基于LVRT的风电场集电线路保护配合及整定优化

杨伟伟，王硕禾，陈 金，牛江川

（1.石家庄铁道大学，河北 石家庄 050043； 2.河北鲲能电力工程咨询有限公司，河北 石家庄 050000）

0 前言

中国的风能分布特点决定了风电以大规模集中接入方式为主，集电系统成为风电场组成必不可少的部分[1]。 集电系统的继电保护在风电场规划中不容忽视。2011 年甘肃酒泉等风电基地发生了多起大规模风电机组脱网事故，主要是由风电场场内35 kV 集电线路电气设备轻微故障引起的[2]。针对此类事故，国家电网公司要求快速切除集电系统故障，提高集电线路电流保护的灵敏性优先级[3]。 然而，造成集电线路故障的短路电流大于其保护I 段整定值，电流保护在熔断器熔断前动作，即造成该线路上所有风机脱网，不符合风电场接入电力系统技术的规定，因此要求风电场必须具有低电压穿越（LVRT）能力[4]。 风电场必须提高保护的选择性，避免切除处于LVRT 的风机，同时也不漏切真正发生严重故障的风机，提高集电线路电流保护与LVRT 的协调性以及区域保护配合性。

目前，国内外学者对风电场集电系统短路电流特性和继电保护进行了大量研究。文献[5]～[7]从风电场保护整定的角度出发，利用数学模型推导了LVRT 全阶段双馈感应发电机（DFIG）的短路电流计算公式。 文献[8]研究了风电场的接入对配电网短路电流及电流保护各段整定值的影响，给出限制风电接入点短路容量的方法，却没有从优化整定的方向研究。文献[9]，[10]讨论了集电线路电流保护与LVRT 配合的必要性，但未给出具体方案。 文献[11]讨论了当进行集电线路电流保护整定时，若不计及非故障集电线路风机流入的短路电流，将产生至少5%的误差；同时提出了新的集电线路电流保护整定方案，实现了与LVRT 协调配合，具有一定的选择性；但是没有考虑保护的区域配合，与箱变的进线处熔断器保护存在不协调，相邻集电线路保护III 段存在误动可能。 文献[12]，[13]提出结合风电场运行方式对风电场联络线采用自适应距离保护，可正确保护本段线路，为集电线路电流保护提供了一种自适应优化思路。

在上述研究基础上，本文以DFIG 风电场集电线路三段式过流保护为研究对象，针对集电线路保护与箱式变压器保护不配合以及与低电压穿越不协调的问题，首先分析了现有风电场箱式变压器保护和集电线路保护的整定方案，指出其配合不协调和选择性不足的问题。 本文结合风电机组LVRT 期间的短路电流特性，进一步分析影响集电线路短路电流的主要因素，得到集电线路短路电流变化曲线； 提出了新的与区域保护协调以及与LVRT 配合的集电线路自适应保护整定方案。 通过PSCAD 软件仿真验证了所提方法的可行性，可作为风电场保护设计的参考。

1 风电场集电系统保护配置

风电场由多台风机产生电能，经过集电系统的升压变压器送至电网。 集电系统为风机箱式变压器与升压站间的电气联接部分，包含集电线路、断路器和汇流母线等[1]。 风电场各个部分均配备了相应的保护设备，以保证风电场安全运行。

1.1 风电场集电线路保护和箱式变压器保护配置

图1 为风电场保护配置示意图。

图1 风电场保护配置示意图Fig.1 Schematic diagram of wind farm protection configuration

图1 中的虚线框A 为箱式变压器保护区域，虚线区域B 为集电线路保护区域。 集电线路保护一般配置为两段式电流速断保护和过电流保护。调研发现，现阶段商用并网风电场的箱式变压器一般只配备了负荷开关和熔断器。一方面，熔断器与机组保护配合的动作时间小于0.1 s；由于熔断器的反时限特性，它的熔断时间受过载电流的影响，过载电流较小，熔断时间较长，从而失去速动性，进而无法保证选择性。 另一方面，熔断器须要与上一级集电线路电流保护配合，使其作为风机出口至集电线路分支的后备保护； 当集电线路短路电流大于其保护I 段整定值时，电流I 段保护先于熔断器动作，造成整条集电线路的风机全部脱网。可见，熔断器与集电线路电流保护是不相配合的。

