劉闖，晁勤，吐爾遜·依布拉音，童柱，周二彪,4

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830008；2.昌吉供電公司，新疆昌吉831100；3.廣水供電公司，湖北隨州432700；4.新疆電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊830008)

含風(fēng)電電網(wǎng)輸電線距離保護(hù)測(cè)量阻抗特性研究

劉闖1,2，晁勤1，吐爾遜·依布拉音1，童柱3，周二彪1,4

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830008；2.昌吉供電公司，新疆昌吉831100；3.廣水供電公司，湖北隨州432700；4.新疆電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊830008)

分析了聯(lián)絡(luò)線風(fēng)電側(cè)距離保護(hù)測(cè)量阻抗隨風(fēng)速、過渡電阻等參數(shù)變化時(shí)的特性?；陔p饋異步(DFIG)、普通異步(IG)機(jī)組仿真了線路不同故障下改變風(fēng)速、過渡電阻等參數(shù)時(shí)距離保護(hù)測(cè)量阻抗的變化。結(jié)果表明，由于對(duì)側(cè)電源的助增和本側(cè)風(fēng)機(jī)風(fēng)速變化使過渡電阻呈電容性或電感性，可引起距離保護(hù)保護(hù)范圍縮短或使保護(hù)裝置超范圍動(dòng)作，從而導(dǎo)致保護(hù)產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng)。針對(duì)測(cè)量阻抗隨過渡電阻變化的特性，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

DFIG；IG；Matlab；距離保護(hù)；風(fēng)速；過渡電阻；測(cè)量阻抗

隨著風(fēng)電技術(shù)的快速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量不斷增加，風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模不斷增大。電力系統(tǒng)中風(fēng)電承擔(dān)的負(fù)荷日益增多，高壓輸電線路成為風(fēng)電電能輸送的有效載體。在我國(guó)，大容量風(fēng)電場(chǎng)出口輸電線路為了保證更好的安全性和獨(dú)立性，首先考慮距離保護(hù)[1]。然而，由于風(fēng)速的間歇性，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)不斷變化，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)出口輸電線路距離保護(hù)將造成一定影響[2]。同時(shí)，電網(wǎng)側(cè)短路點(diǎn)過渡電阻變化也會(huì)對(duì)聯(lián)絡(luò)線距離保護(hù)產(chǎn)生影響。因此，需要對(duì)多參數(shù)變化時(shí)的距離保護(hù)測(cè)量阻抗特性進(jìn)行研究。

文獻(xiàn)[3]分析了分布式發(fā)電的容量、接入位置以及變壓器連接組別對(duì)距離保護(hù)的影響，文獻(xiàn)[4-7]介紹了不同類型風(fēng)電機(jī)組的短路特性及對(duì)電網(wǎng)電流保護(hù)的影響與對(duì)策，文獻(xiàn)[8]研究了不同負(fù)荷水平和功率因素時(shí)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)其出口輸電線路距離保護(hù)的影響，文獻(xiàn)[9-10]介紹了風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線距離保護(hù)的自適應(yīng)整定方法，但均未對(duì)不同風(fēng)電機(jī)組下風(fēng)速、過渡電阻、短路容量等參數(shù)變化時(shí)測(cè)量阻抗的特性進(jìn)行對(duì)比分析。本文主要研究了含風(fēng)電場(chǎng)的雙側(cè)電源聯(lián)絡(luò)線的距離保護(hù)測(cè)量阻抗隨風(fēng)速、過渡電阻、接入點(diǎn)短路容量、故障類型等參數(shù)變化時(shí)的特性，并基于雙饋異步(DFIG)、普通異步(IG)機(jī)組仿真分析了風(fēng)速、過渡電阻和故障類型等變化時(shí)對(duì)出口輸電線路距離保護(hù)的影響，并針對(duì)測(cè)量阻抗隨過渡電阻的變化特性，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 距離保護(hù)測(cè)量阻抗的原理分析

