張松科，易吉良，李軍軍，姜建偉，江元元

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

風(fēng)電機組低電壓穿越測試?yán)^電保護策略研究

張松科，易吉良，李軍軍，姜建偉，江元元

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

為了提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電網(wǎng)要求風(fēng)電機組具備低電壓穿越能力。在測試風(fēng)電機組低電壓穿越能力時，為保證風(fēng)電機組及電壓跌落裝置的安全，設(shè)計了一套包括反時限過流保護、電流速斷保護、低/過壓保護、低/過頻保護以及差動保護等5個保護模塊的繼電保護系統(tǒng)，并在風(fēng)電機組低電壓穿越仿真測試平臺上進行了驗證。結(jié)果表明，所設(shè)計的繼電保護系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)故障時可靠動作，低電壓穿越測試時不會誤動作，能夠躲過風(fēng)電機組起動時的尖峰電流，起到保護電壓跌落裝置的作用。

風(fēng)電機組；低電壓穿越；電壓跌落裝置；繼電保護

1 研究背景

隨著大容量風(fēng)電機組的飛速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占的比例逐漸增加，其對系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的影響不容忽視。在風(fēng)電發(fā)展初期，風(fēng)電在電力系統(tǒng)中所占比重較小，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，風(fēng)電機組會因自我保護而立即脫網(wǎng)。對于風(fēng)力發(fā)電裝機容量較大的系統(tǒng)，風(fēng)機脫網(wǎng)會造成電網(wǎng)的電壓和頻率嚴(yán)重下降，導(dǎo)致故障加劇，甚至引起電網(wǎng)崩潰[1-2]。因此，電網(wǎng)安全運行準(zhǔn)則要求風(fēng)力發(fā)電機組具有一定的低電壓穿越能力，以使風(fēng)力發(fā)電機組在電網(wǎng)電壓瞬間跌落時仍能保持并網(wǎng)[3]。

國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《國家電網(wǎng)公司風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定（修訂版）》對風(fēng)電場低電壓穿越能力做出了如下要求：

a）風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機組具有在并網(wǎng)點（與公共電網(wǎng)直接相連的風(fēng)電場升壓變壓器高壓側(cè)母線或節(jié)點）電壓跌至額定電壓的20%時，能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625 ms的能力；

b）在發(fā)生跌落后2 s內(nèi)，風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行。

我國國家電網(wǎng)公司規(guī)定的風(fēng)電場低電壓穿越運行具體要求如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場低電壓穿越要求Fig.1 Requirements of wind farm low voltage ride-through

在測試風(fēng)電機組低電壓穿越能力時，為了保證風(fēng)電機組在正常工作以及在外部電網(wǎng)電壓嚴(yán)重跌落時，測試低電壓穿越運行，需要設(shè)計較為完善的保護模塊，并采取相應(yīng)的保護措施[4]。

本研究擬利用MATLAB/SIMULINK搭建風(fēng)電機組低電壓穿越測試平臺，并且對風(fēng)電機組和電壓跌落裝置（voltage sag generator，VSG）建立仿真模型。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)風(fēng)電機組與VSG的特點，以及各種保護的原理對該平臺的繼電保護模塊進行具體設(shè)計，以期為風(fēng)力發(fā)電機組的繼電保護裝置設(shè)計提供一定的理論參考依據(jù)。

2 風(fēng)電機組與VSG保護系統(tǒng)原理

風(fēng)電機組低電壓穿越測試平臺的主要結(jié)構(gòu)是電網(wǎng)通過電壓跌落裝置連接到風(fēng)電機組，電壓跌落裝置可按照要求改變輸出電壓，使得風(fēng)電機組并網(wǎng)點模擬出不同程度的電壓跌落。根據(jù)對繼電保護的要求，繼電保護裝置動作切除故障的時間必須滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。

保護系統(tǒng)共設(shè)置了5個保護風(fēng)電機組與VSG安全運行的保護模塊，即反時限過流保護模塊、速斷過流保護模塊、低/過頻保護模塊、低/過壓保護模塊和差動保護模塊[5]，如圖2所示。

