王 進(jìn)，張 健，苗偉威，喬立同，王 茗，張 超

（1.山東電力調(diào)度控制中心，山東 濟(jì)南 250001；2.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

0 引言

近年來，我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，我國(guó)擁有世界1／3 以上的風(fēng)電裝機(jī)容量，已成為世界風(fēng)電領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。截至2019 年底，全國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量210.05 GW，較上年末增長(zhǎng)14.0%，占全國(guó)總發(fā)電裝機(jī)容量的比例已超過10%［1］。

由于風(fēng)力發(fā)電在電力系統(tǒng)中的占比逐年增大，其對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響愈發(fā)突出。近幾年風(fēng)電場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，隨著并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)容量的增加，以及風(fēng)電機(jī)組區(qū)別于傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行及故障特性，風(fēng)電場(chǎng)大規(guī)模并網(wǎng)給旨在確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的繼電保護(hù)裝置可靠運(yùn)行帶來極大挑戰(zhàn)。

近年來，國(guó)內(nèi)外有大量學(xué)者開始關(guān)注并探討風(fēng)電接入后的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)問題，文獻(xiàn)［2］根據(jù)實(shí)際風(fēng)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)分析大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故的原因，提出相應(yīng)的機(jī)組電壓保護(hù)、風(fēng)電無功補(bǔ)償?shù)鹊母纳拼胧?；文獻(xiàn)［3］仿真雙饋式風(fēng)場(chǎng)接入無窮大系統(tǒng)暫態(tài)特征，指出風(fēng)電保護(hù)的動(dòng)作性能隨故障類型、位置發(fā)生變化；文獻(xiàn)［4］研究了異步風(fēng)電場(chǎng)對(duì)輸電線路距離Ⅲ段動(dòng)作特性的影響；文獻(xiàn)［5］研究了風(fēng)電場(chǎng)短路電流特征，并給出風(fēng)電保護(hù)整定原則；文獻(xiàn)［6］仿真雙饋風(fēng)電場(chǎng)短路特性以及對(duì)保護(hù)整定的影響。大量文獻(xiàn)表明，對(duì)于集中式接入的風(fēng)電場(chǎng)，必須深入研究其對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響。

以一起220 kV 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)線路實(shí)際接地故障為例，詳細(xì)分析了風(fēng)電場(chǎng)故障特征的特殊性，并對(duì)故障過程進(jìn)行仿真分析，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行及繼電保護(hù)可靠動(dòng)作起到有益指導(dǎo)作用。

1 一起220 kV 風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)線接地故障

某日09∶15∶54，某地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)220 kV 并網(wǎng)線路發(fā)生B 相接地故障，線路兩端故障電壓、電流的錄波圖分別如圖1 和圖2 所示。

根據(jù)故障錄波圖可知，當(dāng)線路發(fā)生B 相接地時(shí)，系統(tǒng)端B 相電壓跌落，故障電壓為事故前的30%，非故障相電壓基本不變；B 相電流瞬時(shí)增大，一次有效值達(dá)18.57 kA，非故障相電流略有增加。

對(duì)于風(fēng)場(chǎng)端，故障相電壓大幅跌落，故障電壓僅為事故前的4%，非故障相電壓基本不變；而故障電流A、B、C 三相幅值、相位幾乎完全一致，電流幅值均在0.75～0.76 kA，零序電流達(dá)2.27 kA。

圖1 系統(tǒng)端故障電壓、電流錄波

圖2 風(fēng)場(chǎng)端故障電壓、電流錄波

可見，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)線路發(fā)生接地故障時(shí)，系統(tǒng)端電壓、電流特性與傳統(tǒng)線路單相接地故障象征相同，而風(fēng)場(chǎng)端故障特性與傳統(tǒng)故障象征有較大差別。在我國(guó)西北某些地區(qū)，已經(jīng)出現(xiàn)過由于風(fēng)電故障特殊性導(dǎo)致繼電保護(hù)選相錯(cuò)誤等情形，需要引起足夠重視［7］。

2 故障理論分析

我國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)多采用集中式接入系統(tǒng)方式。風(fēng)電場(chǎng)在規(guī)劃及建設(shè)時(shí)，考慮風(fēng)電場(chǎng)地形以及風(fēng)電機(jī)組的布局、單機(jī)容量等因素，將7～8 臺(tái)風(fēng)機(jī)組成一組，發(fā)出的電能經(jīng)過低壓集電線路匯集到風(fēng)場(chǎng)低壓母線，經(jīng)風(fēng)場(chǎng)主變壓器升壓，最后由高壓并網(wǎng)線路輸送至電力系統(tǒng)［8-10］。集中式風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)如圖3 所示。

當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，利用對(duì)稱分量法對(duì)其進(jìn)行故障分析［11］。分別做出正、負(fù)、零序等值網(wǎng)絡(luò)，如圖4 所示。

