張玉，李鳳婷，齊尚敏

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047)

風(fēng)電場接入配網(wǎng)對電流保護(hù)的影響分析

張玉，李鳳婷，齊尚敏

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047)

風(fēng)電的接入使得系統(tǒng)由單電源、輻射式結(jié)構(gòu)變成雙電源的網(wǎng)絡(luò)，對配電網(wǎng)原有的繼電保護(hù)產(chǎn)生較大的影響。本文以PSCAD軟件為平臺，搭建了含異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場和配電網(wǎng)模型，從風(fēng)電場容量和接入位置兩個方面分析了風(fēng)電場接入對配電網(wǎng)電流保護(hù)的影響，得出風(fēng)電并入配電網(wǎng)對保護(hù)的影響并提出解決方案。

風(fēng)電場;配電網(wǎng);電流保護(hù)

1 引言

風(fēng)電的運(yùn)行特性不同于常規(guī)電源，輸出的功率具有隨機(jī)性、波動性和不可控性。隨著風(fēng)電的大量接入，配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將由輻射性單電源轉(zhuǎn)變?yōu)殡p電源，甚至是多電源和負(fù)荷共存的復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。原有饋線保護(hù)的選擇性、靈敏性、可靠性將受到嚴(yán)重影響，大大降低供電可靠性［1，2］。

目前關(guān)于分布式電源接入配電網(wǎng)對繼電保護(hù)所產(chǎn)生影響的研究比較多。文獻(xiàn)［3-5］提出了采用自適應(yīng)電流保護(hù)法解決DG加入對配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響。文獻(xiàn)［6］提出根據(jù)DG接入位置的不同，饋線的過電流保護(hù)分別采用定時限或反時限形式。采用該保護(hù)方案后，無論DG的輸出功率如何變化，故障都能被可靠切除。文獻(xiàn)［7］基于永磁同步發(fā)電機(jī)組和雙饋發(fā)電機(jī)組建立了風(fēng)電場模型，仿真得出風(fēng)電場的接入會引起保護(hù)裝置的誤動作，但沒有具體從風(fēng)電場容量、接入位置及保護(hù)之間配合角度分析風(fēng)電接入所產(chǎn)生的影響。文獻(xiàn)［8］討論了風(fēng)電場接入配電網(wǎng)中段對保護(hù)產(chǎn)生的影響，而實際情況中，風(fēng)電場有可能接入配電網(wǎng)的末端或始端。因此，有必要進(jìn)一步討論異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)接入配電網(wǎng)任意位置時，對保護(hù)的影響。

本文將詳細(xì)分析不同情況下風(fēng)電場接入對配電網(wǎng)電流保護(hù)的影響，并在仿真軟件PSCAD/EMTDC中仿真驗證;此外，針對含直驅(qū)或雙饋機(jī)組的風(fēng)電場接入對保護(hù)下游及聯(lián)絡(luò)點相鄰處兩段線路的限時電流保護(hù)(電流II段保護(hù))產(chǎn)生的影響，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

2 含風(fēng)電的配電網(wǎng)保護(hù)特點

雖然風(fēng)電為優(yōu)質(zhì)清潔能源，但其作為電源具有間歇性和難以調(diào)度性，大規(guī)模風(fēng)電場接入電網(wǎng)會對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響。電網(wǎng)故障期間風(fēng)電機(jī)組如何動作將對電網(wǎng)的潮流帶來影響，對原有的保護(hù)設(shè)置提出新的挑戰(zhàn)。在實際工程中，低壓配電網(wǎng)的保護(hù)方案一般為傳統(tǒng)的電流三段式保護(hù)。

風(fēng)力發(fā)電接到電網(wǎng)的末端，會改變配電網(wǎng)功率單向流動的特點，使潮流流向和分布發(fā)生改變，這在原有電網(wǎng)的規(guī)劃和設(shè)計時是沒有預(yù)先考慮的。風(fēng)電接入配電網(wǎng)非終端時，除了改變上游保護(hù)潮流流向和分布外還會對下游保護(hù)產(chǎn)生助增電流的影響。隨著電網(wǎng)注入功率的增加，風(fēng)電場附近局部電網(wǎng)的電壓和聯(lián)絡(luò)線功率都會超出安全范圍，嚴(yán)重時會導(dǎo)致電壓崩潰［9，10］。另外，異步發(fā)電機(jī)在發(fā)生近距離三相短路故障時不能提供持續(xù)的故障電流，在不對稱故障時提供的故障電流也非常有限，這些特點都會對配電網(wǎng)原有保護(hù)造成影響。

