王 婷 ，李鳳婷 ，王 賓 ，何世恩，劉光途

（1.新疆大學(xué) 教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830047；2.清華大學(xué) 電機(jī)系 電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3.國(guó)家電網(wǎng)甘肅省電力公司 風(fēng)電技術(shù)中心，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

高壓線路在單相接地短路后，只將故障相的斷路器跳閘，其他兩相在短時(shí)間內(nèi)仍然繼續(xù)運(yùn)行，此時(shí)線路為非全相運(yùn)行狀態(tài)。由于健全相和斷開相之間存在靜電和電磁的聯(lián)系，故障點(diǎn)的弧光通道中仍然有一定的潛供電流，它將維持故障點(diǎn)處的電弧，使之不易熄滅，影響重合成功。由于風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行、控制原理與水電、火電等常規(guī)能源有較大差異［1-6］，風(fēng)電集中接入電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)的故障特性及運(yùn)行特性存在顯著差異，結(jié)合風(fēng)電的特點(diǎn)研究風(fēng)電場(chǎng)送出線非全相運(yùn)行特性可為送出線重合閘配置提供理論基礎(chǔ)，提高重合成功率。

現(xiàn)有研究熱點(diǎn)集中在常規(guī)能源非全相運(yùn)行狀態(tài)，文獻(xiàn)［7-11］分析了常規(guī)能源系統(tǒng)線路非全相運(yùn)行狀態(tài)下零序、距離、高頻保護(hù)的動(dòng)作特性，提出了線路非全相運(yùn)行時(shí)保護(hù)整定及運(yùn)行中應(yīng)注意的問題。文獻(xiàn)［12-15］研究了線路非全相運(yùn)行時(shí)潛供電流的計(jì)算方法，分析了潛供電流對(duì)自動(dòng)重合閘的影響。在風(fēng)電送出線方面，主要集中在送出線繼電保護(hù)研究［16-18］。線路非全相運(yùn)行與自動(dòng)重合閘緊密相關(guān)，風(fēng)電場(chǎng)不同于常規(guī)能源，風(fēng)電送出線的非全相運(yùn)行狀態(tài)也不同于常規(guī)線路，有必要結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行特性對(duì)送出線非全相運(yùn)行進(jìn)行深入研究。

本文結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)推導(dǎo)了風(fēng)電場(chǎng)、常規(guī)能源送出線非全相運(yùn)行時(shí)健全相電流的表達(dá)式，研究了風(fēng)電場(chǎng)和常規(guī)能源健全相電流的差異，在線路參數(shù)不變的情況下，研究了非全相運(yùn)行時(shí)風(fēng)電場(chǎng)、常規(guī)能源潛供電流的特點(diǎn)。在PSCAD中仿真研究了風(fēng)電場(chǎng)機(jī)型、注入容量以及投運(yùn)機(jī)組數(shù)對(duì)送出線非全相運(yùn)行時(shí)健全相電流和潛供電流的影響。

圖1 雙電源系統(tǒng)非全相運(yùn)行示意圖Fig.1 Schematic diagram of dual-source power system operating in incomplete-phase mode

1 雙電源送出線路非全相運(yùn)行時(shí)的健全相電流

圖1為雙電源系統(tǒng)送出線非全相運(yùn)行示意圖（以A相斷開為例），下標(biāo)M、N分別表示送出線兩側(cè)的系統(tǒng)，下標(biāo) 1、2、0分別表示正、負(fù)、零序。

根據(jù)各序分量，計(jì)算出健全相B相電流為：

其中，ΔI（1）、ΔI（2）、ΔI（0）分別為正序、負(fù)序、零序的故障分量；Z（1）、Z（2）、Z（0）分別為正、負(fù)、零序網(wǎng)絡(luò)從斷口q、k看進(jìn)去的等值阻抗（正序的電壓源短路）；為正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷電流。