圖4 中，XFG1、XXB1、XJD1、XT1、XL1、X′L1、XS1分 別 為風(fēng)電機(jī)組、箱式變壓器、集電線、主變壓器、故障點(diǎn)兩端線路以及所接入系統(tǒng)的正序等效阻抗；XFG2、XXB2、XJD2、XT2、XL2、X′L2、XS2分別為風(fēng)電機(jī)組、箱式變壓器、集電線、主變壓器、故障點(diǎn)兩端線路以及所接入系統(tǒng)的負(fù)序等效阻抗；XT0、XL0、X′L0、XS0分別為風(fēng)場(chǎng)主變壓器、故障點(diǎn)兩端線路以及所接入系統(tǒng)的零序等效阻抗。

圖3 集中式風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)

圖4 故障復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)

故障點(diǎn)兩端總等效正、負(fù)、零序等效阻抗分別為：

式中：X∑G1、X∑G2、X∑G0分別為風(fēng)場(chǎng)側(cè)正、負(fù)、零序等效阻抗；X∑S1、X∑S2、X∑S0分別為系統(tǒng)側(cè)正、負(fù)、零序等效阻抗。

由于風(fēng)電場(chǎng)的容量相對(duì)所接入系統(tǒng)較小，一般小于接入系統(tǒng)短路容量的5%～10%，可認(rèn)為風(fēng)電場(chǎng)端的正、負(fù)序等效阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)端的等效阻抗，即X∑G1＞＞X∑S1、X∑G2＞＞X∑S2。由于風(fēng)電場(chǎng)主變壓器一般為Yn／d 接線（高壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地），因此并網(wǎng)線路接地故障時(shí)，風(fēng)場(chǎng)端的零序等效阻抗只包含風(fēng)場(chǎng)主變壓器以及線路的零序阻抗，與系統(tǒng)端零序等效阻抗相差不大，即X∑G0與X∑S0相差不大。

對(duì)于并網(wǎng)線路單相接地故障，復(fù)合序網(wǎng)為正、負(fù)、零序網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)，所以故障點(diǎn)處正、負(fù)、零序電流相同，即圖4 中根據(jù)正、負(fù)、零序網(wǎng)絡(luò)各自的分流效應(yīng)，流過風(fēng)場(chǎng)端及系統(tǒng)端正、負(fù)、零序電流分別為：

由于X∑G1＞＞X∑S1、X∑G2＞＞X∑S2，X∑G0與X∑S0相差不大，故，即風(fēng)電場(chǎng)流過的故障電流中正、負(fù)序分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于零序分量，從而出現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)端故障電流三相幅值、相位均近乎相同的情況，與圖2 實(shí)際故障錄波圖一致。而系統(tǒng)端流過的故障電流中正、負(fù)、零序分量大小相當(dāng)，故經(jīng)過3 個(gè)序分量合成后，三相電流故障象征正常。

3 仿真驗(yàn)證

對(duì)該故障現(xiàn)象進(jìn)一步仿真驗(yàn)證，在PSCAD／EMTDC 平臺(tái)中建立圖3 所示的風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)仿真模型。風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)25 臺(tái)、單機(jī)容量4 MW，總?cè)萘?00 MW。仿真t=2 s 時(shí)，220 kV 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)線上發(fā)生B 相接地故障，故障持續(xù)50 ms，仿真得到系統(tǒng)端及風(fēng)場(chǎng)端電壓、電流波形，分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 系統(tǒng)端電壓、電流仿真波形

圖6 風(fēng)場(chǎng)端電壓、電流仿真波形

由仿真波形看出，220 kV 風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)線發(fā)生B 相接地故障時(shí)，系統(tǒng)端故障相電壓跌落，故障相電流劇增，最大瞬時(shí)值約25 kA，非故障相電壓、電流變化不大；風(fēng)場(chǎng)端故障相電壓跌落、非故障相電壓變化不大，而三相電流出現(xiàn)幅值、相位近似一致的情況，與前文理論分析一致。

4 結(jié)語

以一起220 kV 風(fēng)電場(chǎng)送出線路接地故障為例，分析了風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)線路接地故障特性，在PSCAD／EMTDC 平臺(tái)建立實(shí)際風(fēng)場(chǎng)接入系統(tǒng)模型，對(duì)該故障進(jìn)行了仿真再現(xiàn)。結(jié)果表明，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)保護(hù)因?yàn)榱鬟^幾乎全部為零序故障電流，從而會(huì)出現(xiàn)三相電流幅值、相位均近似一致的情況。該問題為集中式接入風(fēng)電場(chǎng)的典型問題，與風(fēng)電機(jī)組自身類型無關(guān)，需引起足夠重視。