风电场联络线纵联保护的分析及改进

杨超楠， 卜凡坤， 徐 岩

(1. 江苏省电力公司检修分公司，江苏 徐州 221000；2. 华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071000)

0 引 言

双馈感应风力发电机(Doubly Fed Induction Generator， DFIG)具有变流器容量较小、有功和无功可独立解耦控制的特点。由于双馈风力发电机具有一定的低电压穿越(Low Voltage Ride Through, LVRT)能力，在并网点电压跌落较大时，能在一定时间内保持与电力系统的连接，大大提高了电网运行稳定性。双馈风力发电机具备一定的低电压穿越能力是国内外电网并网准则的基本要求，其实现该功能的方法是使用撬棒(Crowbar)保护。

目前，已有文献从不同角度对风电场联络线短路电流特性进行了研究，但对于常规线路保护所产生影响的研究并不多。文献[3]对电网电压跌落所激起的双馈电机电磁过渡过程进行了定量和定性分析。文献[4]推导了电网电压跌落且转子保护动作时的定、转子暂态电流解析表达式。文献[5]对电网短路时定、转子磁链变化进行了研究，在推导Crowbar保护不动作情况下的定子短路电流表达式时，认为转子电流不变化。文献[6-7]对不同机端电压跌落情况下双馈风力发电机的故障过程进行了分析，但其重点在于转子电压的故障特性。文献[8]通过仿真算例得出风电场无法提供持续短路电流，从而对速动段电流保护产生较大影响的结论。本文在研究双馈感应风力发电机短路电流特征的基础上，分析了其对常规线路保护所产生的影响，并提出了具有一定工程应用价值的改进方法。

1 双馈感应发电机数学模型

双馈感应发电机数学模型在很多文献中都已详细表述，其等效电路如图1所示。

图1 双馈感应发电机等效电路

假设双馈发电机定、转子侧电压、电流的正方向采用电动机惯例，应用空间矢量法可得发电机在静止坐标系下定、转子电压及磁链的暂态数学模型为

(1)

(2)

(3)

(4)

式中： p——微分算子；

下标s、r——定子、转子；

Lm——dq坐标系同轴等效定子与转子绕组间的互感；

Ls——dq坐标系等效两相定子绕组间的自感，Ls=Lls+Lm；

Lr——dq坐标系等效两相转子绕组间的自感，Lr=Llr+Lm。

2 联络线短路电流特性分析

2.1 远端对称故障短路电流特征分析

本文通过研究在不同的电网电压跌落程度下双馈感应风力发电机的定子暂态电流响应，分析联络线对称短路电流特性。含风电场的系统模型如图2所示。风电场联络线发生远端对称短路故障时，假设主动Crowbar保护不动作。由式(3)、式(4)可得由定、转子磁链表示的定、转子电流为

(5)

(6)

图2 含风电场的系统模型

由于双馈感应发电机的阻感特性，其定、转子磁链在故障前后不发生突变。假设在t=t0时刻联络线发生对称短路故障，且转子转速在短时间内不发生显著变化。则在故障前后发电机定子电压为

(7)

式中：A为电压跌落系数，且0≤A≤1。

忽略定子电阻，由于定子磁链稳态分量的变化率等于定子电压，则有故障前后定子磁链的稳态分量为

(8)

(9)

假设t0=0，则故障后的定子磁链为

(10)

由于电网侧和转子侧变流器的响应时间差别，转子电流会出现不同程度的波动。由于变流器的响应时间远小于发电机的响应时间，故忽略转子电流的波动，定子电流为

(11)

由式(11)可知，联络线发生远端三相短路故障时，短路电流主要包括衰减的暂态直流分量、由定子强制磁链产生的周期分量，及归算至定子侧的转子电流分量。

2.2 近端对称故障短路电流特征分析

当联络线发生近端对称故障时，会在转子回路产生过电压和过电流，从而激活主动Crowbar保护，利用旁路电阻短接转子回路。转子旁路电阻过大会使转子电压过高，甚至引起对直流侧电容反充电从而损坏变换器；转子旁路电阻过小则不利于抑制转子电流峰值。旁路电阻阻值的选择在很多文献中都有详细表述。假设旁路电阻的阻值为Rc，本文选择Rc=20Rr。则Crowbar保护动作后转子回路的衰减时间常数为

