羅要云 寧愛林 羅媚媚
摘 要:DFIG接入配電網(wǎng)后,由于有了助增電流的影響,使得原有電流保護(hù)和距離保護(hù)都不再實用。本文分析了考慮低電壓穿越時,DFIG接入配電網(wǎng)的工頻故障分量距離保護(hù),結(jié)果表明,DFIG接入對工頻故障分量距離保護(hù)沒有影響。同時分析了實際應(yīng)用過程中存在的問題,提出應(yīng)用保護(hù)安裝處電壓突變量進(jìn)行比較的判據(jù),并通過仿真驗證該理論的正確性。
關(guān)鍵詞:DFIG;低電壓穿越;工頻故障分量距離保護(hù);保護(hù)安裝處;電壓突變量;仿真
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.155
0 引言
近年來,風(fēng)力發(fā)電以其投資省、能耗低、清潔環(huán)保[1]等優(yōu)勢在新能源發(fā)電中迅速發(fā)展起來。風(fēng)力發(fā)電有很大一部分是通過分布式方式接入配電網(wǎng),傳統(tǒng)的配電網(wǎng)保護(hù)通常按照輻射型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行配置,采用的保護(hù)方式多為三段式電流保護(hù)。
風(fēng)力發(fā)電機組接入以后,配電網(wǎng)絡(luò)就從傳統(tǒng)的單一輻射型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變成多電源網(wǎng)絡(luò),當(dāng)配網(wǎng)發(fā)生短路故障時,配電網(wǎng)的潮流方向、故障電流的分布發(fā)生了根本性變化,這將導(dǎo)致原有的繼電保護(hù)配置存在誤動和拒動的可能[2]。為了保證配電網(wǎng)絡(luò)安全可靠地運行研究風(fēng)力發(fā)電接入配電網(wǎng)后繼電保護(hù)的配置,具有非常重要的現(xiàn)實意義。
1 風(fēng)力發(fā)電接入配電網(wǎng)對繼電保護(hù)的影響
傳統(tǒng)的配電網(wǎng)是單輻射型的,電流以一個方向流動,通常配置的為簡單的三段式電流保護(hù),當(dāng)配電網(wǎng)接入逆變型電源,如風(fēng)力發(fā)電機組以后,電網(wǎng)形式就從單一電源轉(zhuǎn)變成為多電源形式,此時,電流的流向是多向型的,同時電流的幅值也隨DFIG的容量、接入位置等變化而變化。距離保護(hù)具有不受運行方式影響的優(yōu)點,而且距離保護(hù)中的方向阻抗圓特性具有特定的方向性,使得它在分布式電源接入配電網(wǎng)的應(yīng)用中受歡迎[3]-[7],但是傳統(tǒng)的距離保護(hù)Ⅱ段須與下級線路Ⅰ段相配合,以圖1為例,保護(hù)1的Ⅱ段的整定值在DFIG接入配電網(wǎng)之前,它的整定值,此時,當(dāng)DFIG接入以后,如不改變整定值,當(dāng)在保護(hù)1的Ⅱ段末端發(fā)生短路時,在保護(hù)1所測到的阻抗為:
由于有DFIG接入配電網(wǎng),這時,,就會使保護(hù)1測得的阻抗增大,這樣就有可能在保護(hù)1的保護(hù)范圍內(nèi)拒動,保護(hù)2卻誤動的情況產(chǎn)生,當(dāng)根據(jù)接入的DFIG重新整定時,必須要考慮分支系數(shù),分支系數(shù)中電流與DFIG的容量和出力有關(guān),但實際運行中,DFIG的出力還與風(fēng)速有關(guān),風(fēng)速的不可控因素導(dǎo)致不確定,所以傳統(tǒng)的距離保護(hù)應(yīng)用到DFIG接入的配電網(wǎng)存在局限性。
2 基于工頻故障分量距離保護(hù)的原理
