王 飛， 鄭日紅， 段建東

(1.西安理工大學(xué)自動化與信息工程學(xué)院，陜西西安 710048;

2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018)

0 引言

風(fēng)能是一種可再生無污染的綠色能源，風(fēng)電開發(fā)技術(shù)逐漸成熟，而且具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益，是現(xiàn)今最具開發(fā)前景的新能源之一。但風(fēng)能的隨機性以及風(fēng)場容量增大決定了并有風(fēng)電場的配電網(wǎng)保護成為一個難點［1］。

風(fēng)電的并網(wǎng)特性一直以來都是人們關(guān)心的問題。以前對風(fēng)電的研究大多圍繞風(fēng)電場內(nèi)部故障分析，以及含風(fēng)電場的配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性控制進行［2-3］，而對風(fēng)電場提供短路電流大小及整個系統(tǒng)保護的研究卻很少，針對大型風(fēng)電場并網(wǎng)保護方案可行性方面研究更少。但隨著風(fēng)場容量的增大，提供的短路電流也隨之增大，這就對配電網(wǎng)繼電保護的靈敏性和選擇性造成影響。

文獻［4］對分布式電源接入后引起的電壓變化特性進行了分析，并給出了保護方案;文獻［5］提出了一種利用小型監(jiān)控保護系統(tǒng)對含分布式電源的配電網(wǎng)進行保護的方法;文獻［6］剖析了大型風(fēng)場接入后會引起系統(tǒng)潮流重新分布，電能質(zhì)量和諧波污染也會改變，保護會失去選擇性，靈敏性也將受到限制，為此提出了采用全控型高壓直流輸電技術(shù)的方案。文章全面分析傳統(tǒng)的繼電保護方案不足，并在此基礎(chǔ)上提出了自適應(yīng)繼電保護方案。通過深入的理論分析，論證了自適應(yīng)保護可以應(yīng)用于并有大型雙饋機組風(fēng)場的配電網(wǎng)繼電保護當(dāng)中。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機數(shù)學(xué)模型

1.1 風(fēng)速模型

根據(jù)風(fēng)速隨時間隨機性變化的特征，風(fēng)速變化可由以下四個部分組成［7］。

(1)基本風(fēng):由風(fēng)電場測風(fēng)所測得威布爾參數(shù)來近視確定為

(2)陣風(fēng):在風(fēng)速變化時用于描述風(fēng)速的突然變化為

式中:VWG、TG、T1G、Gmax分別為陣風(fēng)風(fēng)速、陣風(fēng)作用時間、陣風(fēng)起動時間和陣風(fēng)最大值。

(3)漸變風(fēng):描述了風(fēng)速的漸變特性，表示為

式中:VWG、T1R、T2R、TR、Rmax分別為漸變風(fēng)風(fēng)速、漸變風(fēng)起始時間、漸變風(fēng)終止時間、漸變風(fēng)保持時間及漸變風(fēng)最大值。

(4)隨機噪聲風(fēng):反映風(fēng)速變化的隨機性，表示為

式中:N——統(tǒng)計風(fēng)速總次數(shù)，一般取50;

Δω——風(fēng)速頻率間距，一般取 0.5 ～2.0 rad/s;

φi——0～2π間均勻分布的隨機變量;

KN——地表粗糙系數(shù)，一般取0.004;

F——擾動范圍尺度;

μ——相對高度的平均風(fēng)速。

綜合上面分析可得出實際風(fēng)速為基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)及隨即噪聲風(fēng)的合成，如式(5)所示:

因此要確定精確的繼電保護方法，就需要建立詳細的風(fēng)速模型來刻畫風(fēng)速以接近真實風(fēng)速。

1.2 雙饋風(fēng)機組數(shù)學(xué)模型

雙饋風(fēng)機定、轉(zhuǎn)子電壓方程分兩相靜止坐標(biāo)方程(α－β)和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)方程(d－q)，式(6)為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的轉(zhuǎn)子電壓方程［4］:

式中:vw——風(fēng)速;

vr——額定風(fēng)速;

vin——切入風(fēng)速;

vout——切出風(fēng)速;

Cp(λ，β)——風(fēng)力機葉片氣動特性函數(shù);

λ——葉尖速比，λ =ωR/vw;

R——葉片半徑;

ω——風(fēng)力機的葉輪旋轉(zhuǎn)角速度;

β——槳距角;

A——風(fēng)的掃掠面積;

ρ——空氣密度，一般取 1.225;

Pr——風(fēng)力機的額定機械功率。

雙饋風(fēng)機的電磁轉(zhuǎn)矩方程可由式(8)表示:

式中:Te——發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩;

n——極對數(shù);

式中:uds，uqs，ids，iqs，udr，uqr，idr，iqr，ψdr，ψqr分別是定轉(zhuǎn)子在dq軸上的電壓、電流磁鏈分量;ωs、ωr分別為定轉(zhuǎn)子角速度，以上均忽略了零矢量。

式(7)給出了雙饋風(fēng)力機機械轉(zhuǎn)矩方程:

θ——轉(zhuǎn)子的電角度。

雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)矩平衡方程為

式中:J——發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量;

D——發(fā)電機的阻尼系數(shù);

K——扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)，一般有D=K=0。

參照上述數(shù)學(xué)模型，便可對雙饋風(fēng)機系統(tǒng)進行全面的建模仿真，分析得出風(fēng)機更為真實的仿真圖形和數(shù)據(jù)，從而盡可能地減少風(fēng)機及其出口各項參數(shù)指標(biāo)的誤差，為繼電保護準(zhǔn)確動作奠定基礎(chǔ)。

2 傳統(tǒng)三段式保護及其特點

配電網(wǎng)廣泛分布于電力系統(tǒng)中，在我國配電網(wǎng)分高壓配電網(wǎng)(110 kV、66 kV)、中壓配電網(wǎng)(35 kV、10 kV、6 kV)和低壓配電網(wǎng)(220 V、380 V)。配電網(wǎng)的安全運行直接關(guān)系到人民的生命財產(chǎn)安全，所以針對配電網(wǎng)的保護必須簡單、安全、可靠。三段式電流保護恰恰具備這些特點，因而被廣泛應(yīng)用在配電網(wǎng)的保護中，而且在實際應(yīng)用中得到了認可。三段式電流保護主要是根據(jù)輸電線路發(fā)生短路故障時電流增大的特點而設(shè)計的，主要包括電流速斷保護、限時電流速斷保護及定時限過電流保護［9］。

2.1 電流速斷保護

電流速斷保護又稱無時限電流速斷保護，即瞬時Ⅰ段電流保護，反應(yīng)了短路電流幅值增大而瞬時動作的電流保護，其整定原則為保證在下一級線路出口處發(fā)生短路故障時，保護不會出現(xiàn)誤動，動作電流按躲過被保護線路外部短路時最大短路電流來整定，整定式如式(10)所示:

式中:——考慮各種影響后的電流速斷保護系數(shù)一般取1.2 ～1.3;

Kd——短路類型系數(shù);

Eph——系統(tǒng)等效電勢;

Zsmin——最大運行方式下保護背側(cè)系統(tǒng)等效阻抗;

ZL——被保護線路正序阻抗;

為了確定電流速斷保護范圍，設(shè)故障發(fā)生在λZL線路處，則短路電流為

令式(10)等于式(11)，可推得

式中:Zs——保護背側(cè)系統(tǒng)等效系統(tǒng)阻抗。

綜上可得電流速斷保護的原理圖及動作特性，如圖1所示。

圖1 電流速斷保護原理圖及動作特性

由此可見，傳統(tǒng)電流速斷保護不能保護線路的全長，并且保護范圍受系統(tǒng)運行方式及短路類型的影響較大。

2.2 限時電流速斷保護

電流速斷保護不能保護本線路的全長，所以其保護范圍外的故障必須由帶時限的電流速斷保護切除，這就是限時電流速斷保護，也稱Ⅱ段保護，其整定原則為躲過下一級線路瞬時電流速斷保護范圍末端最大短路電流。整定式為