1.2 现有集电线路电流保护及分析

继电保护的基本要求是满足可靠性、选择性、速动性和灵敏性，本文据此对集电线路电流保护进行分析[14]。 现有集电线路电流保护为三段式电流保护，其整定主要原则：电流I 段按本线路末端相间故障有足够灵敏度整定，灵敏系数Ksen 不小于1.5，时间为0 s；电流II 段按躲过本线路最大负荷电流整定，时间比电流I 段多一个时间阶梯Δt；电流III 段可不设置；汇集线路不采用自动重合闸[11]。

通过分析可知，电流I 段灵敏性过高，而熔断器熔断时间一般为0.1 s，风电场集电线路一般多为距离较长的线路，这可能造成集电线路保护与熔断器不配合，导致风机出口处故障与集电线路入口处故障难以区分，容易引起相邻集电线路保护误动，造成大面积脱网事故；电流II 段与LVRT时间不配合，电流II 段时间比电流I 段多一个时间阶梯Δ t，集电线路保护在0.3 s 内动作；当电网发生故障时，要求风电场低电压运行至少保证0.625 s，即包括0.5 s 的后备保护时间和0.125 s的保护启动和开关动作的时间[15]。

综上所述，现有集电线路电流保护主要存在着选择性不足的问题，与LVRT 和下一级区域的箱式变压器保护熔断器以及相邻集电线路保护存在配合问题。

2 LVRT期间DFIG和集电线路短路电流特性分析

2.1 LVRT期间DFIG短路电流特性分析

LVRT 期间的短路电流分为两种情况： ①撬棒投入，变流器闭锁；②撬棒退出，变流器工作。短路电流约在一半周波t=T/2（10 ms）时达到最大值。 投入后撬棒电阻使转子衰减时间常数变小，一般为0.003 s，加速了短路电流的衰减[6]。 当电流快速衰减后，在LVRT 策略下，风机再次进入变流器控制阶段，并依据机端电压跌落多少配合无功补偿装置发出一定的有功和无功。 之后DFIG 提供的短路电流在一个控制响应周期后逐渐稳定[15]。

图2 为采用IEEE14 节点模型基于PSCAD/EMTDC 仿真的风电场故障时短路电流变化图。在1.2 s 机端A 相电压跌落至0.26 p.u.，定子短路电流在10 ms 时达到峰值。 图3 所示为LVRT 期间撬棒在1.207 5 s 时投入，约20 ms 后切出。 DFIG根据反馈值进入变流器控制阶段，短路电流逐渐稳定，约1.3 s 时短路电流进入稳态阶段，整个暂态过程大约100 ms，之后进入稳态阶段。

图2 DFIG 在LVRT 短路电流变化情况Fig.2 Short-circuit current change of DFIG in LVRT

图3 Crowbar 动作时序图Fig.3 Crowbar action timing diagram

DFIG 短路电流暂态过程很短，尤其是投入Crowbar 保护后，由于撬棒电阻远大于转子电阻，转子短路电流的时间衰减常数变小，暂态阶段电流瞬间增大又快速衰减，使短路电流暂态阶段时间很短。此阶段电流变化剧烈，不利于继电保护装置采集信号。 同时，Crowbar 阻值和投切次数控制策略的变化会对短路电流值产生一定的影响，不利于电流保护整定。经分析，本文采用稳态阶段的短路电流作为主要整定依据。

2.2 集电线路短路电流变化规律

集电线路短路电流除了与DFIG 短路电流有关外，还与故障在集电线路上的位置、风电场运行方式和系统阻抗大小有关，图4 的集电线路电流曲线显示了具体关系[11]。

图4 集电线路电流曲线Fig.4 Collecting line current curve

图中，横轴为故障点与集电点（PCC）间距离l，纵轴为流过集电线路的最大短路电流Idf；A，B点分别为集电线路出口处第一台风电机组接入点和最后一台风电机组接入点；ILVRTmax为轻微故障后进入LVRT 状态保持不脱网运行时集电线路的最大短路电流；Iloadmax为最大负荷电流。 曲线Iij，Iijcrowbar分别为未 LVRT 时、LVRT 时的风机电流。

3 保护配合和整定优化

针对集电线路电流保护与LVRT 不协调的问题，本文从两个方面入手加以整定。 首先，进行整定优化；其次，减小非故障线路LVRT 压力。 图5为风机至中压PCC 母线的集电线路故障时的系统结构图。 以下将基于风电场集电线路故障时的整定说明图来阐述。