基于工頻故障分量距離保護(hù)基本原理如圖2所示。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時,根據(jù)疊加原理可將故障狀態(tài)分解為正常負(fù)荷狀態(tài)和故障附加狀態(tài)[9-10],其中故障附加狀態(tài)如圖2(a) 所示,即在故障點引入一個與故障前電壓幅值相等、相位相反的電壓源[8],從而在短路附加狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生故障分量的電流和電壓。如圖2(a)所示, K1 、K2為正、反方向兩個故障點,分別對應(yīng)于電壓源。圖中Y 點為距離保護(hù)整定點, 是保護(hù)安裝處到整定點的阻抗值, 為正方向保護(hù)范圍內(nèi)故障時阻抗值,為系統(tǒng)電源內(nèi)阻抗。保護(hù)安裝處M 所測量到的電壓、電流突變量分別為ΔU、ΔI。根據(jù)圖2中各電氣量的正方向,補償?shù)奖Wo(hù)范圍末端Y點處的突變量電壓為:
(1)正反向故障情況。從圖2可以看出,當(dāng)保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生正方向故障時,存在如下關(guān)系:
從而得到:
此時故障點處的突變量電壓為:
對比可以知道,在正方向保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時,則 ;同理,可以推得在正方向保護(hù)區(qū)外故障時 ,則。
(2)反方向故障情況。從圖2短路附加狀態(tài)圖可以看出,當(dāng)故障點發(fā)生在反方向K2時:
,從以上分析可知,判別正反向故障時,只需判別與的關(guān)系即可,當(dāng)在正向故障時,短路點在M母線右側(cè),;反向,則短路點在M母線左側(cè),因此,基頻故障分量距離保護(hù)的動作條件就是。
3 DFIG接入配電網(wǎng)的基頻分量距離保護(hù)
作為目前的主流風(fēng)電機型之一的雙 饋 感 應(yīng) 發(fā) 電 機(doubly fed inductiongenerator,DFIG),通常在電網(wǎng)故障時,要求風(fēng)電機組具備低壓穿越能力(Low Voltage Ride Through,LVRT)[11-12]。當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓跌落時,在一定電壓跌落范圍內(nèi),風(fēng)場能夠維持并網(wǎng)運行,甚至向電網(wǎng)供給部分無功功率和電壓支撐,直到電網(wǎng)恢復(fù),從而“穿越”整個低電壓區(qū)段的時間[13]。在故障發(fā)生的瞬間,并網(wǎng)點電壓下降,風(fēng)力發(fā)電機組向故障點提供短路電流,但很快低電壓穿越功能啟動,撬棒電路投入,風(fēng)力發(fā)電機組輸出有功P 和無功Q 會很快返回到設(shè)定值。在正序分量控制下,風(fēng)力發(fā)電機組輸出的故障電流只含正序分量,不含負(fù)序分量,PCC 上下游線路流過的負(fù)序電流完全相等[7];當(dāng)DFIG接入配電網(wǎng)之后,在驗證動作的可行性時,在考慮基頻分量的距離保護(hù)中電流電壓突變量分量的時候就要考慮序分量,針對圖1的系統(tǒng)圖來分析DFIG接入配電網(wǎng)的基頻分量距離保護(hù)。
(1)距離Ⅰ段范圍內(nèi)發(fā)生故障時。對稱性故障分析比較簡單,為充分考慮DFIG接入配電網(wǎng)后對繼電保護(hù)的影響,現(xiàn)以不對性BC相故障,以圖1配電網(wǎng)系統(tǒng)圖中保護(hù)2為對象,此時為B母線上的故障突變量電壓,它包含由系統(tǒng)提供的和風(fēng)力發(fā)電機組提供的兩部分的故障突變量電壓;而由于在故障過程中,考慮風(fēng)力發(fā)電的LVRT特性,在正序控制方式下,DFIG只產(chǎn)生正序電流,接入點B母線上兩側(cè)的負(fù)序電流相等,因而發(fā)生故障后的電流突變量,它包含負(fù)序電流和由系統(tǒng)和DFIG提供的正序電流和。推導(dǎo)B、C相的整定點的補償電壓以及B、C相故障點的電壓如式(7)、(8)所示:
