考虑风电接入的配电网继电保护方案

刘鹏博，王 贺，赵书健，刘孟石，林玉浩

(1.山东大学，济南 250061；2. 国网德州供电公司，山东 德州 253000；3. 国网吉林省电力有限公司营销服务中心，长春 130062；4. 国网承德供电分公司，河北 承德 068250)

随着配电网因风电等可再生能源发电的接入[1]，原有网络潮流、运行状态和故障表现都会发生改变，原有保护装置会出现拒动、误动等不良现象，给配电网的继电保护带来了严峻的挑战[2]。对原继电保护方案及保护判据做出改进，这对增加可再生能源消纳、保护电网安全稳定有着重要的意义。

针对风电接入配电网的继电保护方案，目前有很多学者进行了研究。大体分为以下几种方式：仍采用原有的保护方案，降低风电的接入容量，来减少其对原保护方案的影响[3];基于通信技术，通过采集系统运行信息判断故障并采取动作[4]，但传输时间较长，降低了保护的速动性，同时一旦通信网瘫痪，将会造成重大损失；采用自适应保护方案，通过加装少量设备，对电流整定值进行重新设定[5]，但本质上判据依然单一；增加限流器、方向判别装置，对原有的阶段公式保护进行改进，但限流电抗器的引入会使系统网损增加，不利于系统的经济运行。

该文分析了风电电源 “T”型接入对传统纵联差动保护可靠性的影响，改进了原有的差动电流保护；

增添正序电压、电压-电流相角辅助判据，对原有保护进行了相应地改进。通过仿真平台搭建了含风电的高压配电网模型，对改进后的继电保护方案的有效性进行了验证。

1 风电并网对配电网的影响

1.1 风电输出特性

以PQ控制的风电为例，PQ控制是通过双环控制将有功功率与无功功率分别进行控制，外环为功率环，内环为电流环。PQ控制可使逆变型电源输出的有功功率Pout、输出的无功功率Qout与设置的有功功率参考值Pref、无功功率参考值Qref保持一致[6]。为了验证PQ控制风电并网时输出特性，在PSCAD仿真平台下搭建了风电的等效模型，模型见图1。

图1 含风电简单电路模型

为了充分利用风电电源所发出的能量，风电电源的无功功率参考值Qref为0，有功功率参考值Pref为0.4MW。风电有装设电流限幅模块，最大输出电流Imax设置为2倍额定电流。风电通过隔离变压器并网，采用△/Y0接线方式，负荷均为阻感性。因配电网线路较短，可忽略其对地电容，设单位正序阻抗、负序阻抗、零序阻抗分别为Z1、Z2、Z0，Z1=(0.6+j0.86)Ω/km，Z1=Z2，Z0=1.5Z1，长度为4km。设置故障点0.5s时刻发生短路故障，故障时长为0.25s，步长为1s，其输出结果见图2。

图2 仿真风电Pout、Qout变化波形

从仿真结果可以看出，PQ控制的风电并网后，虽然存在爬坡功率的限制，经过短暂的启动机组过程后，即可保持恒定的P、Q输出，即使线路发生故障，风电仍然可以按照设定的功率进行输出，这为研究改进继电保护方案奠定了基础。

1.2 风电“T”型接入对纵联保护的影响

将装设在线路始、末端的电流互感器二次侧绕组的同极性端子纵向连接构成电流回路，继电器并接在电流互感器二次侧端子上，通过比较流入两端纵联电流差动保护中的电流与整定值来判断是否发生故障，当差动电流小于整定电流值时，说明保护范围内未发生故障，保护不动作，反之保护动作。

保护的整定值为：

Iunb=0.1KstKnpIkmax

(1)

式中：Iunb为整定电流判据值；Kst为电流互感器同型系数，两侧互感器型号相同时，Kst=0.5，两侧互感器型号不同时，Kst=1；Knp为非周期分量系数；Ikmax为正常运行或外部故障时，两端母线流过的最大不平衡电流。

在高压配电网当中，风电的接入容量常为30～50 MW，为了满足电力系统稳定安全地运行，风电通常采用“T”型接入并网的方式，见图3。

图3 风电“T”型接入并网等效模型

由基尔霍夫电流定律(Kirchhoff's current law,KCL)可知，线路两端所测得的差动电流值会包含风电提供的不平衡电流，若仍按照原有的整定公式进行整定计算，正常运行或外部故障时的差动电流会超过原有的电流整定值，导致原保护方案可能发生误动。区内故障时，由于风电机组不同于火电机组，提供的电流不仅与故障位置、故障类型有关，还受其控制方式影响，所以需要改进差动电流整定值判据[8-9]。

