1、引言

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組（Doubly-Fed Induction Generator，DFIG）因其所獨(dú)有的優(yōu)越性在風(fēng)力發(fā)電中得到了廣泛的應(yīng)用，成為目前風(fēng)電機(jī)組的主流機(jī)型。因此，雙饋風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)對(duì)原有繼電保護(hù)的影響成為集中研究的熱點(diǎn)。為了研究雙饋風(fēng)電機(jī)組的頻率偏移特性對(duì)變壓器保護(hù)的影響，首先搭建雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。介紹了DFIG風(fēng)電機(jī)風(fēng)機(jī)側(cè)定子磁鏈定向矢量控制和網(wǎng)側(cè)功率解耦控制方法的設(shè)計(jì)?；跈C(jī)組容量加權(quán)的參數(shù)聚合法把風(fēng)電場(chǎng)等值成一臺(tái)等值風(fēng)電機(jī)組。本文正是根據(jù)這些原理搭建50MW DFIG模型，以某地區(qū)實(shí)際風(fēng)電接入為例對(duì)變壓器保護(hù)進(jìn)行仿真。

2、雙饋電機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)特性分析

在PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)平臺(tái)建立某地區(qū)50MW雙饋風(fēng)電機(jī)組集中接入仿真系統(tǒng)如圖1所示。

系統(tǒng)參數(shù)如下：220kV側(cè)系統(tǒng)，短路容量：1719MVA，短路電流：4.32kA。短路阻抗模30Ω。送出線路參數(shù)：正序阻抗0.132+j0.38Ω/Km，負(fù)序阻抗0.396+j1.15Ω/Km，線路全長(zhǎng)10.2Km；風(fēng)電場(chǎng)主變壓器參數(shù)：額定容量50MVA，阻抗電壓百分比U（%）=10.32，短路損耗181.7kW，空載損耗32.4kW。風(fēng)電集群再升壓變壓器額定容量50MVA，額定電壓38.5kV/121kV/235kV，阻抗電壓百分比UA12（%）=13.65，UA23（%）=23.04，UA13（%）=7.49。仿真在t=4s時(shí)在風(fēng)電場(chǎng)的送出線中點(diǎn)K點(diǎn)發(fā)生三相故障系統(tǒng)側(cè)電流，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)電流，系統(tǒng)側(cè)電壓和系統(tǒng)側(cè)電壓如圖2和圖3所示，圖4為輸出功率變化。

雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，在正常運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速的變化范圍在0.7pu～1.3pu之間。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，風(fēng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩減少，為了維持風(fēng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械轉(zhuǎn)矩的平衡，這時(shí)系統(tǒng)側(cè)變頻器工作在整流狀態(tài)，機(jī)側(cè)變頻器工作在逆變狀態(tài)，通過(guò)穩(wěn)態(tài)解耦控制增大勵(lì)磁電流。雙向的電壓源變換器是由電力電子器件構(gòu)成，過(guò)高的電流會(huì)損耗變換器，因此當(dāng)感應(yīng)到過(guò)高的轉(zhuǎn)子電流時(shí)接入crowbar保護(hù)電路，為轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的過(guò)電流提供一條旁路通道，配合變換器在故障期間持續(xù)運(yùn)行，向電網(wǎng)饋送無(wú)功功率，對(duì)電網(wǎng)電壓提供支撐。Crowbar保護(hù)投入后此時(shí)雙饋感應(yīng)電機(jī)的特性可以等價(jià)一普通的異步發(fā)電機(jī)。故障期間衰減的交流分量占了雙饋電機(jī)定子電流的主要部分，其與故障發(fā)生時(shí)風(fēng)機(jī)在狀態(tài)有關(guān)，雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化范圍在0.7pu-1.3pu之間，因此雙饋風(fēng)機(jī)定子故障電流頻率變化范圍為50（1+30%）Hz之間。從圖2可以看出，系統(tǒng)側(cè)電流在故障發(fā)生時(shí)主要為工頻，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)電流不再保持工頻。如下圖4可看出故障發(fā)生時(shí)，不同工況下，定子電流頻率偏移。

風(fēng)電場(chǎng)變壓器保護(hù)目前主要采用縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，其原理是基于流過(guò)變壓器原邊和副邊的電流、電壓頻率不發(fā)生變化，然后根據(jù)電流差動(dòng)原理判別故障。而雙饋風(fēng)電機(jī)組的這種頻率偏移特性會(huì)對(duì)原有的保護(hù)產(chǎn)生影響。

3、風(fēng)電場(chǎng)變壓器縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)

3.1比率差動(dòng)保護(hù)

風(fēng)電場(chǎng)送出變壓器常常采用YNd11的接線方式，這種接線方式使星形側(cè)電流落后于三角形側(cè)電流300。這就會(huì)使變壓器正常運(yùn)行或區(qū)外故障時(shí)所計(jì)算差動(dòng)電流不為零，因此必須消除這種不平衡電流對(duì)差動(dòng)電流的影響。對(duì)于微機(jī)繼電保護(hù)可將YNd11接線變壓器的兩側(cè)電流互感器采用星形接線，由軟件實(shí)現(xiàn)電流互感器變比和相位的調(diào)整。

