不同类型风电场对现有继电保护仿真对比分析*

2017-12-20赵东杰樊艳芳王晓飞常喜强

电测与仪表 2017年2期

赵东杰，樊艳芳，王晓飞，常喜强

（1.新疆大学电气工程学院，乌鲁木齐830047；2.国网新疆电力调度控制中心，乌鲁木齐830002）

0 引言

近年来，技术日益成熟的风电飞速发展并逐渐形成风电集群，为可持续发展提供了新动力。随着大规模风电集群并网，将给系统的继电保护带来一系列问题，尤其是风电送出线路常规继电保护的适应性问题，尚需进一步仿真分析研究［1-4］。

目前，针对风电接入系统继电保护问题，国内外学者已进行了一定研究。文献［5-6］分析了风电接入系统出现故障期间的电磁暂态响应过程，其特征明显与传统电源有差异。文献［7-9］分析了当大规模双馈风电场送出线路出现故障时，风电系统表现出高谐波和频偏特性，指出距离保护及纵联保护可能受到影响并引起误动，但是对于其他保护元件（如：方向元件、选相元件）的影响并未涉及。文献［10-12］分析了直驱风电场的各种故障特性，并提出基于稳态电压对称分量的选相元件代替传统的电流选相元件，直驱风电场对其他保护元件的影响涉及较少。综上所述，目前研究只针对单一型风电场送出线路的故障对单个保护元件的影响，我国已建立大规模集群混合风电场，但是针对集群不同类型风电场对现有各种常规继电保护元件的影响仍然缺乏仿真分析。

本文以新疆某地区集群风电场（含双馈、直驱）为研究对象，针对双馈风电场和直驱风电场送出线路仿真分析了故障期间的暂态特性、故障特征的变化，分别对两种类型风电场对送出线路的保护元件进行动作性能测试及对比分析。对于风电场合理选择继电保护配置，以保证电网的安全、稳定、可靠运行具有一定的参考价值。

1 风电场送出线路基本保护配置

1.1 新疆某地区风电接入系统状况

以新疆某地区实际数据搭建框架，在A主变有3个49.5 MW的双馈风电场，其中风电场是多台单机容量为1.5 MW的机组通过箱变，然后经风电场主变压器及风电场110 kV送出线送至A主变110 kV母线上；在B主变有2个48MW的直驱风电场，风电场是多台单机容量2 MW的机组通过箱变，经风电场主变压器及110 kV风电场送出线送至B主变110 kV母线上，最终经过三绕组升压变压器将电能接入大系统（见图1）。

图1 集群风电接入系统框图Fig.1 Structure block diagram of cluster wind power access system

双馈风电场对风电场送出线路保护的影响以A主变区110 kV风电场3为例讨论，直驱将以B主变区110 kV风电场1为例来讨论。

1.2 风电送出线保护配置

以新疆某地区集群风电场送出线为例，主保护配置常用的有纵联方向保护和纵联电流差动保护送出线全线路；三段式距离保护常作为后备保护，但是为了满足距离保护判断故障相别以及单相重合闸的要求，需要配置的保护具有故障选相的能力，对各保护元件进行介绍如表1。

表1 各保护元件的介绍Tab.1 Introduction of protection elements

2 不同类型风电场送出线路故障特征仿真对比分析

2.1 双馈风电场不同类型故障仿真分析

针对双馈风电场，首先在t=4 s时风电场送出线路L3上点f1处发生危害较大的三相短路故障，持续故障0.1 s，为了防止直流侧过压和变换器过流在故障5 ms后机组投入Crowbar电路，由此得到双馈风电场系统侧电流i1、风电场侧电流i2及系统侧电压u1、风电场侧电压 u2仿真结果分别如图2和图3所示。

图2 双馈风电场系统电流与风电场电流Fig.2 System current and wind farm current of DFIG

图3 双馈风电场系统电压与风电场电压Fig.3 System voltage and wind farm voltage of DFIG

由图2所示，双馈风电场送出线路故障时，风电场侧短路电流仿真曲线不再规则，其主要频率分量随短路前机组工况变化，不再保持工频，系统侧电流主要由系统和其它风电场共同提供支撑，依旧是工频。由图3所示，当线路发生三相短路时，风电场装机容量相对于系统较小，系统侧阻抗小于风电场侧阻抗，风电场侧电压主要还是工频分量。

