張 悅，張 萍，孫瑞浩

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001；2.上海電力設計院有限公司，上海 200025）

雙饋風力發(fā)電機風電場故障特征分析及對繼電保護影響研究

張 悅1，張 萍2，孫瑞浩1

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001；2.上海電力設計院有限公司，上海 200025）

以山西朔州地區(qū)右玉風電場為例，根據(jù)右玉風電場實際參數(shù)，利用電力系統(tǒng)計算機輔助設計電磁暫態(tài)仿真軟件，搭建了雙饋風電場系統(tǒng)仿真模型，分析研究了雙饋風力發(fā)電機風電場220 kV聯(lián)絡線故障特征及對繼電保護的影響。

雙饋風力發(fā)電機；故障特征；繼電保護

0 引言

在風力發(fā)電初期，由于并網(wǎng)風電場的容量比較小，電力系統(tǒng)繼電保護配置和整定計算一般不考慮風電場的影響，而是簡單地將風電場作為一個負荷對待。大型風力發(fā)電場接入電網(wǎng)后，使本地區(qū)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化，在發(fā)生故障時風力發(fā)電機將向短路點提供一定的短路電流，在此情況下，如果系統(tǒng)保護配置和整定計算仍不考慮風電場的影響是不合理的，甚至可能導致保護裝置的不正確動作。因此，傳統(tǒng)的基于同步發(fā)電機的故障電流的分析方法已不能直接用于風電機組，建立正確的風力發(fā)電機模型，分析風電場接入電力系統(tǒng)后故障電流特征及對繼電保護的影響具有重要意義。

1 風電場仿真系統(tǒng)模型建立

本文以山西朔州地區(qū)右玉風電場為例，根據(jù)右玉風電場實際參數(shù)，利用電力系統(tǒng)計算機輔助設計PSCAD（Power Systems Computer Aided Design） 電磁暫態(tài)仿真軟件，搭建雙饋風電場系統(tǒng)仿真模型。

右玉風電場裝機總?cè)萘?50MW，一期采用美國通用電氣公司制造的1.5SLE型風機，二、三期采用國電聯(lián)合動力生產(chǎn)的UP82/1500型風機，單機容量均為1.5MW。風力發(fā)電機采用1機1變的電氣接線方式，每臺風力發(fā)電機接1臺箱式變壓器，將機端電壓由690 V升至35 kV，再通過35 kV架空集電線接至風電場升壓站的35 kV母線。風電場共66臺風機，每回集電線連接11臺風機，總?cè)萘繛?9MW。風電場升壓站為單母線接線方式，以單回220 kV輸電線(山右線)送至右玉變電站接入山西電網(wǎng)。35 kV集電線長度為6 km，220 kV聯(lián)絡線長度為31 km。圖1為右玉風電場一次系統(tǒng)接線圖。

2 故障仿真及故障特征分析

雙饋風機與其他風機不同，雙饋風機配備Crowbar保護（即撬杠保護），當故障發(fā)生時，Crowbar保護動作與否將直接影響發(fā)電機的運行模式，從而導致故障特征不同。下面研究Crowbar保護投入情況下，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)在220 kV聯(lián)絡線保持風速不變及滿負荷運行時，不同故障點發(fā)生各種類型故障時的故障特征。

圖1 右玉風電場一次系統(tǒng)接線圖

仿真模擬220 kV聯(lián)絡線山右線，如圖1所示，發(fā)生單相接地、兩相短路、三相短路故障，故障點分別取在山右線系統(tǒng)側(cè)和風場側(cè)，統(tǒng)一設置故障起始時刻為2.5 s，持續(xù)時間0.1 s。

2.1 單相接地短路故障分析

2.1.1 220 kV聯(lián)絡線風場側(cè)故障

仿真模擬220 kV聯(lián)絡線風場側(cè)發(fā)生A相金屬性接地故障。風場側(cè)及系統(tǒng)側(cè)觀測結(jié)果如下。

圖2 220 kV聯(lián)絡線風場側(cè)發(fā)生A相金屬性短路時風場側(cè)波形圖

圖3 220 kV聯(lián)絡線風場側(cè)發(fā)生A相金屬性短路時系統(tǒng)側(cè)波形圖

從圖2a和圖3a可見，220 kV線路風場側(cè)發(fā)生A相接地故障時，系統(tǒng)側(cè)A相電壓有所降低，而風場側(cè)約為零；它們的非故障相電壓略有下降。

從圖2b和圖3b可見，故障瞬間220 kV線路風場側(cè)三相電流都有增大，且相位接近相同，這是風機控制策略、變壓器Y/△接線形式、Crowbar動作等因素綜合作用的結(jié)果。系統(tǒng)側(cè)為常規(guī)電源，短路電流較大。

