張延林 ,馬 磊，王 杰 ,馬心雨

1.國(guó)家電投集團(tuán)河南電力有限公司技術(shù)信息中心，河南 鄭州 450000

2.國(guó)家電投集團(tuán)河南電力有限公司沁陽(yáng)發(fā)電分公司，河南 焦作 454000

0 引言

受自然環(huán)境影響，我國(guó)在新能源方面的應(yīng)用呈現(xiàn)“密度集中、規(guī)模較大”的特點(diǎn)，且新能源電源通常以集中接入的方式饋入電網(wǎng)。在大規(guī)模新能源電源接入風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)系統(tǒng)后，新能源電源具有的故障特性也為電網(wǎng)繼電保護(hù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)和問(wèn)題。

1 雙饋型新能源電源故障特性分析

雙饋型電壓出現(xiàn)短路情況時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓會(huì)快速下降，并且會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)過(guò)流過(guò)壓的情況。若出現(xiàn)瞬時(shí)過(guò)流過(guò)壓則會(huì)導(dǎo)致母線電容、勵(lì)磁變流器和轉(zhuǎn)子繞組損壞。針對(duì)上述問(wèn)題，雙饋型新能源安裝了撬棒回路，將撬棒電阻與轉(zhuǎn)子回路進(jìn)行串聯(lián)。由撬棒電阻消耗部分電能，即可有效解決上述問(wèn)題。雙饋型新能源電源故障電流特性有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）當(dāng)新能源電源出現(xiàn)三相對(duì)稱電源故障時(shí)，雙饋型新能源基波分量不會(huì)出現(xiàn)衰減情況，并且幅值通常由負(fù)荷電流、控制參數(shù)和電流下降程度等因素決定。其中基波幅值與帶負(fù)荷、電壓下降幅度呈正相關(guān)。電源點(diǎn)差下降幅度越快，基波幅值也會(huì)提高，負(fù)荷程度也會(huì)加重；反之則越小。

（2）電網(wǎng)出現(xiàn)不對(duì)稱故障時(shí)，若雙饋型新能源電源采用定子控制措施，那么電流基波將沒(méi)有負(fù)序分量，并且電源正序分量和相角公式與三相對(duì)稱故障公式相同，相角特性和幅值也會(huì)受到負(fù)荷電流、機(jī)組參數(shù)、電壓下降程度等因素影響。

2 新能源電源接入風(fēng)電場(chǎng)的距離保護(hù)評(píng)估

2.1 阻抗元件評(píng)估

結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)保護(hù)方案，制訂三段式聯(lián)絡(luò)線保護(hù)方案。由于阻抗元件性能受到風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行方式和類型等因素的影響，需要結(jié)合風(fēng)電機(jī)組故障類型評(píng)估在雙饋型新能源撬棒保護(hù)投入和未投入兩種情況下的阻抗元件。

在阻抗元件評(píng)估過(guò)程中，可以通過(guò)等值處理的方式簡(jiǎn)化風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)保護(hù)，并退出風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行模式，以減少外界因素的干擾。風(fēng)電場(chǎng)接入新能源電源后的等值模型如圖1 所示，G代表電源（雙饋風(fēng)電機(jī)組）；T1和T2代表選相元件；LD代表載荷；M和N代表站點(diǎn)；DFIG代表雙饋反應(yīng)風(fēng)電機(jī)組；L1、L2和L3代表距離；f 代表差動(dòng)保護(hù)。通常情況下，如果忽略內(nèi)部損耗，相同型號(hào)的風(fēng)電機(jī)組的輸出電流會(huì)有一定差距。但在評(píng)估過(guò)程中采取的控制措施相同，因此故障電流基本特征也相同[1]。

圖1 風(fēng)電機(jī)組集中接入電網(wǎng)等值模型

2.1.1 雙饋風(fēng)電機(jī)組撬棒保護(hù)未投入

若風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線路L3發(fā)生短路故障，并且故障位置與保護(hù)裝置短路阻抗距離為Zk，則此時(shí)的故障點(diǎn)M的繼電器測(cè)量阻抗為

