鐘　勇，李生虎，陳閩江，朱國偉

（1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230009；2.福建省電力有限公司輸變電設(shè)備檢修分公司，福州 350003）

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感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組LVRT措施對線路電流速斷保護(hù)影響

鐘勇1，李生虎1，陳閩江2，朱國偉1

（1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230009；2.福建省電力有限公司輸變電設(shè)備檢修分公司，福州 350003）

摘要：風(fēng)電并網(wǎng)，影響輸電線路繼電保護(hù)動(dòng)態(tài)特性。針對含感應(yīng)發(fā)電機(jī)（IG）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，分析串聯(lián)制動(dòng)電阻（SBR）和靜止無功補(bǔ)償器（SVC）兩種低電壓穿越（LVRT）措施對短路電流分量及電流速斷保護(hù)的影響?；谕饩W(wǎng)故障后IG等值電路，分別采用簡化理論分析和詳細(xì)動(dòng)態(tài)仿真方法，分析LVRT措施的影響。發(fā)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作電流為全電流時(shí)，SBR使得保護(hù)范圍變小。保護(hù)動(dòng)作電流為基頻分量時(shí)，保護(hù)范圍隨著SBR增加先變大后變小，前者可能導(dǎo)致保護(hù)失去選擇性誤動(dòng)。采用SVC無功補(bǔ)償時(shí)，無論動(dòng)作電流為全電流或基頻分量，保護(hù)范圍都將增加，保護(hù)可能失去選擇性而誤動(dòng)；動(dòng)作電流為基頻分量時(shí)，保護(hù)更容易誤動(dòng)。

關(guān)鍵詞：電流速斷保護(hù)；感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組；低電壓穿越；串聯(lián)制動(dòng)電阻；靜止無功補(bǔ)償器；風(fēng)電系統(tǒng)

隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量不斷增大，風(fēng)電機(jī)組對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響受到越來越多的關(guān)注。風(fēng)電場中包含了大量的籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)IG（induction generator）和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，其故障特性不同于傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)。當(dāng)風(fēng)電滲透率達(dá)到一定程度后，為了保證電網(wǎng)無功平衡和電壓穩(wěn)定性，要求并網(wǎng)風(fēng)電場必須具有低電壓穿越能力LVRT（low voltage ride through）［1］。國內(nèi)外對籠型感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越作了大量的研究［2］，文獻(xiàn)［3-5］研究采用串聯(lián)制動(dòng)電阻SBR（series braking resistors）措施，改善感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)穩(wěn)定性，增強(qiáng)感應(yīng)發(fā)電機(jī)組低電壓穿越能力。文獻(xiàn)［6-9］研究采用增加靜止無功補(bǔ)償器SVC（static var compensator）補(bǔ)償無功容量措施，在低電壓狀況下抬高機(jī)端電壓，幫助感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組成功實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。

風(fēng)電場接入電網(wǎng)可能對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)產(chǎn)生負(fù)面影響［10］。文獻(xiàn)［11］研究了風(fēng)電場等值問題，通過建模仿真分析了風(fēng)電場投運(yùn)組數(shù)、有功出力、故障類型對并網(wǎng)點(diǎn)故障短路電流的影響，而并未從理論角度分析。文獻(xiàn)［12］仿真驗(yàn)證大規(guī)模風(fēng)電場接入系統(tǒng)時(shí)，不應(yīng)該忽視風(fēng)電場向系統(tǒng)提供的短路電流，應(yīng)考慮對系統(tǒng)繼電保護(hù)產(chǎn)生的影響，但是并未很全面分析對保護(hù)的影響。文獻(xiàn)［13］研究了小型風(fēng)電場接入輻射型配電網(wǎng)，對母線上下級(jí)電流保護(hù)的影響，提出配置自適應(yīng)電流保護(hù)來識(shí)別并切除故障，驗(yàn)證了其有效性，然而未分析低電壓穿越措施對保護(hù)的影響。文獻(xiàn)［14］研究了風(fēng)電場異步發(fā)電機(jī)的阻抗特性，指出其與發(fā)電機(jī)輸入機(jī)械功率和定子電壓有關(guān)，負(fù)荷的變化影響輸電線路距離保護(hù)III段保護(hù)的動(dòng)作裕度，但未考慮風(fēng)電場內(nèi)部變化對保護(hù)的影響。文獻(xiàn)［15］利用繼電保護(hù)測試設(shè)備和實(shí)際的繼電保護(hù)裝置，通過仿真研究了過電流保護(hù)受風(fēng)電場影響的情況，因感應(yīng)發(fā)電機(jī)組只能提供短時(shí)的短路電流，提出了在短路后2、3周期內(nèi)可采用同步發(fā)電機(jī)模型計(jì)算短路電流。文獻(xiàn)［16］分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)集團(tuán)式接入電力系統(tǒng)時(shí)，風(fēng)電場的短路故障特性，指出了風(fēng)電場的弱饋特性，但未深入分析對保護(hù)的影響，也未考慮風(fēng)電場的低電壓穿越措施。文獻(xiàn)［17］研究了雙饋風(fēng)電機(jī)組，采用投入撬棒電阻的低電壓穿越措施對其故障特性的影響，分析了撬棒電路對風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線距離保護(hù)的影響，但對籠型感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和其他低電壓穿越措施以及對電流保護(hù)的影響并未研究。

