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(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830047)

0 緒 論

在風(fēng)電場如何聯(lián)網(wǎng)的爭論中，它的特點就是綜合了保護的復(fù)雜性和系統(tǒng)的安全性。簡單的投切式連接或用熔絲T接對配電等級是可以接受的，但對輸電等級就不能接受。距離保護(Weedy和Cory，1998)是人們經(jīng)常使用的系統(tǒng)之一，但這種保護很可能發(fā)生誤動作，因為它把1區(qū)范圍的末端“看成”必須保護的主干電路，這種保護方案會越限進入甚至超過向風(fēng)電場供電的變壓器。因此風(fēng)電場內(nèi)的主干系統(tǒng)可能會因擾動而跳閘。

1 采用雙饋風(fēng)機的變速恒頻風(fēng)電機組概述

為了使機組轉(zhuǎn)速能夠快速跟蹤風(fēng)速的變化，必須對發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩實施控制，為此，只需在發(fā)電機與電網(wǎng)之間接入變流器，使發(fā)電機與電網(wǎng)之間解耦，就允許發(fā)電機變速運行了。由于變流器通過發(fā)電機的全部輸出功率，因此，變流器的容量較大、成本較高。當(dāng)變速恒頻風(fēng)電機組不需要大范圍的變速運行，而只需在較窄的范圍內(nèi)實現(xiàn)變速控制時，可選擇雙饋(繞線轉(zhuǎn)子)感應(yīng)發(fā)電機，發(fā)電機的定子繞組直接與電網(wǎng)相連，用于變速恒頻控制的變流器接到發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組與電網(wǎng)之間[1]。這時，需要對雙饋感應(yīng)發(fā)電機實行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的Ⅳ象限控制。實際上，采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機的方案在原理上與感應(yīng)電動機串級調(diào)速相類似，當(dāng)電機運行于第Ⅱ象限時，電機運行于發(fā)電機狀態(tài)，其電磁轉(zhuǎn)矩為制動特性；當(dāng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子附加電動勢(即變流器的電機側(cè)電壓)的大小或相位時，就改變了發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩，同時，也就改變了發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。只要令變流器的電機側(cè)電壓跟蹤風(fēng)速變化，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速就可以快速跟蹤風(fēng)速的變化了。

采用雙饋發(fā)電機時，需要控制的只是轉(zhuǎn)差功率，而轉(zhuǎn)差功率一般不超過發(fā)電機額定功率的1/3，使變速恒頻雙饋感應(yīng)發(fā)電機組的控制成本大為降低，這也是雙饋感應(yīng)發(fā)電機在大型發(fā)電機組中的應(yīng)用日益廣泛的主要原因。雙饋(繞線轉(zhuǎn)子)感應(yīng)發(fā)電機的運行原理與籠型感應(yīng)發(fā)電機基本相同，只是由于轉(zhuǎn)子使用了繞線型繞組，才使之可以實現(xiàn)雙饋運行。所謂雙饋就是電機的定子和轉(zhuǎn)子都可以饋電的一種運行方式，而饋電一般是指電能的有方向傳送。對于雙饋感應(yīng)發(fā)電機來說，定、轉(zhuǎn)子的饋電方向都是可逆的[2]。在定子側(cè)，當(dāng)電能的傳送方向為電機至電網(wǎng)方向時，電機為發(fā)電機運行，電能傳送方向為電網(wǎng)至電機方向時，電機為電動機運行；在轉(zhuǎn)子側(cè)，在變流器的電機側(cè)電壓的控制下，電能傳送的方向也是可逆的[3]。雙饋感應(yīng)發(fā)電機的運行狀態(tài)和功率傳遞關(guān)系見圖1。

圖1 雙饋感應(yīng)發(fā)電機的運行狀態(tài)和功率傳遞關(guān)系

2 風(fēng)電場送出線路距離保護的模型分析

2.1 與輸電系統(tǒng)相連的風(fēng)電場距離保護

繼電器可以通過相關(guān)的電壓和電流有效測量阻抗。對于小阻抗距離(比如到變電站2距離的80%——目的是防止超越到變電站2中的變壓器)內(nèi)的故障，故障會被無延時的1區(qū)保護迅速清除。2區(qū)保護檢測這一范圍之外的故障，并引入一個延時。到變電站2距離最后20%區(qū)段的故障經(jīng)常被檢測成節(jié)點2的反向潮流，并會有一個加速信號送到節(jié)點1，產(chǎn)生一個1區(qū)跳閘時間[4]。

結(jié)果是，規(guī)劃人員很可能用開關(guān)設(shè)備把回路分成兩段，把風(fēng)電場放在兩個普通饋線之間。這需要2至3臺斷路器。圖2是三斷路器配置，而圖3是兩斷路器配置。

圖2 距離保護——三斷路器配置

圖3 距離保護——兩斷路器配置

2.2 模型的建立

風(fēng)力發(fā)電機組會對無線電磁波的傳輸產(chǎn)生干擾，因此應(yīng)避免在導(dǎo)航設(shè)施或通訊中繼站附近安裝風(fēng)力發(fā)電機組。風(fēng)力發(fā)電機組對電視和無線電信號的干擾，很大程度上受機型和地理環(huán)境的制約?？梢圆捎孟旅娴慕?jīng)驗公式來估算信號受干擾的區(qū)域。

式中，r為受干擾區(qū)域半徑；A為葉輪的投影面積；η為葉輪的干擾率，金屬葉片取0.7，玻璃鋼葉片取0.3；l為電視信號的波長；c為電視發(fā)射塔，接收機和風(fēng)力發(fā)電機組之間的幾何位置常數(shù)：如果電視發(fā)射塔、接收機和風(fēng)力發(fā)電機組三者在一條線上取c=2，如果風(fēng)力發(fā)電機組在電視發(fā)射塔所發(fā)射的電波水平線后面，取c=2～5；m0為干擾強度指數(shù)，一般取0.15。

