劉鵬博，王 賀，趙書健，劉孟石，林玉浩

(1.山東大學，濟南 250061；2. 國網(wǎng)德州供電公司，山東 德州 253000；3. 國網(wǎng)吉林省電力有限公司營銷服務(wù)中心，長春 130062；4. 國網(wǎng)承德供電分公司，河北 承德 068250)

隨著配電網(wǎng)因風電等可再生能源發(fā)電的接入[1]，原有網(wǎng)絡(luò)潮流、運行狀態(tài)和故障表現(xiàn)都會發(fā)生改變，原有保護裝置會出現(xiàn)拒動、誤動等不良現(xiàn)象，給配電網(wǎng)的繼電保護帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)[2]。對原繼電保護方案及保護判據(jù)做出改進，這對增加可再生能源消納、保護電網(wǎng)安全穩(wěn)定有著重要的意義。

針對風電接入配電網(wǎng)的繼電保護方案，目前有很多學者進行了研究。大體分為以下幾種方式：仍采用原有的保護方案，降低風電的接入容量，來減少其對原保護方案的影響[3];基于通信技術(shù)，通過采集系統(tǒng)運行信息判斷故障并采取動作[4]，但傳輸時間較長，降低了保護的速動性，同時一旦通信網(wǎng)癱瘓，將會造成重大損失；采用自適應(yīng)保護方案，通過加裝少量設(shè)備，對電流整定值進行重新設(shè)定[5]，但本質(zhì)上判據(jù)依然單一；增加限流器、方向判別裝置，對原有的階段公式保護進行改進，但限流電抗器的引入會使系統(tǒng)網(wǎng)損增加，不利于系統(tǒng)的經(jīng)濟運行。

該文分析了風電電源 “T”型接入對傳統(tǒng)縱聯(lián)差動保護可靠性的影響，改進了原有的差動電流保護；

增添正序電壓、電壓-電流相角輔助判據(jù)，對原有保護進行了相應(yīng)地改進。通過仿真平臺搭建了含風電的高壓配電網(wǎng)模型，對改進后的繼電保護方案的有效性進行了驗證。

1 風電并網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響

1.1 風電輸出特性

以PQ控制的風電為例，PQ控制是通過雙環(huán)控制將有功功率與無功功率分別進行控制，外環(huán)為功率環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。PQ控制可使逆變型電源輸出的有功功率Pout、輸出的無功功率Qout與設(shè)置的有功功率參考值Pref、無功功率參考值Qref保持一致[6]。為了驗證PQ控制風電并網(wǎng)時輸出特性，在PSCAD仿真平臺下搭建了風電的等效模型，模型見圖1。

圖1 含風電簡單電路模型

為了充分利用風電電源所發(fā)出的能量，風電電源的無功功率參考值Qref為0，有功功率參考值Pref為0.4MW。風電有裝設(shè)電流限幅模塊，最大輸出電流Imax設(shè)置為2倍額定電流。風電通過隔離變壓器并網(wǎng)，采用△/Y0接線方式，負荷均為阻感性。因配電網(wǎng)線路較短，可忽略其對地電容，設(shè)單位正序阻抗、負序阻抗、零序阻抗分別為Z1、Z2、Z0，Z1=(0.6+j0.86)Ω/km，Z1=Z2，Z0=1.5Z1，長度為4km。設(shè)置故障點0.5s時刻發(fā)生短路故障，故障時長為0.25s，步長為1s，其輸出結(jié)果見圖2。

圖2 仿真風電Pout、Qout變化波形

從仿真結(jié)果可以看出，PQ控制的風電并網(wǎng)后，雖然存在爬坡功率的限制，經(jīng)過短暫的啟動機組過程后，即可保持恒定的P、Q輸出，即使線路發(fā)生故障，風電仍然可以按照設(shè)定的功率進行輸出，這為研究改進繼電保護方案奠定了基礎(chǔ)。