本文基于籠型感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，分析風(fēng)電機(jī)組采用串聯(lián)制動(dòng)電阻和靜止無功補(bǔ)償器兩種低電壓穿越措施對風(fēng)電場輸電線路電流速斷保護(hù)的影響。通過感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)等值簡化電路研究輸電線路上發(fā)生電壓跌落時(shí)，低電壓穿越措施對風(fēng)電場輸電線路上短路電流各分量的影響，再通過其影響分析低電壓穿越措施對輸電線路靠風(fēng)電場側(cè)電流速斷保護(hù)的影響。

1　感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組短路電流

圖1　感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)Fig.1　Wind power system with induction generator

風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1所示，由感應(yīng)發(fā)電機(jī)（IG）、升壓變壓器、固定并補(bǔ)、輸電線路和電網(wǎng)組成。圖中風(fēng)電場由40臺(tái)籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)組成。籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)額定容量為1.25 MW，額定電壓為0.69 kV。取基準(zhǔn)容量為50 MW，基準(zhǔn)電壓0.69 kV。發(fā)電機(jī)參數(shù)為：定子電阻0.006 p.u.，轉(zhuǎn)子電阻0.007 p.u.，定子電抗0.14 p.u.，轉(zhuǎn)子電抗0.05 p.u.，勵(lì)磁電抗為3.0 p.u.；風(fēng)電場升壓變額定容量為50 MW，變比為0.69/35 kV，短路百分比為10.5%；輸電線路OA、AB長度都為20 km。

為實(shí)現(xiàn)低電壓穿越，在升壓變低壓側(cè)加入SVC（以可變電容表示），或在集電線上投入串聯(lián)制動(dòng)電阻。在出線靠近風(fēng)電場側(cè)O、A點(diǎn)都裝有電流速斷保護(hù)作為后備保護(hù)，保護(hù)1保護(hù)線路OA，保護(hù)2保護(hù)線路AB，傳統(tǒng)電流速斷保護(hù)整定值并未將低電壓穿越措施考慮進(jìn)去，保護(hù)1的整定值為Iset.1。

SVC控制模型如圖2所示，其中KSL、KR為比例系數(shù)，TR為時(shí)間常數(shù)，Uref為控制參考電壓，BSVC為SVC導(dǎo)納。

圖 2SVC動(dòng)態(tài)控制模型Fig.2　Dynamic control model of SVC

1.1感應(yīng)發(fā)電機(jī)低電壓穿越等值電路

假設(shè)在圖1中線路末端A點(diǎn)發(fā)生對稱電壓跌落，其感應(yīng)發(fā)電機(jī)低電壓穿越的等值電路見圖3，其中U、I、R、X和B分別表示電壓、電流、電阻、電抗和電納，s表示轉(zhuǎn)差率，下標(biāo)r、s、f、SVC、SBR、C和L分別表示轉(zhuǎn)子、定子、故障點(diǎn)、SVC、SBR、補(bǔ)償電容器和線路。

