吳玫蓉，張漢花

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011)

在電力系統(tǒng)中，風(fēng)電場一般通過110 kV變壓器集中接入至高壓輸電網(wǎng)，10 kV側(cè)饋線一般均配置包括自動重合閘在內(nèi)的完善的繼電保護(hù)裝置[1-2]。當(dāng)在保護(hù)范圍內(nèi)的10 kV饋線發(fā)生永久性故障時，自動重合閘會將故障再次帶入線路，造成風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓兩次跌落，容易引發(fā)所連接的風(fēng)電場低電壓穿越失敗[3-4]。目前，研究并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生一次電壓跌落時提升風(fēng)電場的低電壓穿越能力的方法較多，主要包括：(1)設(shè)計(jì)新的勵磁變流器控制方案；(2)增加端電壓支撐裝置；(3)改進(jìn)勵磁控制與硬件保護(hù)相結(jié)合[5-6]。文獻(xiàn)[7]提出通過改變重合閘功能配置、延長重合時間等方法阻止連鎖故障的發(fā)生，但犧牲了重合閘保護(hù)動作的靈敏性。本文提出了一種采用快速開關(guān)提升風(fēng)電場低電壓穿越成功率的方法，該方法基于國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》(以下簡稱國標(biāo))對比快速開關(guān)較傳統(tǒng)斷路器應(yīng)用于風(fēng)電場低電壓穿越場景的優(yōu)勢，通過快速保護(hù)開關(guān)本體與控制系統(tǒng)的精密配合，較大程度地減少了故障對系統(tǒng)的沖擊時間。在PSCAD/EMTDC平臺搭建某風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)的模型，仿真分別對采用傳統(tǒng)斷路器和快速開關(guān)的10 kV饋線發(fā)生各種故障后并網(wǎng)點(diǎn)的電壓情況進(jìn)行對比，結(jié)果表明采用快速開關(guān)的饋線能夠顯著地縮小故障電流對系統(tǒng)的沖擊時間，提高風(fēng)電廠低電壓穿越的成功率。

1 提升風(fēng)電場低電壓穿越成功率的機(jī)理

根據(jù)國標(biāo)[8]的要求：并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組能在20%端電壓條件下不脫網(wǎng)運(yùn)行，即處于圖1中的區(qū)域A時風(fēng)電機(jī)組能夠保持并網(wǎng)運(yùn)行，在區(qū)域A外部的風(fēng)電機(jī)組將從系統(tǒng)中切除。

圖1 風(fēng)電場低電壓穿越規(guī)范

圖2 典型風(fēng)電場的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖2為典型風(fēng)電場的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，某風(fēng)電場通過110 kV三繞組變壓器接入電網(wǎng)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為10 kV側(cè)的4條饋線。以圖2為例分別對比采用快速開關(guān)和傳統(tǒng)斷路器應(yīng)用于風(fēng)電場低電壓穿越的機(jī)理：當(dāng)風(fēng)電場的10 kV饋線Ⅰ發(fā)生永久性故障時，傳統(tǒng)的斷路器在保護(hù)出口150 ms 后將故障線路切除，故障線路切除后的600 ms(即故障發(fā)生后的750 ms)重合閘裝置動作后，斷路器將在電壓二次跌落后的150 ms (即故障發(fā)生后的900 ms) 將故障線路從電網(wǎng)中切除，滯后于國標(biāo)中電壓開始回升的時間達(dá)275 ms，因此并網(wǎng)點(diǎn)的線(相)電壓跌落至圖1中的區(qū)域A外，風(fēng)電機(jī)組存在被切出系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，即導(dǎo)致風(fēng)電場的低壓穿越失敗。若10 kV饋線Ⅰ采用快速開關(guān)在保護(hù)出口20 ms后將故障線路切除，故障線路切除后的600 ms(即故障發(fā)生后的620 ms)重合閘裝置動作，快速開關(guān)將在電壓二次跌落后的20 ms (即故障發(fā)生后的640 ms)將故障線路從電網(wǎng)中切除，滯后于國標(biāo)中電壓開始回升的時間15 ms，因此并網(wǎng)點(diǎn)的線(相)電壓在圖1中的區(qū)域A內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組保持不脫網(wǎng)運(yùn)行，提高風(fēng)機(jī)低電壓穿越的成功率，上述提升風(fēng)機(jī)低電壓穿越成功率的機(jī)理如圖3所示。

圖3 提升風(fēng)機(jī)低電壓穿越成功率的機(jī)理

2 快速保護(hù)斷路器裝置的基本原理

快速保護(hù)斷路器由斷路器本體、控制箱及專用電纜線組成?？焖匍_關(guān)本體主要包括：真空滅弧室、永磁操動機(jī)構(gòu)、外絕緣澆鑄體、電流互感器、電容式電壓互感器及手動分閘機(jī)構(gòu)、分/合位置指示器、輔助開關(guān)等，其外形結(jié)構(gòu)如圖4所示?？焖匍_關(guān)本體單元內(nèi)置了三相高精度電流傳感器、三相電容式電壓互感器，因此無須外置電流和電壓互感器，即可實(shí)現(xiàn)三相電流、三相電壓的采集。快速開關(guān)采用了新型永磁操動機(jī)構(gòu)使得開關(guān)本體分合閘動作速度得到大幅度提高[9-10]，目前分合閘時間可達(dá)10 ms 左右。

快速保護(hù)斷路器控制箱由快速保護(hù)控制器、分合閘驅(qū)動模塊、電源管理系統(tǒng)、儲能電容及GPRS 調(diào)制解調(diào)器等工作部件組成。該控制系統(tǒng)通過縮短測量與保護(hù)動作的時間，使保護(hù)控制系統(tǒng)從模擬量輸入電路出現(xiàn)故障電流到給斷路器發(fā)出分閘驅(qū)動信號的延時時間減少，從而縮短了故障電流對電網(wǎng)的沖擊時間，達(dá)到快速保護(hù)的目的。

