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      風(fēng)電場集中接入對集電線電流保護的影響研究

      2020-11-28 17:52:36李靖
      中國電氣工程學(xué)報 2020年13期
      關(guān)鍵詞:風(fēng)電場保護影響

      李靖

      摘要:風(fēng)電機組由于區(qū)別于傳統(tǒng)發(fā)電機,故障時饋出的短路電流會對風(fēng)場內(nèi)部的集電線的正確動作造成影響。此外,DFIG的撬棒保護動作情況,以及風(fēng)場內(nèi)部復(fù)雜多變的運行方式,也給風(fēng)電場集電線電流保護的整定帶來了新的挑戰(zhàn)。

      關(guān)鍵詞:風(fēng)電場;集中接入;集電線電流;保護;影響

      1傳統(tǒng)集電線電流保護的整定方法

      典型的雙饋型風(fēng)廠如圖1所示,單臺DFIG的容量為1.5MW,風(fēng)機通過箱式變壓器升壓至35kV,再通過主變升壓至110kV,與外部電網(wǎng)相連。風(fēng)電場集電線電壓等級為35kV,線路不長,在電網(wǎng)側(cè)配置有兩段式電流保護(圖中M點)。

      1.1傳統(tǒng)集電線電流保護Ⅰ段整定方法

      在圖1中,當(dāng)待整定集電線末端f1處發(fā)生故障時,根據(jù)傳統(tǒng)電流保護整定原則,M點的電流保護Ⅰ段定值按保本線故障具有足夠靈敏度整定。

      式中:IⅠset為電流保護I段整定值;KⅠsen為I段靈敏度系數(shù),典型值取1.5;Imin-end為故障時,流過保護的最小短路電流。

      在計算Imin-end時,傳統(tǒng)整定方法采用的計算條件如下:圖1中f1處發(fā)生兩相短路;系統(tǒng)采取最小運行方式;所有風(fēng)電機組退出運行。

      1.2傳統(tǒng)集電線電流保護Ⅱ段整定方法

      在圖1中,當(dāng)待整定集電線的箱式變壓器低壓側(cè)f2處發(fā)生故障時,根據(jù)傳統(tǒng)電流保護整定原則,M點的電流保護Ⅱ段定值按躲過集電線最近處箱式變壓器低壓側(cè)最大短路電流整定。

      式中:IⅡset為電流保護II段整定值;KⅡrel為II段可靠系數(shù),典型值取1.5;Imax為故障時,流過保護的最大短路電流。在計算Imax時,傳統(tǒng)的整定方法采用的計算條件如下:圖1中f2處發(fā)生三相短路;系統(tǒng)采用最大運行方式;所有風(fēng)電機組投入運行。

      2傳統(tǒng)集電線電流保護整定方法存在的主要問題和調(diào)整策略

      2.1傳統(tǒng)電流保護Ⅰ段整定方法存在的主要問題和調(diào)整策略

      (1)電流保護Ⅰ段整定計算存在的主要問題

      由式(1)可知,在電流保護Ⅰ段整定中,關(guān)鍵在于正確計算集電線末端最小短路電流Imin-end。傳統(tǒng)的整定方法中,所有風(fēng)機將退出運行,只考慮系統(tǒng)提供的短路電流。這一整定方法的最大問題是沒有考慮DFIG的撬棒保護動作所導(dǎo)致的分流作用。因此,在計算待整定集電線上的最小短路電流時,應(yīng)考慮其他集電線上風(fēng)機的撬棒動作情況。

      (2)電流保護Ⅰ段整定方法的調(diào)整策略

      在DFIG的撬棒保護不動作時,風(fēng)機為有源支路,故可采用傳統(tǒng)整定方法計算Imin-end。但當(dāng)發(fā)生近區(qū)短路故障時,可能導(dǎo)致風(fēng)電機組撬棒保護動作,此時DFIG勵磁回路經(jīng)撬棒電阻短接,失去勵磁,其等值電路類似為異步電動機,會對系統(tǒng)的短路電流有分流作用,導(dǎo)致流過待整定集電線上的短路電流減小,如圖2所示。

      在圖2中:待整定集電線末端f點發(fā)生兩相短路;I1為系統(tǒng)側(cè)向風(fēng)場提供的短路電流;I2為DFIG的撬棒保護動作導(dǎo)致的分流作用;I3為故障集電線上的短路電流。

      根據(jù)以上分析,為了正確計算Imin-end,調(diào)整后的計算條件如下:集電線末端f點發(fā)生兩相短路;系統(tǒng)最小運行方式;其他集電線上的DFIG全部投入運行,并且撬棒保護動作。

      2.2傳統(tǒng)電流保護Ⅱ段整定方法存在的主要問題和調(diào)整策略

      (1)電流保護II段整定計算存在的主要問題由式(2)可知,在電流保護Ⅱ段整定中,關(guān)鍵在于正確計算流過待整定集電線的最大短路電流Imax。傳統(tǒng)的整定計算方法在計算Imax時,將風(fēng)機看作傳統(tǒng)發(fā)電機的電壓源串接內(nèi)阻抗的等效電源,故計算條件為所有風(fēng)機全部投入運行。根據(jù)前述分析,故障發(fā)生時,DFIG的短路計算模型與傳統(tǒng)發(fā)電機的等效模型有很大的不同:若DFIG的撬棒保護動作,則DFIG等效為異步電動機;若DFIG的撬棒保護沒有動作,則DFIG等效為受控電流源模型,向外提供短路電流。

