張玉，李鳳婷，齊尚敏

(新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊830047)

風電場接入配網(wǎng)對電流保護的影響分析

張玉，李鳳婷，齊尚敏

(新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊830047)

風電的接入使得系統(tǒng)由單電源、輻射式結構變成雙電源的網(wǎng)絡，對配電網(wǎng)原有的繼電保護產(chǎn)生較大的影響。本文以PSCAD軟件為平臺，搭建了含異步風力發(fā)電機的風電場和配電網(wǎng)模型，從風電場容量和接入位置兩個方面分析了風電場接入對配電網(wǎng)電流保護的影響，得出風電并入配電網(wǎng)對保護的影響并提出解決方案。

風電場;配電網(wǎng);電流保護

1 引言

風電的運行特性不同于常規(guī)電源，輸出的功率具有隨機性、波動性和不可控性。隨著風電的大量接入，配電網(wǎng)的網(wǎng)絡結構將由輻射性單電源轉(zhuǎn)變?yōu)殡p電源，甚至是多電源和負荷共存的復雜拓撲結構。原有饋線保護的選擇性、靈敏性、可靠性將受到嚴重影響，大大降低供電可靠性［1，2］。

目前關于分布式電源接入配電網(wǎng)對繼電保護所產(chǎn)生影響的研究比較多。文獻［3-5］提出了采用自適應電流保護法解決DG加入對配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響。文獻［6］提出根據(jù)DG接入位置的不同，饋線的過電流保護分別采用定時限或反時限形式。采用該保護方案后，無論DG的輸出功率如何變化，故障都能被可靠切除。文獻［7］基于永磁同步發(fā)電機組和雙饋發(fā)電機組建立了風電場模型，仿真得出風電場的接入會引起保護裝置的誤動作，但沒有具體從風電場容量、接入位置及保護之間配合角度分析風電接入所產(chǎn)生的影響。文獻［8］討論了風電場接入配電網(wǎng)中段對保護產(chǎn)生的影響，而實際情況中，風電場有可能接入配電網(wǎng)的末端或始端。因此，有必要進一步討論異步風力發(fā)電機接入配電網(wǎng)任意位置時，對保護的影響。

本文將詳細分析不同情況下風電場接入對配電網(wǎng)電流保護的影響，并在仿真軟件PSCAD/EMTDC中仿真驗證;此外，針對含直驅(qū)或雙饋機組的風電場接入對保護下游及聯(lián)絡點相鄰處兩段線路的限時電流保護(電流II段保護)產(chǎn)生的影響，提出了相應的改進措施。

2 含風電的配電網(wǎng)保護特點

雖然風電為優(yōu)質(zhì)清潔能源，但其作為電源具有間歇性和難以調(diào)度性，大規(guī)模風電場接入電網(wǎng)會對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響。電網(wǎng)故障期間風電機組如何動作將對電網(wǎng)的潮流帶來影響，對原有的保護設置提出新的挑戰(zhàn)。在實際工程中，低壓配電網(wǎng)的保護方案一般為傳統(tǒng)的電流三段式保護。

風力發(fā)電接到電網(wǎng)的末端，會改變配電網(wǎng)功率單向流動的特點，使潮流流向和分布發(fā)生改變，這在原有電網(wǎng)的規(guī)劃和設計時是沒有預先考慮的。風電接入配電網(wǎng)非終端時，除了改變上游保護潮流流向和分布外還會對下游保護產(chǎn)生助增電流的影響。隨著電網(wǎng)注入功率的增加，風電場附近局部電網(wǎng)的電壓和聯(lián)絡線功率都會超出安全范圍，嚴重時會導致電壓崩潰［9，10］。另外，異步發(fā)電機在發(fā)生近距離三相短路故障時不能提供持續(xù)的故障電流，在不對稱故障時提供的故障電流也非常有限，這些特點都會對配電網(wǎng)原有保護造成影響。

3 風電接入配電網(wǎng)對電流保護的影響

本文運用PSCAD軟件建立了配電網(wǎng)模型和基于異步風力機的風電場模型。圖1為含風電的配電網(wǎng)示意圖，系統(tǒng)通過電壓等級為35kV的母線與配電網(wǎng)相連，系統(tǒng)的容量基準取為100MVA，電壓基準取為37kV。線路參數(shù)如下:線路型號為LGJ-150，電阻r=0.21Ω/km。

圖1 配電網(wǎng)絡圖Fig.1Diagram of distribution network

根據(jù)《3～110kV電網(wǎng)繼電保護裝置運行整定規(guī)程》，算例配電網(wǎng)模型的保護整定值見表1和表2。表中，表示電流I段保護整定值;表示電流II段保護整定值;lmin%表示電流速斷保護最小保護范圍占線路總長度的百分比;Ksen為靈敏系數(shù)［11］。