3 風(fēng)電接入配電網(wǎng)對電流保護(hù)的影響

本文運(yùn)用PSCAD軟件建立了配電網(wǎng)模型和基于異步風(fēng)力機(jī)的風(fēng)電場模型。圖1為含風(fēng)電的配電網(wǎng)示意圖，系統(tǒng)通過電壓等級為35kV的母線與配電網(wǎng)相連，系統(tǒng)的容量基準(zhǔn)取為100MVA，電壓基準(zhǔn)取為37kV。線路參數(shù)如下:線路型號為LGJ-150，電阻r=0.21Ω/km。

圖1 配電網(wǎng)絡(luò)圖Fig.1Diagram of distribution network

根據(jù)《3～110kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程》，算例配電網(wǎng)模型的保護(hù)整定值見表1和表2。表中，表示電流I段保護(hù)整定值;表示電流II段保護(hù)整定值;lmin%表示電流速斷保護(hù)最小保護(hù)范圍占線路總長度的百分比;Ksen為靈敏系數(shù)［11］。

表1 配電網(wǎng)電流速斷保護(hù)整定值(I段保護(hù))Tab.1Setting of instantaneous overcurrent protection

表2 配電網(wǎng)限時電流速斷保護(hù)整定值(II段保護(hù))Tab.2Setting of time delay instantaneous overcurrent protection

3.1 風(fēng)電接入配網(wǎng)終端

(1)風(fēng)電場接入D母線

當(dāng)故障發(fā)生在k1處時，流過保護(hù)3處電流曲線如圖2所示;流過保護(hù)2處仿真電流曲線如圖3所示。

風(fēng)電場接入D點前，k1處故障時保護(hù)3上無短路電流流過;而當(dāng)風(fēng)電場接入后，有反向電流流過保護(hù)3處，隨著容量的增加，經(jīng)過的反向短路電流會隨之增大。當(dāng)風(fēng)電場容量大于20MW時，流過保護(hù)3的短路電流大于保護(hù)3處的I段整定值1.031kA，則會發(fā)生保護(hù)3誤動。

圖2 不同接入容量下k1處三相短路保護(hù)3處電流Fig.2Fault current of protection 3 at k1 three-phase fault under different wind capacity

圖3 不同接入容量下k1處三相短路保護(hù)2處電流Fig.3Fault current of protection 2 at k1 three-phase fault under different wind capacity

對比圖2、圖3可知，越靠近風(fēng)電場處的線路(即越靠近末端)整定值越小，而風(fēng)電場提供的反向電流卻越大，保護(hù)誤動作的風(fēng)險也越大。越靠近風(fēng)電場的線路發(fā)生故障時受風(fēng)電場的影響越大，因此饋線下游的保護(hù)更容易受到影響［12］。

(2)風(fēng)電場接入E母線

當(dāng)故障發(fā)生在k1處時，仿真保護(hù)1、保護(hù)4處的電流曲線如圖4、圖5所示。

圖4 不同接入容量下k1處三相短路保護(hù)1處電流Fig.4Fault current of protection 1 at k1 three-phase fault under different wind capacity

圖5 不同接入容量下k1處三相短路保護(hù)4處電流Fig.5Fault current of protection 4 at k1 three-phase fault under different wind capacity

風(fēng)電場接入E母線，k1處發(fā)生故障時，保護(hù)1、保護(hù)4處將感受到風(fēng)電場提供的故障電流。當(dāng)風(fēng)電場容量足夠大時，提供給保護(hù)4處的故障電流有可能超過保護(hù)4的瞬時電流保護(hù)整定值，容易引起保護(hù)4的誤動。對AB線路來說，由于風(fēng)電場的引入，使得保護(hù)1感受到的故障電流變大，當(dāng)AB線路末端處發(fā)生故障時，保護(hù)2處的瞬時電流保護(hù)可能誤動作，使停電范圍擴(kuò)大。