圖3 感應(yīng)發(fā)電機(jī)LVRT電路Fig.3　Electrical circuit of IG under LVRT

將圖3化簡為圖4，其中下標(biāo)e表示等值參數(shù)，則等值后的定子電阻Rse、電抗Xse和電勢比例系數(shù)ξ分別為

圖4　感應(yīng)發(fā)電機(jī)等值電路Fig.4　Equivalent circuit for IG

1.2外部故障短路電流計(jì)算

如圖4所示的感應(yīng)發(fā)電機(jī)等值電路，在dq坐標(biāo)系下的基本方程為

穩(wěn)態(tài)電流I?s0的求解：RSBR=0、BSVC=0，?s= ξU?f，Dψr、Dψs都為零。由式（7）可得

δI?s求解：RSBR≠0或 BSVC≠0，?s=-0.8ξ?f，pψr、pψs都不為零。由式（5）經(jīng)過拉氏變換和反拉氏變換計(jì)算可得

Ilac、Iac、Idc分別為強(qiáng)制基頻周期分量幅值、衰減基頻周期分量幅值、非周期分量幅值，φ0、φ1、φ2分別為各分量余弦函數(shù)的初相角。

為了方便討論本文取φ0=π、φ1=0、φ2=π使得短路后A相非周期分量為正值，短路后半個(gè)周期短路電流達(dá)到最大值且A相幅值最大，即t=π/ωs時(shí)，電流最大值本文接下來都以A相短路電流作為討論對象。

2　LVRT對IG短路電流影響

雖然詳細(xì)理論證明暫時(shí)很難給出，但是根據(jù)上述短路電流理論分析結(jié)果，考慮LVRT措施對連接阻抗影響，可判斷對電流保護(hù)影響。

2.1串聯(lián)制動(dòng)電阻（SBR）

串聯(lián)制動(dòng)電阻引起等值電路參數(shù)Rse、Xse、ξ、T’r、T’s的變化如圖5所示，隨著制動(dòng)電阻增加，Rse大幅度增加，并且Xse小幅度減小，引起Ts′大幅度減小，即非周期分量衰減速度加快；Xse小幅度減小，引起Tr′減小，即基頻周期分量衰減速度加快；隨之減小。

串聯(lián)制動(dòng)電阻改變等值電路參數(shù)進(jìn)而影響短路電流各分量的幅值如圖6所示。殘余基頻周期分量幅值較小，隨制動(dòng)電阻增加而增大；衰減基頻周期分量幅值隨制動(dòng)電阻增大先增大后減小，當(dāng)串聯(lián)制動(dòng)電阻較大時(shí)，幅值可能比未串聯(lián)制動(dòng)電阻時(shí)??；非周期分量幅值隨制動(dòng)電阻增大先略微增大后減小。串聯(lián)制動(dòng)電阻主要使得非周期分量衰減時(shí)間常數(shù)T大幅度減小，即使Ilac、Iac、Idc都有所增加，但是短路電流最大值iAmax呈下降趨勢。

圖5　串聯(lián)制動(dòng)電阻對IG等效電路參數(shù)影響Fig.5　Equivalent parameters of IG with SBR

圖6　制動(dòng)電阻對短路各分量幅值的影響Fig.6　Short current components with SBR

分析SBR對短路電流的影響，如圖7所示。SBR增加使得短路電流最大值變小，非周期分量衰減速度加快。

2.2靜止無功補(bǔ)償器（SVC）

圖7　制動(dòng)電阻對短路電流的影響Fig.7　Short current with SBR

SVC補(bǔ)償無功容量變化引起等值電路參數(shù)Rse、Xse、、T、T值的影響如圖8所示。隨著補(bǔ)償容量增加，即導(dǎo)納BSVC幅值變大，Rse、Xse幅值都增大，但是Rse對T的影響更突出，使得T小幅度減小，即非周期分量衰減有所加快；Xse增大引起T隨之增大，即衰減基頻周期分量衰減變慢；相對于其他參數(shù)，BSVC對ξ影響較明顯，ξ隨之增大。

圖8SVC補(bǔ)償容量對等效電路參數(shù)Fig.8　Equivalent parameters of IG with SVC

SVC補(bǔ)償無功容量的增加影響短路電流各分量的幅值如圖9所示。相對于SVC未補(bǔ)償無功時(shí)，SVC補(bǔ)償無功使得短路電流中殘余基頻周期分量略微增加，衰減基頻周期分量和非周期分量幅值增大且幅度較大，并且隨著補(bǔ)償容量增加繼續(xù)增加。SVC補(bǔ)償無功容量增加，基頻周期分量和非周期分量幅值增加，對衰減時(shí)間常數(shù)影響不大，使得短路電流最大值也隨之升高。

圖9　SVC補(bǔ)償容量對短路電流各分量幅值的影響Fig.9　Short current components with SVC compensation

采用動(dòng)態(tài)仿真軟件，分析SVC補(bǔ)償無功容量對短路電流的影響如圖10所示。SVC補(bǔ)償無功容量的增加使得短路最大值增加，對衰減時(shí)間常數(shù)影響不大。