對(duì)于N 位置阻抗元件，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，如果電流基波分量較大，那么阻抗元件可以做出保護(hù)動(dòng)作。在撬棒保護(hù)沒(méi)有投入時(shí)，雙饋型新能源電源等效于電流源模型，并且相角和幅值與風(fēng)電機(jī)組下降電壓正序分量和負(fù)序分量存在聯(lián)系。由于電流基波分量通常是額定電流的1.5 倍，因此，在撬棒未執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作時(shí)，阻抗元件也能夠正常執(zhí)行動(dòng)作[2]。

2.1.2 雙饋風(fēng)電機(jī)組撬棒保護(hù)投入

當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)嚴(yán)重的短路故障時(shí)，新能源電源會(huì)自動(dòng)投入運(yùn)行。雙饋型新能源電源電流具有相對(duì)復(fù)雜的特性，會(huì)對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)距離保護(hù)產(chǎn)生不利影響，具體表現(xiàn)如下。

（1）撬棒電路在未投入前和投入后的輸出故障電流基本特性會(huì)存在顯著變化，并且撬棒會(huì)存在投入時(shí)延的情況，進(jìn)而導(dǎo)致距離保護(hù)算法出現(xiàn)跨數(shù)據(jù)窗的問(wèn)題，影響阻抗計(jì)算準(zhǔn)確性。

（2）電網(wǎng)出現(xiàn)三相對(duì)稱故障時(shí)，若撬棒保護(hù)投入，則雙饋風(fēng)電發(fā)電機(jī)故障電流只包含衰減直流分量和頻率分量，缺少計(jì)算阻抗元件的基波分量，會(huì)在一定程度上影響保護(hù)效果[3]。

2.2 選相元件評(píng)估

在電網(wǎng)距離保護(hù)中，通常含有選相元件的風(fēng)電機(jī)組，可以按照選相結(jié)果選擇選相元件，進(jìn)而保證阻抗測(cè)量的準(zhǔn)確性。此外，選擇結(jié)果也能夠?yàn)槭鹿史治龊凸收隙ㄎ惶峁﹨⒖家罁?jù)。在雙饋型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中，若采用220 kV 及以上電壓的聯(lián)絡(luò)線，選相元件的質(zhì)量和性能會(huì)影響重合閘裝置保護(hù)動(dòng)作，因此選相元件性能評(píng)估極為重要[4]。接入220 kV 的雙饋風(fēng)力發(fā)電廠電網(wǎng)模型如圖2 所示，D代表直流電，Y代表交流電，L代表距離，其余變量含義同圖1，保護(hù)裝置安裝于N端。

圖2 雙饋風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1 電流突變量選相

以A 相故障為例，對(duì)電流突變量進(jìn)行評(píng)估。選相元件為單相接地，電網(wǎng)故障的選相條件為

式中：m為整定系數(shù)，通常取值范圍在4～8，為兩項(xiàng)突變電流變量之差。

當(dāng)f點(diǎn)出現(xiàn)A相故障時(shí)，N位置電流選相元件的選相條件為

式中：CN1、CN2分別為正序分流和負(fù)序分流；分別為故障點(diǎn)正序電流和負(fù)序電流；α為常數(shù)。

當(dāng)線路L中的N點(diǎn)和M點(diǎn)電網(wǎng)均采用同步發(fā)電機(jī)供電時(shí)，N點(diǎn)和M點(diǎn)負(fù)序分量和正序分量系數(shù)相同，則電流選相元件可以正確判斷，即

當(dāng)N點(diǎn)位置短路電流由風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生時(shí)，則風(fēng)電機(jī)組短路電流與同步發(fā)電機(jī)電流基本特性會(huì)存在一定差異。在不對(duì)稱電流故障情況下，如果雙饋型電源作為線路的負(fù)序和正序電流，則正序電流與負(fù)序電流不相等[5]。尤其在雙饋型風(fēng)電場(chǎng)采用定子控制措施時(shí)，故障電流則不包含電流分量，即CN2=0。因此，公式（4）將改為

在電流突變量選相過(guò)程中，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)不對(duì)稱短路故障時(shí)，由于新能源電源饋出的短路電流中包含的負(fù)序和正序分量存在一定差異，因此會(huì)造成電流突變量元件無(wú)法選相[6]。