從圖2c、3c可見，由于Crowbar保護動作，使得風機轉(zhuǎn)入異步電機運行狀態(tài)，風場側(cè)故障相電流頻率在故障后略微變大；而系統(tǒng)側(cè)由于與系統(tǒng)等值電網(wǎng)提供短路電流，故障相電流頻率不變。

2.1.2 220 kV聯(lián)絡線系統(tǒng)側(cè)故障

仿真模擬220 kV聯(lián)絡線系統(tǒng)側(cè)發(fā)生A相金屬性接地故障。仿真結(jié)果表明，在系統(tǒng)側(cè)發(fā)生單相接地故障情況下，其故障特征與線路風場側(cè)故障特征基本一致，只是幅值大小不同。

2.2 相間短路故障分析

2.2.1 220 kV聯(lián)絡線風場側(cè)故障

仿真模擬220 kV聯(lián)絡線風場側(cè)B、C兩相短路故障。風場側(cè)及系統(tǒng)側(cè)觀測結(jié)果如下。

圖4 220 kV聯(lián)絡線風場側(cè)發(fā)生B、C兩相短路風場側(cè)波形圖

圖5 220kV聯(lián)絡線風場側(cè)發(fā)生B、C兩相短路系統(tǒng)側(cè)波形圖

故障特征分析如下。

從圖4a和5a可見，故障發(fā)生時，220 kV線路風場側(cè)B、C相電壓大約相等并降低一半，220 kV線路系統(tǒng)側(cè)B、C相電壓有所降低，但高于風場側(cè)電壓。風場側(cè)和系統(tǒng)側(cè)的A相電壓基本保持不變。

從圖4b和5b可見，220 kV線路風場側(cè)A相和B相電流突然增大，C相電流略有增大，這由于控制策略的作用、變壓器Y/△接線形式、SVC的調(diào)節(jié)的結(jié)果。220 kV線路系統(tǒng)側(cè)僅故障相電流劇烈增大，非故障相電流略有增加。

從圖4c、5c可見，由于Crowbar保護動作，風機轉(zhuǎn)為異步電機運行狀態(tài)，風場側(cè)故障相電流頻率在故障后略微變大；系統(tǒng)側(cè)由于系統(tǒng)等值電網(wǎng)提供短路電流，故障相電流頻率不變。

2.2.2 220 kV聯(lián)絡線系統(tǒng)側(cè)故障

仿真模擬220 kV聯(lián)絡線系統(tǒng)側(cè)B、C兩相短路故障。仿真結(jié)果表明，在系統(tǒng)側(cè)發(fā)生兩相短路故障情況下，其故障特征與線路風場側(cè)故障特征基本一致，只是幅值大小不同。

2.3 三相短路故障仿真及分析

2.3.1 220 kV聯(lián)絡線風場側(cè)故障

仿真模擬220 kV聯(lián)絡線風場側(cè)發(fā)生三相短路故障。風場側(cè)及系統(tǒng)側(cè)觀測結(jié)果如下。

圖6 220 kV聯(lián)絡線風場側(cè)發(fā)生三相短路故障時風場側(cè)波形圖

圖7 220 kV聯(lián)絡線風場側(cè)發(fā)生三相短路故障時系統(tǒng)側(cè)波形圖

故障特征分析如下。

從圖6a、7a可見，故障發(fā)生瞬時，220 kV線路風場側(cè)電壓約為零，220 kV線路系統(tǒng)側(cè)電壓降低但殘壓較高。

從圖6b、7b可見，220 kV線路發(fā)生三相短路后，220 kV線路風場側(cè)電流突然增大，由于Crowbar保護投入，此時風機轉(zhuǎn)為異步電機運行狀態(tài)，由于失去系統(tǒng)側(cè)提供的勵磁作用，風場側(cè)電流持續(xù)衰減；220 kV線路系統(tǒng)側(cè)故障電流明顯比風場側(cè)大，且穩(wěn)態(tài)電流幅值并不衰減。

從圖6c、7c可見，由于Crowbar保護動作，風機轉(zhuǎn)為異步電機運行狀態(tài)，風場側(cè)故障相電流頻率在故障后略微變大；系統(tǒng)側(cè)故障電流頻率不變。

2.3.2 220 kV聯(lián)絡線系統(tǒng)側(cè)故障

仿真模擬220 kV聯(lián)絡線系統(tǒng)側(cè)發(fā)生三相短路故障。仿真結(jié)果表明，在系統(tǒng)側(cè)發(fā)生三相短路故障情況下，其故障特征與線路風場側(cè)故障特征基本一致，只是幅值大小不同。

通過對仿真結(jié)果進行分析，得到如下結(jié)論。

a）風電場側(cè)具有弱電源特性。與系統(tǒng)側(cè)相比，風電場提供的短路電流較小，其不僅表現(xiàn)為弱電源，且存在非故障相電流增加的問題。

b）風電場側(cè)發(fā)生故障時電氣量存在頻率偏移。風電場側(cè)的故障電壓、電流不僅表現(xiàn)為波形質(zhì)量差、諧波含量高，而且存在故障電流頻率變化的問題。

