风电场集电线路电流速断保护整定研究

杨平怡，王宝华

（南京理工大学自动化学院，江苏南京210094）

风电场集电线路电流速断保护整定研究

杨平怡，王宝华

（南京理工大学自动化学院，江苏南京210094）

风电场的接线方式和运行方式与常规火电厂不同，机组往往通过箱变升压后经集电线路相连，再升压后并入电网，因此集电线路保护对风电场的稳定运行十分重要。而风力发电机组提供的短路电流与常规同步发电机组的特征并不相同，所以需要对风电场内部集电线路电流保护的整定计算进行深入研究。通过分析双馈风机机端电压发生对称性深度跌落时，转子撬棒保护动作后的定子短路电流表达式，并结合线路电流保护的需要重点分析了定子短路电流中的稳态基频部分，并进行了仿真验证，在此基础上给出了风电场集电线路的电流速断保护的整定方法，并给出了整定计算实例。

风电场；集电线路；短路电流分析；速断保护

风力发电成本低、环境污染小以及风电场建设周期短等优势使得风力发电成为世界各国政府大力发展的目标。我国风电场在电力系统中承担的负荷越来越多，风电场的装机容量的规模已经达到可以和常规机组的规模相当［1］。而风电场有着与常规火电厂所不同的特殊的接线方式和运行方式，风电机组出口电压较低，通常通过箱式变压器升压后经集电线路相连，再经主变压器升压后并入电网。因此进行风电场内部集电线路保护的研究，对于风电场内的故障切除及稳定运行来说有着十分重要的意义。

1　双馈风力发电机组故障特征分析

1.1双馈风力发电机组简介

风力发电机组根据运行特征和控制技术可以分为恒速恒频与变速恒频两类。鼠笼式感应风力发电机（FSIG）是恒速恒频机组的代表机型，而双馈式风力发电机（DFIG）和永磁直驱式风力发电机（D-PMSG）是变速恒频机组的代表机型［2］。双馈风机因为其有功和无功功率独立控制、可变速运行及励磁变流器容量小等特点，已成为国内兆瓦级并网风电机组的首选机型。

风电场内部发生短路故障后，双馈风力发电机组提供的短路电流与常规火电厂中同步发电机组提供的短路电流特征是不一样的。根据当前国内的风电场运行规程要求，风电场必须具有一定的故障穿越能力，因此短路时双馈风机提供的短路电流是不能忽略的。为了实现低电压穿越，目前大部分双馈风机采用撬棒（Crowbar）电路来保护变流器和电机，一旦检测到故障后转子电流过大时，立即投入吸收电阻来短接转子绕组旁路转子侧变流器，从而避免转子侧过电流［3］。图1为含有Crowbar的风力发电机组系统结构图。

典型的撬棒电路分为旁路电阻型、IGBT型、混合桥型等，图1中Crowbar电路保护装置选用IGBT型，每个桥臂由2个二极管串联组成，而电路直流侧由IGBT器件和吸收电阻串联接入。

1.2双馈风力发电机组短路电流理论分析

故障发生后，当检测到电压跌落或者转子电流过流时，撬棒电路投入，转子绕组被短接，转子电压突变为0，并封锁转子变流器触发脉冲［4］。可以得出转子电压Ur=0，转子电阻增加为Rrc=Rc+Rr，其中Rc为撬棒电阻阻值，Rr为撬棒电阻投入前转子电阻阻值。当电网发生不对称短路故障时，由于双馈风力发电机组不接地，因此风机提供的短路电流只包含正序电流分量和负序电流分量［5］：

图1　双馈风力发电机组结构Fig.1Structure of doubly-fed wind generator

式中：U1表示机端正序电压，U2表示机端负序电压，Us0为双馈风机正常运行时的机端电压，ω1为风机同步转速，ω为风机转子电角速度，s为转差率；Lm表示励磁电感；Ls、Lr分别表示定、转子全电感，且Ls=L1s+Lm，Lr=L1r+Lm，其中L1s、L1r分别为定、转子漏感。

可以看出，双馈风机定子短路电流共有3部分构成：稳定的基频交流分量、衰减的直流分量和衰减的频率等于转速频率的暂态谐波分量。继电保护中的电流保护大都提取短路电流中的稳态基频交流分量，所以本文重点研究的是双馈风机定子短路电流中的稳态基频交流分量。

