双馈电源接入对变压器差动保护的影响机理分析

肖 繁，尹 柳，戚宣威，张 哲，尹项根

（1.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，武汉 430077；2.国网湖南省电力有限公司长沙供电分公司，长沙 410000；3.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；4.华中科技大学电气与电子工程学院，武汉 430074）

0 引言

变压器是电力系统重要的一次设备，其安全运行对电力系统稳定至关重要。但随着双馈感应风力发电机组的规模化接入，其短路电流特性与传统同步发电机组有很大区别，可能会影响变压器差动保护性能，进而影响电力系统的正常运行。

目前，国内外学者对可再生能源接入电网的影响主要侧重在含可再生能源接入的配电网继电保护，以及可再生能源电场保护的分析与研究，而新能源电场接入对电网保护的影响缺乏相关的分析。特别是对于双馈型电源，其低电压穿越方案包括多种，且配置了Crowbar（撬棒）保护，不同控制策略下的故障电流特性复杂，将可能对变压器保护性能产生影响。对于新能源电场升压变压器保护，文献[1]分析了双馈感应风电机组提供的短路电流中2次谐波分量的产生原因，并分析了故障电流中2次谐波分量将可能导致双馈风电场近区变压器差动保护中2次谐波制动元件发生误动作的现象；文献[2]从含双馈风电机群接入的电网在不同位置和不同故障类别等方面，定性地分析了以相量值及采样值为基础的近区变压器差动保护的动作情况及正确性。以上工作的开展对新能源电场近区变压器的继电保护原理研究和实际应用具有参考价值，但对双馈感应发电机组的Crowbar保护激活引起的各电气量暂态变化特征分析较为缺乏。此外，为减小故障电流对外部电网保护影响，文献[3]提出将新能源电场升压变压器中性点经SFCL（超导故障限流器）接地，并提出了新能源机组规模化接入电网后，其近区变压器与其内部汇流母线、集电线路以及箱式变压器等保护的协调配合策略，以提高新能源电场的安全运行水平，但该方案存在花费较高、推广范围有限的问题。因此，亟待开展双馈型电源接入对变压器差动保护影响的研究，并针对相关缺陷提出改进方案。

针对双馈感应发电机组对变压器差动保护的影响，本文首先考虑双馈感应发电机组低电压穿越运行方案的影响，并分析了双馈感应发电机组的故障电流特征。在此基础上，分析了双馈感应发电机组接入对变压器差动保护的影响机理，最后通过仿真验证了分析结论的正确性。

1 双馈感应发电机组的短路电流特性

为确保自身的安全稳定运行，双馈感应发电机组一般配置了Crowbar保护。Crowbar保护的行为特征对双馈感应发电机组的短路电流特性有重要影响。在Crowbar保护激活前，双馈感应发电机组将处于励磁系统控制的工况下，在Crowbar保护激活后，将运行于类似异步电动机的工况。因此，需要分别建立考虑RSC（转子变流器）励磁调节控制影响和Crowbar激活后的双馈感应发电机组的短路计算等值模型。

1.1 考虑RSC影响的双馈感应发电机组短路计算模型

由现有研究可知，当Crowbar保护未激活时，双馈感应发电机组的短路电流特性与其采用的低电压穿越励磁控制策略有关。因此，需要根据双馈感应发电机组采用的低电压穿越控制方案建立双馈感应发电机组对应的短路计算等值模型。

根据GB/T 19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》规范，当电网发生三相对称故障时，风电机组需要发出无功功率来维持电网电压稳定。同时，当电网发生不对称故障时，双馈感应发电机将可能存在转矩脉动、功率振荡、定子绕组不均衡发热等状况。为确保电网故障条件下双馈型电源的安全稳定运行，国内外研究人员开展了多方面的研究。提出的主要控制方案有[4-8]：

（1）采用平衡定子电流控制的策略。以消除定子短路电流中负序分量为目标，通过对转子和网侧换流器进行控制，减小定子短路电流负序分量带来的不利影响。

（2）采用恒定有功功率控制的策略。主要通过转子和网侧换流器进行协调控制，消除双馈感应发电机向电网所提供有功功率中的2次倍频分量。

（3）采用恒定的电磁转矩控制策略。为消除双馈感应发电机组电磁转矩中的2次倍频分量，减小对轴系的机械扭振，主要通过转子换流器的运行控制来实现。

根据文献[9-13]，当电力系统发生不对称故障时，双馈感应发电机组在各不同励磁控制方案下定子短路电流可知，双馈感应发电机组的短路电流等值计算模型可等效为受控电流源模型，双馈感应发电机组提供的正序短路电流可表征为：

在式（2）中引入 δv（1）主要是因为当双馈感应发电机组采用定子电压定向矢量控制方案时，和 d 轴同相，则可表征正序电流 IDFIG（1）与正序定子电压矢量的夹角， 因此才能准确地表示短路电流正序分量IDFIG（1）与参考量之间的相角差。