1.1 常規(guī)能源送出線非全相運(yùn)行時(shí)的健全相電流

圖2為常規(guī)能源送出線非全相運(yùn)行示意圖。

圖2 常規(guī)能源送出線非全相運(yùn)行示意圖Fig.2 Schematic diagram of outgoing line of traditional energy source operating in incomplete-phase mode

當(dāng)圖1（a）的M側(cè)為常規(guī)能源時(shí)，零序等值阻抗與M側(cè)為風(fēng)電場(chǎng)時(shí)相同，僅包括高壓送出線路阻抗ZGL與主變阻抗ZT1的零序分量；正、負(fù)序等值阻抗包括輸電線路阻抗ZGL、主變阻抗ZT1、升壓變阻抗ZT2以及常規(guī)能源機(jī)組的阻抗ZF的正、負(fù)序分量。因此，正序、負(fù)序、零序等值阻抗 Z（1）、Z（2）、Z（0）分別為：

由于常規(guī)能源發(fā)電機(jī)及升壓變阻抗較小，而變壓器 T1正、負(fù)、零序阻抗相等，線路零序阻抗 ZGL（0）=3ZGL（1），可以得到：Z（0）＞Z（1）。則簡(jiǎn)化式（2）可得：

則常規(guī)能源送出線非全相運(yùn)行時(shí)健全相B相電流為：

同理可得C相電流。由式（5）可以看出：送出線雙端電源為常規(guī)能源時(shí)，非全相運(yùn)行時(shí)健全相電流小于正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷電流。

1.2 風(fēng)電場(chǎng)送出線非全相運(yùn)行時(shí)的健全相電流

圖3為風(fēng)電送出線非全相運(yùn)行示意圖。

圖3 風(fēng)電送出線非全相運(yùn)行示意圖Fig.3 Schematic diagram of outgoing line of wind farm operating in incomplete-phase mode

將圖1（a）的N側(cè)看作理想無(wú)窮大電源，M側(cè)為風(fēng)電場(chǎng)或集群風(fēng)電場(chǎng)，送出線路按單回中等長(zhǎng)度（100～300km）架空線路考慮。

由于風(fēng)電場(chǎng)（群）容量相對(duì)系統(tǒng)較小，一般小于接入系統(tǒng)短路容量的5%～10%，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的正、負(fù)序等值阻抗包括故障點(diǎn)到M側(cè)線路阻抗、主變T1阻抗ZT1、風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部35kV線路阻抗ZHL、風(fēng)電機(jī)組（機(jī)箱變與風(fēng)機(jī)）阻抗ZJ的正序和負(fù)序分量，遠(yuǎn)大于系統(tǒng)側(cè)的等值阻抗；由于風(fēng)電場(chǎng)主變壓器的中性點(diǎn)直接接地，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的零序等值阻抗僅包括高壓送出線路阻抗ZGL與主變阻抗ZT1的零序分量，且等值零序阻抗遠(yuǎn)小于等值正、負(fù)序阻抗［19］。

則非全相運(yùn)行時(shí)正序、負(fù)序、零序等值阻抗Z（1）、Z（2）、Z（0）分別為：

考慮等值零序阻抗遠(yuǎn)小于等值正、負(fù)序阻抗，簡(jiǎn)化可得：

風(fēng)電送出線非全相運(yùn)行時(shí)健全相B相電流近似為：

同理可得健全相C相電流。由于健全相電流大小與阻抗特性相關(guān)，而風(fēng)電場(chǎng)側(cè)等值正、負(fù)序阻抗遠(yuǎn)大于等值零序阻抗，因此風(fēng)電場(chǎng)送出線非全相運(yùn)行時(shí)，健全相電流大于正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷電流。

