何 青

（中海油（廣東）綜合能源有限公司）

0 引言

如今，我國(guó)風(fēng)電建設(shè)已進(jìn)入快速推進(jìn)階段，低容量、多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)共用配電網(wǎng)，電廠附近直接供電是當(dāng)前我國(guó)風(fēng)電發(fā)展的重要趨勢(shì)發(fā)展。早期風(fēng)力發(fā)電利用風(fēng)力機(jī)的恒速和連續(xù)頻率，由于對(duì)風(fēng)速要求高，風(fēng)能利用率低，管理難度大，逐漸被雙饋取代。當(dāng)風(fēng)速小于或大于風(fēng)力機(jī)的標(biāo)稱風(fēng)速時(shí)，雙饋風(fēng)力機(jī)的可變進(jìn)氣系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整輸入角，以確保最大功率［1-3］。

1 多風(fēng)電場(chǎng)接入配電網(wǎng)對(duì)繼電保護(hù)的影響

1.1 雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)

雙饋風(fēng)機(jī)的名稱來(lái)源于它不僅可以向電網(wǎng)提供電能，而且可以向電網(wǎng)輸出電能，這是雙饋風(fēng)力渦輪機(jī)。背靠背變流器包括轉(zhuǎn)子側(cè)變流器、柵極側(cè)變流器和直流電容器。此外，輸入控制系統(tǒng)和變矩器控制系統(tǒng)構(gòu)成控制系統(tǒng)總部。供電系統(tǒng)短路，在尚未建成的電網(wǎng)上產(chǎn)生大量短路電能。為了防止發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子被短路電流損壞，撬棒的電阻會(huì)自動(dòng)連接到電路上，減少變頻器對(duì)轉(zhuǎn)子的短路消耗［4］。

1.2 風(fēng)電場(chǎng)并入配電網(wǎng)對(duì)繼保的影響

1）風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)容量不同的影響

風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)容量小，對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的安全性影響不大，可以留作備用。隨著我國(guó)風(fēng)能的快速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)容量不斷增大，影響了原有配網(wǎng)的分布。特別是在發(fā)生短路的情況下，短路對(duì)保護(hù)的影響較大。

如圖1 所示，以DFIG 為主體的風(fēng)電場(chǎng)接入配電網(wǎng)B 線和C 線［5］。設(shè)置系統(tǒng)電源為，風(fēng)機(jī)1 和風(fēng)機(jī)2的電勢(shì)相等為，電源阻抗為，至為各段線路阻抗，和分別表示風(fēng)機(jī)1、2內(nèi)阻。如圖1示，短路電流通過(guò)保護(hù)裝置1，短路電流如下：

圖1 風(fēng)電場(chǎng)接入母線B和母線C的等值電路模型

第二部分應(yīng)通過(guò)風(fēng)機(jī)2 的反向短路短路至K1 快捷點(diǎn)，短路電流通過(guò)保護(hù)2。短路電路是：

第三部分短路電流由風(fēng)機(jī)1 提供。短路電路則是：

根據(jù)式（1），短路控制1 完全由系統(tǒng)電源決定，與風(fēng)機(jī)無(wú)關(guān)。公式2-2 獲得反向短路保護(hù)的依據(jù)：風(fēng)機(jī)容量越大，內(nèi)阻越低。因此，隨著風(fēng)機(jī)2 容量的增加，減小，然后風(fēng)機(jī)2 短路流動(dòng)。當(dāng)風(fēng)機(jī)2 有一定的容量增加，2 短路，也可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)2 失靈，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)2的穩(wěn)定運(yùn)行無(wú)法估計(jì)短路的方向。

2）風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)容量相同的影響

當(dāng)三相K1短路時(shí)，常規(guī)配電系統(tǒng)沒(méi)有風(fēng)機(jī)連接，短路電流僅從系統(tǒng)電源獲得，故障在于保護(hù)1 引起操作拆除。風(fēng)機(jī)2提供的短路流量如下：

風(fēng)機(jī)2 與短路K1 相反，并在保護(hù)2 和保護(hù)3 下運(yùn)行通過(guò)。因?yàn)殡娏鬟B續(xù)保護(hù)的方向無(wú)法確定，從方程式（4）可以看出，當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)2 具有高容量時(shí)，其內(nèi)阻Zd2較小，增加了風(fēng)機(jī)2的短路。

當(dāng)常規(guī)配電網(wǎng)在K2 發(fā)生三相短路時(shí)，沒(méi)有風(fēng)機(jī)接入，系統(tǒng)電源產(chǎn)生一條通向K2 的電流保護(hù)1、保護(hù)2。公式則是：