同理，计及RSC影响的双馈感应发电机短路电流负序分量可表征为：

1.2 Crowbar保护动作后的双馈感应发电机组短路计算等值模型

在电网发生故障的条件下，如果双馈感应发电机组的转子电流或者直流母线电压大于Crowbar保护激活时设置的整定值，为保证RSC的运行安全，双馈感应发电机组配置Crowbar保护将激活。此时，双馈感应发电机组的短路电流与受RSC励磁调节状态下的短路电流有较大区别，需要重新建立双馈感应发电机组短路计算等值模型。

在双馈感应发电机组的Crowbar保护激活后，其在两相静止坐标系下短路电流基频分量可表达为：

可推导得到双馈感应发电机三相定子故障电流的基频分量为：

由此可以得到A相正、负序分量等效计算模型。通过对比可知，双馈感应发电机组短路电流稳态基频分量对应的等效计算模型与异步电动机类同。因此，Crowbar保护激活后，双馈感应发电机组在电力系统正序和负序网络中的等值阻抗分别为：

式中：Lrσ为机组的转子漏抗；Lm为机组的定转子互感；Lsσ为机组的定子漏抗；′为机组的转子绕组等效电阻。

2 变压器差动保护原理

由于差动保护具有动作速度快和选择性好的特点，变压器一般采用差动保护作为其主保护。与电网中输电线路的差动保护相比，它不仅配置电流基频分量保护，还配置有谐波保护，主要用来防止因励磁涌流的影响而造成变压器保护误动。然而，双馈感应发电机组的短路电流特性复杂，其在Crowbar保护激活的情况下提供的短路电流将含有谐波分量，将可能会对变压器保护的性能产生影响[14-17]。因此，需要对双馈风电场近区的变压器差动保护性能进行分析研究。

变压器差动保护一般以相量方式实现，包含3个主要元件，分别为差动速动元件、涌流闭锁元件和比率制动特性的差动元件。

当变压器为两绕组变压器时，其比率差动保护的动作表达式为：

式中：IOP.O为差动保护最小动作电流值；Ires.0为差动保护最小制动电流值；Ires为差动保护制动电流；IOP为差动保护的差动电流；Ie为变压器二次侧额定电流；k为差动保护比率制动系数值。其中，IOP=I1+I2， Ires≥ I1-I2/2； I1， I2分别为变压器两侧指向变压器的二次侧电流值。

同时，为了防止变压器差动保护因变压器中励磁涌流过高而误动，其差动保护中一般有2次谐波的闭锁元件，闭锁表达式为：

式中：IOP.2为差动电流中的2次谐波分量值；IOP.1为差动电流中的基频分量值；K2为差动保护中2次谐波制动系数的整定值。

此外，当变压器发生严重故障时，为减小对变压器的损坏，应快速切除故障，变压器差动保护中还有差流速断保护元件，其原理为当继电器中任何一相的差动电流大于差流速断的整定值时，差动保护的差流速断元件立刻动作，即跳开变压器各侧的断路器。

3 双馈感应发电机组对变压器差动保护影响

根据双馈感应发电机组的短路电流特性以及建立的短路等值计算模型可知，在Crowbar保护激活的条件下，双馈感应发电机组中短路电流包含有稳态基频分量、转速频率分量和衰减的直流分量。其中，故障发生前的双馈感应发电机组机端电流初始值及相位对其转速频率分量有影响。由于双馈感应机组为惯性设备，在电网暂态故障期间，其转速基本可认为不变，因此双馈感应发电机组频率的大小取决于故障时刻的双馈感应发电机组转速的大小，即故障发生之前的转速大小。同时，由于双馈感应发电机组转速的变化范围一般在0.7～1.3 p.u.，因此双馈感应发电机组输出的短路电流频率将会在35～65 Hz。此外，在靠近双馈风电机群接入的近区电网发生故障时，Crowbar保护将自动激活。由于Crowbar保护激活前后，双馈感应发电机组中短路电流将发生明显变化，且Crowbar保护激活存在时延，将可能会导致计算短路电流2次谐波分量的保护算法出现跨越数据窗口进行计算的问题。此时，计算出来的结果与实际相差较大，可能会对变压器励磁涌流判据正确性造成影响，使差动保护发生误闭锁现象。因此，双馈感应发电机组接入后需要考虑转速频率分量对差动保护算法的影响，以及电网故障暂态期间跨越保护数据计算窗口的影响。

下面分析双馈感应发电机组Crowbar保护激活后，因跨越保护数据计算窗口以及短路电流暂态分量等因素所产生的“2次”分量的影响，从而系统全面地分析双馈感应发电机组给变压器差动保护带来的影响。以图1所示的含双馈风电机组群接入的电网模型为例，假设升压变压器内部T1处发生了轻微和严重的内部故障，通过全周富氏算法可以计算出变压器差动保护中差动电流的2次谐波分量的大小，以及双馈风电机组所提供短路电流中2次谐波分量的大小。