式中:——本線路帶時限電流速斷保護系數(shù)，一般取1.10 ～1.15;

為了保證選擇性要求，限時電流速斷保護的時間要比下一級線路瞬時電流保護動作時間高一個時限 Δt，即=+Δt，我國 Δt一般取0.5 s(下一級瞬時電流保護的動作時間)。限時電流速斷保護原理及動作特性如圖2所示。

2.3 定時電流速斷保護

定時過電流保護也叫過流保護，也即為第Ⅲ段保護，它是作為下級線路的主保護拒動和斷路

式中:——Ⅲ段保護的可靠系數(shù)一般取1.15 ～1.25;

Kss——電機起動系數(shù)，一般取1.5 ～3;

Kre——繼電返回系數(shù)，一般取0.85 ～0.95;

ILmax——最大負荷電流。器拒動時的遠后背保護，也作為過負荷保護。整定原則是躲過最大負荷整定。整定式為

圖2 限時電流速斷保護原理及動作特性

定時限電流不僅能保護本線路全長，還能保護相鄰線路全長，同樣為了保護選擇性，定時電流保護時間要比相鄰下一級線路定時電流保護動作時間高一個Δt，即=+Δt(為下一級線路第三段保護的動作時間)。

2.4 傳統(tǒng)繼電保護在含風(fēng)場配電網(wǎng)中的缺點

在我國，傳統(tǒng)的繼電保護對單側(cè)輻射網(wǎng)絡(luò)可以滿足要求，但是隨著大規(guī)模風(fēng)電場接入配電網(wǎng)，一方面風(fēng)力機輸出容量的不穩(wěn)定會影響接入點電力參數(shù)發(fā)生變化，另一方面使得系統(tǒng)中的潮流、運行方式及參數(shù)發(fā)生改變，而這些又是影響傳統(tǒng)繼電保護的最大因素。因此，如果不加以改進就繼續(xù)用于含風(fēng)力發(fā)電的配電網(wǎng)，將會帶來保護拒動、誤動等，使保護失去選擇性和靈敏性，從而嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)可靠性。

綜上，必須對傳統(tǒng)的繼電保護方案加以改進，為此引入了自適應(yīng)保護，從而優(yōu)化保護性能。

3 含風(fēng)場配網(wǎng)的自適應(yīng)保護及其特點

3.1 自適應(yīng)電流速斷保護

自適應(yīng)電流速斷保護要按考慮故障類型、風(fēng)場接入點位置，以及風(fēng)場提供的短路電流隨機變化特性進行整定，整定式為

式中:——保護的可靠系數(shù);

K——可自動檢測估計故障類型系數(shù);

Es1——保護背側(cè)等效電勢;

Zs1——保護系統(tǒng)背側(cè)等效阻抗;

ZL1——被保護線路等效阻抗。

令式(11)等于式(15)，即得自適應(yīng)電流速斷保護的保護范圍為λ1:

式中:——自適應(yīng)保護系數(shù);

K——自動估計的故障類型系數(shù);

Es1——保護背側(cè)系統(tǒng)等效電勢;

Zs1——保護背側(cè)等效阻抗值;

ZL1——被保護線路等效阻抗。

3.2 自適應(yīng)限時電流速斷保護

本線路自適應(yīng)限時電流速斷保護要與下一級線路自適應(yīng)電流速斷保護相配合，整定式為

式中:——自適應(yīng)保護Ⅱ段保護可靠系數(shù)系數(shù);