1.3 非全相運(yùn)行時(shí)健全相電流仿真

由以上研究可以看出：送出線非全相運(yùn)行時(shí)，一端為風(fēng)電場(chǎng)時(shí)的健全相電流大于正常運(yùn)行的負(fù)荷電流；而雙端為常規(guī)能源時(shí)，健全相電流小于正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷電流。在PSCAD中仿真研究同等容量的異步風(fēng)電場(chǎng)和常規(guī)能源送出線1.2s進(jìn)入非全相運(yùn)行狀態(tài)，其健全相電流波形圖如圖4所示。

常規(guī)能源送出線1.2s進(jìn)入非全相運(yùn)行時(shí)，考慮阻抗特性，健全相電流較正常運(yùn)行時(shí)電流減??；風(fēng)電場(chǎng)送出線進(jìn)入非全相運(yùn)行時(shí)，考慮正、負(fù)序阻抗遠(yuǎn)大于零序阻抗，健全相電流較正常運(yùn)行電流增大。同等容量的風(fēng)電場(chǎng)和常規(guī)能源送出線進(jìn)入非全相運(yùn)行后，風(fēng)電場(chǎng)健全相電流大于常規(guī)能源送出線的健全相電流，仿真結(jié)果與理論分析吻合。

2 送出線非全相運(yùn)行潛供電流

2.1 送出線非全相運(yùn)行潛供電流

線路單相接地短路，故障相斷路器跳閘，其他兩相在短時(shí)間內(nèi)仍然繼續(xù)運(yùn)行，故障點(diǎn)的弧光通道中仍然有以下成分的潛供電流（以A相斷開為例）：

圖4 送出線非全相運(yùn)行時(shí)健全相電流Fig.4 Sound phase current during incomplete-phase operation of outgoing lines

a.非故障相B通過A、B相間電容供給的電流；

b.非故障相C通過A、C相間電容供給的電流；

c.繼續(xù)運(yùn)行的兩相中的負(fù)荷電流在A相產(chǎn)生的互感電動(dòng)勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)通過故障點(diǎn)和該相對(duì)地電容產(chǎn)生的電流。

潛供電流將維持故障點(diǎn)的電弧使之不易熄滅。潛供電流計(jì)算公式參考文獻(xiàn)［14］：

其中，IB、IC為健全相電流；R0為弧道接地電阻；UB、UC分別為 B、C 相電壓；ω=314 rad /s；Cm為每千米導(dǎo)線的相間電容；l為線路長(zhǎng)度；X1、X2、Xc01、Xc02、Xm1和 Xm2的含義參照文獻(xiàn)［14］。

對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)送出線而言，投運(yùn)機(jī)組類型、注入容量、風(fēng)電內(nèi)部接線方式不同時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的阻抗也不同，而健全相電流IB、IC受此影響也會(huì)變化；風(fēng)電場(chǎng)健全相電流影響潛供電流IQ，因此投運(yùn)機(jī)組類型、注入容量、風(fēng)電內(nèi)部接線方式的不同都會(huì)引起潛供電流的變化。

2.2 常規(guī)電源和風(fēng)電場(chǎng)送出線非全相運(yùn)行時(shí)潛供電流對(duì)比

通過1.1節(jié)研究可知，常規(guī)能源送出線非全相運(yùn)行時(shí)健全相B相電流，將其代入式（9），可得常規(guī)能源送出線非全相運(yùn)行時(shí)潛供電流：

風(fēng)電場(chǎng)送出線非全相運(yùn)行時(shí)健全相B相電流，代入式（9），可得風(fēng)電場(chǎng)送出線非全相運(yùn)行時(shí)潛供電流：

由式（10）和式（11）可知，相同的送出線路，正常運(yùn)行時(shí)負(fù)荷電流相同即注入容量相同的常規(guī)電源和風(fēng)電場(chǎng)送出線路潛供電流不同：由于風(fēng)電場(chǎng)非全相運(yùn)行時(shí)健全相電流較常規(guī)能源大，因此風(fēng)電場(chǎng)送出線潛供電流較常規(guī)能源大。