1.2 風電“T”型接入對縱聯(lián)保護的影響

將裝設(shè)在線路始、末端的電流互感器二次側(cè)繞組的同極性端子縱向連接構(gòu)成電流回路，繼電器并接在電流互感器二次側(cè)端子上，通過比較流入兩端縱聯(lián)電流差動保護中的電流與整定值來判斷是否發(fā)生故障，當差動電流小于整定電流值時，說明保護范圍內(nèi)未發(fā)生故障，保護不動作，反之保護動作。

保護的整定值為：

Iunb=0.1KstKnpIkmax

(1)

式中：Iunb為整定電流判據(jù)值；Kst為電流互感器同型系數(shù)，兩側(cè)互感器型號相同時，Kst=0.5，兩側(cè)互感器型號不同時，Kst=1；Knp為非周期分量系數(shù)；Ikmax為正常運行或外部故障時，兩端母線流過的最大不平衡電流。

在高壓配電網(wǎng)當中，風電的接入容量常為30～50 MW，為了滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定安全地運行，風電通常采用“T”型接入并網(wǎng)的方式，見圖3。

圖3 風電“T”型接入并網(wǎng)等效模型

由基爾霍夫電流定律(Kirchhoff's current law,KCL)可知，線路兩端所測得的差動電流值會包含風電提供的不平衡電流，若仍按照原有的整定公式進行整定計算，正常運行或外部故障時的差動電流會超過原有的電流整定值，導(dǎo)致原保護方案可能發(fā)生誤動。區(qū)內(nèi)故障時，由于風電機組不同于火電機組，提供的電流不僅與故障位置、故障類型有關(guān)，還受其控制方式影響，所以需要改進差動電流整定值判據(jù)[8-9]。

2 改進的含風電配電網(wǎng)繼電保護

2.1 改進差動電流整定值

風電“T”型接入了配電網(wǎng)，造成原有配電網(wǎng)絡(luò)在正常運行狀態(tài)下，線路兩端母線上的電流互感器所測得的差動電流不為零，而是風電的輸出電流Iwd，適當增大差動電流整定值，可提高保護的可靠性。由于比例積分調(diào)節(jié)器中限流環(huán)節(jié)的存在，即使在故障情況下，風電輸出電流的大小不會超過其2倍額定電流。為了保證發(fā)生故障時保護能快速動作而正常運行狀態(tài)下保護不誤動，在改進差動電流整定值時需考慮風電的額定輸出電流以及系統(tǒng)過載對保護的影響，可按照式(2)來設(shè)置電流整定值。

Iunb=0.1KstKnpIkmax+2I0

(2)

式中I0為風電的額定輸出電流。

差動電流整定值改進后，當配電網(wǎng)正常運行或保護線路范圍外部發(fā)生短路故障時，由于整定值較高，差動電流將小于電流整定值，避免了保護的誤動作。當保護線路發(fā)生短路故障時，由于故障電流遠大于風電的輸出電流，差動電流將會大幅度增加并超過電流整定值，保護能可靠動作切除故障。

2.2 新增保護判據(jù)

2.2.1 考慮正序補償電壓判據(jù)

最大不平衡電流會隨著風電接入容量的增加而增大，由式(2)計算的差動電流整定值也會隨之增大，當配電網(wǎng)中發(fā)生故障電流較小的短路故障(如非金屬性單相短路接地)或是經(jīng)電阻的相間短路故障時，由于故障電流較小而整定值較大，保護可能會發(fā)生拒動，無法及時切除故障的現(xiàn)象。僅改進電流整定值無法很好地滿足繼電保護可靠性的要求,因此在改進差動電流整定值的基礎(chǔ)上，增加一個風電接入點兩側(cè)的正序補償電壓的輔助判據(jù)，對保護進行進一步改進。

