线路纵联差动保护改善风电场35kV系统稳定运行能力的研究

贾德峰 王明东 宁 静

线路纵联差动保护改善风电场35kV系统稳定运行能力的研究

贾德峰1王明东2宁 静2

（1.许昌开普检测技术有限公司，河南 许昌 461000；2.郑州大学电气工程学院，河南 郑州 450001）

风电场35kV系统故障不能快速切除是风电机组脱网容量增加的主要原因之一。在风电场35kV出线配置纵联电流差动保护，可快速切除故障，缩短系统故障时间，避免非故障支路风电机组脱网，从而提升含风电场电力系统的稳定运行能力。在MATLAB平台上搭建了含风电场的电力系统仿真模型，针对风电机组35kV送出线路上的各种故障，比较了线路配置纵联电流差动保护和配置常规三段式电流保护时风电场的动作行为。结果表明，线路配置纵联电流差动保护可以提升风电场的稳定运行能力。

纵联电流差动；风电场；稳定运行能力

风力发电低碳环保，有巨大的市场潜力，然而含风电电网时常出现的风电机组脱网现象对电力系统造成了不同程度的影响，受到了专家学者的广泛重视［1-9］。馈线故障是导致风电机组脱网的主要原因之一。据统计，风电场风机馈线电缆头缺陷占所有故障的51%［10］。由于电力系统中35kV及以下线路属配电网，按常规只配置三段式过流保护，这使得风电场35kV系统故障不能快速排除，导致事故扩大，风电机组脱网容量增加。例如，2011年4月，张北地区佳鑫风电场35kV汇集线发生L2、L3相间短路故障后，没有快速切除故障，导致风电机组大规模脱网［11,12］。本文对风电机组脱网的原因进行分析，采用既有选择性、又能保证速动性的纵联电流差动保护代替常规三段式过流保护，基于MATLAB平台建立了含风电场的电力系统仿真模型并进行仿真分析，研究提升风电场稳定运行能力的方法。

1 风电机组与线路保护配置

风电场保护主要由风电机组保护、馈线保护、变压器保护、35kV送出线保护四部分构成。35kV送出线发生故障时，保护动作行为对风电场运行的影响主要与其中的风电机组保护和35kV送出线保护相关。

1.1 风电机组保护配置

目前的风电机组主力机型为双馈机组，其采用的变速恒频发电方式具有传统感应发电机无法比拟的优越性。变流器是变速恒频发电机的关键部件，其功率模块大多选用绝缘栅双极型晶体管（IGBT），但其过载能力较差，因此变流器是双馈风电机组的首要保护对象。按常规配置电流速断、直流过电压等保护，详见表1。

表1 风电机组保护配置

1.2 风电场35kV送出线保护配置

110kV及以上线路的主保护以纵联电流差动保护为主。对于35kV线路，由于属于重要性稍次的配电网，在保护配置上更为关注经济性；再者，35kV配电线路一般都是单电源，配置纵联电流差动保护没有太大意义。因此，35kV线路一般配置三段式电流保护（主保护为电流速断保护SD、限时电流速断保护OC），保护定值见表2。

表2 一般35kV送出线三段式电流保护配置

风电场的35kV送出线与一般35kV线路有所不同。风电场35kV送出线虽然仍是配电线路，却也是联络线，两端都有电源。因此，除了一般35kV线路配置的三段式电流保护方案外，风电场35kV送出线还可以选择纵联电流差动保护（CD）方案，保护接线如图1所示。图中S、W分别表示系统侧35kV母线和风电场侧35kV母线，QF1、QF2分别为系统侧断路器和风电场侧断路器，TA1、TA2分别为系统侧电流互感器器和风电场侧电流互感器，Line为35kV线路。

纵联电流差动保护差动动作方程为：

式（1）和式（2）中，ICD为保护动作电流，Ir为制动电流，I1为线路系统侧电流，I2为线路风电场侧电流，ISET为差动动作电流定值，取1p.u.。

图1 35kV线路差动保护接线示意图

2 含风电场电力系统及其仿真模型

某含风电场110kV电力系统如图2所示，由风电机组A和B（WTA、WTB）、风电场负荷（Load1、Load2）、变压器T1-T3、110kV系统（110kV电源S和线路Line3）、35kV线路（Line1、Line2）等组成。两台风电机组均为双馈机组，容量均为1.5MW，采用加拿大魁北克水电局的风电机组向量模型。WTA中风速模型采用恒风速，11m/s；WTB中风速模型采用渐变风速，从8m/s渐变到11m/s，渐变时间5s。WTA、WTB均采用电压控制模式（控制机端电压在1p.u.）。110kV系统短路容量200MVA。风电机组出口电压575V，升压到35kV，经10km架空线汇集到35kV系统母线。

