賈德峰 王明東 寧 靜

線路縱聯(lián)差動保護改善風電場35kV系統(tǒng)穩(wěn)定運行能力的研究

賈德峰1王明東2寧 靜2

（1.許昌開普檢測技術有限公司，河南 許昌 461000；2.鄭州大學電氣工程學院，河南 鄭州 450001）

風電場35kV系統(tǒng)故障不能快速切除是風電機組脫網(wǎng)容量增加的主要原因之一。在風電場35kV出線配置縱聯(lián)電流差動保護，可快速切除故障，縮短系統(tǒng)故障時間，避免非故障支路風電機組脫網(wǎng)，從而提升含風電場電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行能力。在MATLAB平臺上搭建了含風電場的電力系統(tǒng)仿真模型，針對風電機組35kV送出線路上的各種故障，比較了線路配置縱聯(lián)電流差動保護和配置常規(guī)三段式電流保護時風電場的動作行為。結果表明，線路配置縱聯(lián)電流差動保護可以提升風電場的穩(wěn)定運行能力。

縱聯(lián)電流差動；風電場；穩(wěn)定運行能力

風力發(fā)電低碳環(huán)保，有巨大的市場潛力，然而含風電電網(wǎng)時常出現(xiàn)的風電機組脫網(wǎng)現(xiàn)象對電力系統(tǒng)造成了不同程度的影響，受到了專家學者的廣泛重視［1-9］。饋線故障是導致風電機組脫網(wǎng)的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計，風電場風機饋線電纜頭缺陷占所有故障的51%［10］。由于電力系統(tǒng)中35kV及以下線路屬配電網(wǎng)，按常規(guī)只配置三段式過流保護，這使得風電場35kV系統(tǒng)故障不能快速排除，導致事故擴大，風電機組脫網(wǎng)容量增加。例如，2011年4月，張北地區(qū)佳鑫風電場35kV匯集線發(fā)生L2、L3相間短路故障后，沒有快速切除故障，導致風電機組大規(guī)模脫網(wǎng)［11,12］。本文對風電機組脫網(wǎng)的原因進行分析，采用既有選擇性、又能保證速動性的縱聯(lián)電流差動保護代替常規(guī)三段式過流保護，基于MATLAB平臺建立了含風電場的電力系統(tǒng)仿真模型并進行仿真分析，研究提升風電場穩(wěn)定運行能力的方法。

1 風電機組與線路保護配置

風電場保護主要由風電機組保護、饋線保護、變壓器保護、35kV送出線保護四部分構成。35kV送出線發(fā)生故障時，保護動作行為對風電場運行的影響主要與其中的風電機組保護和35kV送出線保護相關。

1.1 風電機組保護配置

目前的風電機組主力機型為雙饋機組，其采用的變速恒頻發(fā)電方式具有傳統(tǒng)感應發(fā)電機無法比擬的優(yōu)越性。變流器是變速恒頻發(fā)電機的關鍵部件，其功率模塊大多選用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），但其過載能力較差，因此變流器是雙饋風電機組的首要保護對象。按常規(guī)配置電流速斷、直流過電壓等保護，詳見表1。

表1 風電機組保護配置

1.2 風電場35kV送出線保護配置

110kV及以上線路的主保護以縱聯(lián)電流差動保護為主。對于35kV線路，由于屬于重要性稍次的配電網(wǎng)，在保護配置上更為關注經(jīng)濟性；再者，35kV配電線路一般都是單電源，配置縱聯(lián)電流差動保護沒有太大意義。因此，35kV線路一般配置三段式電流保護（主保護為電流速斷保護SD、限時電流速斷保護OC），保護定值見表2。

表2 一般35kV送出線三段式電流保護配置

風電場的35kV送出線與一般35kV線路有所不同。風電場35kV送出線雖然仍是配電線路，卻也是聯(lián)絡線，兩端都有電源。因此，除了一般35kV線路配置的三段式電流保護方案外，風電場35kV送出線還可以選擇縱聯(lián)電流差動保護（CD）方案，保護接線如圖1所示。圖中S、W分別表示系統(tǒng)側(cè)35kV母線和風電場側(cè)35kV母線，QF1、QF2分別為系統(tǒng)側(cè)斷路器和風電場側(cè)斷路器，TA1、TA2分別為系統(tǒng)側(cè)電流互感器器和風電場側(cè)電流互感器，Line為35kV線路。

縱聯(lián)電流差動保護差動動作方程為：

式（1）和式（2）中，ICD為保護動作電流，Ir為制動電流，I1為線路系統(tǒng)側(cè)電流，I2為線路風電場側(cè)電流，ISET為差動動作電流定值，取1p.u.。

圖1 35kV線路差動保護接線示意圖

2 含風電場電力系統(tǒng)及其仿真模型

某含風電場110kV電力系統(tǒng)如圖2所示，由風電機組A和B（WTA、WTB）、風電場負荷（Load1、Load2）、變壓器T1-T3、110kV系統(tǒng)（110kV電源S和線路Line3）、35kV線路（Line1、Line2）等組成。兩臺風電機組均為雙饋機組，容量均為1.5MW，采用加拿大魁北克水電局的風電機組向量模型。WTA中風速模型采用恒風速，11m/s；WTB中風速模型采用漸變風速，從8m/s漸變到11m/s，漸變時間5s。WTA、WTB均采用電壓控制模式（控制機端電壓在1p.u.）。110kV系統(tǒng)短路容量200MVA。風電機組出口電壓575V，升壓到35kV，經(jīng)10km架空線匯集到35kV系統(tǒng)母線。