大容量風(fēng)電場(chǎng)通過單回高壓線路向電網(wǎng)注入電能，距離保護(hù)作為輸電線路的保護(hù)。圖1為輸電線路上發(fā)生單相接地故障時(shí)的接線圖，仿真時(shí)系統(tǒng)側(cè)和風(fēng)電側(cè)均采用簡(jiǎn)化等效模型，本文主要研究風(fēng)電側(cè)距離保護(hù)。線路在K點(diǎn)發(fā)生短路接地，過渡電阻為。如圖1所示，W、G分別代表風(fēng)電側(cè)和系統(tǒng)側(cè)母線；1SW、1SG分別為風(fēng)電側(cè)和系統(tǒng)側(cè)電源的等效A相正序阻抗；1LW、1LG分別為母線W、G與F點(diǎn)間的輸電線路A相正序阻抗；1W和1G分別代表風(fēng)電側(cè)電源和系統(tǒng)側(cè)電源與故障點(diǎn)之間的A相正序阻抗。以下下標(biāo)中含0、2的阻抗代表相應(yīng)的零序和負(fù)序參數(shù)。

圖1A相接地單相接線圖

對(duì)單相接地(AG)和相間短路(BC)，W母線處距離保護(hù)感受到的阻抗如下：

式中：K0=(Z0L-Z1L)/3Z1L是零序電流補(bǔ)償因素。

測(cè)量阻抗為：

單相接地時(shí)：

式中：C′′=C+C+CZ/Z。

相間短路時(shí)：

三相短路時(shí)：

其中：

過渡電阻為：

2 聯(lián)絡(luò)線距離保護(hù)測(cè)量阻抗仿真系統(tǒng)

為研究風(fēng)電對(duì)輸電線路距離保護(hù)測(cè)量阻抗的影響，本文以220 kV輸電線路為例，基于風(fēng)速、過渡電阻、F點(diǎn)短路容量、故障類型研究過渡電阻對(duì)測(cè)量阻抗的影響。在Matlab環(huán)境下搭建如圖2所示的仿真系統(tǒng)，仿真時(shí)風(fēng)電場(chǎng)分別由容量為30 MW的IG機(jī)組和DFIG機(jī)組組成，單機(jī)容量均為1.5 MW，每臺(tái)風(fēng)機(jī)均與0.69 kV/35 kV的2 MVA配電變壓器(DYn1)相連。從保護(hù)角度來(lái)看，由于零序電流分量的存在，DYn連接是比YnYn連接更好的一種接法，故本文變壓器采用DYn接法。

圖2 含風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)參數(shù)變化時(shí)測(cè)量阻抗特性仿真分析

3.1 風(fēng)電場(chǎng)由DFIG機(jī)組組成時(shí)距離保護(hù)的測(cè)量阻抗

風(fēng)電場(chǎng)由DFIG機(jī)組組成，仿真時(shí)風(fēng)速分別為8、12、16m/s，短路故障在線路50%(||＝8Ω)處發(fā)生?；?、2、0和式(2)～式(4)可計(jì)算出，當(dāng)?shù)湫惋L(fēng)速為12m/s時(shí)，風(fēng)電側(cè)距離保護(hù)處如表1所示，觀察得其他風(fēng)速時(shí)，幅值保持不變，但角度有1°～2°的變化。