圖10SVC補(bǔ)償容量對短路電流的影響Fig.10　Short current with SVC compensation

3　低電壓穿越措施對電流速斷保護(hù)的影響

3.1采用串聯(lián)制動(dòng)電阻

如果電流速斷保護(hù)繼電器動(dòng)作電流為全電流，線路OA短路電流最大值曲線如圖11所示。當(dāng)RSBR=0 p.u.時(shí)，保護(hù)1保護(hù)線路長度為OD，RSBR= 0.07 p.u.時(shí)，保護(hù)線路長度為OE＜OD，保護(hù)范圍變小，當(dāng)RSBR=0.30 p.u.時(shí)，保護(hù)1無法保護(hù)線路OA。

如果電流速斷保護(hù)繼電器動(dòng)作電流為短路電流基頻周期分量，線路OB短路電流基頻周期分量最大值曲線如圖12所示。當(dāng)RSBR=0 p.u.時(shí)，保護(hù)1保護(hù)范圍為OD，當(dāng)RSBR=0.07 p.u.時(shí)，保護(hù)范圍為OF，且OF＞OA＞OD，擴(kuò)大了保護(hù)范圍。但是如果故障發(fā)生在線路AF內(nèi)，保護(hù)1可能會(huì)誤動(dòng)作，失去選擇性。當(dāng)RSBR=0.30 p.u.時(shí)，保護(hù)范圍為OE＜OD，保護(hù)范圍變小。

圖11　線路OA短路電流最大值曲線Fig.11　Maximum short-circuit current curves on OA line

圖12　線路OB短路電流基頻周期分量最大值曲線Fig.12　Maximum fundamental periodic component of short-circuit current curves on OB line

3.2采用靜止無功補(bǔ)償器

如果保護(hù)動(dòng)作電流為全電流，線路OB短路電流最大值曲線如圖13所示。當(dāng)BSVC=0 p.u.時(shí)，保護(hù)1保護(hù)線路長度為OD，當(dāng)BSVC=0.5 p.u.，保護(hù)線路長度分別為OE＞OD，擴(kuò)大了保護(hù)范圍，當(dāng)BSVC= 0.9 p.u.時(shí)，保護(hù)1保護(hù)范圍更長，但是當(dāng)線路AF上故障時(shí)，保護(hù)1可能會(huì)誤動(dòng)作，失去選擇性。

圖13　線路OB短路電流最大值曲線Fig.13　Maximum short-circuit current curve on OB line

如果保護(hù)動(dòng)作電流為短路電流的基頻周期分量，線路OB短路電流基頻周期分量最大值曲線如圖14所示。BSVC=0 p.u.時(shí)，保護(hù)1保護(hù)線路長度為OD，當(dāng) BSVC=0.5 p.u.，保護(hù)線路長度分別為OE＞OD，擴(kuò)大了保護(hù)范圍。當(dāng)BSVC=0.9 p.u.時(shí)，故障發(fā)生在線路OB上短路電流值都大于保護(hù)1整定值，如果故障發(fā)生在線路AB上時(shí)，保護(hù)1可能會(huì)引起保護(hù)誤動(dòng)作；并且在相同SVC補(bǔ)償無功容量，相對于保護(hù)動(dòng)作電流為全電流，保護(hù)動(dòng)作為基頻周期分量更易使保護(hù)誤動(dòng)作。

圖14　線路OB短路電流基頻周期分量最大值曲線（靜止無功補(bǔ)償）Fig.14　Maximum fundamental periodic component of short-circuit current curve on OB line（SVC）

3.3仿真驗(yàn)證LVRT對繼電保護(hù)影響

限于篇幅，只討論保護(hù)動(dòng)作電流為全電流，在不同位置故障，采用SRB和SVC時(shí)保護(hù)動(dòng)作情況。

采用串聯(lián)不同阻值的制動(dòng)電阻，在不同位置故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作情況如圖15所示，圖中flag=1表示保護(hù)動(dòng)作，flag=0表示保護(hù)不動(dòng)作。當(dāng)RSBR=0.07 p.u.使得故障發(fā)生在線路ED區(qū)間內(nèi)（RSBR=0 p.u.時(shí)，保護(hù)動(dòng)作）保護(hù)拒動(dòng)。當(dāng)RSBR=0.30 p.u.時(shí)，故障發(fā)生在線路OA內(nèi)都不動(dòng)作。

圖15　串聯(lián)制動(dòng)電阻對保護(hù)動(dòng)作的影響Fig.15　Impact of SBR on relay performance