表1 配電網(wǎng)電流速斷保護整定值(I段保護)Tab.1Setting of instantaneous overcurrent protection

表2 配電網(wǎng)限時電流速斷保護整定值(II段保護)Tab.2Setting of time delay instantaneous overcurrent protection

3.1 風電接入配網(wǎng)終端

(1)風電場接入D母線

當故障發(fā)生在k1處時，流過保護3處電流曲線如圖2所示;流過保護2處仿真電流曲線如圖3所示。

風電場接入D點前，k1處故障時保護3上無短路電流流過;而當風電場接入后，有反向電流流過保護3處，隨著容量的增加，經(jīng)過的反向短路電流會隨之增大。當風電場容量大于20MW時，流過保護3的短路電流大于保護3處的I段整定值1.031kA，則會發(fā)生保護3誤動。

圖2 不同接入容量下k1處三相短路保護3處電流Fig.2Fault current of protection 3 at k1 three-phase fault under different wind capacity

圖3 不同接入容量下k1處三相短路保護2處電流Fig.3Fault current of protection 2 at k1 three-phase fault under different wind capacity

對比圖2、圖3可知，越靠近風電場處的線路(即越靠近末端)整定值越小，而風電場提供的反向電流卻越大，保護誤動作的風險也越大。越靠近風電場的線路發(fā)生故障時受風電場的影響越大，因此饋線下游的保護更容易受到影響［12］。

(2)風電場接入E母線

當故障發(fā)生在k1處時，仿真保護1、保護4處的電流曲線如圖4、圖5所示。

圖4 不同接入容量下k1處三相短路保護1處電流Fig.4Fault current of protection 1 at k1 three-phase fault under different wind capacity

圖5 不同接入容量下k1處三相短路保護4處電流Fig.5Fault current of protection 4 at k1 three-phase fault under different wind capacity

風電場接入E母線，k1處發(fā)生故障時，保護1、保護4處將感受到風電場提供的故障電流。當風電場容量足夠大時，提供給保護4處的故障電流有可能超過保護4的瞬時電流保護整定值，容易引起保護4的誤動。對AB線路來說，由于風電場的引入，使得保護1感受到的故障電流變大，當AB線路末端處發(fā)生故障時，保護2處的瞬時電流保護可能誤動作，使停電范圍擴大。

3.2 風電接入配電網(wǎng)非終端

風電場接入母線C，k3處發(fā)生三相短路，不同容量下保護3處仿真電流曲線如圖6所示。

圖6 不同接入容量下k3處三相短路保護3處電流Fig.6Fault current of protection 3 at k3 three-phase fault under different wind capacity

風電場加入前保護3處的瞬時電流保護按照躲過本線路末端的最大短路電流來整定。如圖6所示，故障后隨著風電場的容量增大，故障電流也隨之增大［13，14］。隨著風電場容量增加可能會使保護范圍延伸至下段線路，導致下段線路保護誤動。

風電場分別接入母線B、C處，k3處發(fā)生三相短路，不同容量下保護3處仿真電流曲線如圖7所示。

相同容量下，風電場分別接在母線B處與接在母線C處，保護3處感受的故障電流不同。風電場接在母線C上產(chǎn)生的短路電流明顯大于接在母線B上。這說明離風電場越近受其影響越大，保護感受到的故障電流越大;同理可得，相同接入位置，風電場容量為10MW時，保護3感受到的故障電流小于30MW時感受到的電流。相同接入位置，容量越大，風電場提供的故障電流越大，越容易使保護發(fā)生誤動作。

圖7 容量、接入點不同時k3處三相短路保護3處電流Fig.7Fault current of protection 3 at k3 three-phase fault under different wind capacity and different access points

4 改進方法

鑒于上面所述的原因，考慮到風電場的加入不能改變現(xiàn)已安裝的保護裝置，提出下面的解決方案。

(1)有選擇地加方向元件。針對風電接入配電網(wǎng)末端對上游保護產(chǎn)生的反向電流的影響，由于配電網(wǎng)的電壓等級為35kV，根據(jù)《電網(wǎng)規(guī)程》，風電場最大準許接入容量在50MW以下。根據(jù)風電場接入位置不同，有選擇性地加裝方向元件。例如，風電場接入饋線末端時，只需給線路BC、CD加裝方向元件，AB、AE段線路不需增加。即滿足式(1)時，則不需要加裝方向元件。

式中，IDG為風電場提供的反向電流;IK.min為聯(lián)絡點相鄰線路(即靠近系統(tǒng)側線路)兩相短路時的電流。這樣風電場的接入將不會對原來風電場未接入時的瞬時電流保護產(chǎn)生影響。

