风电场送出线非全相运行潜供特性

王 婷 ，李凤婷 ，王 宾 ，何世恩，刘光途

（1.新疆大学 教育部可再生能源发电与并网控制工程技术研究中心，新疆 乌鲁木齐 830047；2.清华大学 电机系 电力系统国家重点实验室，北京 100084；3.国家电网甘肃省电力公司 风电技术中心，甘肃 兰州 730050）

0 引言

高压线路在单相接地短路后，只将故障相的断路器跳闸，其他两相在短时间内仍然继续运行，此时线路为非全相运行状态。由于健全相和断开相之间存在静电和电磁的联系，故障点的弧光通道中仍然有一定的潜供电流，它将维持故障点处的电弧，使之不易熄灭，影响重合成功。由于风电机组的运行、控制原理与水电、火电等常规能源有较大差异［1-6］，风电集中接入电网与传统电网的故障特性及运行特性存在显著差异，结合风电的特点研究风电场送出线非全相运行特性可为送出线重合闸配置提供理论基础，提高重合成功率。

现有研究热点集中在常规能源非全相运行状态，文献［7-11］分析了常规能源系统线路非全相运行状态下零序、距离、高频保护的动作特性，提出了线路非全相运行时保护整定及运行中应注意的问题。文献［12-15］研究了线路非全相运行时潜供电流的计算方法，分析了潜供电流对自动重合闸的影响。在风电送出线方面，主要集中在送出线继电保护研究［16-18］。线路非全相运行与自动重合闸紧密相关，风电场不同于常规能源，风电送出线的非全相运行状态也不同于常规线路，有必要结合风电场的运行特性对送出线非全相运行进行深入研究。

本文结合风电场的运行特点推导了风电场、常规能源送出线非全相运行时健全相电流的表达式，研究了风电场和常规能源健全相电流的差异，在线路参数不变的情况下，研究了非全相运行时风电场、常规能源潜供电流的特点。在PSCAD中仿真研究了风电场机型、注入容量以及投运机组数对送出线非全相运行时健全相电流和潜供电流的影响。

图1 双电源系统非全相运行示意图Fig.1 Schematic diagram of dual-source power system operating in incomplete-phase mode

1 双电源送出线路非全相运行时的健全相电流

图1为双电源系统送出线非全相运行示意图（以A相断开为例），下标M、N分别表示送出线两侧的系统，下标 1、2、0分别表示正、负、零序。

根据各序分量，计算出健全相B相电流为：

其中，ΔI（1）、ΔI（2）、ΔI（0）分别为正序、负序、零序的故障分量；Z（1）、Z（2）、Z（0）分别为正、负、零序网络从断口q、k看进去的等值阻抗（正序的电压源短路）；为正常运行时的负荷电流。

1.1 常规能源送出线非全相运行时的健全相电流

图2为常规能源送出线非全相运行示意图。

图2 常规能源送出线非全相运行示意图Fig.2 Schematic diagram of outgoing line of traditional energy source operating in incomplete-phase mode

当图1（a）的M侧为常规能源时，零序等值阻抗与M侧为风电场时相同，仅包括高压送出线路阻抗ZGL与主变阻抗ZT1的零序分量；正、负序等值阻抗包括输电线路阻抗ZGL、主变阻抗ZT1、升压变阻抗ZT2以及常规能源机组的阻抗ZF的正、负序分量。因此，正序、负序、零序等值阻抗 Z（1）、Z（2）、Z（0）分别为：

由于常规能源发电机及升压变阻抗较小，而变压器 T1正、负、零序阻抗相等，线路零序阻抗 ZGL（0）=3ZGL（1），可以得到：Z（0）＞Z（1）。则简化式（2）可得：

则常规能源送出线非全相运行时健全相B相电流为：

同理可得C相电流。由式（5）可以看出：送出线双端电源为常规能源时，非全相运行时健全相电流小于正常运行时的负荷电流。

1.2 风电场送出线非全相运行时的健全相电流

图3为风电送出线非全相运行示意图。

图3 风电送出线非全相运行示意图Fig.3 Schematic diagram of outgoing line of wind farm operating in incomplete-phase mode

