王 婷 ，李鳳婷 ，王 賓 ，何世恩，劉光途

（1.新疆大學 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 電機系 電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100084；3.國家電網(wǎng)甘肅省電力公司 風電技術(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，其他兩相在短時間內(nèi)仍然繼續(xù)運行，此時線路為非全相運行狀態(tài)。由于健全相和斷開相之間存在靜電和電磁的聯(lián)系，故障點的弧光通道中仍然有一定的潛供電流，它將維持故障點處的電弧，使之不易熄滅，影響重合成功。由于風電機組的運行、控制原理與水電、火電等常規(guī)能源有較大差異［1-6］，風電集中接入電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)的故障特性及運行特性存在顯著差異，結(jié)合風電的特點研究風電場送出線非全相運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)有研究熱點集中在常規(guī)能源非全相運行狀態(tài)，文獻［7-11］分析了常規(guī)能源系統(tǒng)線路非全相運行狀態(tài)下零序、距離、高頻保護的動作特性，提出了線路非全相運行時保護整定及運行中應注意的問題。文獻［12-15］研究了線路非全相運行時潛供電流的計算方法，分析了潛供電流對自動重合閘的影響。在風電送出線方面，主要集中在送出線繼電保護研究［16-18］。線路非全相運行與自動重合閘緊密相關(guān)，風電場不同于常規(guī)能源，風電送出線的非全相運行狀態(tài)也不同于常規(guī)線路，有必要結(jié)合風電場的運行特性對送出線非全相運行進行深入研究。

本文結(jié)合風電場的運行特點推導了風電場、常規(guī)能源送出線非全相運行時健全相電流的表達式，研究了風電場和常規(guī)能源健全相電流的差異，在線路參數(shù)不變的情況下，研究了非全相運行時風電場、常規(guī)能源潛供電流的特點。在PSCAD中仿真研究了風電場機型、注入容量以及投運機組數(shù)對送出線非全相運行時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行時的健全相電流

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

根據(jù)各序分量，計算出健全相B相電流為：

其中，ΔI（1）、ΔI（2）、ΔI（0）分別為正序、負序、零序的故障分量；Z（1）、Z（2）、Z（0）分別為正、負、零序網(wǎng)絡從斷口q、k看進去的等值阻抗（正序的電壓源短路）；為正常運行時的負荷電流。

1.1 常規(guī)能源送出線非全相運行時的健全相電流

圖2為常規(guī)能源送出線非全相運行示意圖。

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

當圖1（a）的M側(cè)為常規(guī)能源時，零序等值阻抗與M側(cè)為風電場時相同，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)能源機組的阻抗ZF的正、負序分量。因此，正序、負序、零序等值阻抗 Z（1）、Z（2）、Z（0）分別為：

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

則常規(guī)能源送出線非全相運行時健全相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，非全相運行時健全相電流小于正常運行時的負荷電流。

1.2 風電場送出線非全相運行時的健全相電流

圖3為風電送出線非全相運行示意圖。

圖3 風電送出線非全相運行示意圖Fig.3 Schematic diagram of outgoing line of wind farm operating in incomplete-phase mode

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

由于風電場（群）容量相對系統(tǒng)較小，一般小于接入系統(tǒng)短路容量的5%～10%，風電場側(cè)的正、負序等值阻抗包括故障點到M側(cè)線路阻抗、主變T1阻抗ZT1、風電場內(nèi)部35kV線路阻抗ZHL、風電機組（機箱變與風機）阻抗ZJ的正序和負序分量，遠大于系統(tǒng)側(cè)的等值阻抗；由于風電場主變壓器的中性點直接接地，風電場側(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，且等值零序阻抗遠小于等值正、負序阻抗［19］。

則非全相運行時正序、負序、零序等值阻抗Z（1）、Z（2）、Z（0）分別為：

考慮等值零序阻抗遠小于等值正、負序阻抗，簡化可得：

風電送出線非全相運行時健全相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)，而風電場側(cè)等值正、負序阻抗遠大于等值零序阻抗，因此風電場送出線非全相運行時，健全相電流大于正常運行時的負荷電流。