表1 基于DFIG機(jī)組時(shí)W側(cè)過渡電阻補(bǔ)償系數(shù)Kr

短路容量為1000 MVA時(shí)，基于仿真系統(tǒng)分別仿真出不同風(fēng)速時(shí)風(fēng)電側(cè)距離保護(hù)（母線W處）測(cè)量阻抗的特性，仿真結(jié)果見圖3～圖5(圖中均為DFIG)。由圖3得當(dāng)K點(diǎn)單相接地且風(fēng)速一定時(shí)，過渡電阻越大則保護(hù)測(cè)量阻抗越大，=15Ω時(shí)測(cè)量阻抗為36.53∠15.22°Ω；過渡電阻一定時(shí)，風(fēng)速越大則測(cè)量阻抗越小。由圖4和圖5得相間和三相短路且風(fēng)速為16m/s時(shí)，過渡電阻增大，則保護(hù)測(cè)量阻抗不同程度地向?qū)嵼S靠攏，甚至可能出現(xiàn)負(fù)值，=5Ω時(shí)測(cè)量阻抗分別為57.13∠－0.12°Ω和69.73∠－3.18°Ω。由圖3～圖5得使過渡電阻呈電感性或電容性，過渡電阻、風(fēng)速對(duì)測(cè)量阻抗有顯著影響，可能使保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)。但當(dāng)故障均為金屬性短路即=0Ω時(shí)，無(wú)論風(fēng)速大小，風(fēng)電側(cè)距離繼電器均能正確測(cè)出阻抗值。

圖3 K點(diǎn)單相接地時(shí)風(fēng)電側(cè)保護(hù)的測(cè)量阻抗(從0變到15Ω)

圖4 K點(diǎn)兩相短路時(shí)風(fēng)電側(cè)保護(hù)的測(cè)量阻抗(從0變到5Ω)

圖5 K點(diǎn)三相短路時(shí)風(fēng)電側(cè)保護(hù)的測(cè)量阻抗(從0變到5Ω)

3.2 風(fēng)電場(chǎng)由IG機(jī)組組成時(shí)保護(hù)的測(cè)量阻抗

將DFIG機(jī)組改為同容量的IG機(jī)組接入電網(wǎng)。當(dāng)?shù)湫惋L(fēng)速12m/s時(shí)，如表2所示。接入點(diǎn)短路容量為1000 MVA，不同風(fēng)速時(shí)風(fēng)電側(cè)距離保護(hù)測(cè)量阻抗的特性見圖6～圖8(圖中均為IG)。

表2 基于IG機(jī)組時(shí)W側(cè)過渡電阻補(bǔ)償系數(shù)Kr

圖6 K點(diǎn)單相接地時(shí)風(fēng)電側(cè)保護(hù)的測(cè)量阻抗(從0變到15Ω)

圖7 K點(diǎn)兩相短路時(shí)風(fēng)電側(cè)保護(hù)的測(cè)量阻抗(從0變到5Ω)

圖8 K點(diǎn)三相短路時(shí)風(fēng)電側(cè)保護(hù)的測(cè)量阻抗(從0變到5Ω)

由圖6得K點(diǎn)單相接地且風(fēng)速一定時(shí)，過渡電阻越大，保護(hù)測(cè)量阻抗越大；過渡電阻一定時(shí)，風(fēng)速越大則測(cè)量阻抗越小。單相接地時(shí)，當(dāng)風(fēng)速為16m/s，=15Ω時(shí)，測(cè)量阻抗達(dá)43.4∠12.87°Ω。由圖7和圖8得相間和三相短路時(shí)，風(fēng)速為16m/s且過渡電阻為5Ω，測(cè)量阻抗分別為85.48∠2.93°Ω和86.21∠－0.31°Ω。由圖6～圖8得使過渡電阻呈電感性或電容性，對(duì)保護(hù)測(cè)量阻抗有顯著影響，可能使保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)。但當(dāng)三種故障均為金屬性短路，距離保護(hù)均能正確測(cè)出阻抗值。相同條件下，與DFIG機(jī)組相比，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)由IG機(jī)組組成時(shí)，過渡電阻對(duì)測(cè)量阻抗影響更大。

4 輸電線路距離保護(hù)存在的問題及改進(jìn)措施

由仿真分析得含風(fēng)電的雙側(cè)電源線路發(fā)生短路故障時(shí)，對(duì)側(cè)電源和本側(cè)風(fēng)機(jī)風(fēng)速增大對(duì)過渡電阻有助增電流作用，過渡電阻將呈電容性或電感性。風(fēng)電側(cè)距離保護(hù)的測(cè)量阻抗將隨過渡電阻的容抗性變化而減小或增大，可使距離保護(hù)保護(hù)范圍縮短或引起保護(hù)裝置的超范圍動(dòng)作，從而導(dǎo)致距離保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)。如圖9(a)所示，呈現(xiàn)容性，進(jìn)入保護(hù)的動(dòng)作范圍引起保護(hù)誤動(dòng)；圖9(b)中呈現(xiàn)感性，使在保護(hù)范圍之外即保護(hù)拒動(dòng)。