圖2 某含風電場電力系統(tǒng)示意圖

圖2 所示系統(tǒng)的MATLAB仿真模型如圖3所示，35kV線路系統(tǒng)側(cè)為S側(cè)，風電場側(cè)為W側(cè)。K1點為S側(cè)故障點、K2點為線路中點故障點，K3點為W側(cè)故障點。

圖3所示模型中的保護子系統(tǒng)采用的是數(shù)字虛擬繼電器（trip模塊）。以線路差動保護L1相數(shù)字虛擬差動繼電器為例，計算、判斷、出口邏輯如圖4所示。

3 仿真研究

設WTA的35kV送出線路分別在K1、K2、K3點發(fā)生各種類型故障，包括單相接地故障f（1）、兩相短路故障f（2）、兩相短路接地故障f（1,1）、三相短路故障f（3）。故障時刻為35s，持續(xù)時間為0.2s。采用三段式電流保護方案和縱聯(lián)差動保護方案時的各保護動作時間分別如表3所示。表中的保護動作時間從故障起始時刻開始計時，其中包含斷路器分斷時間，按40ms考慮；表中的“/”表示保護不動作。

圖3 含風電場電力系統(tǒng)仿真模型

圖4 數(shù)字虛擬差動繼電器

從表3可以看出，K1、K2或K3發(fā)生各種故障時，兩種方案均能快速切除故障（K3故障時，三段式保護方案限時電流速斷保護動作時間為0.14s，比差動保護CD的0.04s慢），WTA機組保護動作切機；K1發(fā)生三相金屬性短路故障時，不管采用哪種方案，由于35kV系統(tǒng)側(cè)電壓跌落到0kV，使WTB電壓過低，直流過電壓保護瞬時動作，造成WTB脫網(wǎng)；K3發(fā)生兩相短路接地故障或三相短路故障時，三段式方案電流限時速斷保護動作較慢而導致WTB脫網(wǎng)。而采用縱聯(lián)差動保護方案，既能實現(xiàn)快速性，也可實現(xiàn)選擇性，可以避免WTB脫網(wǎng)導致事故擴大。

表3 線路保護、風電機組保護動作時間表（單位：s）

圖5為K3發(fā)生三相短路故障時，兩種保護方案下的B575B母線電壓變化曲線。故障后，B575A電壓跌落到0V，直流過電壓保護瞬時動作，切除風電機組WTA。若采用三段式限時電流速斷保護方案，到0.14s保護才能切除故障，但WTB的交流正序低電壓保護在0.11s就切除了風電機組，如圖中虛線所示。若采用縱聯(lián)電流差動保護方案，故障后0.04s即切除故障，0.06s時WTB電壓恢復正常，從而可以繼續(xù)穩(wěn)定運行，如圖中實線表示。

圖5 K3三相短路故障時，兩種保護方案下的B575B母線電壓變化曲線

4 結論

風電場35kV系統(tǒng)如果只配置三段式過流保護，會造成35kV送出線故障不能快速切除，導致事故擴大，風電機組脫網(wǎng)容量增加。本文采用既有選擇性，又能保證速動性的縱聯(lián)電流差動保護代替常規(guī)三段式過流保護，基于MATLAB平臺建立含風電場的電力系統(tǒng)仿真模型并進行仿真分析。仿真結果表明，采用縱聯(lián)電流差動保護，可快速切除風電機組送出線故障，避免非故障支路風電機組脫網(wǎng)，提升風電場的穩(wěn)定運行能力。由于目前35kV系統(tǒng)采用真空斷路器，分斷時間可減到40ms以內(nèi)（不包含滅弧時間），能滿足快速切除故障的要求，在工程上也是可行的。建議加強對含風電場電力系統(tǒng)的保護配置研究，試點將風電場送出線保護改造為縱聯(lián)差動保護，從而避免風電機組大容量脫網(wǎng)，這將有利于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

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Study on the Improvement of the Stability of Wind Farm 35kV System by Line Longitudinal DIfferential Protection

Jia Defeng1Wang Mingdong2Ning Jing2
（1.Xuchang Kaipu Inspection Technology Co.,Ltd.，Xuchang Henan 461000；2.College of Electrical Engineering,Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

The failure of 35kV system in wind farm can not be eliminated quickly,which is one of the main reasons for the increase of the capacity of wind turbines.Line configuration in wind farm 35kV longi?tudinal differential current protection,can quickly remove the fault,shorten the time of system failure,avoid non fault branches off grid wind turbines,so as to enhance the stability of power system containing wind farms.To build a simulation model of power system with wind farm on the MATLAB platform,aim?ing at all kinds of fault of wind turbine 35kV transmission lines,the line current differential protection and configuration of the conventional three section current protection action of wind farms.The results show that the line configuration and differential current differential protection can improve the stability of the wind farm.

∶longitudinal current differential；wind farm；stable operation capability

TM773

A

1003-5168（2017）10-0122-04

2017-09-01

賈德峰（1977-），男，碩士，研究方向：電力系統(tǒng)仿真、繼電保護。