風(fēng)機(jī)1 提供了斷點(diǎn)K2 和保護(hù)裝置2 的電流保護(hù)，其式為：

風(fēng)機(jī)2 返回短路上游至故障點(diǎn)K2，流經(jīng)保護(hù)裝置3，其式為：

上面的分析表明，從風(fēng)機(jī)1 到K2 的短路電流有助于通過(guò)保護(hù)2 來(lái)增加短路，從而增加保護(hù)范圍和增加保護(hù)2 的靈敏度。（6）表明，當(dāng)風(fēng)機(jī)量級(jí)較大時(shí)會(huì)提供反向電流至K2。由于無(wú)法確定保護(hù)方向，根據(jù)比較（7），當(dāng)2 閥的風(fēng)機(jī)容量較高時(shí)，由保護(hù)裝置提供的短路電流容易引起保護(hù)裝置3 的故障并擴(kuò)大誤差范圍。

如果K3處存在三相短路，則K3的短路電流由傳統(tǒng)配電網(wǎng)（1 風(fēng)機(jī)和2 風(fēng)機(jī)未連接）上的系統(tǒng)供電，并通過(guò)保護(hù)1 流向保護(hù)4，最終變成不正確的拆除。當(dāng)風(fēng)機(jī)1 和風(fēng)機(jī)2 連接到電網(wǎng)，短路電流連接在K3點(diǎn)。其式為：

從風(fēng)機(jī)2提供的短路到保護(hù)4提供的短路點(diǎn)K3的電流，其式為：

同樣根據(jù)方程式（8），當(dāng)風(fēng)機(jī)1 的容量較大時(shí)，短路電流可能導(dǎo)致誤動(dòng)作。此外，根據(jù)式（9），當(dāng)容量較大時(shí)，保護(hù)4也會(huì)失效。

綜上所述，在多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的配電網(wǎng)中，不同的斷點(diǎn)位置對(duì)風(fēng)電場(chǎng)變送器的保護(hù)效果是不同的。

2 仿真研究分析

2.1 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)容量不同對(duì)繼電保護(hù)的影響仿真

通過(guò)2 臺(tái)1MW 風(fēng)機(jī)，將母線3、母線4 連接，另外模擬母線1 和母線2 之間的架空電線路發(fā)生三相短路。等效電網(wǎng)在短路點(diǎn)提供2.4ka 短路電流，安全1工作正常，斷路器1 斷開(kāi)解除故障并移除。然而，通過(guò)風(fēng)機(jī)1和風(fēng)機(jī)2之間的連接，風(fēng)機(jī)1和風(fēng)機(jī)2的反向短路電流分別為0.385ka和0.341ka，影響了保護(hù)2和保護(hù)3，達(dá)到了電流保護(hù)的默認(rèn)值，使保護(hù)2和保護(hù)3電流失靈。

將風(fēng)機(jī)容量調(diào)整到4MW 后，同時(shí)執(zhí)行上述短路模擬。對(duì)應(yīng)電網(wǎng)繼續(xù)提供2.4ka 的電路總計(jì)隨著風(fēng)機(jī)容量的增加，風(fēng)機(jī)1 和風(fēng)機(jī)2 的電源關(guān)閉。電流回路點(diǎn)增加1.07ka 和0.726ka，保護(hù)2 和保護(hù)3 的電流使用不正確，開(kāi)關(guān)2和斷路器3激活，擴(kuò)大了錯(cuò)誤范圍，可靠性降低了。見(jiàn)表1流過(guò)各保護(hù)的短路電流。

表1 流過(guò)各保護(hù)的短路電流

根據(jù)保護(hù)措施的模擬和表1 中各屏蔽體短路電流的對(duì)比分析，對(duì)于同一故障點(diǎn)，所連接的風(fēng)車組容量越大，系統(tǒng)提供的短路顯示值越高，發(fā)生短路的可能性越大，它導(dǎo)致了一個(gè)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行失敗。當(dāng)故障發(fā)生在多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的前一相，風(fēng)電場(chǎng)不影響相應(yīng)的電網(wǎng)和故障點(diǎn)短路及相應(yīng)的保護(hù)功能正常。

2.2 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)故障點(diǎn)不同對(duì)繼電保護(hù)的影響仿真