3.3 自適應(yīng)過電流保護

為了克服傳統(tǒng)保護方案的不足，自適應(yīng)過電流保護必須能夠自動調(diào)整其整定值來滿足變化的負荷，整定式為

式中:——自適應(yīng)定時電流速斷保護系數(shù);

Kss1——電機自起動系數(shù);

Kre1——返回系數(shù)，應(yīng)小于1;

ILs——本線路時實負荷電流。

3.4 自適應(yīng)保護參數(shù)的確定

先按圖3所示步驟對配電網(wǎng)進行故障分量等效，自適應(yīng)保護應(yīng)按以下幾個步驟來確定其參數(shù)。

(1)保護范圍的確定。

因為Kd≤1，所以λ1∶λ≥1，因此自適應(yīng)的保護范圍大于傳統(tǒng)保護范圍，而且不受故障類型及接入位置的影響。

(2)系統(tǒng)等效阻抗及等效電勢的確定。

采用故障附加狀態(tài)來求解保護背側(cè)等效阻抗，如圖3所示，那么考慮風(fēng)電場電流分量后得

系統(tǒng)等效電源通過在線計算獲得，為

式中:UAF、IAF分別為被保護線路故障時，保護安裝處的電壓、電流。

圖3 含風(fēng)場配網(wǎng)故障等效圖

(3)故障類型系數(shù)確定。

圖4 含風(fēng)場配網(wǎng)各分量等效圖

風(fēng)電場并網(wǎng)后，風(fēng)速變化及風(fēng)機投切引起的系統(tǒng)容量的變化和接入點位置變化的影響都通過在線測量電勢及計算出的背側(cè)阻抗來反映。因此，利用自適應(yīng)電流保護可滿足接有雙饋機組的大型風(fēng)電場配電網(wǎng)繼電保護要求。

4 結(jié)語

本文論述了含雙饋機組風(fēng)場的配電網(wǎng)保護，建立了詳細風(fēng)速及雙饋風(fēng)機的數(shù)學(xué)模型。通過分析得知:由于風(fēng)速變化引起的出力變化、風(fēng)機投切引起的容量變化及分布式風(fēng)場接入點位置變化，都會使得傳統(tǒng)保護不能滿足動作的選擇性和靈敏性。因此，引入了自適應(yīng)保護，分析了自適應(yīng)保護的性能及特點，自適應(yīng)電流保護通過實時計算改變定值，從而實現(xiàn)了保護動作可靠，使得保護性能有了明顯改善，提高了含風(fēng)電場的配電網(wǎng)的可靠性。

［1］孫元章，吳俊，李國杰.風(fēng)力發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007，23(3):18-23.

［2］徐荊州，李揚，陳霄.基于GO法的配電網(wǎng)可靠性評估［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2006，18(5):66-69.

［3］何禹清，彭建春，孫芊.考慮風(fēng)電能量隨機性的配電網(wǎng)可靠性快速評估［J］.中國電機工程學(xué)報，2010，30(13):16-22.

［4］HANIF S，ALIREZA J.Effect of protection device coordination on voltage sag characteristics of distribution networks［J］.ISA Transactions，2010(49):407-414.

［5］VITO C，VINCENZO G，ANTONIO P.A petri net based protection monitoring system for distribution networks with distributed generation［J］.Electric Power Systems Research，2009(79):1300-1307.

［6］LARSSON A.F1 icker emission of wind turbines caused by switching operation［J］.IEEE Transon Energy Conversion，2002，17(1):119-123.

［7］ANDERSON PM，BOSE A.Stability simulation of wind turbine system［J］.IEEE Trans on Power Apparatus and Systems，1983，102(12):3791-3795.

［8］郭家虎，張魯華，蔡旭.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)三相短路故障下的響應(yīng)與保護［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(6):40-48.

［9］張保會，尹項根.電力系統(tǒng)繼電保［M］.北京:中國電力出版社，2005.