圖2 風(fēng)電機組和VSG保護系統(tǒng)Fig. 2 Wind turbines and VSG protection system

此保護系統(tǒng)適用于1.5 MW及以上雙饋異步發(fā)電機型風(fēng)電機組的低電壓穿越仿真系統(tǒng)，以及2 MW及以上直驅(qū)發(fā)電機型風(fēng)電機組的低電壓穿越仿真系統(tǒng)。

2.1 反時限過流保護

反時限過流保護的動作時間隨著過電流的增大而減小，當(dāng)電流較大時，動作時限比較短；而當(dāng)電流較小時，動作時限自動延長。適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)反時限特性曲線t=f(I) ，使反時限過流保護動作特性與發(fā)電機允許的過電流曲線相配合，就能有效地防止發(fā)電機承受過電流而損壞[6]。本研究中，反時限過流保護的SIMULINK仿真模型如圖3所示。

圖3 反時限過流保護仿真模型Fig.3 Simulation model of inverse-time overcurrent protection

系統(tǒng)反時限特性曲線t=f(I)的數(shù)學(xué)模型為

式中：I是以發(fā)電機的額定電流為基值的故障電流標(biāo)么值；

A和r為常數(shù)，且A的量綱為時間。

上式表明，過電流繼電器的動作時間 t是故障電流I的函數(shù)。當(dāng)I＜1時，t＜0，表示過電流繼電器不動作；當(dāng)I＞l時，t＞0，過電流繼電器動作于跳閘。故障電流越大，繼電器動作時間越小，表明繼電器動作時間與故障電流成反時限特性。

本方案中采用如下極端反時限特性數(shù)學(xué)模型：

式中： 為與溫升裕度、定子繞組溫升特性等因素有關(guān)的修正系數(shù)，一般取0.05；

常數(shù)A由制造廠提供，本研究中取80。

反時限特性模型中，電流均以發(fā)電機額定電流IN為基值[7]。

2.2 速斷過流保護

速斷過流保護按照被保護設(shè)備的短路電流來整定，當(dāng)短路電流超過設(shè)定值時，保護裝置會立即動作，斷路器跳閘。速斷過流保護沒有延時，動作可靠，切斷故障速度較快。

在本模型中，采用速斷過流保護作為短路故障的主保護，能夠自動改變整定值。由于風(fēng)力發(fā)電機的起動電流一般比較大，在起動過程中，速斷過流保護的整定值按躲過起動電流來設(shè)定。在起動過程結(jié)束后，整定值自動減小為正常設(shè)定值，從而提高系統(tǒng)故障情況下的靈敏度。

速斷過流保護動作條件為：

Im為起動過程中的速斷電流定值；

T為起動時間；

Is為正常運行時的速斷電流定值。

所設(shè)計的速斷過流保護的SIMULINK仿真模型如圖4所示。

圖4 速斷過流保護仿真模型Fig. 4 Simulation model of instantaneous overcurrent protection

2.3 低/過頻保護

電網(wǎng)電壓頻率對電氣設(shè)備有著較大的影響，當(dāng)頻率過大或過小時，都會對電氣設(shè)備造成損壞。頻率保護裝置持續(xù)測量電網(wǎng)電壓的即時頻率，并將測量值經(jīng)過均值濾波算法處理后，與電網(wǎng)固有頻率進行比較，若測量頻率超出允許波動范圍，則頻率保護動作，斷路器跳閘。

系統(tǒng)的低頻保護動作條件為：

式中：fl為低頻保護設(shè)定值；

Tfl為低頻保護動作延時時間。

系統(tǒng)的過頻保護動作條件為：

式中：fo為過頻保護設(shè)定值；

Tfo為過頻保護延時設(shè)定時間。

所設(shè)計的低/過頻保護的SIMULINK仿真模型如圖5所示。

圖5 頻率保護仿真模型Fig. 5 Simulation model of frequency protection

2.4 低/過壓保護

電壓故障要求反應(yīng)速度較快，當(dāng)電網(wǎng)電壓消失后，保護動作，斷路器跳閘，將風(fēng)電機組從電網(wǎng)中脫離，以免風(fēng)力發(fā)電設(shè)備遭到損壞。