采用SVC補(bǔ)償不同容量的無功功率，在不同位置故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作情況如圖16所示，圖中flag=1表示保護(hù)動(dòng)作，flag=0表示保護(hù)不動(dòng)作。當(dāng)BSVC=0.5 p.u.、BSVC=0.9 p.u.時(shí)，使得故障發(fā)生在線路DA區(qū)間內(nèi)（RSBR=0 p.u.時(shí)，保護(hù)不動(dòng)作）保護(hù)動(dòng)作，增大了保護(hù)范圍。但是當(dāng)故障發(fā)生在下段線路AE、AF時(shí)，保護(hù)可能誤動(dòng)作，失去選擇性。

圖16SVC補(bǔ)償容量對保護(hù)動(dòng)作的影響Fig.16　Impact of SVC capacity on relay performance

4　結(jié)論

（1）當(dāng)電流速斷保護(hù)繼電器動(dòng)作電流為全電流時(shí)，串聯(lián)制動(dòng)電阻使得全電流最大值變小。隨著串聯(lián)制動(dòng)電阻增大，輸電線路靠風(fēng)電場側(cè)的保護(hù)保護(hù)范圍變小。當(dāng)電阻比較大時(shí)，可能使得保護(hù)無法保護(hù)此線路。

（2）當(dāng)電流速斷保護(hù)繼電器動(dòng)作電流為基頻周期分量時(shí)，串聯(lián)制動(dòng)電阻使得短路電流基頻周期分量最大值先增大后變小，從而使得保護(hù)范圍也隨著SBR增加先變大后變小，當(dāng)保護(hù)范圍增大時(shí)，保護(hù)范圍外故障，保護(hù)可能誤動(dòng)作，失去選擇性。

（3）當(dāng)電流速斷保護(hù)繼電器動(dòng)作電流為全電流時(shí)，SVC無功補(bǔ)償容量的增加，全電流最大值隨之增大，輸電線路靠風(fēng)電場側(cè)的保護(hù)范圍變大，但是當(dāng)補(bǔ)償容量很大時(shí)，保護(hù)范圍外故障時(shí)，保護(hù)可能誤動(dòng)作，失去選擇性。

4）當(dāng)電流速斷保護(hù)繼電器動(dòng)作電流為基頻周期分量時(shí)，基頻周期分量最大值隨著SVC補(bǔ)償容量增加而增大，輸電線路靠風(fēng)電場側(cè)的保護(hù)范圍變大，但是當(dāng)補(bǔ)償容量很大時(shí)，可能引起保護(hù)誤動(dòng)作，失去選擇性，相對于保護(hù)動(dòng)作電流為全電流，保護(hù)動(dòng)作為基頻周期分量更易使得保護(hù)產(chǎn)生誤動(dòng)作。

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鐘勇（1991—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真與控制。Email：zhy6855@126.com

李生虎（1974—），男，博士，教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃與可靠性、風(fēng)電系統(tǒng)分析與控制、柔性輸電技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用。Email：shenghuli@hfut.edu.cn

陳閩江（1975—），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)狀態(tài)檢修和智能變電站技術(shù)。Email：mjchen@126.com

中圖分類號(hào)：TM77；TM315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-8930（2016）06-0019-07

DOI：10.3969/j.issn.1003-8930.2016.06.004

作者簡介：

收稿日期：2014-05-27；修回日期：2015-11-25

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51277049）

Impact of LVRT of Induction Generator on Instantaneous Over-current Protection

ZHONG Yong1，LI Shenghu1，CHEN Minjiang2，ZHU Guowei1
（1.School of Electrical Engineering and Automation，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Maintenance Department of Transmission and Transformation Equipment，F(xiàn)ujian Provincial Electrical Power Company，F(xiàn)uzhou 350003，China）

Abstract：Wind power integration may have adverse effect on the operation condition of transmission protection.For the wind power system with induction generators（IGs），impact of low-voltage ride-through（LVRT）measures，i.e.series braking resistors（SBR）and static var compensator（SVC），on short current components and overcurrent protection is analyzed.Based on the equivalent circuit of the IG under network contingency，the simplified theoretical analysis and detailed dynamic simulation are applied to quantify the impact of LVRT measures.The numerical results show that when the operation current is the full current，the protection region decreases with the SBR；when the operation current is fundamental-frequency component，the protection region increases then decreases with larger SBR；the former possi?ble leads to maloperation.When using SVC for LVRT，whether the operation current is the full current or the fundamen?tal-frequency component，the protection region increases，possible yielding maloperation，which is more easily with the fundamental frequency component as the operation value.

Key words：instantaneous overcurrent protection；induction generator（IG）；low-voltage-ride through（LVRT）；series braking resistors（SBR）；static var compensator（SVC）；wind power system