2 改进的含风电配电网继电保护

2.1 改进差动电流整定值

风电“T”型接入了配电网，造成原有配电网络在正常运行状态下，线路两端母线上的电流互感器所测得的差动电流不为零，而是风电的输出电流Iwd，适当增大差动电流整定值，可提高保护的可靠性。由于比例积分调节器中限流环节的存在，即使在故障情况下，风电输出电流的大小不会超过其2倍额定电流。为了保证发生故障时保护能快速动作而正常运行状态下保护不误动，在改进差动电流整定值时需考虑风电的额定输出电流以及系统过载对保护的影响，可按照式(2)来设置电流整定值。

Iunb=0.1KstKnpIkmax+2I0

(2)

式中I0为风电的额定输出电流。

差动电流整定值改进后，当配电网正常运行或保护线路范围外部发生短路故障时，由于整定值较高，差动电流将小于电流整定值，避免了保护的误动作。当保护线路发生短路故障时，由于故障电流远大于风电的输出电流，差动电流将会大幅度增加并超过电流整定值，保护能可靠动作切除故障。

2.2 新增保护判据

2.2.1 考虑正序补偿电压判据

最大不平衡电流会随着风电接入容量的增加而增大，由式(2)计算的差动电流整定值也会随之增大，当配电网中发生故障电流较小的短路故障(如非金属性单相短路接地)或是经电阻的相间短路故障时，由于故障电流较小而整定值较大，保护可能会发生拒动，无法及时切除故障的现象。仅改进电流整定值无法很好地满足继电保护可靠性的要求,因此在改进差动电流整定值的基础上，增加一个风电接入点两侧的正序补偿电压的辅助判据，对保护进行进一步改进。

风电具有三相对称的输出特性，并且在发生故障时风电与系统电源一样仅存在于正序网中。可采用正序分量作为保护的判据，同时正序分量作为判据可以有效地避免发生接地故障或不对称故障对保护动作情况的影响。风电“T”型接入的正序网络等值模型见图4。其中，U1M、U1N分别为母线M、N处的母线正序电压，可由电压互感器测得；I1M、I1N分别为流过线路的的正序电流，可由电流互感器测得；Uwd为风电并网点处的电压；ZM、ZN分别为接入点到母线M、母线N的等值线路阻抗。由电路原理可得：

(3)

设置电压判据见式(4)。

图4 风电“T”型接入配电网正序网等值电路

(4)

根据线路实际参数、纵联差动保护范围外部最大故障电流Ikmax以及互感器的测量误差设置对操作电压值Uop进行整定，得：

Uop=kμ1Ikmax(ZM+ZN)+kμ2kδEs

(5)

式中：kμ1、kμ2分别为电流互感器、电压互感器的测量误差，kδ为电压偏移量，Es表示电源电动势，当母线处互感器测得的正序电压、电流满足式(4)时，表明线路内部发生故障，保护动作，反之保护不动作。

2.2.2 考虑相位保护判据

图5 并网点故障时配电网复合等值电路模型

其中，Zf为故障等值阻抗，由复合序网附加阻抗Zg和过渡电阻Rg组成。

此时，当接入点发生短路故障时，等值阻抗Zf有故障电流If流过，由KCL可得出公式(6)：

(6)

(7)

(8)

(9)

结合式(8)、式(9)，可得发生故障时，接入点处正序节点电压、正序差动电流间的相位关系为：

(10)

结合改进的电流判据、新增的电压和相角三种动作判据，可以得到一套更加完善的风电“T”接配电网的继电保护方案，其中，φ代表A、B、C三相，具体步骤见图6。

图6 改进后继电保护方案步骤

此方案改进了传统纵联差动保护的电流整定值，增加了基于正序补偿电压的辅助判据，并且利用接入点处的正序节点电压和电流的相位关系来解决风电并网点发生故障的 “死区”问题。避免保护受故障位置、故障类型及风电容量等因素的影响。