图1 风电场集中接入电力系统的等值模型

图1中，各线路型号相同，单位长度参数为：r（1）=r（2）=0.17 Ω/km，r（1）=r（2）=0.394 Ω/km，r（0）=0.19 Ω/km， r（0）=0.43 Ω/km， 线路 L1， L2， L3的长度分别为2 km，3 km，0.2 km。双绕组变压器T1的容量为2/2 MVA，变比为0.69/36.75 kV，联结组别为Yd，漏电抗为6.5%，负荷LD的等效阻抗为（120+j39.1）Ω。双馈感应发电机组的参数如下：Usn=690 V， fn=50 Hz， Ls=Lr=23 192 p.u.， Lm=21 767 p.u.，Rs=0.007 56 p.u.， Rr=0.005 33 p.u.， 转子额定转速为1.2 p.u.。在电网故障发生前，双馈感应发电机组输出有功功率为1.0 p.u.。

当电网发生故障时，双馈感应发电机群提供故障电流中2次谐波分量的大小和基频分量大小的仿真数据如图2—图5所示。其中，电网发生故障的时刻为1.0 s；图中两条曲线分别表示短路电流中基频分量的大小，以及短路电流中2次谐波分量的大小。此外，图2（a）表示故障相短路电流靠近双馈感应发电机组侧的基频分量和2次谐波分量的大小；图2（b）表示变压器差动保护差动电流中2次谐波分量在基频分量中的占比。

图2 单相接地故障

由图2—图5所示可知，在所研究的含双馈风电机组接入的电网环境下，即使在变压器内部发生任何类型的短路故障，由于系统提供的故障电流远大于双馈风电机群提供的故障电流，因此，虽然双馈风电机群所提供故障电流中2次谐波分量在基频分量中的占比较大，但在变压器差动保护的差动电流中，其2次谐波分量在基频分量中的占比仍很小，即不会导致变压器差动保护发生误闭锁现象，变压器差动保护将正常动作。但需要说明的是，本文所考虑的是外部电网较强的情况，在外部电网较弱的情况下，双馈风电机群提供的短路电流在差动电流中的占比较大，此时双馈风电机组提供故障电流中的2次谐波大小不能忽略，严重时会影响变压器差动保护的性能。

图3 两相相间故障

图4 两相接地故障

图5 三相对称故障

为研究外部电网为弱系统时，双馈风电机群提供短路电流对变压器差动保护的影响，基于图1中的电网结构，假设将系统电源的内阻抗增至50 Ω，在变压器内部T1处设置不同短路故障类型。在此条件下，变压器差动保护中差动电流的2次谐波和基频分量的变化情况见图6—图9。可知，在电网发生故障的暂态过程中，靠近双馈风电机群近区电网的变压器差动保护存在短时误闭锁现象，将可能降低变压器差动保护的动作速度。

图6 单相接地故障

图7 两相相间故障

图8 两相接地故障

由图6—图9可知，在系统电源的内阻抗增加后，其向变压器提供的短路电流将减小。当其提供的短路电流小到一定程度时，由于双馈风电机群的Crowbar保护激活后存在保护算法跨越数据窗口的问题，以及转速频率分量对保护算法的影响等，将可能导致变压器差动保护误闭锁。

图9 三相对称故障

综合上述分析，对Crowbar保护未激活的双馈感应风电机组，其在电网故障条件下主要受转子换流器励磁调节的影响，其提供的短路电流将不会影响变压器差动保护的动作性能。但在双馈风电机群规模化接入的近区电网发生变压器内部故障时，将会使得双馈风电机群配置的Crowbar保护激活，由于双馈感应风电机组提供的短路电流中包含有较大的2次谐波分量，将可能对其近区电网的变压器差动保护动作性能产生影响，具体影响程度与外部电网的强弱有关。当外部电网为弱电网时，双馈风电机群提供的短路电流在变压器差动保护差动电流的占比较高，在电网故障的暂态过程中，其差动保护将会因2次谐波制动而短时误闭锁，即将影响变压器差动保护的动作速度。

4 结语

本文根据双馈风电机组低电压穿越控制策略分析了其故障特性，并建立了相应的故障计算模型。在此基础上，分析了双馈风电机组对变压器差动保护的影响。结果表明：外部电网较强时，其馈出的短路电流不会影响变压器差动保护的动作性能；当外部电网相对较弱且双馈风电机组Crowbar保护投入时，双馈感应风电机组提供的短路电流在差动电流中占比较高，在电网故障的暂态过程中，变压器差动保护可能会发生短时误闭锁的现象，即双馈感应发电机组的规模化接入将影响其近区电网变压器差动保护的动作速度[19-21]。