3 風電場故障特征對繼電保護影響

風電場作為一種非常規(guī)的電源形式，其接入電網(wǎng)并非都能夠適應傳統(tǒng)的繼電保護原理，因此有必要對風電接入后的繼電保護問題進行研究。

3.1 弱電源特性對繼電保護的影響

由仿真結(jié)果可知，發(fā)生單相接地故障時，風電場側(cè)的三相短路電流基本同相位，主要為零序分量。由于風電場的容量相對較小，風電場側(cè)的正、負序等值阻抗包括220 kV輸電線路、主變壓器以及風電場內(nèi)部35 kV線路與機組的阻抗，遠大于系統(tǒng)側(cè)的等值阻抗；而對于零序網(wǎng)絡，由于風電場的主變壓器的中性點直接接地，風電場側(cè)的零序網(wǎng)等效阻抗僅包括線路與主變的零序阻抗，等值零序阻抗遠小于正、負序阻抗。弱電源接入特性是風電場接入的普遍特性。

傳統(tǒng)電網(wǎng)在發(fā)生故障的時候都會伴隨電壓降低、電流增大、相位變化，這些特點也成為電力系統(tǒng)繼電保護構(gòu)造判據(jù)、識別故障的基礎。風電場在發(fā)生故障時具有弱饋特點，不僅提供短路電流的能力有限，而且非故障相電流也會增加。這些特點使得利用電流構(gòu)造判據(jù)的單端電氣量保護動作困難，正確性無法保證，存在適應性問題。具體受影響的保護元件包括：電流起動元件、過電流保護元件、距離保護元件、相電流選相元件、相電流差選相元件等。在我國的一些地區(qū)，已經(jīng)出現(xiàn)了上述風電場弱電源特性導致的故障誤選相與距離保護拒動問題，必須引起足夠的重視[1]。

3.2 頻率偏移對繼電保護的影響

由于電壓互感器與電流互感器頻率特性存在差異，且二者僅在工頻處傳變特性相同，因此現(xiàn)有的繼電保護裝置多是基于工頻量原理的。工頻量保護性能穩(wěn)定，但其正常工作的基礎是工頻量的快速、準確傳變與提取。由于目前的繼電保護在相量提取方面都假定待處理信號為正弦波，也就是說它們都基于待處理信號為工頻正弦相量，因此繼電保護的濾波算法會受到衰減直流分量、諧波、頻率偏離工頻等因素的影響。無論是諧波還是頻率偏差都會帶來相量提取的誤差，這些誤差將影響繼電保護的動作性能。風電場側(cè)的故障電壓、電流不僅表現(xiàn)為波形質(zhì)量差、諧波含量高，而且存在故障電流非工頻的問題。這些問題的同時存在，使得負責相量提取的濾波算法的精度更無法保證，從而使所有利用工頻量原理的保護性能受到影響。

4 結(jié)論

仿真研究可知，風電場與傳統(tǒng)電網(wǎng)的故障特征存在差異。根據(jù)風電場故障特征及對繼電保護的影響分析研究，得出以下結(jié)論。

a）由于風場側(cè)故障電流可能存在頻率偏移及暫態(tài)諧波含量，將影響以傅里葉算法為基礎的工頻量保護的性能，使得保護裝置存在拒動或誤動的可能性。

b）弱饋特性使得利用電流構(gòu)造判據(jù)的單端電氣量保護可能拒動。

［1］ 張嵐，張悅白瑞.直驅(qū)風力發(fā)電機風電場故障特征分析及對繼電保護影響研究［J］.山西電力，2014（5）：1-4.

Analysis on Fault Characteristics of theW ind Farm w ith Double-fed W ind Generator and Their Im pacts on Relay Protection

ZHANG Yue1，ZHANG Ping2，SUN Ruihao1
（1.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China；2.Shanghai Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200025，China）

According to the actual parameters of Youyu wind farm，a simulationmodel of double-fed wind farm system based on PSCADwasestablished.The faultcharacteristicsof220 kV tie-line inwind farm with double-fed wind generatorswere analyzed and their impactson relay protectionwere studied.

double-fed wind generator；faultcharacteristic；relay protection

TM76

A

1671-0320（2015）01-0001-04

2014-11-18，

2014-12-20

張 悅（1965），女，山西太原人，1988年畢業(yè)于太原工業(yè)大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，高級工程師，從事繼電保護工作；

張 萍（1962），女，山西太原人，1985年畢業(yè)于太原工業(yè)大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，高級工程師，從事電氣設計工作；

孫瑞浩（1987），男，山西運城人，2013年畢業(yè)于馬來西亞理工大學電力工程及其自動化專業(yè)，從事繼電保護工作。