风电场集中接入对集电线电流保护的影响研究

李靖

摘要：风电机组由于区别于传统发电机，故障时馈出的短路电流会对风场内部的集电线的正确动作造成影响。此外，DFIG的撬棒保护动作情况，以及风场内部复杂多变的运行方式，也给风电场集电线电流保护的整定带来了新的挑战。

关键词：风电场;集中接入;集电线电流;保护;影响

1传统集电线电流保护的整定方法

典型的双馈型风厂如图1所示，单台DFIG的容量为1.5MW，风机通过箱式变压器升压至35kV，再通过主变升压至110kV，与外部电网相连。风电场集电线电压等级为35kV，线路不长，在电网侧配置有两段式电流保护（图中M点）。

1.1传统集电线电流保护Ⅰ段整定方法

在圖1中，当待整定集电线末端f1处发生故障时，根据传统电流保护整定原则，M点的电流保护Ⅰ段定值按保本线故障具有足够灵敏度整定。

式中：IⅠset为电流保护I段整定值;KⅠsen为I段灵敏度系数，典型值取1.5;Imin-end为故障时，流过保护的最小短路电流。

在计算Imin-end时，传统整定方法采用的计算条件如下：图1中f1处发生两相短路;系统采取最小运行方式;所有风电机组退出运行。

1.2传统集电线电流保护Ⅱ段整定方法

在图1中，当待整定集电线的箱式变压器低压侧f2处发生故障时，根据传统电流保护整定原则，M点的电流保护Ⅱ段定值按躲过集电线最近处箱式变压器低压侧最大短路电流整定。

式中：IⅡset为电流保护II段整定值;KⅡrel为II段可靠系数，典型值取1.5;Imax为故障时，流过保护的最大短路电流。在计算Imax时，传统的整定方法采用的计算条件如下：图1中f2处发生三相短路;系统采用最大运行方式;所有风电机组投入运行。

2传统集电线电流保护整定方法存在的主要问题和调整策略

2.1传统电流保护Ⅰ段整定方法存在的主要问题和调整策略

（1）电流保护Ⅰ段整定计算存在的主要问题

由式（1）可知，在电流保护Ⅰ段整定中，关键在于正确计算集电线末端最小短路电流Imin-end。传统的整定方法中，所有风机将退出运行，只考虑系统提供的短路电流。这一整定方法的最大问题是没有考虑DFIG的撬棒保护动作所导致的分流作用。因此，在计算待整定集电线上的最小短路电流时，应考虑其他集电线上风机的撬棒动作情况。

（2）电流保护Ⅰ段整定方法的调整策略

在DFIG的撬棒保护不动作时，风机为有源支路，故可采用传统整定方法计算Imin-end。但当发生近区短路故障时，可能导致风电机组撬棒保护动作，此时DFIG励磁回路经撬棒电阻短接，失去励磁，其等值电路类似为异步电动机，会对系统的短路电流有分流作用，导致流过待整定集电线上的短路电流减小，如图2所示。

在图2中：待整定集电线末端f点发生两相短路;I1为系统侧向风场提供的短路电流;I2为DFIG的撬棒保护动作导致的分流作用;I3为故障集电线上的短路电流。

根据以上分析，为了正确计算Imin-end，调整后的计算条件如下：集电线末端f点发生两相短路;系统最小运行方式;其他集电线上的DFIG全部投入运行，并且撬棒保护动作。

2.2传统电流保护Ⅱ段整定方法存在的主要问题和调整策略

（1）电流保护II段整定计算存在的主要问题由式（2）可知，在电流保护Ⅱ段整定中，关键在于正确计算流过待整定集电线的最大短路电流Imax。传统的整定计算方法在计算Imax时，将风机看作传统发电机的电压源串接内阻抗的等效电源，故计算条件为所有风机全部投入运行。根据前述分析，故障发生时，DFIG的短路计算模型与传统发电机的等效模型有很大的不同：若DFIG的撬棒保护动作，则DFIG等效为异步电动机;若DFIG的撬棒保护没有动作，则DFIG等效为受控电流源模型，向外提供短路电流。