图2 某含风电场电力系统示意图

图2 所示系统的MATLAB仿真模型如图3所示，35kV线路系统侧为S侧，风电场侧为W侧。K1点为S侧故障点、K2点为线路中点故障点，K3点为W侧故障点。

图3所示模型中的保护子系统采用的是数字虚拟继电器（trip模块）。以线路差动保护L1相数字虚拟差动继电器为例，计算、判断、出口逻辑如图4所示。

3 仿真研究

设WTA的35kV送出线路分别在K1、K2、K3点发生各种类型故障，包括单相接地故障f（1）、两相短路故障f（2）、两相短路接地故障f（1,1）、三相短路故障f（3）。故障时刻为35s，持续时间为0.2s。采用三段式电流保护方案和纵联差动保护方案时的各保护动作时间分别如表3所示。表中的保护动作时间从故障起始时刻开始计时，其中包含断路器分断时间，按40ms考虑；表中的“/”表示保护不动作。

图3 含风电场电力系统仿真模型

图4 数字虚拟差动继电器

从表3可以看出，K1、K2或K3发生各种故障时，两种方案均能快速切除故障（K3故障时，三段式保护方案限时电流速断保护动作时间为0.14s，比差动保护CD的0.04s慢），WTA机组保护动作切机；K1发生三相金属性短路故障时，不管采用哪种方案，由于35kV系统侧电压跌落到0kV，使WTB电压过低，直流过电压保护瞬时动作，造成WTB脱网；K3发生两相短路接地故障或三相短路故障时，三段式方案电流限时速断保护动作较慢而导致WTB脱网。而采用纵联差动保护方案，既能实现快速性，也可实现选择性，可以避免WTB脱网导致事故扩大。

表3 线路保护、风电机组保护动作时间表（单位：s）

图5为K3发生三相短路故障时，两种保护方案下的B575B母线电压变化曲线。故障后，B575A电压跌落到0V，直流过电压保护瞬时动作，切除风电机组WTA。若采用三段式限时电流速断保护方案，到0.14s保护才能切除故障，但WTB的交流正序低电压保护在0.11s就切除了风电机组，如图中虚线所示。若采用纵联电流差动保护方案，故障后0.04s即切除故障，0.06s时WTB电压恢复正常，从而可以继续稳定运行，如图中实线表示。

图5 K3三相短路故障时，两种保护方案下的B575B母线电压变化曲线

4 结论

风电场35kV系统如果只配置三段式过流保护，会造成35kV送出线故障不能快速切除，导致事故扩大，风电机组脱网容量增加。本文采用既有选择性，又能保证速动性的纵联电流差动保护代替常规三段式过流保护，基于MATLAB平台建立含风电场的电力系统仿真模型并进行仿真分析。仿真结果表明，采用纵联电流差动保护，可快速切除风电机组送出线故障，避免非故障支路风电机组脱网，提升风电场的稳定运行能力。由于目前35kV系统采用真空断路器，分断时间可减到40ms以内（不包含灭弧时间），能满足快速切除故障的要求，在工程上也是可行的。建议加强对含风电场电力系统的保护配置研究，试点将风电场送出线保护改造为纵联差动保护，从而避免风电机组大容量脱网，这将有利于电力系统的安全稳定运行。

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Study on the Improvement of the Stability of Wind Farm 35kV System by Line Longitudinal DIfferential Protection

Jia Defeng1Wang Mingdong2Ning Jing2
（1.Xuchang Kaipu Inspection Technology Co.,Ltd.，Xuchang Henan 461000；2.College of Electrical Engineering,Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

The failure of 35kV system in wind farm can not be eliminated quickly,which is one of the main reasons for the increase of the capacity of wind turbines.Line configuration in wind farm 35kV longi⁃tudinal differential current protection,can quickly remove the fault,shorten the time of system failure,avoid non fault branches off grid wind turbines,so as to enhance the stability of power system containing wind farms.To build a simulation model of power system with wind farm on the MATLAB platform,aim⁃ing at all kinds of fault of wind turbine 35kV transmission lines,the line current differential protection and configuration of the conventional three section current protection action of wind farms.The results show that the line configuration and differential current differential protection can improve the stability of the wind farm.

∶longitudinal current differential；wind farm；stable operation capability

TM773

A

1003-5168（2017）10-0122-04

2017-09-01

贾德峰（1977-），男，硕士，研究方向：电力系统仿真、继电保护。