曹 娜，韓 楓，于 群

（山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東青島 266590）

0 引言

我國很多高校都開設了新能源發(fā)電相關專業(yè)，其中與風力發(fā)電相關的課程是專業(yè)核心課。新能源發(fā)電專業(yè)的教學需要緊跟風力發(fā)電技術發(fā)展的腳步，開設相關實驗教學項目，將理論教學和實驗教學相結合，提高教學質(zhì)量。

目前大部分地區(qū)的風電場采用雙繞組變壓器升壓后與系統(tǒng)相連。而在地域遼闊、風能資源豐富的地區(qū)，風電場是集群式建設模式［1］，風電場比較集中且數(shù)目較多。集群風電場并網(wǎng)時，一般多個風電場集中接入?yún)R集站，采用三繞組變壓器進行升壓后并網(wǎng)［2-4］。

許多學者對雙饋風電場通過雙繞組變壓器升壓并網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)特性及繼電保護進行了大量的研究，并取得了很多有益的成果。在文獻［5-6］中，研究了電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，得出雙饋風電場短路電流發(fā)生頻率偏移的現(xiàn)象；文獻［7-8］中研究了電網(wǎng)短路時，風電場側短路電流頻率偏移特性，造成常規(guī)繼電保護裝置無法準確、可靠地提取差動電流中的二次諧波，可能造成保護元件閉鎖，影響保護裝置的正常工作。電網(wǎng)短路時，風電場匯集站的三繞組變壓器故障特性及其繼電保護研究較少。文獻［9］中針對集群風電場三繞組變壓器傳統(tǒng)保護的適應性做了研究，并通過調(diào)整保護整定值收到了不錯的保護效果，為傳統(tǒng)保護的適應性提供一種參考。

目前在風力發(fā)電技術的教學中欠缺相關實驗平臺，學生對風電場匯集站三繞組變壓器的動態(tài)特性、繼電保護設置及動作情況等相關知識感覺抽象，不能很好理解。利用PSCAD／EMTDC 軟件，以雙饋風電場經(jīng)匯集站三繞組并網(wǎng)為例，搭建實驗仿真平臺。讓學生結合實驗，深入學習電網(wǎng)短路時雙饋機組短路電流與輸入風速的關系，學習雙饋機組短路電流特性對三繞組變壓器傳統(tǒng)繼電保護的影響。

本文首先分析電網(wǎng)發(fā)生短路時，不同風速下雙饋機組短路電流的特性；然后，分析三繞組變壓器短路時，機群風電場對匯集站三繞組變壓器短路電流的影響；最后，分析傳統(tǒng)變壓器保護在風電場匯集站三繞組變壓器的適應性。

1 電網(wǎng)短路時雙饋機組電流特性分析

1.1 電網(wǎng)短路時雙饋機組電流

雙饋機組通過一個背靠背的變換器為轉子提供轉差頻率勵磁電流，維持發(fā)電機頻率的恒定，實現(xiàn)變速、恒頻運行。雙饋機組正常工作時，轉子轉速變化范圍較大，一般維持在0.7～1.3（p.u.）之間。當電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，雙饋機組采用低電壓穿越技術，轉子側變換器被短路，此時雙饋風電機組相當于普通的異步發(fā)電機。電網(wǎng)短路故障有對稱短路（三相短路）和不對稱短路（包括兩相短路、兩相接地短路和單相接地）。各種短路下，雙饋機組短路電流計算公式可參考文獻［10］。以電網(wǎng)發(fā)生三相短路為例，雙饋機組短路電流可近似表示為［10］：式中：A1、A2、A3為常數(shù)值（大小取決于發(fā)電機參數(shù)與電壓跌落水平），且A3≥A1；ω1為電網(wǎng)角頻率；ωr為轉子角頻率；φ 為初始相位；τr、τs分別為轉子回路和定子回路的時間常數(shù)。由式（1）可知，短路電流主要由穩(wěn)態(tài)交流分量、衰減直流分量和衰減交流分量組成。在電壓出現(xiàn)深度跌落時，構成短路電流的主要成分是衰減的交流分量，式（1）可簡化為