風電具有三相對稱的輸出特性，并且在發(fā)生故障時風電與系統(tǒng)電源一樣僅存在于正序網(wǎng)中。可采用正序分量作為保護的判據(jù)，同時正序分量作為判據(jù)可以有效地避免發(fā)生接地故障或不對稱故障對保護動作情況的影響。風電“T”型接入的正序網(wǎng)絡(luò)等值模型見圖4。其中，U1M、U1N分別為母線M、N處的母線正序電壓，可由電壓互感器測得；I1M、I1N分別為流過線路的的正序電流，可由電流互感器測得；Uwd為風電并網(wǎng)點處的電壓；ZM、ZN分別為接入點到母線M、母線N的等值線路阻抗。由電路原理可得：

(3)

設(shè)置電壓判據(jù)見式(4)。

圖4 風電“T”型接入配電網(wǎng)正序網(wǎng)等值電路

(4)

根據(jù)線路實際參數(shù)、縱聯(lián)差動保護范圍外部最大故障電流Ikmax以及互感器的測量誤差設(shè)置對操作電壓值Uop進行整定，得：

Uop=kμ1Ikmax(ZM+ZN)+kμ2kδEs

(5)

式中：kμ1、kμ2分別為電流互感器、電壓互感器的測量誤差，kδ為電壓偏移量，Es表示電源電動勢，當母線處互感器測得的正序電壓、電流滿足式(4)時，表明線路內(nèi)部發(fā)生故障，保護動作，反之保護不動作。

2.2.2 考慮相位保護判據(jù)

圖5 并網(wǎng)點故障時配電網(wǎng)復(fù)合等值電路模型

其中，Zf為故障等值阻抗，由復(fù)合序網(wǎng)附加阻抗Zg和過渡電阻Rg組成。

此時，當接入點發(fā)生短路故障時，等值阻抗Zf有故障電流If流過，由KCL可得出公式(6)：

(6)

(7)

(8)

(9)

結(jié)合式(8)、式(9)，可得發(fā)生故障時，接入點處正序節(jié)點電壓、正序差動電流間的相位關(guān)系為：

(10)

結(jié)合改進的電流判據(jù)、新增的電壓和相角三種動作判據(jù)，可以得到一套更加完善的風電“T”接配電網(wǎng)的繼電保護方案，其中，φ代表A、B、C三相，具體步驟見圖6。

圖6 改進后繼電保護方案步驟

此方案改進了傳統(tǒng)縱聯(lián)差動保護的電流整定值，增加了基于正序補償電壓的輔助判據(jù)，并且利用接入點處的正序節(jié)點電壓和電流的相位關(guān)系來解決風電并網(wǎng)點發(fā)生故障的 “死區(qū)”問題。避免保護受故障位置、故障類型及風電容量等因素的影響。

3 仿真分析

3.1 算例說明

搭建的仿真模型見圖7。

圖7 含風電簡單電路模型

模型為110 kV額定電壓等級下的輻射型配電網(wǎng)線路，網(wǎng)絡(luò)線路的正序參數(shù)為：電阻r=0.21×10-3Ω/km，電抗x=0.419×10-3Ω/km，導(dǎo)納b=5×10-6S/km，零序是正序的1.5倍，線路AM、AT、TB、BN長度分別為15、30、30、45 km，系統(tǒng)兩側(cè)電勢相角差為50°。風電組件輸出直流電壓1 kV，再經(jīng)過0.4 kV/35 kV/110 kV變壓并網(wǎng)。故障發(fā)生在仿真1 s，故障為永久性故障，仿真總時長為2 s。

仿真主要通過改變風電接入容量、故障類型以及故障位置，并且與傳統(tǒng)的差動電流保護進行比較，分別檢驗本文新型縱聯(lián)差動保護的動作效果，并驗證其可靠性。

3.2 風電接入容量不同

分析發(fā)生單相接地時風電接入容量分別為15、25、35 MW的繼電保護工作情況。A相差動電流及正序電壓補償判據(jù)見圖8、圖9。

圖8 電流判據(jù)A相差動電流

圖9 正序電壓補償值判據(jù)