低電壓保護判據(jù)為：當(dāng)三相電壓均小于低電壓保護整定值時，保護動作啟動，斷路器延時跳閘。

低電壓保護動作條件為：

式中：UL為低電壓保護設(shè)定值；

TVL為低電壓保護延時時間。

過電壓保護動作條件為：

式中：Uo為過電壓保護設(shè)定值；

TVo為過電壓保護延時時間。

低/過壓保護的SIMULINK仿真模型與頻率保護相似，在此基礎(chǔ)上添加電壓跌落裝置VSG動作判據(jù)，當(dāng)VSG動作時，閉鎖電壓保護，防止此時繼電保護誤動作。

2.5 差動保護

差動保護是變壓器的主保護，主要用來保護雙繞組或三繞組變壓器繞組內(nèi)部及其引出線上發(fā)生的各種相間短路故障，同時也可以用來保護變壓器單相匝間的短路故障。縱差保護分為比率制動式差動保護、標(biāo)積比率制動式差動保護、故障分量差動保護等，本設(shè)計中采用比率制動式差動保護。比率制動式分相差動的作用是利用分相比率制動判據(jù)實現(xiàn)差動保護跳閘，其動作判據(jù)為[9]：

這種玩法讓陳小華不能理解，他坦承雖然當(dāng)時58到家對高額補貼的后果看得不像今天這么透，但是這個模式肯定到不了58到家要的彼岸，所以一定是錯誤的。

拐點前：

Iop＞Iop,min，Ires＜Ires,min。

拐點后：

式中：Iop為差動電流的幅值；

Ires為制動電流的幅值；

Iop,min為差動保護最小動作電流；

Ires,min為差動保護最小制動電流；

Kres為制動系數(shù)。

以A相為例，其差動電流和制動電流分別為：

式中：IA為變壓器高壓側(cè)A相電流；

Ia為變壓器低壓側(cè)A相電流。

升壓變壓器一般采用Yd11接線方式，因此在差動保護中需要進行相位補償。其補償方式為：

式中：I′a，I′b，I′c分別為低壓側(cè)三相電流經(jīng)補償計算后的值；

IA, IB, IC分別為高壓側(cè)三相電流。

變壓器差動保護的SIMULINK仿真模型見圖6。

圖6 差動保護仿真模型Fig. 6 Simulation model of differential protection

3 仿真模型的建立

在MATLAB中，利用SIMULINK工具箱搭建了一個風(fēng)電機組低電壓穿越測試平臺，在電壓跌落裝置高低壓側(cè)斷路器上安裝了繼電保護模塊。低電壓穿越測試保護系統(tǒng)如圖7所示。

此保護系統(tǒng)設(shè)置了兩個信號測量點：VSG一次側(cè)以及二次側(cè)，測試信號包括一、二次側(cè)電壓、電流以及頻率。

圖7 風(fēng)電機組低電壓穿越測試保護系統(tǒng)Fig. 7 Protection system of wind turbines LVRT test

所有的測試信號經(jīng)過處理后被送到保護系統(tǒng)，保護系統(tǒng)共配置了反時限過流保護、電流速斷保護、低/過壓保護、低/過頻保護以及差動保護等5個保護模塊。所有保護模塊輸出信號相遇后送入電壓跌落裝置兩側(cè)的斷路器，斷路器動作切除故障，保護整個機組安全運行。其中，反時限過流保護、電流速斷保護、低/過壓保護、低/過頻保護以及差動保護的動作信號S1～S5發(fā)送至VSG二次側(cè)斷路器；差動保護信號S5發(fā)送至VSG一次側(cè)斷路器。

為了避免瞬時干擾或信號的不穩(wěn)定使保護系統(tǒng)出現(xiàn)誤動作，采用均值濾波法，每間隔1 ms采樣一次，連續(xù)采樣3次，取平均值作為本次采樣的信號值，并與動作值比較，可提高系統(tǒng)的抗干擾能力。均值濾波方法仿真如圖8所示。

圖8 均值濾波方法仿真Fig. 8 Simulation of mean filter method

4 仿真結(jié)果

保護系統(tǒng)在保證可靠切除故障的同時，還要滿足在低電壓穿越過程中不發(fā)生誤動作的要求。因此，對于系統(tǒng)發(fā)生故障和低電壓穿越過程兩種情況分別進行仿真。