当t=4 s时在风电场送出线路L3上点f1处发生概率较大的单相接地故障，运行工况与前面相同，由此得到双馈风电场系统侧电流i1、风电场侧电流i2，及系统侧电压u1、风电场侧电压u2分别如图4和图5所示。

图4 双馈风电场系统电流与风电场电流Fig.4 System current and wind farm current of DFIG

图5 双馈风电场系统电压与风电场电压Fig.5 System voltage and wind farm voltage of DFIG

图4中，首先系统侧非故障相电流幅值小于故障相电流，风电场侧发生单线接地时，故障电流的零序分量比率比较大，非故障相幅值相位与故障相接近，这使基于序电流大小及相电流差突变量的常规保护装置受到严重影响。图5所示，双馈风电场系统侧与风电场侧故障相电压明显下跌。

2.2 直驱风电场不同类型故障仿真分析

对于直驱风电场，为区别于双馈风电场在t=2 s时送出线路L4上点f2处三相短路故障，由此得到直驱风电场系统侧电流i1、风电场侧电流i2及系统侧电压u1、风电场侧电压u2分别如图6和图7所示。

图6 直驱风电场系统电流与风电场电流Fig.6 System current and current of direct drive wind farm system

图7 直驱风电场系统电压与风电场电压Fig.7 System voltage and voltage of direct drive wind farm system

由图6所示，直驱风电场故障电流频率仍能保持工频。由图7所示，直驱风电场送出线路系统侧电压与风电场侧电压都迅速衰减到很小。

当t=2 s时在风电场送出线路L4上点f2处发生概率较大的单相接地故障，运行工况不变，直驱风电场系统侧电流i1、风电场侧电流i2如图8所示。

图8 单相故障时系统电流与风电场电流Fig.8 System current and wind farm currentwhen single phase fault occurs

仿真分析风电场送出线路故障期间，双馈风电场侧的故障电流、电压出现波动，这会对依据电流、电压计算结果而动作的保护装置产生影响导致误动。同样，直驱式风电场侧电压也出现波动，但故障电流的频率维持工频，对送出线路的保护装置造成部分影响。

3 风电场送出线路继电保护仿真对比分析

3.1 对电流差动保护元件的影响分析

根据风电送出线路的纵联电流差动保护的原理，它需要线路两端电流状况来作出相应动作。当双馈风电场送出线路出现故障时，从上面仿真可以得出系统侧故障电流保持工频，风电场侧故障电流随短路前机组的转速变化，此时基于工频相量的保护算法提取到的是非工频电流相量，对于直驱风电场故障期间其系统侧故障电流仍保持工频，由于系统远大于风电场短路容量，因此系统侧工频故障电流幅值远大于风电场侧，降低了电流差动保护的性能。对于双馈与直驱两种类型风电场，电流差动保护元件都正确动作，但是保护灵敏度却降低了。

3.2 对方向保护元件的影响分析

对于双馈风电场和直驱风电场送出线路的纵联方向保护，当保护范围内发生故障时保护正确动作，反之则拒动；如果在保护范围外发生故障时则导致误动。针对不同类型风电场、不同运行工况下（风速8 m/s、12.5 m/s）的故障仿真，通过提取工频分量的傅氏滤波算法计算，得出正序、负序、零序方向元件动作结果如表2～表4。

表2 不同运行工况下正序方向元件动作结果Tab.2 Operating results of positive-sequence directional element under different operating conditions

表3 不同运行工况下负序方向元件动作结果Tab.3 Operating results of negative-sequence directional element under different operating conditions

表4 不同运行工况下零序方向元件动作结果Tab.4 Operating results of zero-sequence directional element under different operating conditions

由表2～表4所示，对于双馈风电场正序方向元件和负序方向元件受到风电接入影响，因为当故障电流频率是非工频后均不能正常工作，而零序方向元件受风电接入影响较小，接地故障时，零序分量在风电场侧故障电流中所占比例较高，使三相电流幅值相近；对于直驱风电场正序方向元件基本不受影响，负序方向元件和零序方向元件受到部分影响不能正确动作。