圖5為同等注入容量的異步風(fēng)電場(chǎng)和常規(guī)能源送出線0.8s進(jìn)入非全相運(yùn)行時(shí)潛供電流波形圖，仿真結(jié)果也驗(yàn)證了理論分析的正確性。

圖5 送出線非全相運(yùn)行時(shí)潛供電流Fig.5 Secondary arc current during incomplete-phase operation of outgoing lines

3 風(fēng)電場(chǎng)送出線非全相運(yùn)行電流

常規(guī)能源機(jī)組容量較大，投運(yùn)后機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)阻抗變化不大，因此非全相運(yùn)行時(shí)電流受運(yùn)行方式影響較小。而風(fēng)電場(chǎng)包含多臺(tái)單機(jī)容量較小的機(jī)組，受風(fēng)速、調(diào)度等影響，風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)的機(jī)組數(shù)、出力多變，且風(fēng)電場(chǎng)投入時(shí)按臺(tái)數(shù)或者按區(qū)域投入。投運(yùn)機(jī)組類型、注入容量、機(jī)組數(shù)不同時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的阻抗不同，因此非全相運(yùn)行時(shí)電流受運(yùn)行方式的影響較大。本文結(jié)合風(fēng)電的特點(diǎn)，在PSCAD中構(gòu)建仿真模型，研究機(jī)組類型、風(fēng)電場(chǎng)注入容量及投運(yùn)機(jī)組數(shù)對(duì)風(fēng)電送出線非全相運(yùn)行時(shí)健全相電流及潛供電流的影響。

3.1 風(fēng)電機(jī)組類型對(duì)送出線非全相運(yùn)行電流的影響

圖6、圖7分別為同等注入容量的異步風(fēng)電場(chǎng)、雙饋風(fēng)電場(chǎng)送出線0.5s發(fā)生A相接地故障，0.8s送出線進(jìn)入非全相運(yùn)行狀態(tài)的健全相電流、潛供電流的仿真波形。

注入容量相同，即正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷電流相同；投運(yùn)機(jī)組數(shù)相同，風(fēng)電機(jī)組類型不同，風(fēng)電場(chǎng)阻抗也隨之不同。風(fēng)電場(chǎng)阻抗影響非全相運(yùn)行時(shí)健全相電流的大小，繼而影響潛供電流。風(fēng)電場(chǎng)阻抗不同，健全相電流和潛供電流也不相同。從圖6、7可以看出，基于雙饋機(jī)組和異步風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)，注入容量相同，投運(yùn)機(jī)組數(shù)相同。送出線非全相運(yùn)行時(shí)，受機(jī)組類型影響，健全相電流、潛供電流存在差異。潛供電流變化熄弧時(shí)間也隨之變化，因此風(fēng)電場(chǎng)送出線重合閘配置應(yīng)考慮風(fēng)電機(jī)組類型對(duì)潛供電流的影響。

圖6 異步風(fēng)電場(chǎng)送出線電流波形Fig.6 Current waveforms of outgoing line of asynchronous wind farm

圖7 雙饋風(fēng)電場(chǎng)送出線電流波形Fig.7 Current waveforms of outgoing line of doubly-fed wind farm

圖8 異步風(fēng)電場(chǎng)出力30 MW時(shí)送出線電流Fig.8 Outgoing line current of asynchronous wind farm when output is 30 MW

圖9 異步風(fēng)電場(chǎng)出力50 MW時(shí)送出線電流Fig.9 Outgoing line current of asynchronous wind farm when output is 50 MW

3.2 風(fēng)電場(chǎng)注入容量對(duì)送出線非全相運(yùn)行電流的影響

異步風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)機(jī)組數(shù)相同，注入容量為30MW、50MW時(shí)，送出線健全相電流及潛供電流波形分別如圖8、9所示。