3 仿真分析

3.1 算例说明

搭建的仿真模型见图7。

图7 含风电简单电路模型

模型为110 kV额定电压等级下的辐射型配电网线路，网络线路的正序参数为：电阻r=0.21×10-3Ω/km，电抗x=0.419×10-3Ω/km，导纳b=5×10-6S/km，零序是正序的1.5倍，线路AM、AT、TB、BN长度分别为15、30、30、45 km，系统两侧电势相角差为50°。风电组件输出直流电压1 kV，再经过0.4 kV/35 kV/110 kV变压并网。故障发生在仿真1 s，故障为永久性故障，仿真总时长为2 s。

仿真主要通过改变风电接入容量、故障类型以及故障位置，并且与传统的差动电流保护进行比较，分别检验本文新型纵联差动保护的动作效果，并验证其可靠性。

3.2 风电接入容量不同

分析发生单相接地时风电接入容量分别为15、25、35 MW的继电保护工作情况。A相差动电流及正序电压补偿判据见图8、图9。

图8 电流判据A相差动电流

图9 正序电压补偿值判据

具体动作结果及风电接入15、25、35 MW时见表1、表2。表1表示在过渡电阻90 Ω的情况下，发生单相接地风电接入容量不同时，改进后电流差动保护动作情况，其中风电容量15 MW时保护动作，25、35 MW时保护都不动作。表2表示在过渡电阻90 Ω的情况下，发生单相接地风电接入容量不同时，考虑正序补偿电压判据后的保护动作情况，其中全部场景下保护均动作。

表1 只基于电流差动保护动作情况 kA

表2 考虑电压判据保护动作情况 kV

在风电机组并网容量为15 MW时，电流差动保护可以可靠动作，但在风电机组并网容量为25 MW、35 MW时，电流差动保护出现了“拒动”情况。

正序补偿电压整定值Uop为0.2 kV。在风电机组并网容量为15、25、35 MW时，改进后考虑正序电压判据的差动保护均能够可靠动作，有效解决了只使用电流差动保护下的“拒动”问题。

可见，当风电接入的容量较大时测得的三相差动电流会小于差动电流整定值，若只依据传统差动电流判据进行保护，保护可能拒动，导致故障无法切除。但改进后的电压保护判据的数值总是大于整定值，不受风电接入容量的影响，发生故障时，保护可以正确动作，切除故障。改进后保护方案更有利于风电的消纳。

3.3 并网点故障类型不同

风电接入的容量为25 MW，设置并网点发生单相接地、两相接地以及三相短路，接地故障过渡电阻大小为90 Ω，由于两相相间短路的过渡电阻为弧光电阻，所以其阻值较小[7-10]，通过两端的互感器对数据进行获取，具体结果见表3、表4。改进电流差动保护的整定值为0.498 kA。表3为改进电流差动保护的动作情况。其中，只基于电流差动保护时均不动作。各类故障电流判据A项差动电流见图10。

表3 电流差动保护判据 kA

图10 各类故障电流判据A相差动电流

在表3中可以看出，在风电接入的容量为25 MW时，在单相接地、两相接地和三相短路故障中，电流差动保护均不能够可靠动作，出现“拒动”情况。

表4 增加电压和相角判据

由表4可以看出，在风电接入的容量为25 MW时，在单相接地、两相接地和三相短路故障中，考虑正序补偿电压和相位判据的差动保护均可正确可靠动作，提高了保护的可靠性。 正序电压补偿判据及相位差判据见图11、图12。

从结果可以看出，过渡电阻较大，测得的差动电流较小，传统的差动电流保护很可能发生拒动，且在并网点发生短路故障，所测得的电压判据值较小，可能小于整定值；但系统会向短路点注入功率，其相角差值在(90°～270°)动作范围内，保护仍会动作，并且当发生金属性三相短路故障时，虽然无法获取正序补偿电压与相角差，但此时差动电流值较大，传统的纵联保护仍可以正确动作，弥补了并网点发生三相小电阻短路时，保护存在不可靠动作的不足。

图12 各类故障相位差判据

4 结论

以PQ控制的风电为例，阐述了风电的输出特性，分析了风电电源 “T”型接入配电网对传统纵联差动保护的影响；在原有继电保护配置的基础上，改进差动电流的整定值，增加了正序补偿电压判据和相角判据，并提炼出一套完善的风电“T”接配电网的继电保护方案。最后通过案例分析，建立风电接入配电网模型，从风电接入容量以及网络中故障类型的不同分别验证了改进优化后的保护方案的可行性和可靠性。