3.2二次諧波判別

通過(guò)檢測(cè)差流中二次諧波含量的大小來(lái)判斷是否為勵(lì)磁涌流，從而達(dá)到及時(shí)閉鎖縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，防止保護(hù)誤動(dòng)作。勵(lì)磁涌流的判據(jù)為：id2>k2id1（1）式中：id2為差流中的二次諧波電流；id1為差流中的基波電流；k2為二次諧波制動(dòng)系數(shù)，一般取0.15～0.2。

3.3差流速斷保護(hù)

在變壓器差動(dòng)保護(hù)中，當(dāng)在保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，大量的諧波會(huì)在二次電流中出現(xiàn)使涌流元件誤認(rèn)為勵(lì)磁涌流而拒動(dòng)或延遲動(dòng)作。因此為了在變壓器內(nèi)部故障時(shí)動(dòng)作可靠性，設(shè)置差動(dòng)速斷保護(hù)。差動(dòng)速斷保護(hù)的整定值應(yīng)躲過(guò)變壓器最大勵(lì)磁涌流或外部短路最大不平衡電流，其值為4～10額定電流。

4、仿真算例及結(jié)果分析

根據(jù)變壓器縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)原理在PSCAD/EMTDC中搭建變壓器保護(hù)模塊主變型號(hào)：SFZ11-50000/110；額定電壓：115±8×1.25%/36.5kV；主變一次接線：Yn/d11；差動(dòng)二次接線：Y0/Y012；高壓側(cè)CT變比：400/1；低壓側(cè)CT變比：1000/1；差動(dòng)電流啟動(dòng)值為：0.4Ie；比率制動(dòng)系數(shù)k=0.5，2次諧波制動(dòng)系數(shù)k2=0.15，差流速斷電流8Ie。

系統(tǒng)仿真模型仍采用某地區(qū)50MW雙饋風(fēng)機(jī)集中接入仿真系統(tǒng)如圖4所示，系統(tǒng)各參數(shù)值不變，發(fā)生故障時(shí)轉(zhuǎn)速為0.8pu，頻率為40Hz.線路中點(diǎn)K點(diǎn)t=4s時(shí)發(fā)生三相短路故障。A相縱聯(lián)差動(dòng)動(dòng)作曲線、差動(dòng)動(dòng)作結(jié)果、二次諧波含有量如圖5、圖6、圖7所示。

從圖7可以看出差動(dòng)量和制動(dòng)量不再保持恒定，在差動(dòng)量和制動(dòng)量中會(huì)含有其它頻率的分量。保護(hù)會(huì)首先判斷是否超高差流速斷的定值，差流結(jié)果沒(méi)超高定值不會(huì)動(dòng)作。由圖6差動(dòng)動(dòng)作結(jié)果可以看出，在故障初始階段，在0-40ms內(nèi)比率制動(dòng)會(huì)可靠動(dòng)作，但隨著制動(dòng)量和動(dòng)作量的大小的變化，動(dòng)作曲線會(huì)由動(dòng)作區(qū)向制動(dòng)區(qū)偏移，導(dǎo)致拒動(dòng)。由二次諧波所占比率可以看出，在故障發(fā)生時(shí)刻二次諧波含量增加，由于風(fēng)電場(chǎng)頻率的偏移導(dǎo)致比率制動(dòng)被閉鎖，隨著短路電流的衰減閉鎖關(guān)斷而此時(shí)比率制動(dòng)又不能可靠動(dòng)作，從而使動(dòng)作時(shí)間延長(zhǎng)并不可靠動(dòng)作。

5、結(jié)論

本文從實(shí)際雙饋風(fēng)電機(jī)組接入時(shí)的短路特性中得出得出雙饋風(fēng)電機(jī)組在送出線路發(fā)生故障后頻率發(fā)生偏移。風(fēng)電場(chǎng)測(cè)保護(hù)側(cè)的的頻率與故障發(fā)生前風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)有關(guān)，不再保持工頻量，系統(tǒng)側(cè)保護(hù)測(cè)得的主要為工頻量。而現(xiàn)有的常規(guī)變壓器保護(hù)主要根據(jù)雙側(cè)或三側(cè)在故障前后電壓、電流具有相同的頻率，利用電流差動(dòng)原理判別出區(qū)內(nèi)外故障，這就會(huì)對(duì)現(xiàn)有的保護(hù)產(chǎn)生影響。通過(guò)在PSCAD/EMTDC中搭建變壓器縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)模塊來(lái)驗(yàn)證得出，雙饋風(fēng)機(jī)在線路發(fā)生故障后會(huì)對(duì)變壓器縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致誤動(dòng)。

（作者單位：山東電力建設(shè)第一工程公司）