具體動作結(jié)果及風電接入15、25、35 MW時見表1、表2。表1表示在過渡電阻90 Ω的情況下，發(fā)生單相接地風電接入容量不同時，改進后電流差動保護動作情況，其中風電容量15 MW時保護動作，25、35 MW時保護都不動作。表2表示在過渡電阻90 Ω的情況下，發(fā)生單相接地風電接入容量不同時，考慮正序補償電壓判據(jù)后的保護動作情況，其中全部場景下保護均動作。

表1 只基于電流差動保護動作情況 kA

表2 考慮電壓判據(jù)保護動作情況 kV

在風電機組并網(wǎng)容量為15 MW時，電流差動保護可以可靠動作，但在風電機組并網(wǎng)容量為25 MW、35 MW時，電流差動保護出現(xiàn)了“拒動”情況。

正序補償電壓整定值Uop為0.2 kV。在風電機組并網(wǎng)容量為15、25、35 MW時，改進后考慮正序電壓判據(jù)的差動保護均能夠可靠動作，有效解決了只使用電流差動保護下的“拒動”問題。

可見，當風電接入的容量較大時測得的三相差動電流會小于差動電流整定值，若只依據(jù)傳統(tǒng)差動電流判據(jù)進行保護，保護可能拒動，導(dǎo)致故障無法切除。但改進后的電壓保護判據(jù)的數(shù)值總是大于整定值，不受風電接入容量的影響，發(fā)生故障時，保護可以正確動作，切除故障。改進后保護方案更有利于風電的消納。

3.3 并網(wǎng)點故障類型不同

風電接入的容量為25 MW，設(shè)置并網(wǎng)點發(fā)生單相接地、兩相接地以及三相短路，接地故障過渡電阻大小為90 Ω，由于兩相相間短路的過渡電阻為弧光電阻，所以其阻值較小[7-10]，通過兩端的互感器對數(shù)據(jù)進行獲取，具體結(jié)果見表3、表4。改進電流差動保護的整定值為0.498 kA。表3為改進電流差動保護的動作情況。其中，只基于電流差動保護時均不動作。各類故障電流判據(jù)A項差動電流見圖10。

表3 電流差動保護判據(jù) kA

圖10 各類故障電流判據(jù)A相差動電流

在表3中可以看出，在風電接入的容量為25 MW時，在單相接地、兩相接地和三相短路故障中，電流差動保護均不能夠可靠動作，出現(xiàn)“拒動”情況。

表4 增加電壓和相角判據(jù)

由表4可以看出，在風電接入的容量為25 MW時，在單相接地、兩相接地和三相短路故障中，考慮正序補償電壓和相位判據(jù)的差動保護均可正確可靠動作，提高了保護的可靠性。 正序電壓補償判據(jù)及相位差判據(jù)見圖11、圖12。

從結(jié)果可以看出，過渡電阻較大，測得的差動電流較小，傳統(tǒng)的差動電流保護很可能發(fā)生拒動，且在并網(wǎng)點發(fā)生短路故障，所測得的電壓判據(jù)值較小，可能小于整定值；但系統(tǒng)會向短路點注入功率，其相角差值在(90°～270°)動作范圍內(nèi)，保護仍會動作，并且當發(fā)生金屬性三相短路故障時，雖然無法獲取正序補償電壓與相角差，但此時差動電流值較大，傳統(tǒng)的縱聯(lián)保護仍可以正確動作，彌補了并網(wǎng)點發(fā)生三相小電阻短路時，保護存在不可靠動作的不足。

圖12 各類故障相位差判據(jù)

4 結(jié)論

以PQ控制的風電為例，闡述了風電的輸出特性，分析了風電電源 “T”型接入配電網(wǎng)對傳統(tǒng)縱聯(lián)差動保護的影響；在原有繼電保護配置的基礎(chǔ)上，改進差動電流的整定值，增加了正序補償電壓判據(jù)和相角判據(jù)，并提煉出一套完善的風電“T”接配電網(wǎng)的繼電保護方案。最后通過案例分析，建立風電接入配電網(wǎng)模型，從風電接入容量以及網(wǎng)絡(luò)中故障類型的不同分別驗證了改進優(yōu)化后的保護方案的可行性和可靠性。