圖4 快速開關(guān)的外形結(jié)構(gòu)

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述結(jié)論的正確性，本文在PSCAD /EMTDC上搭建了如圖2所示的典型風(fēng)電場接入大電網(wǎng)的模型，仿真參數(shù)如下：(1)三相變壓器，63 MVA，110/38.5/10.5 kV；(2)10 kV饋線Ⅰ長度為13.31 km，R=0.17 Ω/km，X=0.36 Ω/km；饋線Ⅱ長度為12.49 km，R=0.27 Ω/km，X=0.39 Ω/km；饋線Ⅲ長度為3.16 km，R=0.13 Ω/km，X=0.36 Ω/km；饋線Ⅳ長度為6.61 km，R=0.13 Ω/km，X=0.35 Ω/km；(3)系統(tǒng)阻抗Xs在大方式運(yùn)行下取7.27 Ω。

3.1采用傳統(tǒng)斷路器的饋線Ⅰ仿真結(jié)果

(1)饋線Ⅰ在t=1 s時發(fā)生單相接地短路，見圖5。

圖5 A相單相接地短路后并網(wǎng)點(diǎn)電壓

(2)饋線Ⅰ在t=1 s時發(fā)生兩相短路，見圖6。

(a)AB線電壓

(b)CA線電壓

(3)饋線Ⅰ在t=1 s時發(fā)生兩相短路接地,見圖7。

(a)AB線電壓

(b)CA線電壓

(c)BC線電壓

(4)饋線Ⅰ在t=1 s時發(fā)生三相短路，見圖8。

(a)AB線電壓

(b)CA線電壓

(c)BC線電壓

如圖5—圖8所示，當(dāng)采用傳統(tǒng)斷路器的饋線Ⅰ發(fā)生各種故障時，第一次并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時都能保證在圖1的區(qū)域A內(nèi)，即風(fēng)電場保持并網(wǎng)運(yùn)行，而在饋線Ⅰ重合閘動作再次合閘于永久故障后，發(fā)生單相接地故障時并網(wǎng)點(diǎn)的A相電壓跌落至區(qū)域A外；發(fā)生兩相相間故障或兩相接地故障時，并網(wǎng)點(diǎn)的BC線電壓跌落至區(qū)域A外；發(fā)生三相短路故障時，并網(wǎng)點(diǎn)的AB、CA、BC線電壓均跌至區(qū)域A外。綜上所述，采用傳統(tǒng)斷路器的饋線Ⅰ發(fā)生各種故障時，在重合閘重合于永久故障后，會導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至區(qū)域A外，導(dǎo)致并網(wǎng)風(fēng)機(jī)低電壓穿越失敗。

3.2采用快速開關(guān)的饋線Ⅰ仿真結(jié)果

(1)饋線Ⅰ在t=1 s時發(fā)生單相接地短路，見圖9。

圖9 A相單相接地短路后并網(wǎng)點(diǎn)電壓

(2)饋線 Ⅰ 在t=1 s時發(fā)生兩相短路，見圖10。

(a)AB線電壓

(b)CA線電壓

(c)BC線電壓

(3)饋線Ⅰ在t=1 s時發(fā)生兩相接地故障，見圖11。

(a)AB線電壓

(b)CA線電壓

(c)BC線電壓

(4)饋線 Ⅰ 在t=1 s時發(fā)生三相短路，見圖12。

(a)AB線電壓

(b)CA線電壓

(c)BC線電壓

如圖9—圖12所示，當(dāng)采用快速開關(guān)的饋線Ⅰ發(fā)生各種故障時，第一次電壓跌落時都能保證在上述的區(qū)域A內(nèi)，在饋線Ⅰ重合閘動作再次合閘于永久故障后，發(fā)生各種故障時并網(wǎng)點(diǎn)的電壓均在區(qū)域A內(nèi)，即并網(wǎng)風(fēng)機(jī)低電壓穿越成功。

綜合圖5—圖12所示，在10 kV饋線Ⅰ發(fā)生各種短路故障時，采用傳統(tǒng)斷路器的饋線Ⅰ跳閘時間較長，自動重合閘裝置動作要在電壓跌落750 ms之后，而按照國標(biāo)在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落后的625 ms后，電壓應(yīng)按照一定速率緩慢上升。故障發(fā)生后的750 ms，滯后于國標(biāo)中電壓開始回升的時間達(dá)125 ms，若電壓再次跌落，故障線路再次被切除將在故障發(fā)生后的900 ms，滯后于國標(biāo)中電壓開始回升的時間達(dá)275 ms，因此并網(wǎng)點(diǎn)電壓值將存在低于圖1中區(qū)域A電壓輪廓線的風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組“穿越”失??；而采用快速開關(guān)當(dāng)重合閘裝置再次重合于永久性故障，故障線路在640 ms后再次被切除，僅滯后于國標(biāo)中電壓開始回升的時間15 ms，故采用快速開關(guān)的饋線Ⅰ發(fā)生故障后并網(wǎng)點(diǎn)電壓仍然保持在圖1的區(qū)域A中。

4 結(jié) 論

(1)采用快速開關(guān)的風(fēng)機(jī)饋線，當(dāng)自動重合閘裝置重合于永久故障動作后，故障線路再次被切除的時間僅滯后于國標(biāo)中電壓開始回升的15 ms，提高了風(fēng)電場低電壓穿越的成功率。

(2)快速保護(hù)斷路器通過新型永磁操動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)的精密配合，使得快速保護(hù)斷路器斷開故障的時間達(dá)到20 ms，極大地縮短切除故障的時間。