(2)調(diào)整保護整定值。當風電場接入配電網(wǎng)非終端時，會對保護下游的限時電流保護(II段保護)配合產(chǎn)生影響。這時需要調(diào)整相應的下游保護整定值。

圖8是風電場接入配電網(wǎng)非終端示意圖。風電場的阻抗為Zw，系統(tǒng)阻抗為Zs，線路單位長度阻抗為ZL，聯(lián)絡點為X，線路額定電壓為UN，m為從系統(tǒng)側到風電場聯(lián)絡點處所有線路長度之和，n為聯(lián)絡點處到保護3所在線路之和，h為保護4所在線路長度。

圖8 風電場接入配電網(wǎng)非終端Fig.8Wind farm access distribution network at nonterminal

異步風力發(fā)電機提供的短路電流隨時間衰減，很可能在故障發(fā)生0.5s內(nèi)故障電流衰減為零，而限時電流保護一般在故障發(fā)生0.5s后動作，不會對限時電流保護產(chǎn)生影響，因此限時電流保護的整定值不需要調(diào)整。

雙饋風力發(fā)電機故障電流瞬時增大，而后迅速衰減，若故障一直未清除，則雙饋機可提供一定的持續(xù)短路電流;直驅(qū)風電機組的短路電流瞬間增大，很快穩(wěn)定于一個恒定值［15］。含直驅(qū)或雙饋機組的風電場接入饋線末端，配電網(wǎng)線路發(fā)生故障，當風電場容量達到一定程度時提供的反向電流會引起上游線路的瞬時電流保護誤動，當提供的反向電流超過與此線路配合的上級線路I段保護整定值時，其限時電流保護也會誤動。

同理整定聯(lián)絡點下游的限時電流保護。以圖8的保護3為例，限時電流保護整定值為:

另外，對于聯(lián)絡點相鄰線路(即靠近系統(tǒng)側線路)限時電流速斷保護的配合整定需要單獨討論。如圖8所示，X為聯(lián)絡點，由于保護1的II段保護整定值是在保護2的I段整定值的基礎上得出的，而風電場的接入會對保護1、2所在線路產(chǎn)生一個外汲的影響，導致下條線路的限時電流速斷保護整定值不能跟風電接入之前設置的限時電流整定值相互配合，造成之前的保護不能正確動作。此時需要考慮分支系數(shù)。保護1的限時電流保護整定值如下:

5 結論

基于輻射型配電網(wǎng)電流保護，結合仿真結果說明風電接入對配電網(wǎng)繼電保護的影響，并得出如下結論:

(1)風電接入配電網(wǎng)終端對上游的所有保護而言，有反向電流流過，隨著風電場容量的增加，電流隨之增大，達到一定程度容易使保護誤動。因此，根據(jù)風電場接入位置不同，接入容量不同，有選擇性地加裝方向元件會給保護的整定工作帶來很大的方便。

(2)風電場接入配電網(wǎng)非終端對聯(lián)絡點上游的保護產(chǎn)生的影響與風電場接入終端時對上游保護的影響類似，根據(jù)風電接入容量，選擇性地加裝方向元件后即可解決;風電場接入對聯(lián)絡點下游的保護會產(chǎn)生助增電流，從而影響下游保護的靈敏度及保護范圍，需要對原保護的瞬時電流整定值進行修正。針對雙饋或直驅(qū)機組接入對限時電流保護的影響需對其整定值進行修正，而對于聯(lián)絡點相鄰線路(靠近系統(tǒng)側)的限時電流保護配合，在設定限時電流保護整定值時，應考慮分支系數(shù)的影響。

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Impact analysis of wind farm access to distribution network current protection

ZHANG Yu，LI Feng-ting，QI Shang-min
(College of Electrical Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830047，China)

Access of wind power makes the distribution network to change from a single power supply and radiation structure to a network with more than one power supply，and that will have a greater impact on the original relay distribution network.The paper takes the PSCAD software as a platform，builds the models including the asynchronous wind-driven generator wind farms model and the distribution network model，and from two aspects of wind farm capacity and access position analyzes the impact of wind farms on the distribution network relay.Then，a conclusion about the influence of wind power access to the distribution network regarding the relay protection is obtained and the corresponding solutions are put forward.

wind farm;distribution network;current protection

TM614

A

1003-3076(2014)09-0052-05

2013-03-15

國家自然科學基金(51267019)、新疆維吾爾自治區(qū)自然科學基金(2012211A002)資助項目

張玉(1989-)，女，河南籍，碩士研究生，研究方向為可再生能源并網(wǎng)技術與電力系統(tǒng)繼電保護;李鳳婷(1965-)，女，河北籍，教授，博士，研究方向為可再生能源并網(wǎng)技術與電力系統(tǒng)繼電保護。