對于電視信號受到干擾的區(qū)域，可以通過調(diào)整接收天線、安裝一個小型的輔助差轉(zhuǎn)臺或用有線電纜傳輸電視信號等方法消除干擾對居民生活的不利影響。

3 風(fēng)電場送出線上故障時距離保護的動作

如果要把遠方操作、接地、SCADA、蓄電池充電器和安全配置都納入，很可能會導(dǎo)致保護方案過于昂貴。輸電企業(yè)可能會盡可能確保T接設(shè)備的所有問題都配備自我保護，力圖保留主干電路的安全配置，使主干系統(tǒng)保持原樣。盡管三段距離保護方案是可以實現(xiàn)的，但T接電路的長度和位置在決定方案的可靠性方面卻非常重要。它的替代方案是通信要求很高的全三端單元保護(full 3-ended unit protection)。

風(fēng)電機組的感應(yīng)發(fā)電機通過0.69/35 kV箱式變壓器接入風(fēng)電場內(nèi)部電網(wǎng)。內(nèi)部電網(wǎng)配置為8排(8段)，每段含10臺風(fēng)力發(fā)電機組。各排內(nèi)部的風(fēng)電機組都連接到30 kV海底電纜。同段內(nèi)相鄰風(fēng)電機組間距為1 500 m，而相鄰段的距離為850 m。這樣的距離選擇符合5倍風(fēng)輪直徑的經(jīng)驗值，可以保證能顯著降低塔影效應(yīng)。所有30 kV海底電纜段都連接到裝有30/30/132 kV三繞組變壓器的海上平臺。再通過一條132 kV海底和地下電纜，將海上風(fēng)電場接入陸地輸電系統(tǒng)的連接點。這種情況下，選擇交流接入輸電網(wǎng)，進行短路故障研究之前，首先要確保線路分斷本身(短路容量降低到1 000 MVA)不會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓失穩(wěn)。如果發(fā)生電壓失穩(wěn)，則必定是由施加于輸電系統(tǒng)選擇點的短路故障引發(fā)的。系統(tǒng)仿真圖如圖4所示及線路參數(shù)。

圖4 系統(tǒng)仿真圖

表1 線路參數(shù)

在單相接地故障下，對保護進行仿真設(shè)置故障在0.5 s發(fā)生，持續(xù)時間為0.1 s，各變量仿真圖如圖5所示。

從圖5可看出，當(dāng)風(fēng)電場接入系統(tǒng)后，發(fā)生單相接地故障時，導(dǎo)致相間接地距離阻抗圓中的AC相落在阻抗圓內(nèi)，導(dǎo)致保護誤動，擴大了故障范圍。

經(jīng)?？梢允褂霉收虾笞詣又睾祥l，因為大量故障是暫時現(xiàn)象，如與樹枝觸碰、導(dǎo)線和鳥接觸等。這種措施被視為一種減少用戶用電中斷時間的主要工具。但隨著嵌入式發(fā)電的增長，它也會造成一些困難。即使出于安全考慮把自動重合閘排除在常規(guī)事件之外，它也經(jīng)常在雷電和風(fēng)暴條件下使用，以減少對檢修隊伍的需求。通常的規(guī)定是不允許對電纜和變壓器故障使用自動重合閘，因為它是暫時性現(xiàn)象，可某些風(fēng)電場直接接入大電源或電網(wǎng)的低壓側(cè)?？梢該碛羞@類發(fā)電設(shè)備的斷路器是電業(yè)部門的決策問題，但開關(guān)設(shè)備配備的母線區(qū)保護可能需要擴展(或更換)，以納入增加的電路。它的關(guān)鍵節(jié)點被分為幾個子段。這種保護會檢測故障發(fā)生區(qū)域，并僅將這一區(qū)域隔離。在關(guān)鍵位置，還要配置斷路器失效保護。在發(fā)生斷路器拒跳事件時，這一保護會檢測故障，跳開該節(jié)點的其他所有電路，以防止繼續(xù)向故障點供電。對這一保護還需要修改，把新回路考慮在內(nèi)。另一個問題是變壓器是否配置逆功率保護。低負荷時，大型風(fēng)電場大量發(fā)電會導(dǎo)致通過變壓器的潮流反向。但如果變壓器有能力承受這一水平的逆向潮流，那么這就只是一個保護定值問題?？梢园惭b逆功率保護來防止故障點逆向供電[5]。

圖5 接入風(fēng)電場后線路阻抗仿真圖

風(fēng)電機組的故障穿越能力可用定速風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)與控制來改善。這種改善基于定速風(fēng)電機組的動態(tài)穩(wěn)定極限，它可降低動態(tài)無功補償?shù)娜萘恳蟆Ｒ虼?，降低動態(tài)無功補償容量要求可作為結(jié)構(gòu)改進和改善定速風(fēng)電機組故障穿越能力控制的度量。

4 結(jié) 論

因此，研究短時電壓穩(wěn)定性時，可以把定速主動失速控制的風(fēng)電機組表示為失速控制。當(dāng)動態(tài)無功補償和其他控制都沒有時，短路故障會導(dǎo)致大型海上風(fēng)電場電壓失穩(wěn)。只要風(fēng)電機組保持聯(lián)網(wǎng)，大型海上風(fēng)電場內(nèi)不同風(fēng)電機組上標(biāo)注的發(fā)電機轉(zhuǎn)速、機端電壓和其他參數(shù)的波動就都會是同相的，不會相互反相。這樣的同相波動稱為相干響應(yīng)，波動的固有頻率等于機軸的扭曲模。

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