双馈风电场接入系统对电流突变量选相元件的影响及改进措施

何奎 吕飞鹏

摘要：风电作为一种新能源接入电网的容量越来越大，并且有着不同于常规电源的故障特性，这对于传统继电保护元件有较大的影响。其不同于传统电源之处主要体现在弱电源、正负序阻抗不同以及电力电子装置产生的谐波等三个方面。这对基于电流突变量的故障选相元件产生了巨大影响。本文通过分析双馈式风电场故障序阻抗特征，提出利用负序补偿电流改进单相选相元件的策略。通过分析单相接地故障电流的特点，采用了故障相电流突变量与非故障相电流突变量之差的比值进行选相的方法，提高了风电侧选相的灵敏度。本文研究问题提高了电流突变量选相元件面临风电的适应性。最后通过PSCAD/EMTDC搭建模型并仿真验证了本文所提出方法的有效性，具有一定的应用价值。

关键词：双馈式风电场；电流突变量；选相元件；弱电源；正负序阻抗

Abstract：The wind power as a new energy access grid capacity is growing and different from the traditional power failure characteristics.The differences are mainly reflected in the weak fed， positive and negative sequence impedance， power electronic devices harmonic problems.Great impact on the traditional relay protection components is caused by these characteristics.The influence of wind power access on the phase selector elements of the mutation is analyzed theoretically，and the new method is proposed to improve the sensitivity and reliability of the single phase selector element.Finally the effectiveness of the proposed method is validated by simulating on the platform of PSCAD / EMTDC.

Key words：doublyfed wind farms；phase fault current surge；phase selector elements；week source；positive and negative sequence impedance

隨著我国风力发电的迅速发展，并网容量越来越大，由于风电异于常规发电系统的故障特性，给保护装置的配置、整定造成了巨大影响。因此研究风电接入对保护装置的影响十分重要。我国的风电场主要为集中式并网，经升压至高电压等级接入主电网。高压输电线多配置纵联保护、光纤差动保护以及后背距离保护，选相元件是其基本元件。选相元件可靠动作极大地影响到保护装置的动作性能，进而影响供电的可靠性和系统的稳定性。选相元件按原理主要包括：电流突变量选相元件；序分量选相元件；阻抗选相元件[1]。相电流差及序分量选相元件选相都是建立在背侧正、负序阻抗近似相等的基础上，但是双馈式风电并网系统正负序阻抗并不相等[2]。此外，风电中大量的谐波及严重故障时产生的频率偏移现象对基于工频傅里叶算法的相量提取有较大影响。相对于电网，风电具有明显的弱馈性[3]，提供短路电流的能力较小，并且在单相接地故障中，零序电流远大于正负序电流，因此对选相元件的灵敏度影响较大。本文综合考虑风电的弱电源及序阻抗特征，研究电流突变量单相选相元件的适应性，并提出相应改进方案。

1 突变量选相元件基本原理

如图1所示为风电并网的系统，线路上发生A相接地故障。从电力系统分析理论可知，电网发生故障时可采用叠加原理将电网分为非故障网络和故障附加网络；故障分量为故障全量减去故障前的正常量[4]。对应于图1所示系统的故障分量网络如图2所示。M、N侧分别为系统侧和风电侧，j=0，1，2分别表示零序、正序、负序；ΔIjm、ΔIjn分别为系统侧、风电侧故障电流分量；ΔUjn为风电侧故障电压分量；Zjm、Zjn为系统侧、风电侧阻抗；ZjmF、ZjmF为系统侧、风电侧母线到短路点阻抗；IjF为故障点A相故障电流各序分量，RF为接地电阻，UF为故障附加电源。

风电侧保护安装处测量的突变量分别ΔIA、ΔIB、ΔIC，应用对称分量法有：

相间（BC）相故障时，带入边界条件可得：

根据式（4）及式（5）可以实现故障选相。

2 弱电源及序阻抗特性

我国的风电场主要以集中式并网，即每台风机经过集电线连接并入汇流母线，然后经过变压器升压后通过送出线路并入电网。与电网容量相比，风电场属于弱电源，具有明显弱馈特征[5]。发电机机端电压通常为0.69kV，经换算到高压侧后正负序阻抗很大，零序阻抗由于不包括电源而很小。风电场提供短路电流能力弱，故障相电流幅值很小，并且风电侧保护安装处感受到的短路电流中零序电流占比远大于正、负序电流，三相短路电流幅值相位十分接近。因此选相元件的灵敏度会显著降低，导致依靠电流突变量选相不再满足实际电力系统的运行要求。目前电网公司通常要求风力发电系统具备低电压穿越能力，双馈风力发电机一般通过安装撬棒保护以获得低电压穿越能力[6]。由于撬棒保护启时动时间一般为几毫秒，所以发生短路故障后可以看成是普通异步发电机运行[7]，其正、负等效电路如下图：

从式（8）及式（9）可以看出，双馈式风力发电机序阻抗与转差率及撬棒电阻值成一定的函数关系。在发电机接近同步速时正序阻抗变化幅度很大，负序阻抗较为稳定。在实际运行中，转差率s一般为±0.2，所以正、负序阻抗不一定相等，并且一般可以认为正序阻抗大于负序阻抗。文献[8，9]指出，撬棒保护启动后撬棒电阻阻值对电抗分量影响较大，正序阻抗与撬棒电阻呈正相关关系；并且变压器接线方式的不影响零序阻抗。