图5 集电线路故障时整定说明图Fig.5 Tuning diagram of the set line fault

本文对于所分析的保护不配合情况，提出了采用电压电流结合的方法，即选择自适应的反时限低电压方向保护策略。式（1），（2）分别为保护的启动判据、动作时限。

主保护：

为保证保护选择性和速动性，动作时限为采集电压和电流信号的关系式，且满足功率正方向。

式中：Uset为动作电压，取 Uset为 KrelUN，可靠系数Krel根据系统最小运行方式、风电场集电线路进线处发生两相短路时的中压PCC 母线电压来整定；K1为保护定值，其大小根据DFIG 的LVRT 能力和集电线路保护与箱变的配合来整定；I采集，U采集分别为集电线路保护采集的电流、电压。

为了确保箱式变压器保护和集电线路保护的配合，及时切除故障机组，以减小其他风机LVRT要求，在一定程度上降低其他机组LVRT 要求。 t1的选取可根据两个条件来整定： ①集电线路分支即风机至箱式变压器段发生故障时，以确保熔断器先动作为目标，即t1≥0.1 s；②集电线路剩余分支发生故障时，以确保故障集电线路先动作，避免其他集电线路风机低电压运行为目标，即t1＜0.1 s。具体步骤如下。

考虑整定条件可得：

通过分析可知，在系统最大运行方式下，集电线路末端三相短路时，对K1要求最高，因为此时集电线路短路电流最大。 令 I采集=Id.r.max，Id.r.max为系统最大运行方式下集电线路末端三相短路时的集电线路电流；同时，令PCC 母线电压最小。为了避免式（3）不等式两边相差较小，导致集电线路保护抢跳或与熔断器同时动作，可乘以一个可靠系数Krelt来保证选择性，Krelt=1.2～1.3。

根据式（2），（3），并考虑整定条件可得：

式中：Ud.r.max为系统最大运行方式下，集电线路末端三相短路时的PCC 母线电压。

当各条集电线路同时安装此保护后，采集各条线路实时信号，并作出判断与动作。 启动装置后，当第一组集电线路与中压PCC 母线连接处发生短路时，风电场与中压PCC 母线相连的其他集电线路电压也低于整定值，所有保护均处于启动状态。 根据式（2）可知，当故障集电线路短路电流大于非故障集电线路电流，且保证了故障方向为正，故障线路首先跳闸。 故障消除后，风电场其他风机电压恢复并重新正常工作，保护启动值返回。由式（2）可知，中压PCC 母线电压跌落越深，其保护动作越快。因此，主保护能快速精准地将故障线切除，非故障线路低电压运行时间短，缓解了相邻集电线路上DFIG 的LVRT 的穿越压力。

与相邻集电线路保护区分配合实现原理：当第一组集电线路发生故障时，其短路电流由所有非故障线上的风机提供，而其他线路短路电流仅由自己线路上的风机提供。由于箱变阻抗的存在，一般使得短路电流由690 V 折算到中压后变得更小，而电网对短路点提供短路电流很大，这使得非故障线路风机很难向电网传输电流。 此时第一组故障线路短路电流主要由电网电流组成，远大于其他组集电线路电流，动作时间远小于其他线路，且故障方向为正。这样，实现了与相邻集电线路的区分配合，具有一定的选择性。

与熔断器配合的实现原理为该保护的反时限。 当集电线路出口处或者箱变高压侧发生故障时，熔断器应先动作，这就要求当风电机组与集电线路分支短路时，必须给该反时限保护一定的熔断时间，以确保本支路箱变保护先动作。由风电场集电线路保护和箱式变压器保护配置分析可知，熔断器的熔断时间与流过电流大小成反比，一般动作时间在 0.1 s 之内。 延时功能可由式（2）保护定值实现。 为了配合严重故障情况下上下级线路保护，可根据系统在最大运行方式下，集电线路末端发生三相短路故障时的中压PCC 母线电压及故障线路电流值来整定。

电流保护为后备保护。主保护的整定方法是系统在最大运行方式下发生三相短路时，对严重故障的判别能保证快速性与选择性，但是当集电线路末端（风机机端）发生轻微故障时，可能出现快速性不够，甚至拒动的情况。 此时可按系统在最小运行方式下发生两相短路故障时的集电线路短路电流进行整定，故 IsetⅡ=Id.B.min。 根据 LVRT要求，风电场至少保证低电压运行0.625 s，取t2=0.625 s。这样，在主保护作为严重故障判别保障的情况下，后备保护也能在0.625 s 时切除故障，作为轻微故障的保障。 最后，考虑与LVRT 协调，检验轻微故障下风机LVRT 时的最大电流ILVRTmax≤IsetⅡ。