2.2.2 電壓突變量選相

在電壓突變量選相過(guò)程中，判斷A 相接地故障的選相依據(jù)為

若電網(wǎng)電源采用同步發(fā)電機(jī)，負(fù)序和正序分量阻抗參數(shù)可以忽略，證明如下：

當(dāng)電網(wǎng)接入雙饋型新能源電源后，故障電流不包含負(fù)序分量，并且會(huì)在一定程度上影響電壓選相元件性能，而線路L中N位置的選相元件的電壓突變量之差為

由于線路L中N位置無(wú)負(fù)序電流數(shù)據(jù)，因此式（8）改寫(xiě)為

從式（9）中可以看出，風(fēng)電場(chǎng)供電線路N選相元件出現(xiàn)A相接地短路時(shí)，補(bǔ)償電壓故障分量0。因此，電壓突變型選相元件會(huì)受到故障影響[7]。

3 新能源電源接入風(fēng)電場(chǎng)的差動(dòng)保護(hù)評(píng)估

電流差動(dòng)保護(hù)具有靈敏度高、原理簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，不會(huì)受到PT 斷線、系統(tǒng)振蕩、過(guò)負(fù)荷等因素影響，因此在電網(wǎng)保護(hù)中有著極為廣泛的應(yīng)用。在風(fēng)電場(chǎng)中聯(lián)絡(luò)線的保護(hù)均以差動(dòng)保護(hù)為主要方式。通常差動(dòng)保護(hù)分為零序差動(dòng)保護(hù)和分相差動(dòng)保護(hù)，以下以南瑞RCS-943AM 保護(hù)裝置為例進(jìn)行分析。

分相差動(dòng)保護(hù)算法包括低定值差動(dòng)和高定值差動(dòng)，其中高定值差動(dòng)保護(hù)依據(jù)為

式中：ICDφ 為差動(dòng)電流；Rφ 為制動(dòng)電流；IH=MAX(IDZH,1.5Ic)為補(bǔ)償高定值，IH=MAX(IDZH,4Ic)為未補(bǔ)償高定值，IDZH為差動(dòng)電流值，Ic為實(shí)測(cè)電容。

低定值差動(dòng)保護(hù)依據(jù)為

式中：IM=MAX(IDZH,1.25Ic)為補(bǔ)償?shù)投ㄖ?，IM=MAX(IDZH,1.5Ic)為未補(bǔ)償?shù)投ㄖ?，IDZH為差動(dòng)定值。

零序差動(dòng)保護(hù)算法為

式中：ICD0為差動(dòng)電流，IR0為制動(dòng)電流；IL=MAX(IDZH,1.25Ic)。

3.1 雙饋型電源撬棒保護(hù)未投入

當(dāng)風(fēng)力場(chǎng)發(fā)生故障后，新能源電源所提供的短路電流將大于風(fēng)電場(chǎng)提供的短路電流，此時(shí)，差動(dòng)保護(hù)可以正常動(dòng)作；線路保護(hù)電流均由新能源電源提供，此時(shí)，電路保護(hù)將無(wú)法正常動(dòng)作。當(dāng)新能源電源出現(xiàn)故障，線路保護(hù)電流將由風(fēng)電場(chǎng)所提供，此時(shí)，差動(dòng)保護(hù)仍然可以正常動(dòng)作。

3.2 雙饋型電機(jī)組撬棒保護(hù)動(dòng)作

當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生故障后，系統(tǒng)側(cè)保護(hù)電流將大于風(fēng)電場(chǎng)保護(hù)電流，此時(shí)，差動(dòng)保護(hù)可以正常動(dòng)作。線路保護(hù)電流均由新能源電源提供，此時(shí)，線路保護(hù)將無(wú)法正常動(dòng)作；當(dāng)新能源電源，流過(guò)線路兩側(cè)的保護(hù)電流相等，如果出現(xiàn)三相對(duì)稱故障，線路保護(hù)電流將不對(duì)稱，此時(shí)，差動(dòng)保護(hù)無(wú)法正常動(dòng)作。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行情況，對(duì)不同類型新能源電源故障特性展開(kāi)研究，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)逆變型電源和雙饋型電源短路電流基本特性展開(kāi)理論分析。重點(diǎn)針對(duì)新能源電源接入風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線路差動(dòng)保護(hù)和距離保護(hù)展開(kāi)評(píng)估。