1.3 非全相運行時健全相電流仿真

由以上研究可以看出：送出線非全相運行時，一端為風電場時的健全相電流大于正常運行的負荷電流；而雙端為常規(guī)能源時，健全相電流小于正常運行時的負荷電流。在PSCAD中仿真研究同等容量的異步風電場和常規(guī)能源送出線1.2s進入非全相運行狀態(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進入非全相運行時，考慮阻抗特性，健全相電流較正常運行時電流減??；風電場送出線進入非全相運行時，考慮正、負序阻抗遠大于零序阻抗，健全相電流較正常運行電流增大。同等容量的風電場和常規(guī)能源送出線進入非全相運行后，風電場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 送出線非全相運行潛供電流

2.1 送出線非全相運行潛供電流

線路單相接地短路，故障相斷路器跳閘，其他兩相在短時間內(nèi)仍然繼續(xù)運行，故障點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 送出線非全相運行時健全相電流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)運行的兩相中的負荷電流在A相產(chǎn)生的互感電動勢，此電動勢通過故障點和該相對地電容產(chǎn)生的電流。

潛供電流將維持故障點的電弧使之不易熄滅。潛供電流計算公式參考文獻［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為每千米導線的相間電容；l為線路長度；X1、X2、Xc01、Xc02、Xm1和 Xm2的含義參照文獻［14］。

對于風電場送出線而言，投運機組類型、注入容量、風電內(nèi)部接線方式不同時，風電場的阻抗也不同，而健全相電流IB、IC受此影響也會變化；風電場健全相電流影響潛供電流IQ，因此投運機組類型、注入容量、風電內(nèi)部接線方式的不同都會引起潛供電流的變化。

2.2 常規(guī)電源和風電場送出線非全相運行時潛供電流對比

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

風電場送出線非全相運行時健全相B相電流，代入式（9），可得風電場送出線非全相運行時潛供電流：

由式（10）和式（11）可知，相同的送出線路，正常運行時負荷電流相同即注入容量相同的常規(guī)電源和風電場送出線路潛供電流不同：由于風電場非全相運行時健全相電流較常規(guī)能源大，因此風電場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電場和常規(guī)能源送出線0.8s進入非全相運行時潛供電流波形圖，仿真結(jié)果也驗證了理論分析的正確性。

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

3 風電場送出線非全相運行電流

常規(guī)能源機組容量較大，投運后機組正常運行時阻抗變化不大，因此非全相運行時電流受運行方式影響較小。而風電場包含多臺單機容量較小的機組，受風速、調(diào)度等影響，風電場投運的機組數(shù)、出力多變，且風電場投入時按臺數(shù)或者按區(qū)域投入。投運機組類型、注入容量、機組數(shù)不同時，風電場的阻抗不同，因此非全相運行時電流受運行方式的影響較大。本文結(jié)合風電的特點，在PSCAD中構(gòu)建仿真模型，研究機組類型、風電場注入容量及投運機組數(shù)對風電送出線非全相運行時健全相電流及潛供電流的影響。

3.1 風電機組類型對送出線非全相運行電流的影響

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

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

圖6 異步風電場送出線電流波形Fig.6 Current waveforms of outgoing line of asynchronous wind farm

圖7 雙饋風電場送出線電流波形Fig.7 Current waveforms of outgoing line of doubly-fed wind farm

圖8 異步風電場出力30 MW時送出線電流Fig.8 Outgoing line current of asynchronous wind farm when output is 30 MW

圖9 異步風電場出力50 MW時送出線電流Fig.9 Outgoing line current of asynchronous wind farm when output is 50 MW

3.2 風電場注入容量對送出線非全相運行電流的影響

異步風電場投運機組數(shù)相同，注入容量為30MW、50MW時，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，風電場機組類型及投運機組數(shù)相同時，風電場容量不同情況下，非全相運行時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)象的原因是投運的風電機組類型、數(shù)量相同，即風電場阻抗相同；此時風電場注入容量不同，正常運行時的負荷電流不同，故障前負荷電流越大，送出線非全相運行時健全相電流和潛供電流越大。仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性。而潛供電流的增大會導致熄弧時間變長，可能引起送出線重合閘失敗。