3.2 風(fēng)電接入配電網(wǎng)非終端

風(fēng)電場接入母線C，k3處發(fā)生三相短路，不同容量下保護(hù)3處仿真電流曲線如圖6所示。

圖6 不同接入容量下k3處三相短路保護(hù)3處電流Fig.6Fault current of protection 3 at k3 three-phase fault under different wind capacity

風(fēng)電場加入前保護(hù)3處的瞬時電流保護(hù)按照躲過本線路末端的最大短路電流來整定。如圖6所示，故障后隨著風(fēng)電場的容量增大，故障電流也隨之增大［13，14］。隨著風(fēng)電場容量增加可能會使保護(hù)范圍延伸至下段線路，導(dǎo)致下段線路保護(hù)誤動。

風(fēng)電場分別接入母線B、C處，k3處發(fā)生三相短路，不同容量下保護(hù)3處仿真電流曲線如圖7所示。

相同容量下，風(fēng)電場分別接在母線B處與接在母線C處，保護(hù)3處感受的故障電流不同。風(fēng)電場接在母線C上產(chǎn)生的短路電流明顯大于接在母線B上。這說明離風(fēng)電場越近受其影響越大，保護(hù)感受到的故障電流越大;同理可得，相同接入位置，風(fēng)電場容量為10MW時，保護(hù)3感受到的故障電流小于30MW時感受到的電流。相同接入位置，容量越大，風(fēng)電場提供的故障電流越大，越容易使保護(hù)發(fā)生誤動作。

圖7 容量、接入點不同時k3處三相短路保護(hù)3處電流Fig.7Fault current of protection 3 at k3 three-phase fault under different wind capacity and different access points

4 改進(jìn)方法

鑒于上面所述的原因，考慮到風(fēng)電場的加入不能改變現(xiàn)已安裝的保護(hù)裝置，提出下面的解決方案。

(1)有選擇地加方向元件。針對風(fēng)電接入配電網(wǎng)末端對上游保護(hù)產(chǎn)生的反向電流的影響，由于配電網(wǎng)的電壓等級為35kV，根據(jù)《電網(wǎng)規(guī)程》，風(fēng)電場最大準(zhǔn)許接入容量在50MW以下。根據(jù)風(fēng)電場接入位置不同，有選擇性地加裝方向元件。例如，風(fēng)電場接入饋線末端時，只需給線路BC、CD加裝方向元件，AB、AE段線路不需增加。即滿足式(1)時，則不需要加裝方向元件。

式中，IDG為風(fēng)電場提供的反向電流;IK.min為聯(lián)絡(luò)點相鄰線路(即靠近系統(tǒng)側(cè)線路)兩相短路時的電流。這樣風(fēng)電場的接入將不會對原來風(fēng)電場未接入時的瞬時電流保護(hù)產(chǎn)生影響。

(2)調(diào)整保護(hù)整定值。當(dāng)風(fēng)電場接入配電網(wǎng)非終端時，會對保護(hù)下游的限時電流保護(hù)(II段保護(hù))配合產(chǎn)生影響。這時需要調(diào)整相應(yīng)的下游保護(hù)整定值。

圖8是風(fēng)電場接入配電網(wǎng)非終端示意圖。風(fēng)電場的阻抗為Zw，系統(tǒng)阻抗為Zs，線路單位長度阻抗為ZL，聯(lián)絡(luò)點為X，線路額定電壓為UN，m為從系統(tǒng)側(cè)到風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)點處所有線路長度之和，n為聯(lián)絡(luò)點處到保護(hù)3所在線路之和，h為保護(hù)4所在線路長度。

圖8 風(fēng)電場接入配電網(wǎng)非終端Fig.8Wind farm access distribution network at nonterminal