其頻率的變化取決于角頻率ωr［11-13］；ωr與風電機組輸入風速有關。風電機組短路電流的頻率受短路故障前風電機組輸入風速的影響。

1.2 實驗仿真

下面以圖1 所示的雙饋風電場經(jīng)雙繞組變壓器并入電力系統(tǒng)為例，在PSCAD／EMTDC 中搭建仿真模型，分析f1點發(fā)生短路時風電場的短路電流特性。

圖1 雙饋風電場經(jīng)雙繞組變壓器升壓后接入電力系統(tǒng)的示意圖

圖1 中，雙饋風電場裝機容量為50 MVA，出口電壓為0.69 kV，通過升壓變壓器將電能輸送到110 kV電力系統(tǒng)；風電機組的參數(shù)見表1，變壓器T1和T2參數(shù)見文獻［14］；iW為風電場側短路電流；iR為電力系統(tǒng)側短路電流。等效風電機組的額定風速為11 m／s。假設在t＝10 s 時，f1處發(fā)生B、C 兩相短路故障。下面對故障前風機輸入風速分別為13 m／s（超同步狀態(tài)）、11 m／s（同步狀態(tài)）和9 m／s（亞同步狀態(tài)）進行仿真，得到風電場側和系統(tǒng)側的短路電流如圖2～4所示。

表1 雙饋式風電機組參數(shù)

由圖2～4 可見，在f1點發(fā)生短路時，風電場短路電流的頻率隨機組輸入風速的變化而變化。雙饋式感應發(fā)電機能在較寬的范圍內(nèi)變速運行，因此，電網(wǎng)短路時風電場短路電流頻率在較寬的范圍內(nèi)波動。

圖2 風速為13 m／s時風電場短路電流的波形及頻譜

圖3 風速為11 m／s時風電場短路電流的波形及頻譜

圖4 風速為9 m／s時風電場短路電流的波形及頻譜

2 風電場匯集站三繞組變壓器短路時電流特性分析

集群風電場通過三繞組變壓器升壓后接入220 kV電力系統(tǒng)的示意圖如圖5 所示。風電場1 接入變壓器35 kV側，風電場2 并入變壓器110 kV側。

圖5 集群風電場經(jīng)匯集站升入220 kV電力系統(tǒng)示意圖

2.1 變壓器內(nèi)部三相短路時電流分析

如圖5 所示，在變壓器內(nèi)部f1處發(fā)生三相短路故障，i1、i2分別為風電場1 和風電場2 的短路電流，i3為系統(tǒng)側短路電流，它們分別表示為：

式中：λ1、λ2分別為頻率偏移系數(shù)；φ1、φ2、φ3分別為短路電流的初始相位。由式（5）～（7）可見，風電場1、2的短路電流發(fā)生頻率偏移，且隨著風機輸入風速的隨機變化而波動；系統(tǒng)側的短路電流沒有頻率偏移。

2.2 實驗仿真

在PSCAD／EMTDC 仿真平臺上，搭建圖5 系統(tǒng)仿真模型，如圖6 所示。所有雙饋風機型號相同，風電機組參數(shù)見表1。兩個風電場裝機容量均為50 MVA；變壓器型號為SFS-180000／220，額定變比為220／110／35；線路L為LGJ-185 的架空線，長度為50 km。

圖6 集群風電場經(jīng)匯集站升壓后并入220 kV電力系統(tǒng)的仿真模型

在t＝10 s 時，f1處發(fā)生B、C 兩相短路故障。根據(jù)風速不同，分以下兩種情況進行仿真。

（1）故障前兩個風電場的輸入風速都為13 m／s，處于超同步狀態(tài)。仿真可得風電場1、2 和系統(tǒng)側的短路電流i1、i2和i3的波形和頻譜分析如圖7 所示。

圖7 風電場輸入風速為13 m／s時的短路電流和頻譜

由圖7 看出，變壓器內(nèi)部故障時，兩個風電場的短路電流頻率發(fā)生偏移，均為60 Hz；系統(tǒng)側短路電流頻率為50 Hz。

（2）故障前風電場1 的輸入風速都為8 m／s，風電場2 的輸入風速都為9 m／s，處于亞同步狀態(tài)。仿真可得風電場1、2 和系統(tǒng)側的短路電流i1、i2和i3的波形和頻譜分析如圖8 所示。