3.3 風電場投運機組數(shù)對送出線非全相運行電流的影響

風電場注入容量為30MW，投運機組數(shù)不同時，其送出線非全相運行電流如圖10、11所示。

風電場注入容量相同，運行方式1投運機組數(shù)20臺，運行方式2投運機組數(shù)40臺。從圖10、11可看出風電場機組類型和注入容量相同時，投運機組數(shù)不同，非全相運行時健全相電流和潛供電流也不相同。這是因為風電注入容量相同，正常運行時的負荷電流相同；而投運同類型不同數(shù)量的風電機組，風電場阻抗不同。非全相運行時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間也隨之變化，因此風電場送出線重合閘配置應考慮投運機組數(shù)對潛供電流的影響。

圖10 投運20臺機組時，異步風電場送出線電流Fig.10 Outgoing line current of asynchronous wind farm when twenty units are operating

圖11 投運40臺機組時，異步風電場送出線電流Fig.11 Outgoing line current of asynchronous wind farm when forty units are operating

4 結(jié)論

本文推導了風電場送出線和常規(guī)能源送出線非全相運行時健全相電流的表達式，結(jié)合風電場的特性，研究了風電場、常規(guī)能源送出線非全相運行時健全相電流的差異。在此基礎(chǔ)上研究了風電場、常規(guī)能源送出線非全相運行時潛供電流的特點。研究結(jié)果表明：風電場不同于常規(guī)能源，在送出線非全相運行時健全相電流增大；在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不變的情況下，同等注入容量的風電場其潛供電流比常規(guī)能源增大。研究了影響風電場送出線非全相運行時電流的因素，研究表明非全相運行時健全相電流及潛供電流受風電場機型、風電場出力、投運機組數(shù)的影響。因此應結(jié)合風電機組類型、風電場注入容量、投運機組數(shù)分析潛供電流對送出線重合閘的影響，為風電場送出線重合閘配置提供理論基礎(chǔ)，提高風電場送出線重合成功率。

［1］楊宏，苑津莎，吳立增.基于風電功率預測的電網(wǎng)靜態(tài)調(diào)峰能力極限研究［J］.電工技術(shù)學報，2014，29（4）：266-273.YANG Hong，YUAN Jinsha，WU Lizeng.Research ofstatic regulation capacity limit based on wind power prediction［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29（4）：266-273.

［2］何世恩，鄭偉，智勇，等.大規(guī)模集群風電接入電網(wǎng)電能質(zhì)量問題探討［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41（2）：39-44.HE Shien，ZHENG Wei，ZHI Yong，et al.Power quality issues of large-scale clusterwind powerintegration［J］.PowerSystem Protection and Control，2013，41（2）：39-44.

［3］李和明，董淑惠，王毅，等.永磁直驅(qū)風電機組低電壓穿越時的有功和無功協(xié)調(diào)控制［J］.電工技術(shù)學報，2013，28（5）：73-81.LI Heming，DONG Shuhui，WANG Yi，et al.Coordinated control of active and reactive power of PMSG-based wind turbines for low voltage ride through［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28（5）：73-81.

［4］撖奧洋，張哲，尹項根，等.雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)故障特性及保護方案構(gòu)建［J］.電工技術(shù)學報，2012，27（4）：233-239.HAN Aoyang，ZHANG Zhe，YIN Xianggen，et al.Research on fault characteristic and grid connecting-point protection scheme for wind power generation with doubly-fed induction generator［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27（4）：233-239.

［5］劉峻，何世恩.建設(shè)堅強智能電網(wǎng)助推酒泉風電基地發(fā)展［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38（21）：19-23.LIU Jun，HE Shien.Strongsmartgrid boostsJiuquan wind power base development［J］.Power System Protection and Control，2010，38（21）：19-23.

［6］孫元章，林今，李國杰，等.采用變速恒頻機組的風場并網(wǎng)問題研究綜述［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34（3）：75-80.SUN Yuanzhang，LIN Jin，LI Guojie，et al.A survey on the grid integration ofwind farms with variable speed wind plant systems［J］.Automation of Electric Power Systems，2010，34（3）：75-80.

［7］袁浩，王琰，倪益民，等.高壓線路保護非全相運行狀態(tài)下的考慮［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34（20）：103-107.YUAN Hao，WANG Yan，NI Yimin，et al.Considerations for high voltage line protection under open-pole operation［J］.Automation of Electric Power Systems，2010，34（20）：103-107.