從圖8、9可以看出，風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組類型及投運(yùn)機(jī)組數(shù)相同時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)容量不同情況下，非全相運(yùn)行時(shí)健全性電流及潛供電流也不相同，且容量越大電流也越大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是投運(yùn)的風(fēng)電機(jī)組類型、數(shù)量相同，即風(fēng)電場(chǎng)阻抗相同；此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)注入容量不同，正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷電流不同，故障前負(fù)荷電流越大，送出線非全相運(yùn)行時(shí)健全相電流和潛供電流越大。仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。而潛供電流的增大會(huì)導(dǎo)致熄弧時(shí)間變長(zhǎng)，可能引起送出線重合閘失敗。

3.3 風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)機(jī)組數(shù)對(duì)送出線非全相運(yùn)行電流的影響

風(fēng)電場(chǎng)注入容量為30MW，投運(yùn)機(jī)組數(shù)不同時(shí)，其送出線非全相運(yùn)行電流如圖10、11所示。

風(fēng)電場(chǎng)注入容量相同，運(yùn)行方式1投運(yùn)機(jī)組數(shù)20臺(tái)，運(yùn)行方式2投運(yùn)機(jī)組數(shù)40臺(tái)。從圖10、11可看出風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組類型和注入容量相同時(shí)，投運(yùn)機(jī)組數(shù)不同，非全相運(yùn)行時(shí)健全相電流和潛供電流也不相同。這是因?yàn)轱L(fēng)電注入容量相同，正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷電流相同；而投運(yùn)同類型不同數(shù)量的風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)電場(chǎng)阻抗不同。非全相運(yùn)行時(shí)的健全相電流和潛供電流受阻抗影響也不相同。仿真結(jié)果與理論分析相吻合。而潛供電流變化熄弧時(shí)間也隨之變化，因此風(fēng)電場(chǎng)送出線重合閘配置應(yīng)考慮投運(yùn)機(jī)組數(shù)對(duì)潛供電流的影響。

圖10 投運(yùn)20臺(tái)機(jī)組時(shí)，異步風(fēng)電場(chǎng)送出線電流Fig.10 Outgoing line current of asynchronous wind farm when twenty units are operating

圖11 投運(yùn)40臺(tái)機(jī)組時(shí)，異步風(fēng)電場(chǎng)送出線電流Fig.11 Outgoing line current of asynchronous wind farm when forty units are operating

4 結(jié)論

本文推導(dǎo)了風(fēng)電場(chǎng)送出線和常規(guī)能源送出線非全相運(yùn)行時(shí)健全相電流的表達(dá)式，結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)的特性，研究了風(fēng)電場(chǎng)、常規(guī)能源送出線非全相運(yùn)行時(shí)健全相電流的差異。在此基礎(chǔ)上研究了風(fēng)電場(chǎng)、常規(guī)能源送出線非全相運(yùn)行時(shí)潛供電流的特點(diǎn)。研究結(jié)果表明：風(fēng)電場(chǎng)不同于常規(guī)能源，在送出線非全相運(yùn)行時(shí)健全相電流增大；在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不變的情況下，同等注入容量的風(fēng)電場(chǎng)其潛供電流比常規(guī)能源增大。研究了影響風(fēng)電場(chǎng)送出線非全相運(yùn)行時(shí)電流的因素，研究表明非全相運(yùn)行時(shí)健全相電流及潛供電流受風(fēng)電場(chǎng)機(jī)型、風(fēng)電場(chǎng)出力、投運(yùn)機(jī)組數(shù)的影響。因此應(yīng)結(jié)合風(fēng)電機(jī)組類型、風(fēng)電場(chǎng)注入容量、投運(yùn)機(jī)組數(shù)分析潛供電流對(duì)送出線重合閘的影響，為風(fēng)電場(chǎng)送出線重合閘配置提供理論基礎(chǔ)，提高風(fēng)電場(chǎng)送出線重合成功率。

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