（2）电流保护Ⅱ段整定方法的调整策略

由式（2）可以看出，箱式变低压侧的最大短路电流与电网的运行方式、其他集电线的风机运行方式和本集电线上其他风机的运行方式有关。每一个条件的变动，均会影响待整定集电线的最大短路电流。下面以图3所示的电流保护Ⅱ段整定等效示意图为例，详细分析电网不同计算条件对短路电流Imax的影响。

在图3中，待整定集电线箱变低压侧f点发生三相短路故障，I1为系统侧向风场提供的短路电流，I2为其他集电线风电机组提供的短路电流，I3为故障集电线上的短路电流，I4为待整定集电线上其他DFIG提供的短路电流。

计算Imax也即计算I3的最大值。由图3可知，I3主要受I4，I2和I1影响。其中：I4由待整定集电线其他并联风电机组的运行方式决定;I2由其他集电线风电机组的运行方式决定;I1由外部系统的运行方式决定。下面分别对这三个方面进行分析。

①待整定集电线其他并联风电机组的运行方式

在传统的整定方法中，待整定集电线上并联的其他风电机组的运行方式为全部投入运行。考虑到DFIG的撬棒保护动作情况后，这些DFIG可以等效为异步电动机，此时DFIG由提供短路电流转变为吸收短路电流，从而减小短路阻抗并增大I3。故传统整定方法中待整定集电线上其他并联风电机组的运行方式应将DFIG的撬棒保护设置为动作动态。

②其他集电线风电机组的运行方式

在传统的整定方法中，其他集电线上的风电机组的运行方式为全部投入运行，此时其他集电线上的风机提供的短路电流I2最大，同时也增大了I3。故传统整定方法中其他集电线风电机组的运行方式不需要作调整。

③外部系统运行方式

对图3使用叠加定理，得到图4。

在图4中，根据叠加定理有：

式中：I3′为只考虑其他集电线的风机提供短路电流时，流过故障集电线的短路电流;I3″为只考虑系统侧提供短路电流时，流过集电线的短路电流;I1′为只考虑其他集电线的风机提供短路电流时，往系统侧的分流;I1″为只考虑系统侧提供短路电流时，流过故障集电线的短路电流;I2′为流向待整定集电线的短路电流;I2″为流向其他集电线风机的短路电流。

由式（3）可以看出，I3由I3′和I3″两部分组成，当I3′和I3″同时最大时，I3最大。为了使I3′最大，必须使其他集电线上的风机提供的短路电流往系统侧的分流I1′最小。由电路理论可知，当系统侧的等效阻抗最大时，流向系统侧的分流I1′越小，I3′越大，故此时系统应为最小运行方式。为了使I3″最大，必须使系统侧提供的短路电流I1″最大，此时系统应为最大运行方式。由以上分析可知，I3′和I3″无法同时取最大值。当系统为强系统并且风电场容量较小时，I3受系统侧提供的短路电流的影响要大一些，系统应选择最大运行方式;当系统为弱系统并且风电场容量较大时，I3受风机提供的短路电流的影响要大一些，系统应选择最小运行方式来减少分流作用。故在整定集电线电流保护Ⅱ段时，须要考虑系统强弱和风场容量，从而确定系统的运行方式。

结束语

双馈风电机组复杂的故障电流特性对风电场集电线电流保护有重要影响，将严重影响风电场和电网的安全稳定运行。基于此，本文分析了DFIG的故障电流特性，建立了相应的计算模型。分析了风电场集电线传统电流保护存在的缺陷，提出了适用于DFIG集电线的电流保护整定新方案。

参考文献

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[2]彭东虎，曹娜，于群.风电场对继电保护选相元件的影响与改进[J].可再生能源，2014，32（4）：418-423.