［8］徐柯，苗世洪，劉沛.方向高頻保護負序功率方向元件的非全相運行性能分析［J］.電力系統(tǒng)自動化，2003，27（21）：45-48.XU Ke，MIAO Shihong，LIU Pei.Analysis for the performance of power line carrier protection based on negative sequence power direction in the condition ofincompletephase operation［J］.Automation of Electric Power Systems，2003，27（21）：45-48.

［9］鄒力，苗世洪，劉沛.高壓線路非全相運行對距離保護的影響［J］.繼電器，2003，31（5）：1-4.ZOU Li，MIAO Shihong，LIU Pei.Influence of2-phase work condition of high voltage transmission line on distance protection relay［J］.Relay，2003，31（5）：1-4.

［10］趙曼勇.線路非全相運行時保護問題探討［J］.繼電器，2003，31（7）：81-83.ZHAO Manyong.Discussion on some protection problem about power line operating with phase failure ［J］.Relay，2003，31（7）：81-83.

［11］王賓，董新洲，薄志謙，等.非全相運行輸電線路負序方向縱聯(lián)保護方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33（12）：61-66.WANG Bin，DONG Xinzhou，BO Zhiqian，etal.A novel algorithm for negative sequence pilot protection applicable to open-phase transmission lines［J］.Automation of Electric Power Systems，2009，33（12）：61-66.

［12］何柏娜，趙云偉.基于頻率相關(guān)模型的潛供電弧參數(shù)的計算與分析［J］.高壓電器，2013，49（10）：13-19.HE Baina，ZHAO Yunwei.Calculation and analysis of secondary arc parametersbased on frequencyrelated model［J］.High Voltage Engineering，2013，49（10）：13-19.

［13］陳劍萍，張思，丘文千，等.特高壓線路潛供電流的仿真計算［J］.電力自動化設(shè)備，2009，29（4）：71-75.CHEN Jianping，ZHANG Si，QIU Wenqian，etal.Simulative calculation of UHV line secondary arc current［J］.Electric Power Automation Equipment，2009，29（4）：71-75.

［14］劉洪順，李慶民，鄒亮，等.安裝故障限流器的輸電線路潛供電弧特性與單相重合閘策略［J］.中國電機工程學報，2008，28（31）：62-67.LIU Hongshun，LI Qingmin，ZOU Liang，et al.Secondary arc characteristics and single-phase auto reclosure scheme of EHV transmission line with fault current limiter［J］.Proceedings of the CSEE，2008，28（31）：62-67.

［15］陳禾，陳維賢.超、特高壓輸電線路中潛供電流的電路分析和計算［J］.高電壓技術(shù)，2010，36（10）：2368-2373.CHEN He，CHEN Weixian.Circuit analysis and computation of secondary current in EHV and UHV transmission lines［J］.High Voltage Engineering，2010，36（10）：2368-2373.

［16］畢天姝，李彥賓，馬麗紅，等.風場及其送出線保護配置與整定研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2014，42（5）：45-50.BITianshu，LIYanbin，MA Lihong，etal.Configuration and setting of relay protection for wind farm and its outgoing line［J］.Power System Protection and Control，2014，42（5）：45-50.

［17］何世恩，姚旭，徐善飛.大規(guī)模風電接入對繼電保護的影響與對策［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41（1）：21-27.HE Shien，YAO Xu，XU Shanfei.Impacts of large-scale wind power integration on relay protection and countermeasures［J］.Power System Protection and Control，2013，41（1）：21-27.

［18］李鳳婷，李智才.含異步機風電場的配電網(wǎng)故障特性及其保護分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（4）：981-986.LI Fengting，LI Zhicai.Analysis on impacts of asynchronous wind farm on faultcurrentcharacteristics and protective relaying of distribution network［J］.Power System Technology，2013，37（4）：981-986.

［19］張保會，李光輝，王進，等.風電接入電力系統(tǒng)故障電流的影響因素分析及對繼電保護的影響 ［J］.電力自動化設(shè)備，2012，32（2）：1-8.ZHANG Baohui，LI Guanghui，WANG Jin，et al.Affecting factors of grid-connected wind power on fault current and impact on protection relay［J］.Electric PowerAutomation Equipment，2012，32（2）：1-8.