将图1（a）的N侧看作理想无穷大电源，M侧为风电场或集群风电场，送出线路按单回中等长度（100～300km）架空线路考虑。

由于风电场（群）容量相对系统较小，一般小于接入系统短路容量的5%～10%，风电场侧的正、负序等值阻抗包括故障点到M侧线路阻抗、主变T1阻抗ZT1、风电场内部35kV线路阻抗ZHL、风电机组（机箱变与风机）阻抗ZJ的正序和负序分量，远大于系统侧的等值阻抗；由于风电场主变压器的中性点直接接地，风电场侧的零序等值阻抗仅包括高压送出线路阻抗ZGL与主变阻抗ZT1的零序分量，且等值零序阻抗远小于等值正、负序阻抗［19］。

则非全相运行时正序、负序、零序等值阻抗Z（1）、Z（2）、Z（0）分别为：

考虑等值零序阻抗远小于等值正、负序阻抗，简化可得：

风电送出线非全相运行时健全相B相电流近似为：

同理可得健全相C相电流。由于健全相电流大小与阻抗特性相关，而风电场侧等值正、负序阻抗远大于等值零序阻抗，因此风电场送出线非全相运行时，健全相电流大于正常运行时的负荷电流。

1.3 非全相运行时健全相电流仿真

由以上研究可以看出：送出线非全相运行时，一端为风电场时的健全相电流大于正常运行的负荷电流；而双端为常规能源时，健全相电流小于正常运行时的负荷电流。在PSCAD中仿真研究同等容量的异步风电场和常规能源送出线1.2s进入非全相运行状态，其健全相电流波形图如图4所示。

常规能源送出线1.2s进入非全相运行时，考虑阻抗特性，健全相电流较正常运行时电流减小；风电场送出线进入非全相运行时，考虑正、负序阻抗远大于零序阻抗，健全相电流较正常运行电流增大。同等容量的风电场和常规能源送出线进入非全相运行后，风电场健全相电流大于常规能源送出线的健全相电流，仿真结果与理论分析吻合。

2 送出线非全相运行潜供电流

2.1 送出线非全相运行潜供电流

线路单相接地短路，故障相断路器跳闸，其他两相在短时间内仍然继续运行，故障点的弧光通道中仍然有以下成分的潜供电流（以A相断开为例）：

图4 送出线非全相运行时健全相电流Fig.4 Sound phase current during incomplete-phase operation of outgoing lines

a.非故障相B通过A、B相间电容供给的电流；

b.非故障相C通过A、C相间电容供给的电流；

c.继续运行的两相中的负荷电流在A相产生的互感电动势，此电动势通过故障点和该相对地电容产生的电流。

潜供电流将维持故障点的电弧使之不易熄灭。潜供电流计算公式参考文献［14］：

其中，IB、IC为健全相电流；R0为弧道接地电阻；UB、UC分别为 B、C 相电压；ω=314 rad /s；Cm为每千米导线的相间电容；l为线路长度；X1、X2、Xc01、Xc02、Xm1和 Xm2的含义参照文献［14］。

对于风电场送出线而言，投运机组类型、注入容量、风电内部接线方式不同时，风电场的阻抗也不同，而健全相电流IB、IC受此影响也会变化；风电场健全相电流影响潜供电流IQ，因此投运机组类型、注入容量、风电内部接线方式的不同都会引起潜供电流的变化。

2.2 常规电源和风电场送出线非全相运行时潜供电流对比

通过1.1节研究可知，常规能源送出线非全相运行时健全相B相电流，将其代入式（9），可得常规能源送出线非全相运行时潜供电流：

风电场送出线非全相运行时健全相B相电流，代入式（9），可得风电场送出线非全相运行时潜供电流：

由式（10）和式（11）可知，相同的送出线路，正常运行时负荷电流相同即注入容量相同的常规电源和风电场送出线路潜供电流不同：由于风电场非全相运行时健全相电流较常规能源大，因此风电场送出线潜供电流较常规能源大。

图5为同等注入容量的异步风电场和常规能源送出线0.8s进入非全相运行时潜供电流波形图，仿真结果也验证了理论分析的正确性。

图5 送出线非全相运行时潜供电流Fig.5 Secondary arc current during incomplete-phase operation of outgoing lines