因此，当风电场内发生三相短路时，机端电压跌落为kUs，Us为风机正常运行时的机端电压，风机输出的基频稳态短路电流为

2　双馈风机机端电压深度跌落仿真

2.1风电场模型

图2所示为双馈风电机组接入无穷大系统示意图，双馈风电机组出口电压为690 V，经过箱式变压器升压到35 kV，通过110/35 kV升压变压器接入110 kV无穷大系统。

双馈风机参数如表1所示。

图2　双馈风电机组接入无穷大系统示意图Fig.2Schematic diagram of studied power system

表1　双馈风机仿真参数Tab.1Simulation parameters of DFIG

式（2）可以看出，Crowbar电阻的阻值越大，则衰减直流分量和稳态交流分量都会越小，且转子磁链衰减加快，有利于双馈风机的保护。但是Crowbar电阻阻值并不是越大越好，Crowbar电阻阻值太大会引起直流母线箝位效应，从而导致直流侧过电压，导致的危害比转子绕组短时过流更大。因此本文仿真中选取的Crowbar电阻阻值为风机转子电阻的30倍。

2.2仿真分析

t=0.5 s时，35 kV处k点发生三相短路故障，故障持续0.1 s后切除。故障发生在离风机出口较近的地方，从而风机机端电压发生深度跌落，故障发生瞬间投入Crowbar保护，同时封锁转子侧变流器脉冲。图3～5给出了电网发生三相短路故障后风机机端的电压、电流以及电流基频分量的波形。

图3　风机机端电压波形Fig.3Voltage waveform of DFIG

图4　风机机端输出电流波形Fig.4Current waveform of DFIG

图5　风机机端电流交流分量波形Fig.5AC component of the DFIG current waveform

由仿真波形可以看出故障发生后，风机机端电压立刻降低，并迅速稳定到0.3 pu，定子输出电流峰值达到了4.442 pu，这是因为短路电流中包含衰减的直流分量，基频交流分量以及频率等于转速频率的暂态谐波分量，直流分量和频率等于转速频率的暂态谐波分量很快衰减。定子输出的电流基频分量也在短路后发生的50 ms内出现了峰值3.208 pu，并迅速稳定为0.340 6 pu。

仿真中ω=1.2 pu，代入式（2）可以计算出Isw=0.313 5 pu，计算误差约为

由仿真结果和计算结果可知，计算误差在可以允许的范围内，基频稳态短路电流表达式能够反映电网发生对称短路时风机机端基频短路电流的情况。

3　风电场集电线路保护配置的分析和改进

3.1传统风电场集电线路的保护配置

国内大部分风电场集电线路的保护都按照电网35 kV线路的配置标准配置阶段式电流保护［6］。因为集电线路保护的选择性比较低，当箱变高压侧故障时，集电线路保护经常会越级动作扩大停电范围。目前普遍采用两段式电流保护来改善集电线路保护选择性，两段式分为限时电流速断保护和定时限过流保护。限时电流速断保护电流定值按线路末端两相短路有灵敏度整定，时间定值按0.3 s整定，来躲过箱变熔断器的熔断时间，保证在箱变高压侧短路时，必须由箱变熔断器切除故障。定时限过流保护电流定值按照躲过风机正常运行时的线路负荷电流整定，作为线路的后备保护，时间定值按0.6 s整定。

3.2传统风电场集电线路的保护配置存在的不足

当集电线路靠近35 kV母线侧故障时，由于集电线路保护设有0.3 s的延时，因而不能快速动作，而双馈风机机端电压多数会跌落至20%额定电压以下，此时如果不能迅速切除故障，35 kV母线上的所有风电机组保护都有可能动作于跳闸，大范围扩大事故范围。因此有必要对集电线路的电流保护配置速断保护，从而迅速切除集电线路的严重故障，防止事故范围的扩大。

当前对风电场内部集电线路电流保护定值进行整定时，一般的做法是将风电机组作为不考虑故障时提供短路电流的负荷来进行处理，或者是将其比照同步电机的故障模型来考虑风电机组提供的短路电流［7］。根据对双馈风电机组的短路电流详细分析可以知道，短路电流大小与故障前风机的转速、故障后Crowbar投入与否以及机端电压大小密切相关。因此前者进行保护的整定计算时忽略风电机组提供的短路电流，造成保护范围扩大；而后者增大了风机故障电流幅值，造成保护范围缩小。

3.3风电场集电线路的电流速断保护的整定方法

图6所示为某风电场主接线图，风电场通过主变压器接入110 kV电网系统S1，除故障集电线路的风电场内部其他风机等效为系统S2，各风机通过箱式变压器连接到集电线路上。XS1为35 kV系统等效阻抗，XL1为保护安装处至系统S2的等效阻抗，XL2为保护安装处至集电线路第1台风机安装处（即d1点）的阻抗。

