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基于风机弱馈特性的集电线路故障方向判断
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国网浙江嘉善县供电公司 沈金青 国网浙江嘉兴供电公司 黄宏盛 钱伟杰 南京南瑞继保电气有限公司 黄涛
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发布时间:2018-11-23
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摘要：风电场集电线路发生反方向故障时，集电线路电流保护可能因流过反向短路电流而误动，须安装方向元件。针对传统功率方向元件受集电线路接线方式及风机低电压穿越方式影响而无法正确动作的问题，提出了一种新型的集电线路故障方向判断方法。该方法利用在线路发生正、反向故障时，因风机的弱馈特性保护所感受背侧系统等效阻抗存在明显差异的特征，能够快速可靠地判断出故障方向。文章搭建了集电线路仿真模型，通过仿真试验验证了该方法应用于集电线路的适应性和正确性。 关键词：集电线路，弱馈，故障方向，等效阻抗 基金项目：国家电网科技项目(5211JX 0 前言 风电场内各风机一般采用分组串接，经集电线路汇流后再集中并网的方式。风电场内部这种特有的接线方式给继电保护带来了定值难以整定、保护灵敏性和选择性不能满足要求等新的问题[1]。虽然风电场内部电压等级低，但如果不能及时切除内部故障，很可能引起风机群的连锁脱网，危及电网的安全稳定运行。 目前，风电场集电线路保护的主流配置是阶段式电流保护，仍按照配网单电源辐射型网络的整定原则进行定值整定[2]。但是，依据风电并网规范要求，越来越多的风机将具备低电压穿越能力，当发生故障时，各风机可以不脱网而持续运行。在这种情况下，当某条集电线路发生故障时，非故障集电线路上的风机也会提供故障电流。此时，非故障集电线路很可能因流过的反向短路电流达到电流保护定值而被误切除，从而扩大事故范围。因此，很多学者建议风电场集电线路保护应配置方向元件[3]。将传统电流保护应用于双端电源网络时，一般采用短路功率流向来判断方向。然而，有关文献指出，受风机无功功率输出的影响，集电线路功率方向元件可能错误动作；若采用基于故障分量的方向元件，双馈风机特殊的等效序阻抗相角特征也可能造成方向元件误动[4]，[5]。可见，传统方向元件应用于风电场集电线路仍存在一些问题，须要研究适应风机暂态特性的新型方向元件。 弱馈是风机区分于系统电源的重要特性，利用该特性可以构成一些新的保护原理。文献[6]研究了适应风机弱馈特性的配网自适应电流保护整定原则。文献[7]利用区内短路时线路两侧短路电流大小的巨大差异，实现了含DG配网的纵联保护方案。以上文献都是将风机弱馈特性应用于配网电流保护中。本文从风机的弱馈特性出发，研究了正、反方向故障时集电线路保护所感受到背侧系统阻抗的差异特征，并提出了一种能够应用于风电场集电线路故障方向判断的新方案。 1 传统功率方向元件存在的问题 传统方向电流保护一般采用短路功率流向来判断故障方向，功率方向元件的工作原理如图1所示。在双端电源网络中，以保护安装处母线电压 图1 传统功率方向元件工作原理 Fig.1 Working principle of traditional power directional relay 以下分析传统功率方向元件应用于风电场集电线路时的动作性能。图2为风电场集电线路接线示意图。 图2 风电场集电线路接线图 Fig.2 Diagram of wind farm collector lines 以集电线路n为例进行分析，当正方向f1点发生故障时，由于系统侧提供的短路电流远大于风机短路电流，可以忽略保护n到f1点之间风机支路的影响，认为 图3 集电线路功率方向元件动作性能 Fig.3 Operation property of power directional relay in wind farm collector line 当反方向f2点发生故障时，在集电线路n上保护安装处与故障点之间连接有集电线路2至集电线路n-1以及系统电源支路。