(12)

在近端对称故障时，定子磁链变化同远端对称故障，定子磁链可表示为

(13)

当转子回路被电阻短接后，其回路电压近似为0。假设故障前转子磁链的稳态值为

(14)

则故障后转子磁链为

(15)

将式(13)、(15)代入式(5)中，可得定子电流为

(16)

由式(16)可看出，在近端对称故障Crowbar保护动作的情况下，联络线短路电流主要包括暂态直流分量、稳态交流分量和转子频率的暂态交流分量。

2.3 两相短路电流特征分析

由于双馈感应风力发电机的控制策略复杂，风机系统的惯性系数较大，精确分析两相短路电流特性比较困难。为定性分析在风电场联络线发生两相短路时的短路电流特性，可借助异步电机简化等效电路。由电机理论可知，双馈电机正、负序等效电路和异步电机基本相同，则可得正、负序等效电路，分别如图3、图4所示。

双馈发电机在接近同步速运行时，其等效阻抗随着转差率s的值发生急剧变化。且考虑到电流分布系数的影响，正序电流和负序电流的幅值不再相等，相位不再有相反的关系。因此，在风电场联络线发生两相短路时，故障电流会表现出与常规系统明显不同的特性，且易发生电流振荡。

图3 正序等效电路

图4 负序等效电路

2.4 接地故障短路电流特性分析

在归算分析时，将发电机出口电压0.69kV折算到110kV(或更高电压等级)侧时，其阻抗需乘以系数K=110/0.69。从110kV侧的等值电路来看，风电场侧的正、负序等值阻抗要远大于零序阻抗，即正、负序电流远小于零序电流。故在发生接地短路时，三相短路电流会表现出相位几乎相同而幅值略有差别的特性，即三相短路电流中的零序电流所占比重较大。此外，机组数量越少，三相短路电流的相似程度越高；机组数量越多，三相短路电流特性与常规系统越相似。

2.5 仿真结果验证

为验证风电场联络线故障下的短路电流特性，本文利用MATLAB/Simulink平台仿真各种故障。网侧变换器采用电网电压定向的矢量控制策略以保持直流电压的稳定，转子侧变换器采用定子磁链定向的矢量控制策略以进行有功、无功功率的解耦控制。

仿真所用的双馈感应风力发电机主要参数为： 额定功率1.5MW，功率因数0.9；额定运行风速11m/s；定、转子电阻标幺值分别为0.023和0.016；定、转子漏感标幺值分别为0.09和0.08，互感标幺值2.4；双PWM变换器直流电容10mF，额定电压1200V。

在风速稳定运行于10m/s，功率因数为1的初始工况下，在t=0.1s时联络线发生短路故障。发生远端对称故障、近端对称故障、两相故障、单相接地故障时的短路电流分别如图5～图8所示。

图5 远端对称故障时短路电流

图6 近端对称故障时短路电流

图7 两相故障时短路电流

图8 单相接地故障时短路电流

由图5可知，在远端对称故障定子电压跌幅为20%时，联络线三相对称短路电流主要包括衰减的暂态直流分量和稳态周期分量。由图6可知，在近端对称故障定子电压跌幅为80%时，主动Crowbar保护被激活，联络线三相对称短路电流主要包含暂态直流分量、稳态周期分量和转子频率的暂态交流分量，且快速衰减。由图7可知，在发生两相短路的一个周波内，两个故障相短路电流幅值相同；但发生故障0.2s后，非故障相电流却与其中之一的故障相短路电流幅值相同，表现出与常规电力系统两相短路故障电流完全不同的特征。由图8可知，联络线发生单相接地故障时，三相短路电流的相位几乎相同。