4.1 系統(tǒng)故障仿真

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，電流、電壓或頻率會超過保護設(shè)定值，引起繼電保護動作，斷路器跳閘切除故障。采用圖7所示仿真模型，對風(fēng)電機組出口發(fā)生兩相短路、三相短路等故障時進行仿真。設(shè)置仿真時長為2.5 s，故障出現(xiàn)時間為1.5 s。實驗所得仿真波形如圖9和圖10所示。

圖9 AB兩相短路仿真波形Fig.9 Simulation waveform of AB two phase short circuit

圖10 三相短路仿真波形Fig. 10 Simulation waveform of three phase short circuit

由圖9和圖10可見，當(dāng)系統(tǒng)運行到1.5 s時，風(fēng)電機組并網(wǎng)點發(fā)生短路故障，系統(tǒng)電流急劇增大，可達(dá)到額定電流的10倍以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電流保護整定值，繼電保護均能在10 ms內(nèi)發(fā)出跳閘信號（保護出口信號由1.0變0），使斷路器跳閘，隔離故障。

4.2 低電壓穿越過程仿真

在低電壓穿越過程中，電網(wǎng)要求風(fēng)電機組在一定時間內(nèi)不能脫離電網(wǎng)運行。所以，在這段時間內(nèi)，應(yīng)當(dāng)閉鎖電壓保護，以防止保護動作導(dǎo)致風(fēng)機脫網(wǎng)。采用圖7所示仿真模型，對電網(wǎng)電壓跌至20%額定電壓時，625 ms內(nèi)風(fēng)電機組不得脫網(wǎng)運行進行仿真。設(shè)置仿真時長為3 s，電壓跌落起始時間為2 s，結(jié)束時間為2.625 s，低電壓持續(xù)運行625 ms。所得仿真波形如圖11所示。

圖11 電壓跌落至20%的仿真波形Fig.11 Simulation waveform of voltage dropped to 20%

由圖11可以看出，仿真運行至2 s時，電網(wǎng)電壓突然跌落至額定電壓的20%，此時，電壓保護被閉鎖。因此，在625 ms內(nèi)繼電保護并未動作，風(fēng)電機組保持并網(wǎng)運行。當(dāng)運行至2.625 s時，電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常，風(fēng)電機組重新發(fā)出有功功率。在此過程中，繼電保護系統(tǒng)可靠，不動作。

5 結(jié)語

本文基于低電壓穿越測試平臺的繼電保護系統(tǒng)，論述了各種保護的基本原理，并利用MATLAB的SIMULINK工具箱建立了仿真模型，在系統(tǒng)故障和低電壓穿越兩種狀態(tài)下分別進行了仿真實驗。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的保護系統(tǒng)實現(xiàn)了在系統(tǒng)故障時可靠動作，而低電壓穿越過程中不會誤動作，配合斷路器實現(xiàn)有選擇地動作。該保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，動作可靠，靈敏性高，可以滿足風(fēng)電機組LVRT測試平臺對于繼電保護的要求。

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（責(zé)任編輯：廖友媛）

Relay Protection Strategy Research on LVRT Test of Wind Turbines

Zhang Songke，Yi Jiliang，Li Junjun，Jiang Jianwei，Jiang Yuanyuan
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology, Zhuzhou Hunan 412007, China）

In order to improve the stability of the power system, power grid requires wind turbines of low voltage ride through capability. To ensure the safety of wind turbines and voltage sag generator during the wind turbines LVRT test, a relay protection system with five relay protection models which includes inverse-time overcurrent protection, instantaneous overcurrent protection, low/over voltage protection, low/over frequency protection and differential protection is designed and verified on LVRT test platform of wind turbines. The results show that the relay protection system can guarantee reliable action in a system failure and no malfunction in low voltage ride through tests. The system can escape the starting peak current of wind turbines, thus protects the voltage sag generator.

wind turbines； low voltage ride through ；voltage sag generator；relay protection

TM307+.3

：A

：1673-9833(2014)01-0032-06

2013-12-10

湖南省自然科學(xué)株洲市聯(lián)合基金資助項目（12JJ9042）

張松科（1986-），男，河南洛陽人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向為風(fēng)電機組低電壓穿越繼電保護，

E-mail：zhangsongke@163.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.01.007