这些支路提供的短路电流与流过集电线路n保护安装处的电流相比不能忽略，所以 综合上述分析可知，受集电线路接线方式及风机低电压穿越措施的影响，功率方向元件并不适用于风电场集电线路中。因此，本文提出一种基于风电机组弱馈性质的集电线路故障方向判断新方法。 2 基于风机弱馈特性的集电线路方向元件 2.1 风机弱馈特性分析 单台风机的容量相对于并网系统非常小，发生故障时，风机馈出的短路电流也远小于系统提供的短路电流，表现为明显的弱馈特性。这种弱馈特性也反映在集电线路正、反向故障时保护所感受到的短路电流特征。集电线路发生正向故障时(f1)，流过集电线路n首端保护的短路电流主要由并网系统提供，其值较大；集电线路发生反方向故障时(f2，f3)，保护流过的短路电流为集电线路n所有风机提供，其值较小。根据这种差异便可判断出故障方向。 短路电流与过渡电阻、短路类型、风机类型及其低电压穿越方式等诸多因素有关。如果直接根据短路电流大小来区分集电线路故障方向，定值将难以整定。因此，本文采用保护背侧系统阻抗差异来实现故障方向的判断。 2.2 基于风机弱馈特性的故障方向判断原理 仍以图2中集电线路n为例进行分析。当发生故障时，集电线路n首端保护利用所测电压、电流的基频故障分量 由故障附加网络可知，集电线路n发生正、反向故障时， 图4 集电线路发生正向故障时的等效电路 Fig.4 Equivalent circuit of collector line during forward fault 图5 集电线路发生反向故障时的等效电路 Fig.5 Equivalent circuit of collector line during backward fault 式中：Zs∑为风电场主变及接入电网归算至主变低压侧的总阻抗；Zi为第i条集电线路的阻抗。 发生反向故障时， 式中：Zt为归算至箱变高压侧的箱变阻抗，假设所有箱变阻抗相同；Zwnj为集电线路n第j台风电机组归算至箱变高压侧的等效阻抗。 下面基于风电机组的弱馈特性分析 式(2)中的Zs∑为从主变低压侧看过去的系统等效阻抗。一般大型风电场的接入系统容量比较大，系统阻抗很小，归算至低压侧后Zs∑的值会进一步减小。与整个系统相比，单台风电机组的容量微乎其微，其等效阻抗Zwnj的值很大。另外，风机箱变阻抗数值也远大于主变，而且箱变变比比较大，所以从箱变高压侧看过去的风机T接支路阻抗Zt+Zwnj的数值将远大于Zs∑。虽然Zi为m条风机支路阻抗的并联，但单条集电线路相对于系统仍是强弱馈源，一般Zi与Zs∑不在同一个数量级上。 文献[14]基于吉林某风电场的实际数据计算了各元件的阻抗值，其具体数据(均为标幺值)如下：系统大、小运行方式下的阻抗分别为0.058 3，0.106 6；主升压变阻抗0.142 2；箱变阻抗4.06；双馈风机最小阻抗22.2；单条集电线路阻抗最小为2.51。基于以上数据可得Zs∑max=0.106 6+0.142 2=0.248 8，Zimin=2.51。可见，在极端情况下，Zi的值至少为Zs∑的10倍。 对比式(2)、式(3)可知， 式中：Krel为可靠系数，取1.5～2.0；Zs∑.max为系统最小运行方式下的等效阻抗。 若满足式(4)，即判为正方向故障；否则，判为反方向故障。可以看到，利用风机弱馈性质来判断集电线路故障方向，原理上简单可靠、实现方便、灵敏性高、动作速度快。同时 3 仿真验证 利用Matlab/Simulink平台搭建了如图2所示的集电线路仿真模型。风电场共36台双馈风机，经3条集电线路并入汇流母线，每条集电线路接有12台风机。双馈风机、变压器及系统的参数列于表1。 表1 仿真模型参数 Table 1 Parameters of simulink model