      (2)電流保護Ⅱ段整定方法的調(diào)整策略

      由式(2)可以看出,箱式變低壓側(cè)的最大短路電流與電網(wǎng)的運行方式、其他集電線的風(fēng)機運行方式和本集電線上其他風(fēng)機的運行方式有關(guān)。每一個條件的變動,均會影響待整定集電線的最大短路電流。下面以圖3所示的電流保護Ⅱ段整定等效示意圖為例,詳細分析電網(wǎng)不同計算條件對短路電流Imax的影響。

      在圖3中,待整定集電線箱變低壓側(cè)f點發(fā)生三相短路故障,I1為系統(tǒng)側(cè)向風(fēng)場提供的短路電流,I2為其他集電線風(fēng)電機組提供的短路電流,I3為故障集電線上的短路電流,I4為待整定集電線上其他DFIG提供的短路電流。

      計算Imax也即計算I3的最大值。由圖3可知,I3主要受I4,I2和I1影響。其中:I4由待整定集電線其他并聯(lián)風(fēng)電機組的運行方式?jīng)Q定;I2由其他集電線風(fēng)電機組的運行方式?jīng)Q定;I1由外部系統(tǒng)的運行方式?jīng)Q定。下面分別對這三個方面進行分析。

      ①待整定集電線其他并聯(lián)風(fēng)電機組的運行方式

      在傳統(tǒng)的整定方法中,待整定集電線上并聯(lián)的其他風(fēng)電機組的運行方式為全部投入運行??紤]到DFIG的撬棒保護動作情況后,這些DFIG可以等效為異步電動機,此時DFIG由提供短路電流轉(zhuǎn)變?yōu)槲斩搪冯娏?,從而減小短路阻抗并增大I3。故傳統(tǒng)整定方法中待整定集電線上其他并聯(lián)風(fēng)電機組的運行方式應(yīng)將DFIG的撬棒保護設(shè)置為動作動態(tài)。

      ②其他集電線風(fēng)電機組的運行方式

      在傳統(tǒng)的整定方法中,其他集電線上的風(fēng)電機組的運行方式為全部投入運行,此時其他集電線上的風(fēng)機提供的短路電流I2最大,同時也增大了I3。故傳統(tǒng)整定方法中其他集電線風(fēng)電機組的運行方式不需要作調(diào)整。

      ③外部系統(tǒng)運行方式

      對圖3使用疊加定理,得到圖4。

      在圖4中,根據(jù)疊加定理有:

      式中:I3′為只考慮其他集電線的風(fēng)機提供短路電流時,流過故障集電線的短路電流;I3″為只考慮系統(tǒng)側(cè)提供短路電流時,流過集電線的短路電流;I1′為只考慮其他集電線的風(fēng)機提供短路電流時,往系統(tǒng)側(cè)的分流;I1″為只考慮系統(tǒng)側(cè)提供短路電流時,流過故障集電線的短路電流;I2′為流向待整定集電線的短路電流;I2″為流向其他集電線風(fēng)機的短路電流。

      由式(3)可以看出,I3由I3′和I3″兩部分組成,當(dāng)I3′和I3″同時最大時,I3最大。為了使I3′最大,必須使其他集電線上的風(fēng)機提供的短路電流往系統(tǒng)側(cè)的分流I1′最小。由電路理論可知,當(dāng)系統(tǒng)側(cè)的等效阻抗最大時,流向系統(tǒng)側(cè)的分流I1′越小,I3′越大,故此時系統(tǒng)應(yīng)為最小運行方式。為了使I3″最大,必須使系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流I1″最大,此時系統(tǒng)應(yīng)為最大運行方式。由以上分析可知,I3′和I3″無法同時取最大值。當(dāng)系統(tǒng)為強系統(tǒng)并且風(fēng)電場容量較小時,I3受系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流的影響要大一些,系統(tǒng)應(yīng)選擇最大運行方式;當(dāng)系統(tǒng)為弱系統(tǒng)并且風(fēng)電場容量較大時,I3受風(fēng)機提供的短路電流的影響要大一些,系統(tǒng)應(yīng)選擇最小運行方式來減少分流作用。故在整定集電線電流保護Ⅱ段時,須要考慮系統(tǒng)強弱和風(fēng)場容量,從而確定系統(tǒng)的運行方式。

      結(jié)束語

      雙饋風(fēng)電機組復(fù)雜的故障電流特性對風(fēng)電場集電線電流保護有重要影響,將嚴重影響風(fēng)電場和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。基于此,本文分析了DFIG的故障電流特性,建立了相應(yīng)的計算模型。分析了風(fēng)電場集電線傳統(tǒng)電流保護存在的缺陷,提出了適用于DFIG集電線的電流保護整定新方案。

      參考文獻

      [1]喻錕,林湘寧,童寧,等.基于雙曲正切函數(shù)動作特性的風(fēng)電場集電線路反時限保護方法[J].中國電機工程學(xué)報,2018,38(13):3846-3857,4025.

      [2]彭東虎,曹娜,于群.風(fēng)電場對繼電保護選相元件的影響與改進[J].可再生能源,2014,32(4):418-423.

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