異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供的短路電流隨時間衰減，很可能在故障發(fā)生0.5s內(nèi)故障電流衰減為零，而限時電流保護(hù)一般在故障發(fā)生0.5s后動作，不會對限時電流保護(hù)產(chǎn)生影響，因此限時電流保護(hù)的整定值不需要調(diào)整。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障電流瞬時增大，而后迅速衰減，若故障一直未清除，則雙饋機(jī)可提供一定的持續(xù)短路電流;直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的短路電流瞬間增大，很快穩(wěn)定于一個恒定值［15］。含直驅(qū)或雙饋機(jī)組的風(fēng)電場接入饋線末端，配電網(wǎng)線路發(fā)生故障，當(dāng)風(fēng)電場容量達(dá)到一定程度時提供的反向電流會引起上游線路的瞬時電流保護(hù)誤動，當(dāng)提供的反向電流超過與此線路配合的上級線路I段保護(hù)整定值時，其限時電流保護(hù)也會誤動。

同理整定聯(lián)絡(luò)點下游的限時電流保護(hù)。以圖8的保護(hù)3為例，限時電流保護(hù)整定值為:

另外，對于聯(lián)絡(luò)點相鄰線路(即靠近系統(tǒng)側(cè)線路)限時電流速斷保護(hù)的配合整定需要單獨(dú)討論。如圖8所示，X為聯(lián)絡(luò)點，由于保護(hù)1的II段保護(hù)整定值是在保護(hù)2的I段整定值的基礎(chǔ)上得出的，而風(fēng)電場的接入會對保護(hù)1、2所在線路產(chǎn)生一個外汲的影響，導(dǎo)致下條線路的限時電流速斷保護(hù)整定值不能跟風(fēng)電接入之前設(shè)置的限時電流整定值相互配合，造成之前的保護(hù)不能正確動作。此時需要考慮分支系數(shù)。保護(hù)1的限時電流保護(hù)整定值如下:

5 結(jié)論

基于輻射型配電網(wǎng)電流保護(hù)，結(jié)合仿真結(jié)果說明風(fēng)電接入對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響，并得出如下結(jié)論:

(1)風(fēng)電接入配電網(wǎng)終端對上游的所有保護(hù)而言，有反向電流流過，隨著風(fēng)電場容量的增加，電流隨之增大，達(dá)到一定程度容易使保護(hù)誤動。因此，根據(jù)風(fēng)電場接入位置不同，接入容量不同，有選擇性地加裝方向元件會給保護(hù)的整定工作帶來很大的方便。

(2)風(fēng)電場接入配電網(wǎng)非終端對聯(lián)絡(luò)點上游的保護(hù)產(chǎn)生的影響與風(fēng)電場接入終端時對上游保護(hù)的影響類似，根據(jù)風(fēng)電接入容量，選擇性地加裝方向元件后即可解決;風(fēng)電場接入對聯(lián)絡(luò)點下游的保護(hù)會產(chǎn)生助增電流，從而影響下游保護(hù)的靈敏度及保護(hù)范圍，需要對原保護(hù)的瞬時電流整定值進(jìn)行修正。針對雙饋或直驅(qū)機(jī)組接入對限時電流保護(hù)的影響需對其整定值進(jìn)行修正，而對于聯(lián)絡(luò)點相鄰線路(靠近系統(tǒng)側(cè))的限時電流保護(hù)配合，在設(shè)定限時電流保護(hù)整定值時，應(yīng)考慮分支系數(shù)的影響。

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Impact analysis of wind farm access to distribution network current protection

ZHANG Yu，LI Feng-ting，QI Shang-min
(College of Electrical Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830047，China)

Access of wind power makes the distribution network to change from a single power supply and radiation structure to a network with more than one power supply，and that will have a greater impact on the original relay distribution network.The paper takes the PSCAD software as a platform，builds the models including the asynchronous wind-driven generator wind farms model and the distribution network model，and from two aspects of wind farm capacity and access position analyzes the impact of wind farms on the distribution network relay.Then，a conclusion about the influence of wind power access to the distribution network regarding the relay protection is obtained and the corresponding solutions are put forward.

wind farm;distribution network;current protection

TM614

A

1003-3076(2014)09-0052-05

2013-03-15

國家自然科學(xué)基金(51267019)、新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金(2012211A002)資助項目

張玉(1989-)，女，河南籍，碩士研究生，研究方向為可再生能源并網(wǎng)技術(shù)與電力系統(tǒng)繼電保護(hù);李鳳婷(1965-)，女，河北籍，教授，博士，研究方向為可再生能源并網(wǎng)技術(shù)與電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。