首先，仿真分析了传统功率方向元件用于集电线路的动作特性。在图2中f3点设置AB两相短路接地故障，考虑双馈风机投撬棒和不投撬棒两种情况，仿真得到集电线路3保护测得的A相电压与电流(正方向为母线指向线路)相位差如图6所示。 图6 传统功率方向元件动作特性 Fig.6 Operation property of power directional relay 从图6中可以看出，在0.1 s之前正常运行时，风机向外输出有功功率，电压与电流相位差为180°。0.1 s发生故障后，如果风机没有投撬棒，采用变换器控制输出无功功率，电压超前电流的相位在180～270°，对应于图3中的 为了验证集电线路故障方向判断新方法的正确性，在图2中设置两种故障情况：①集电线路3正方向f1点发生AB两相短路故障，过渡电阻10Ω；②汇流母线与主变中间f3点发生三相短路，过渡电阻50Ω。 根据表1中的参数，可得从主变35 kV侧看到的系统阻抗最大值： ｜Zs∑.max｜=｜Zsmax+ZL+ZT｜(35/220)2=3.47 Ω (5) 式中：Zsmax为系统最小运行方式下的等效阻抗；ZL为风电场并网联络线阻抗；ZT为主变阻抗。 式(4)中的可靠系数Krel取2，得到阻抗比较的门槛值为Krel｜Zs∑.max｜=6.94 Ω。 图7、图8分别为两种情况下集电线路1，2，3首端保护，用A相电压、电流故障分量计算得到的阻抗幅值随时间变化的仿真结果。 图 Fig.7 Impedances measured by collector lines when fault occurs at point f1 图 Fig.8 Impedances measured by collector lines when fault occurs at point f3 图7给出了f1点故障时，各集电线路保护计算得到的背侧系统阻抗波形图。从小方框里的放大波形中看到，由于 4 结论 本文指出了应用传统功率方向元件的风电场集电线路，受其接线方式和风机撬棒电路的影响，当发生反方向故障时，可能误判为正方向故障。因此，功率方向元件不适用于集电线路。 通过风机弱馈特性的分析，本文提出了一种集电线路新型故障方向判断方法。该方法利用正、反向故障时保护所感受到背侧系统等效阻抗的差异来判断故障方向，具有原理简单、不受过渡电阻影响、动作速度快等优点。 参考文献： [1]黄景光，郑淑文，林湘宁.基于多端差动的风电场集电线路保护新原理[J].电网与清洁能源，2016，32(9)：102-106. [2]杨平怡，王宝华.风电场集电线路电流速断保护整定研究[J].电子设计工程，2015，23(20)：158-160. [3]赵宇皓，张兵海，杨志强.风电场汇集线继电保护配置与整定[J].河北电力技术，2013，32(1)：50-52. [4]D Jones, K Bennett. Wind farm collector protection using directional overcurrent elements[A]. IEEE PES Transmission and Distribution Conference and Expositon[C]. [5]黄涛，陆于平，蔡超.DFIG计算序阻抗相角特征对故障分量方向元件的影响分析[J].中国电机工程学报，2016，36(14)：3929-3939. [6]陈实，邰能灵，范春菊，等.考虑风力发电的配电网弱馈线路自适应电流保护[J].电工技术学报，2017，32(3)：65-73. [7]许偲轩，陆于平.含DG配网电流幅值差异化保护方案[J].电工技术学报，2015，30(18)：164-170. [8]毕天姝，李彦宾，马丽红，等.风场及其送出线保护配置与整定研究[J].电力系统保护与控制，2014，42(5)：45-50. 作者简介：沈金青(1974-)，男，浙江嘉兴人，高级工程师，研究方向为电力系统运行及管理技术。E-mail:shenjq15685@sina.cn；通讯作者：黄涛(1988-)，男，湖南新化人，博士，研究方向为电力系统保护及控制技术。E-mail:taoh545@126.com。 |
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《可再生能源》2018年第8期
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