选择电流Ⅱ段采用限时电流速断保护，电流Ⅰ段不采用：

式中：IsetⅡ为动作电流，动作时限设置为 0.625～0.675 s。

电流Ⅲ段采用过负荷保护，动作时间参考风电机组故障后的后备保护设定，取 1.2～1.5 s，动 作 整 定 值 为 IsetⅢ=Krel.3Iloadmx，可 靠 系 数 Krel.3=1.25～1.5。

采用架空线的集电线路存在异物入侵情况，如果经济条件允许，建议增设一次自动重合闸。

4 仿真验证

本文以某实际风电场为依托，按图6 拓扑结构采用单台1.5 MW 的DFIG 搭建风电场，其参数如表1 所示。

图6 仿真接线图Fig.6 Simulation wiring diagram

表1 单台DFIG 设备参数Table 1 Single DFIG device parameter

风电场机群分为3 组，每组由额定风速为11 m/s 的 11 台同型双馈风机组成，分3 回长为 8.457 km 的集电线路送至汇流母线，架空线单位阻抗为 0.395 Ω/km。 系统最大和最小正序阻抗分别为 0.032 p.u.和 0.017 p.u.。 风机发出690 V 电压，经箱变升压至 33 kV，经过升压站变压到110 kV，其他设备参数设置如表2 所示。

表2 其他设备参数Table 2 Other equipment parameters

基于算例仿真结果及整定方法计算得到：IN=0.011 3 kA，Uset=17.16 kV，K1=4.3，后备保护 IsetⅡ和IsetⅢ分别为 0.11 kA 和 0.018 kA，且 IsetⅡ=0.11＞0.10=ILVRTmax。 算例验证了电流Ⅱ保护不仅能实现轻微故障下的后备作用，结合整定时间可以看出，后备保护在动作电流大小与时间上均配合LVRT。

设置t=1 s 时发生故障，持续时间为0.3 s。 图7、图8 分别为距离 33 kV PCC 母线 7 km，1 km 处的三相短路集电线路短路电流和PCC 母线电压。图9 为距离33 kV PCC 母线7 km 处两相短路集电线路短路电流和PCC 母线电压。

图7 距离33 kV PCC 母线7 km 处三相短路电流和电压Fig.7 Three-phase short-circuit short circuit current and voltage curve at 7 km from the 33 kV PCC bus

图8 距离33 kV PCC 母线1 km 处三相短路电流和电压Fig.8 Three-phase short-circuit short circuit current and voltage at 1 km from the 33 kV PCC bus

图9 距离33 kV PCC 母线7 km 处两相短路电流和电压Fig.9 Two-phase short-circuit short circuit current and voltage at 7 km from the 33 kV PCC bus

对比图7 和图8 并进行分析可知，故障点距离 PCC 母线越近，其电压越低，故障线短路电流越大。 对比图7、图9 并进行分析可知：发生对称或不对称故障时，故障线路短路电流均大于非故障线路短路电流（约相差10倍）。

表3 4 km 处故障时故障线与非故障线动作时间Table 3 Fault line and non-fault line action time at 4 km fault

表4 机端和熔断器处故障时PCC 母线电压、短路电流和主保护动作时间Table 4 PCC bus voltage，short-circuit current and main protection action time when the machine and fuse are faulty

由表3 可见，故障距离PCC 母线越近，动作时间越短，符合自适应变化规律。由于故障越接近PCC 母线，对风电场LVRT 要求越高，因此快速精准切除能缓解风电场LVRT 压力，同时配合后备保护实现与LVRT 的协调。 结合表3可以发现，故障线动作快于非故障线，验证了与相邻集电线路的配合。

从表4 可以发现，在两相和三相故障下，集电线路各个位置的动作时间均大于0.1 s，满足熔断器0.1 s 的熔断时间要求，各保护装置能与熔断器配合动作。 仿真结果验证了本文理论分析的正确性。

5 结论

在研究DFIG 在LVRT 期间的短路电流特性基础上，分析并得到考虑主要因素的集电线路短路电流变化曲线，提出了自适应的反时限低电压方向保护作为主保护的方法，同时保留II，III 段电流保护作为后备保护，给出了新的整定方案。从理论上分析了所提方法能使集电线路保护配合风机LVRT、箱式变压器保护和相邻集电线保护，具有较好的选择性。 该保护方法具有一定的快速反应性，故障越严重，保护动作的时限越小。 本文使用PSCAD 软件进行实例仿真，计算了集电线路保护整定值，验证了所提方法能够协调集电线路保护，可与LVRT、熔断器和相邻集电线保护相配合，对风电场保护设计具有一定的实际意义。