根據(jù)保護(hù)動(dòng)作模擬結(jié)果和保護(hù)動(dòng)作。短路電流流過(guò)保護(hù)2和保護(hù)3，使保護(hù)2和保護(hù)3快速脫扣器的電流保護(hù)同時(shí)動(dòng)作，開(kāi)關(guān)2 和開(kāi)關(guān)3 斷開(kāi)，從而擴(kuò)大了電源故障的范圍，降低了可靠性電源。各保護(hù)的短路電流值見(jiàn)表2。

表2 流過(guò)各保護(hù)的短路電流

以上表2 數(shù)據(jù)對(duì)比表明，當(dāng)多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)、多個(gè)風(fēng)電站和系統(tǒng)電源處于下游時(shí)，它們位于一側(cè)，在短路時(shí)提供短路。流入保護(hù)裝置2 中的短路由1.36Ka-2.106Ka 轉(zhuǎn)換而來(lái)，這有助于增加流入保護(hù)裝置2 中的短路，導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低。

2.3 縱聯(lián)保護(hù)解決方案的理論分析

通過(guò)分析縱聯(lián)保護(hù)的工作原理和類型，以定向比較縱聯(lián)保護(hù)為例，如圖3 所示，理論上研究了多風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)繼電保護(hù)的影響，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了具體分析。

如圖2 所示，在分配了幾個(gè)帶配電網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)后，每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的上游都配置了保護(hù)，并且在穩(wěn)定的流向上，而且仍然可以使用幾個(gè)風(fēng)電場(chǎng)。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)接入母線E和母線F的等值電路模型

如果a 段1 區(qū)發(fā)生短路，則風(fēng)機(jī)與空檔之間存在短路流在線上。P3 和P4 認(rèn)為錯(cuò)誤的方向是正的，然后保護(hù)錯(cuò)誤工作。短路流經(jīng)5 號(hào)，6 號(hào)通過(guò)保護(hù)7 和保護(hù)8，短路電流流過(guò)線路5 和7 并流過(guò)線路。保護(hù)5和保護(hù)7 的結(jié)論相反，這樣每個(gè)部分的保護(hù)都不會(huì)錯(cuò)工作。同樣如果該段失效，只有P5 和P6 的保護(hù)將消除錯(cuò)誤，其他保護(hù)不會(huì)失效。在區(qū)域2 中，只有P7和P8 的保護(hù)會(huì)消除錯(cuò)誤，其他保護(hù)不會(huì)干擾。如果故障發(fā)生在3區(qū)，則系統(tǒng)電源和幾個(gè)風(fēng)電場(chǎng)位于3區(qū)，沒(méi)有反向短路電流達(dá)到3 區(qū)短路。多個(gè)風(fēng)車場(chǎng)的接入只會(huì)增加系統(tǒng)電源的容量，因此可以通過(guò)相流保護(hù)P9消除故障。同樣，對(duì)于饋線1，當(dāng)線路的每個(gè)部分發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)相電流的正常運(yùn)行消除錯(cuò)誤保護(hù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從理論上分析了配電網(wǎng)對(duì)多通道電場(chǎng)連接的繼電保護(hù)的影響，并進(jìn)行了分析。驗(yàn)證試點(diǎn)項(xiàng)目分配了多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的影響，這些風(fēng)電場(chǎng)提供了進(jìn)入安全配電網(wǎng)的通道，可以有效地為這個(gè)本研究和科研的主要成果總結(jié)如下：

（1）當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)連接到配電網(wǎng)時(shí)，每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)都是獨(dú)立能源。由于斷點(diǎn)處的短路功率，短路電流隨風(fēng)電場(chǎng)功率的增加，可能導(dǎo)致相應(yīng)設(shè)備損壞。

（2）如果多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部電纜緊湊，停點(diǎn)與系統(tǒng)電源之間的保護(hù)裝置可以正常工作，不受風(fēng)電機(jī)組的影響，但由于配電網(wǎng)中電源的非連續(xù)相位保護(hù)，任何位于停點(diǎn)以外的風(fēng)電場(chǎng)斷點(diǎn)產(chǎn)生短路到斷點(diǎn)的逆流，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)容量較大時(shí)，容易實(shí)現(xiàn)短路逆流組織。造成更多的短電流安全缺陷。

（3）在多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)之間存在缺陷的情況下，風(fēng)機(jī)在故障點(diǎn)之前啟動(dòng)，系統(tǒng)供電一方面保證了公共短路到故障點(diǎn)的電流，其對(duì)截止電流和保護(hù)裝置的影響類似于第三個(gè)結(jié)論，即此處不再重復(fù)；電源底部的風(fēng)扇向斷開(kāi)點(diǎn)提供反向電流，這很容易導(dǎo)致安全裝置短路故障反作用。