式中:為系統(tǒng)電源對C相提供的突變量電壓;為-斷路器2,C相正序電流突變量 為風(fēng)力發(fā)電機組對C相提供的突變量電壓。由于故障發(fā)生在正向保護(hù)區(qū)內(nèi),,所以滿足動作條件,保護(hù)可靠動作。比較式(7)、式(8)可以看出,雖然接入了DFIG電源,但是在工頻故障分量距離保護(hù)中,它對整定點的電壓突變量和短路點的電壓突變量的影響是對等的,可以相互抵消。因此,不管風(fēng)力發(fā)電機組的容量大小和出力大小,它對工頻故障分量距離保護(hù)沒有影響。
(2)對距離Ⅱ段的分析。仍然以圖1的配電網(wǎng)系統(tǒng)圖為例,以保護(hù)1為對象,當(dāng)故障發(fā)生在K2點,保護(hù)1的距離Ⅱ段時,考慮BC相故障,來驗證工頻故障分量距離保護(hù)的動作特性。
由距離Ⅰ段分析可知:
此時在距離Ⅱ段的整定點所得到的B、C相補償電壓以及故障點的B、C相電壓如式(11)、(12)所示:
可以看出,不管是距離Ⅰ段還是距離Ⅱ段,基頻分量距離保護(hù)都能正確反映。因此該繼電保護(hù)原理可以克服運行方式變化的影響,針對DFIG接入的配電網(wǎng)路有很好的保護(hù)效果。
4 實際應(yīng)用中的問題
在實際應(yīng)用中,最大的難點就是對的提取,因為故障發(fā)生的位置很難預(yù)測,因此不能確定Zk的位置,為此,可以近似選擇短路前保護(hù)范圍末端Y點發(fā)生短路時M母線上的電壓突變量作為整定參考值,這時:
以此為參考,下面分別對正方向在故障保護(hù)范圍以內(nèi)和保護(hù)范圍以外的情況進(jìn)行區(qū)分當(dāng)在保護(hù)范圍內(nèi)K1點發(fā)生短路故障時,M母線上的突變量電壓為:
比較式(13)和(14)可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)發(fā)生同一種類型短路故障時,在M側(cè)斷路器所檢測到的短路電流是隨故障的距離而變化的,越遠(yuǎn)離M點,故障電流越小,在M側(cè)上所檢測到的突變量電壓要小,導(dǎo)致。
同理,當(dāng)K1在保護(hù)范圍以外時,在M側(cè)所檢測到的電壓突變量絕對值要小,因此在實際應(yīng)用可以依據(jù)同類型故障時,作為動作判據(jù)。把保護(hù)范圍末端時的短路情況下M母線上電壓突變量定義為參考值,根據(jù)短路類型,可以分為,。
因此,可以得到保護(hù)跳閘出口邏輯如圖3所示。
5 仿真
為了驗證風(fēng)力發(fā)電接入配電網(wǎng)絡(luò)的基頻分量距離保護(hù)的可以行,在PSCAD仿真軟件搭建如圖4所示。分別在AB線路和BC線路設(shè)立短路點,以兩相相間短路為例,A相電壓、電流最大值為參考,得到數(shù)據(jù)如表 1所示。
由表1仿真數(shù)據(jù),可以得出工頻A相工頻故障分量在保護(hù)安裝處A母線上的突變量電壓、突變量電流規(guī)律符合本文所提出觀點,同時可以看出,加入DFIG的配電網(wǎng),在應(yīng)用工頻分量距離保護(hù)時,不受DFIG的影響。
6 結(jié)論
(1)本文分析了DFIG接入配電網(wǎng)的工頻分量距離保護(hù),考慮了風(fēng)力發(fā)電的LVRT特性所引起的故障電流的影響,但是由于故障電流在工頻分量距離保護(hù)對整定值和故障點電壓的影響可以相互抵消,所以應(yīng)用工頻距離保護(hù)對DFIG 接入的配電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù),不受DFIG的影響,(2)在實際應(yīng)用過程中,故障點的電壓很難求得,本文提出了用保護(hù)安裝處的整定點所產(chǎn)生的突變量電壓代替整定值,用實時故障時在保護(hù)安裝處所產(chǎn)生的突變量電壓與之比較來判斷故障是否在保護(hù)區(qū)內(nèi),并通過搭建仿真模型,用仿真數(shù)據(jù)驗證了該理論的正確性。
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基金項目:湖南省科技計劃項目(2016TP1023);邵陽學(xué)院2016年研究生科研創(chuàng)新項目(CX2016SY035)
作者簡介:羅要云(1980-),男,湖南邵陽人,碩士研究生,主要研究方向:多電源地區(qū)保護(hù)整定與控制技術(shù)。
*為通訊作者