3 对线路保护产生的影响

3.1 对纵联电流相位差动保护产生的影响

在理想条件下，输电线路两端电流相位在区外短路时相差180°，在区内短路时相差0°，这是纵联电流相位差动保护的基本原理。

图9 闭锁式纵联电流相位差动保护原理图

由于风电场具有一定的弱电源特性，特别是中等规模以下的风电场，当联络线发生不对称故障时，正、负序电流与零序电流相比数值较小，且负序电流由于双馈风力发电机控制策略的影响极易产生振荡；当发生严重三相对称短路故障导致发电机Crowbar保护动作时，相电流衰减剧烈。经分析可知： 以上短路电流特性可能会导致风电场侧纵联电流相位差动保护的负序电流元件和相电流元件无法起动，风电场侧保护发信机操作元件输出的电流相位不稳定，与常规系统差别较大，可能导致联络线风电场侧继电保护误动或拒动。

3.2 对电流保护影响分析

在发生远端对称故障，风电场侧母线电压跌落程度在双馈风力发电机承受范围之内时，转子回路Crowbar保护不动作，风电场联络线的短路电流与常规系统短路电流近似，工频分量较稳定且幅值较大，电流保护能够判断故障并正确动作。但当发生近端故障时，电压跌落较严重，转子回路Crowbar保护动作，风电场联络线故障电流呈现出直流衰减分量大、工频分量较小且极不稳定的特点。在此种情况下，短路电流虽然对速动段保护影响不大，但对采用相对较长数据窗保护算法的保护仍有拒动的可能；幅值衰减剧烈和稳态值很小的短路电流对定时限动作的电流保护 Ⅱ 段和 Ⅲ 段来说，保护无法正确判断故障的可能性很大。

4 对保护原理的改进方法

4.1 对纵联电流相位差动保护的改进

对于纵联电流相位差动保护由于负序电流幅值较小而导致负序电流元件无法起动的问题，可通过增加负序电压判别元件的方法来改进。由于风电场负序阻抗相对零序阻抗较大，故发生不对称故障时联络线保护安装处的负序电压幅值相对较高，通过或门输出后即可弥补负序电流相对较小带来的问题。相电流元件无法起动主要是由于发电机Crowbar保护动作后稳态分量较小造成的，和负序电流起动元件类似，相电流元件无法起动可通过结合低电压判别进行改进。由于负序电流相位易受滑差和控制策略的影响，对操作元件的改进主要在于适当减小其K值。改进后的负序电流起动元件和相电流起动元件原理框图如图10所示。

图10 对纵联电流相位差动保护的改进

4.2 对过电流保护的改进

对电流保护的改进主要考虑在近端发生故障时风力发电机Crowbar保护动作后，定时限过电流保护Ⅱ段和Ⅲ段可能存在拒动的问题。很多文献引入了自适应电流保护方法，但此方法实现相对较复杂。本文提出一种工程应用性较强的方法，主要是通过引入自保持低电压对电流保护进行改进，其动作框图如图11所示。由逻辑图可知，一旦电流元件动作，只要满足低电压条件，保护就会一直保持动作状态(虽然过电流元件可能返回)，从而保证电流保护Ⅱ段和Ⅲ段可靠动作。

图11 对电流保护改进的动作框图

5 结 语

基于双馈感应风力发电机的风电场联络线发生短路故障时，其短路电流特征相对于常规输电线路有很大不同。本文分析了这些短路电流特征给常规线路纵联保护所带来的影响，并提出了改进方法。

对于纵联电流相位差动保护，其负序电流元件和相电流元件可能无法起动，风电场侧保护发信机操作元件输出的电流相位不稳定，可能导致风电场侧保护误动或拒动。对于定时限动作的过电流保护Ⅱ段和Ⅲ段，拒动的可能性很大。

本文提出了具有一定工程应用价值的改进方法，对于纵联电流相位差动保护，对负序电流起动元件和相电流起动元件分别引入负序电压判据和相电压判据，通过或门输出，并适当减小K值的方法来减小负序电流对操作元件的影响；对于电流保护，提出通过增加电压自保持元件解决电流保护Ⅱ段和Ⅲ段拒动的问题。

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