图6　某风电场简化接线图Fig.6Simplified wiring diagram of a wind farm

电流速断保护定值按照躲过被保护线路末端发生三相短路时的电流来整定。为了保证集电线路电流保护的选择性，防止箱变高压侧故障时保护越级动作，保护动作电流定值不是躲过被保护线路末端d2点短路时的电流，而是按照躲过最大运行方式下d1点发生三相短路时的电流来整定：

式中：Krel为可靠系数，一般取1.3为故障集电线路短路时S1提供的三相短路电流为等效风电系统S2提供的三相短路电流，可由式（2）计算得出。

如果集电线路保护没有装设方向元件，还要考虑躲过主变压器低压侧三相短路时此条集电线路提供的最大短路电流，防止保护误动作：

3.4整定计算实例

图6所示某风电场，系统基准容量100 MW，基准电压37 kV，风电场各风机参数与上节仿真中的风机参数相同，风机次暂态阻抗系统S1最大运行方式阻抗Xs1.min= j4.04 Ω，最小运行方式Xs1.min=j5.61 Ω，除故障集电线路的风电场内部其他12台风机等效为系统S2，XL1=j5.10 Ω，XL2= j2.94 Ω。

系统最大运行方式下d1点发生三相短路时，系统S1提供的短路电流为计算等效系统S2提供的短路电流时，可以列写风电场节点导纳矩阵，用公式（1）表示节点3的注入电流，得到节点3电压U3=0.32 pu，S2提供的短路电流为代入式（4）中可得到整定值Iset=4.24 kA。

系统最小运行方式（所有风机停运）下集电线路末端d2点发生两相短路时短路电流为可以计算出整定的电流速断保护灵敏度为Ksen=1.75/4.24=0.41。

将风机比照同步电机的故障模型来计算风电机组提供的短路电流，可得到代入式（4）得可以看出按照同步电机来计算风机短路电流增大了风机故障电流幅值，降低了保护的灵敏度。

4　结论

随着风电场规模的日益扩大，有效的风电场内部集电线参考文献：

路保护对风电场的稳定运行和故障的及时切除有着十分重要的意义。文中详细分析了双馈风机机端电压发生深度跌落时，转子Crowbar保护动作后的定子短路电流，并针对继电保护的需要重点分析了定子短路电流中的稳态基频部分，得到了可以应用到风电场集电线路保护整定中的短路电流表达式，并进行了仿真验证，并在此基础上给出集电线路的电流速断保护的整定方法，该方法实用可行。

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［3］欧阳金鑫.变速恒频风电机组并网故障机理与分析模型研究［D］.重庆：重庆大学，2012.

［4］Lopez J，Gubia E，Sanchis P，et al.Wind turbines based on doubly fed induction generator under asymmetrical voltage［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion，2008，23（1）：321-330.

［5］瞿佳俊.配电网继电保护对分布式风力发电接入的适应性研究［D］.武汉：华中科技大学，2013.

［6］张保会，王进，李光辉，等.具有低电压穿越能力的风电接入电力系统继电保护的配合［J］.电力自动化设备，2012，32（3）：1-6. ZHANGBao-hui，WANGJin，LIGuang-hui，etal. Cooperation of relay protection for grid-connected wind power with low-voltage ride-through capability［J］.Electric Power Automation Equipment，2012，32（3）：1-6.

［7］撖奥洋.变速恒频风力发电系统故障特性与保护技术研究［D］.武汉：华中科技大学，2010.

The instantaneous over-current protection of wind farm collector line research

YANG Ping-yi，WANG Bao-hua
（School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

Wiring and operation mode of wind farms is different from conventional thermal power plants，the export voltage of wind turbine is step-up by the box transformer，then is connected by collector lines to the grid，so the protection of collector lines is very important for the stable operation of the wind farm.The characteristics of the wind turbine short-circuit current is not the same as the synchronous generator，so the deep study of wind farm collector lines current protection is needed.By analyzing the wind turbine stator short-circuit current expression，and combining with the fundamental frequency part of the stator short-circuit current which current protect needs，a method for the instantaneous over-current protection of wind farm collector line is proposed，and a example shows the method right.

wind farm；collector line；analysis of the short-circuit current；the instantaneous over-current protection

TM77

A

1674-6236（2015）20-0158-03

2014-12-31稿件编号：201412317

杨平怡（1990—），女，江苏高邮人，硕士研究生。研究方向：风电场继电保护。