǎng)絡(luò)只有風(fēng)電場(chǎng)送出線路及變壓器，不受風(fēng)電的影響。

表1 相量故障分量方向元件動(dòng)作結(jié)果Tab.1 Operating results of directional element based on phasor fault component

表2 正序方向元件動(dòng)作結(jié)果Tab.2 Operating results of positive-sequence directional element

表3 負(fù)序方向元件動(dòng)作結(jié)果Tab.3 Operating results of negative-sequencedirectional element

表4 零序方向元件動(dòng)作結(jié)果Tab.4 Operating results of zero-sequence directional element

3.3 距離元件

送出線路風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的距離保護(hù)需要風(fēng)電場(chǎng)側(cè)電壓、電流信息，其中風(fēng)電場(chǎng)故障電流頻率隨短路前機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化，不再保持工頻，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)母線電壓一般由系統(tǒng)支撐，可以維持工頻，基于工頻相量的保護(hù)算法（如傅氏算法）無(wú)法準(zhǔn)確提取風(fēng)電基波相量，依據(jù)工頻電壓、電流比值的測(cè)量阻抗不再準(zhǔn)確。

經(jīng)過(guò)不同類型故障仿真計(jì)算，在區(qū)內(nèi)外故障情況下，測(cè)量阻抗的軌跡大范圍波動(dòng)，測(cè)量阻抗時(shí)而落入動(dòng)作區(qū)時(shí)而落在動(dòng)作區(qū)外，距離保護(hù)的動(dòng)作性能嚴(yán)重受到影響。

圖6是送出線路區(qū)內(nèi)三相故障下相間距離保護(hù)元件的動(dòng)作特性，示出故障期間經(jīng)全周傅氏算法計(jì)算的測(cè)量阻抗軌跡。在故障開(kāi)始后的20 ms測(cè)量阻抗可以落入動(dòng)作區(qū)，但隨后落入動(dòng)作區(qū)之外，2～3個(gè)周期后又重新落入動(dòng)作區(qū)。對(duì)區(qū)外故障，距離元件的測(cè)量阻抗軌跡同樣波動(dòng)，可能落入動(dòng)作區(qū)內(nèi)使距離保護(hù)誤動(dòng)。

圖6 距離元件動(dòng)作結(jié)果Fig.6 Operating result of distance element

3.4 選相元件

送出線路風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的選相元件根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)側(cè)電流信息判斷，由于風(fēng)電電流故障特征的變化，在送出線路區(qū)內(nèi)故障時(shí)其動(dòng)作性能將嚴(yán)重受影響，不同類型故障仿真計(jì)算結(jié)果如表5、6所示。

由于風(fēng)電場(chǎng)提供的短路電流中衰減交流分量的影響，基于工頻相量的保護(hù)算法（如傅氏算法）提取的故障電流相位很不準(zhǔn)確，因此當(dāng)故障電流頻率偏移工頻時(shí)，對(duì)稱分量選相和相電流差突變量選相元件的故障相別判斷錯(cuò)誤。

表5 對(duì)稱分量選相元件動(dòng)作結(jié)果Tab.5 Operating results of phase-selection element based on symmetrical component

表6 相電流差突變量選相元件動(dòng)作結(jié)果Tab.6 Operating results of phase-selection element based on differential phase current

相電流差突變量選相元件在接地故障時(shí)判斷結(jié)果均出現(xiàn)錯(cuò)誤，這是因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)的弱電源特征導(dǎo)致的故障類別特征變化。

4 結(jié)論

風(fēng)電場(chǎng)電流頻率取決于轉(zhuǎn)速，可能非工頻，電壓由電網(wǎng)支撐為工頻，致使不同頻率的電壓、電流比較相位、比較比值而出現(xiàn)問(wèn)題。以某地區(qū)實(shí)際風(fēng)電接入為例，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)送出線路保護(hù)進(jìn)行動(dòng)作性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電流差動(dòng)保護(hù)靈敏度降低，方向元件、距離元件、選相元件的動(dòng)作性能嚴(yán)重受到影響，急需開(kāi)發(fā)適用于風(fēng)電場(chǎng)送出線路的新型保護(hù)。