圖9使保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)

針對(duì)上述問題，選用具有躲過渡電阻能力的自適應(yīng)式阻抗繼電器，比如多邊形繼電器。如圖10所示，阻抗繼電器動(dòng)作特性邊界以整定的阻抗矢量作為其軸心，通過旋轉(zhuǎn)傾斜角來(lái)消除短路點(diǎn)過渡電阻帶來(lái)的不利影響。

圖10 距離保護(hù)改進(jìn)措施

圖10(a)中為克服線路末端故障時(shí)過渡電阻的影響，五邊形阻抗繼電器的BC邊可在軸方向獨(dú)立移動(dòng)以適應(yīng)大小不同的過渡電阻，通常1取45°～60°。0A邊為保證線路出口經(jīng)過渡電阻短路時(shí)能夠可靠動(dòng)作，2通常取15°。傾斜角4的選取應(yīng)能避免在輸電線路末端發(fā)生短路時(shí)保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)，其通過實(shí)時(shí)計(jì)算得到。對(duì)短線路，由于其值比較小，容易受過渡電阻影響。此時(shí)，可加大/比值以增強(qiáng)其允許過渡電阻的能力。

5 結(jié)論

（1）含風(fēng)電的雙電源線路由于對(duì)側(cè)電源的助增和本側(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行風(fēng)速變化使過渡電阻呈電容性或電感性，可導(dǎo)致距離保護(hù)超范圍動(dòng)作或使距離保護(hù)的保護(hù)范圍縮短，從而導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)。

（2）風(fēng)電場(chǎng)出口線路距離保護(hù)整定時(shí)，必須考慮過渡電阻、風(fēng)速、短路容量的影響，盡量配置多邊形繼電器并適當(dāng)調(diào)整其保護(hù)范圍，以避免極端情況下保護(hù)產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng)。另外，風(fēng)電場(chǎng)升壓變壓器采用DYn接法，在單相接地時(shí)，零序電流的存在使阻抗繼電器有更好的動(dòng)作條件。

（3）相同條件下，與DFIG機(jī)組相比，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)由IG機(jī)組組成時(shí)，過渡電阻對(duì)測(cè)量阻抗影響更大。但當(dāng)故障為金屬性短路時(shí)，兩種機(jī)組風(fēng)電側(cè)距離繼電器均能正確測(cè)出阻抗值。

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Research onmeasured impedance characteristics of transmission line distance protection of power grid with wind farm

LIU Chuang1,2,CHAO Qin1,TUERXUN Yibulayin1,TONG Zhu3,ZHOU Er-biao1,4

The characteristics ofmeasured impedance in wind power side distance protection of the contact line based on variations of the wind speed and fault resistance were analyzed.Two types of WTGU:Doubly Fed(DFIG)and Squirrel Cage Induction Generators(IG)were simulated and connected to grid with single circuit transmission line. The effect of the fault resistance and wind speed onmeasured impedance of distance protection was simulated. Obtained thatmeasured impedance and Change of wind speedmay exceed the scope of action or shortened the scope of the protection,protectionmalfunction or refuse tomovemight be resulted.Aiming at the characteristics ofmeasured impedance that variation with fault resistance,the corresponding protection configuration and principle were put forward.

DFIG;IG;Matlab;distance protection;wind speed;fault resistance;measured impedance

TM 614

A

1002-087 X(2014)10-1900-04

2014-03-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51267020)；科技部國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)資助(2013DFG61520)

劉闖(1987—)，男，湖北省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闈崈裟茉醇捌洳⒕W(wǎng)技術(shù)。