由于风电场控制策略及运行方式变化，其正、负序阻抗变化非常大。因此基于正、负序电流分配系数相等的突变量选相元件不再适用于双馈式风电场并网系统。

3 改进方案

为解决现有电流突变量选相方法在风电侧灵敏度不足以及风电侧保护感受到的正负序阻抗不相等带来的可靠性问题。本文提出了相应的改进方案。文献[10]提出了使用故障相电流突变量与其余两相正常相电流突变量之差的比值，即选相系数进行选相。

单相（A相）接地故障时，把单相接地短路边界条件带入式（8）可以得到K1K2=K3。选相系数具有明显特征，考虑一定裕量，选相判据为：

该方法可以提高弱电源侧电流突变量选相元件灵敏度，但是该原理是针对传统电源而言，即正、负序阻抗相等。为了满足该应用条件，使用C1代替C2。假定C1=μC2，带入式（1），并与式（3）结合，整理成正、负序电流分配系数相等的形式：

考虑到风电场阻抗折算到高压侧后其阻抗远大于电网及线路阻抗，式（11）中等式左侧μ近似为：

通过加入负序补偿电流解决了正、负序阻抗不等的问题，从而可以进行选相。此方法兼顾双馈风电场弱电源及序阻抗特征，能很好地改善风电侧电流突变量选相元件性能。

4 仿真分析

在PSCAD/EMTDC平台搭建如图1所示风电并网系统，线路电压等级为110kV；线路长度200km。应用容量加权法搭建具低电压穿越能力的30MW风电场等值模型，风机结构、控制方式及参数均参照主流风机：转子侧采用定子磁链定向，定子侧采用电网电压定向[11]。风机处于位功率因素运行。正序线路参数为r1=0.081/km，l1=0.401mH/km，c1=0.003μF/km；零序线路参数为r0=0.475/km，l0=1.143mH/km，c0=00025μF/km；系统侧参数为Z0m=（1.1+j6.6） ，Z1m=（2.43+j19） ；A相接地故障距离风电侧母线50km；短路时间为05s。

仿真结果表明，风电场正序阻抗大于负序阻抗，并且负序阻抗变化幅度较小；A相接地故障时三相短路电流以零序分量为主，验证了理论分析的正确性。

针对不同接地电阻及故障位置进行详细仿真，ε1=0.9，ε2=1.1；ε3=0.2，η1=8，η2=40；门槛电流值δ整定为15 A。采用故障后20 ms计算选相系数，仿真结果如下表所示：

仿真结果表明，对于金属性及高阻接地故障本文所提出方法都能準确快速选出故障相；此外还表现出较高的灵敏度。

5 结论

双馈风电场送出线发生短路故障后，风电侧阻抗会发生变化，故障网络中风电场的正、负阻抗不再相等，因而引起正、负序电流分配系数也不相等，从而导致选相结果不正确。此外，风电场相对于大电网容量小、电压等级低，经折算到高电压后阻抗远大于电网侧阻抗，因而短路发生后提供短路电流的能力差，对基于突变量的保护元件产生较大的影响。本文从电流突变量选相元件的原理出发，结合双馈式风电场故障特点，理论上分析了突变量选相元件面临风电接入的适应能力，并提出了综合考虑风电的弱电源及正、负序阻抗不一致特征的选相方法。该方法通过实时测量风电侧序阻抗及负序电流以得到补偿电流从而解决了电流分配系数不相等的问题，很大程度上提高了风电场接入电网时电流突变量单相选相的灵敏性及可靠性。本文的主要结论包括：

1）基于突变量的选相元件的应用前提条件为保护背侧正、负序阻抗相等。

2）不同于常规电网，双馈式风电场运行方式、控制策略变化较大，其短路电流呈复杂多态性，并且风场侧阻抗不稳定且正负序阻抗不相等，不能保证突变量选相元件正确动作。

3）在弱电源侧故障电流零序电流占比大，三相电流幅值及相位相近，造成基于突变量原理的选相元件灵敏度降低。

4）当具有低电压穿越能力的风电场送出线路发生故障时，撬棒电阻瞬时投入，把风力发电机当作普通异步电机处理。

参考文献：

[1]唐宝峰.输电线路故障选相新方法的研究[D].北京：华北电力大学，2004.

[2]张艳霞，童锐，赵杰，等.双馈风电机组暂态特性分析及低电压穿越方案[J].电力系统自动化，2013，37（6）：712.

[3]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）：418423.

[4]王晨清，宋国兵，刘凯，等.突变量保护对风电接入的适应性[J].中国电机工程学报，2014，34（31）：54855492.

[5]陈实，邰能灵，范春菊，等.考虑风力发电的配电网弱馈线路自适应电流保护[J].电工技术学报，2017，32（3）：6573.

[6]蔚兰，陈宇晨，陈国程.等双馈感应风力发电机低电压穿越控制策略的理论分析与实验研究[J].电工技术学报，2011，26（7）：3036.

[7]崔柯，居荣，吕进，等.双馈感应式风力发电系统低电压穿越技术的研究[J].电气技术，2014，（6）：6972.

[8]沈枢，张沛超，方陈，等.双馈风电场故障序阻抗特征及对选相元件的影响[J].电力系统自动化，2014，38（15）：8792.

[9]黄涛，陆于平.适用于双馈风电场的改进电流突变量选相元件[J].电网技术，2015，39（10）：29592964.

[10]马静，王希，王增平.一种基于电流突变量的故障选相新方法[J].中国电机工程学报，2012，32（19）：117124.

[11]陳杰，陈家伟，龚春英.变速风力发电系统统一功率控制策略研究[J].电工技术学报， 2014，29（10）：256265.

作者简介：何奎（1990），男，四川南充人，工学硕士，主要从事电力系统继电保护研究；吕飞鹏（1968），男，云南玉溪人，博士，教授，主要从事电力系统继电保护。

通信作者：何奎