圖8 兩個風電場輸入風速分別為8 m／s和9 m／s時的短路電流和頻譜

由圖8 可見，兩個風電場的短路電流發(fā)生頻率偏移，且偏移程度不同，風電場1 的頻率為40 Hz，風電場2 的頻率為42 Hz。系統(tǒng)側的短路電流頻率不變。

由以上分析可見，變壓器內(nèi)短路時，各繞組連接的風電場短路電流的頻率與風速有關；三繞組變壓器中，任意兩側短路電流的頻率偏移之差隨風速變化而變化。

目前變壓器傳統(tǒng)的繼電保護采用工頻算法，基于工頻算法的傳統(tǒng)保護將可能無法正確完成采樣，可能導致傳統(tǒng)保護不能準確、可靠地動作，因此有必要對傳統(tǒng)變壓器保護在雙饋集群風電場中的適應性做進一步討論和研究。

3 匯集站中變壓器傳統(tǒng)保護的適應性

3.1 變壓器傳統(tǒng)保護原理

本文以常用的RCS-978 型變壓器成套保護裝置為例進行分析。保護裝置由3 部分構成［15］：比率制動的差動保護元件、勵磁涌流閉鎖元件和差動速斷元件。當變壓器發(fā)生短路故障時，保護裝置先通過差動速斷元件進行判別。若差動速斷元件不動作，則繼續(xù)通過比率差動元件和涌流判別元件進行判別。保護裝置的動作邏輯如圖9 所示。

圖9 差動保護配合示意圖

（1）比率差動保護。比率差動動作方程為：

式中：Id為差動電流；Ir為制動電流；Iact.min為最小動作電流；In為變壓器額定電流；Kbl是為比率制動系數(shù)。比率差動保護動作特性如圖10 所示。

圖10 比率差動保護動作特性

（2）涌流閉鎖保護。RCS-978 保護裝置利用電流中二次諧波的含量大小來辨別勵磁涌流。判別方程：

式中：I2nd為二次諧波電流；I1st為差動電流的基波電流；K2為二次諧波制動系數(shù)整定值，取0.15。當式（9）滿足時，則閉鎖該相比率差動元件。

（3）差動速斷保護。當涌流閉鎖保護時，采用差動速斷保護來及時切除變壓器嚴重的內(nèi)部故障。為躲過外部短路電流或變壓器勵磁涌流，整定值通常為4～10 倍額定電流：

式中，K＝4。當判別式（10）滿足時，速斷元件動作，跳開變壓器各側斷路器。

3.2 主變壓器保護建模與適應性仿真

對匯集站三繞組主變壓器搭建RCS-978 系列保護模塊，如圖11 所示，按傳統(tǒng)電網(wǎng)繼電保護配置來整定，取Kbl＝0.5，Iact.min＝0.5In。

圖11 變壓器各保護元件模型

設故障前兩個雙饋風電場輸入風速13 m／s，運行在超同步狀態(tài)，圖6 中f1處發(fā)生兩相短路故障，傳統(tǒng)保護仿真特性如圖12 所示。

圖12 縱差保護動作特性

由圖12 可看出動作電流、制動電流因為疊加了非工頻分量不再是定值，出現(xiàn)大范圍波動且出現(xiàn)動作電流時而大于制動電流時而小于制動電流；由圖12（b）可知，有一部分動作曲線落入制動區(qū)可能導致保護拒動；由圖12（c）可知，由于二次諧波含量大大增加可能導致誤判，從而閉鎖差動保護。因此，變壓器傳統(tǒng)繼電保護已不適應雙饋風電場匯集站三繞組變壓器的保護。

4 結語

基于PSCAD／EMTDC 軟件搭建了的雙饋風電場匯集站實驗仿真平臺。通過實驗，讓學生直觀地學習電網(wǎng)故障時雙饋機組輸出電流的頻率偏移特性；同時，讓學生深切體會到變壓器傳統(tǒng)繼電保護不適用于雙饋風電場匯集站三繞組變壓器的保護，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。后續(xù)文章將針對傳統(tǒng)三繞組變壓器保護無法滿足要求的問題提出合理對策，并進行試驗仿真。