3 风电场送出线非全相运行电流

常规能源机组容量较大，投运后机组正常运行时阻抗变化不大，因此非全相运行时电流受运行方式影响较小。而风电场包含多台单机容量较小的机组，受风速、调度等影响，风电场投运的机组数、出力多变，且风电场投入时按台数或者按区域投入。投运机组类型、注入容量、机组数不同时，风电场的阻抗不同，因此非全相运行时电流受运行方式的影响较大。本文结合风电的特点，在PSCAD中构建仿真模型，研究机组类型、风电场注入容量及投运机组数对风电送出线非全相运行时健全相电流及潜供电流的影响。

3.1 风电机组类型对送出线非全相运行电流的影响

图6、图7分别为同等注入容量的异步风电场、双馈风电场送出线0.5s发生A相接地故障，0.8s送出线进入非全相运行状态的健全相电流、潜供电流的仿真波形。

注入容量相同，即正常运行时的负荷电流相同；投运机组数相同，风电机组类型不同，风电场阻抗也随之不同。风电场阻抗影响非全相运行时健全相电流的大小，继而影响潜供电流。风电场阻抗不同，健全相电流和潜供电流也不相同。从图6、7可以看出，基于双馈机组和异步风电机组的风电场，注入容量相同，投运机组数相同。送出线非全相运行时，受机组类型影响，健全相电流、潜供电流存在差异。潜供电流变化熄弧时间也随之变化，因此风电场送出线重合闸配置应考虑风电机组类型对潜供电流的影响。

图6 异步风电场送出线电流波形Fig.6 Current waveforms of outgoing line of asynchronous wind farm

图7 双馈风电场送出线电流波形Fig.7 Current waveforms of outgoing line of doubly-fed wind farm

图8 异步风电场出力30 MW时送出线电流Fig.8 Outgoing line current of asynchronous wind farm when output is 30 MW

图9 异步风电场出力50 MW时送出线电流Fig.9 Outgoing line current of asynchronous wind farm when output is 50 MW

3.2 风电场注入容量对送出线非全相运行电流的影响

异步风电场投运机组数相同，注入容量为30MW、50MW时，送出线健全相电流及潜供电流波形分别如图8、9所示。

从图8、9可以看出，风电场机组类型及投运机组数相同时，风电场容量不同情况下，非全相运行时健全性电流及潜供电流也不相同，且容量越大电流也越大。出现这种现象的原因是投运的风电机组类型、数量相同，即风电场阻抗相同；此时风电场注入容量不同，正常运行时的负荷电流不同，故障前负荷电流越大，送出线非全相运行时健全相电流和潜供电流越大。仿真结果验证了理论分析的正确性。而潜供电流的增大会导致熄弧时间变长，可能引起送出线重合闸失败。

3.3 风电场投运机组数对送出线非全相运行电流的影响

风电场注入容量为30MW，投运机组数不同时，其送出线非全相运行电流如图10、11所示。

风电场注入容量相同，运行方式1投运机组数20台，运行方式2投运机组数40台。从图10、11可看出风电场机组类型和注入容量相同时，投运机组数不同，非全相运行时健全相电流和潜供电流也不相同。这是因为风电注入容量相同，正常运行时的负荷电流相同；而投运同类型不同数量的风电机组，风电场阻抗不同。非全相运行时的健全相电流和潜供电流受阻抗影响也不相同。仿真结果与理论分析相吻合。而潜供电流变化熄弧时间也随之变化，因此风电场送出线重合闸配置应考虑投运机组数对潜供电流的影响。

图10 投运20台机组时，异步风电场送出线电流Fig.10 Outgoing line current of asynchronous wind farm when twenty units are operating

图11 投运40台机组时，异步风电场送出线电流Fig.11 Outgoing line current of asynchronous wind farm when forty units are operating

4 结论

本文推导了风电场送出线和常规能源送出线非全相运行时健全相电流的表达式，结合风电场的特性，研究了风电场、常规能源送出线非全相运行时健全相电流的差异。在此基础上研究了风电场、常规能源送出线非全相运行时潜供电流的特点。研究结果表明：风电场不同于常规能源，在送出线非全相运行时健全相电流增大；在网架结构不变的情况下，同等注入容量的风电场其潜供电流比常规能源增大。研究了影响风电场送出线非全相运行时电流的因素，研究表明非全相运行时健全相电流及潜供电流受风电场机型、风电场出力、投运机组数的影响。因此应结合风电机组类型、风电场注入容量、投运机组数分析潜供电流对送出线重合闸的影响，为风电场送出线重合闸配置提供理论基础，提高风电场送出线重合成功率。

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