1、第23卷第20期電子設(shè)計工程2015年10月Vol.23No.20ElectronicDesignEngineeringOct.2015風電場集電錢路電流速新保#*定布宛楊平，恰，王寶華(南京理工大學自動化學院，江蘇南京210094)摘要：風電場的接錢,方式和送.行方式與常規(guī)火電廠不同，機組往往通過箱變升壓后經(jīng)集電線路相連，再升壓后井入電網(wǎng)，因此集電級路保護對風電場的稔定運行十分童要。而風力發(fā)電機組提供的短路電流與常規(guī)同步發(fā)電機組的特征并不相同，所以需要時風電場內(nèi)部集電線路電流保護的整定計算進行深入研充。通過分析雙饋風機機端電壓發(fā)生對稱性深度跌落時，轉(zhuǎn)子地棒保護動作后的定于短路電流表達式，并結(jié)

2、合線路電流保護的需妥*點分析了定子短路電流中的穗態(tài)基頻部分，并進行了仿真驗證，在此基礎(chǔ)上給出了風電場集電線路的電流速斷保護的整定方法，并給出了整定計算實例。關(guān)健詞：風電場；集電殘路；短路電流分析；速斷保護中圖分類號：TM77文獻標識褐：A文章編號：1674-6236(2015)20-0158-03Theinstantaneousover-currentprotectionofwindfarmcollectorlineresearchYANGPing-yi,WANGBao-hua(SchoolofAutomalion,NanjingUniversityofScienceandTechnology

3、,Nanjing210094,China)Abstract:Wiringandoperationmodeofwindfarmsisdifferentfromconventionalthermalpowerplants,theexportvoltageofwindturbineisstep-upbytheboxtransformer,thenisconnectedbycollectorlinestothegrid,sotheprotectionofcollectorlinesisveryimportantforthestableoperationofthewindfarm.Thecharacte

4、risticsofthewindturbineshort-circuitcurrentisnotthesameasthesynchronousgenerator,sothedeepstudyofwindfarmcollectorlinescurrentprotectionisneeded.Byanalyzingthewindturbinestatorshort-circuitcurrentexpression,andcombiningwiththefundamentalfrequencypartoftheslatorshort-circuitcurrentwhichcurrentprotect

5、needs,amethodfortheinstantaneousover-currentprotectionofwindfarmcollectorlineisproposed,andaexampleshowsthemethodrightKeywords：windfarm；collectorline；analysisoftheshort-circuitcurrent；theinstantaneousover-currentprotection風力發(fā)電成本低、環(huán)境污染小以及風電場建設(shè)周期短等優(yōu)勢使得風力發(fā)電成為世界各國政府大力發(fā)展的目標。我國風電場在電力系統(tǒng)中承擔的負荷越來越多，風電場的裝機容址的

6、規(guī)模已經(jīng)達到可以和常規(guī)機組的規(guī)模相當叫而風電場有看與常規(guī)火電廠所不同的特殊的接線方式和運行方式，風電機組出口電壓較低，通常通過箱式變壓器升壓后經(jīng)集電線路相連，再經(jīng)主變壓器升壓后并入電網(wǎng)。因此進行風電場內(nèi)部集電線路保護的研究，對于風電場內(nèi)的故障切除及穩(wěn)定運行來說有著十分重要的意義。1雙饋風力發(fā)電機組故障特征分析1.1雙饋風力發(fā)電機組簡介收稿日期：2014-12-31稿件埔號：201412317作者簡介：楊平怡(1990),女，江蘇高郵人，碩士研霓生。研究方向：風電場繼電保護。158風力發(fā)電機組根據(jù)運行特征和控制技術(shù)可以分為恒速恒頻與變速恒頻兩類。鼠籠式感應(yīng)風力發(fā)電機(FSIG)是恒速恒頻機組的代

7、表機型，而雙餉式風力發(fā)電機(DFIG)和永微直驅(qū)式風力發(fā)電機(D-PMSG)是變速恒頻機組的代表機型叫雙饋風機因為其有功和無功功率獨立控制、可變速運行及勵磁變流器容量小等特點，已成為國內(nèi)兆瓦級并網(wǎng)風電機組的首選機型。風電場內(nèi)部發(fā)生短路故障后，雙饋風力發(fā)電機組提供的短路電流與常規(guī)火電廠中同步發(fā)電機組提供的短路電流特征是不一樣的。根據(jù)當前國內(nèi)的風電場運行規(guī)程要求，風電場必須具有一定的故障穿越能力，因此短路時雙饋風機提供的短路電流是不能忽略的。為了實現(xiàn)低電壓穿越，目前大部分雙饋風機采用撬棒(Crowbar)電路來保護變流器和電機，一旦檢測到故障后轉(zhuǎn)子電流過大時，立即投入吸收電阻來短接轉(zhuǎn)子繞組旁路轉(zhuǎn)子

8、側(cè)變流器，從而避免轉(zhuǎn)子側(cè)過電流叫圖I為含有Crowbar的風力發(fā)電機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。典型的撬棒電路分為旁路電阻型、IGBT型、混合橋型等，圖1中Crowbar電路保護裝置選用IGBT型，每個橋臂由2個二極管串聯(lián)組成，而電路直流奧由IGBT器件和吸收電阻串聯(lián)接入。1.2雙憤風力發(fā)電機組短路電流理論分析故障發(fā)生后，當檢測到電壓跌落或者轉(zhuǎn)子電流過流時，撬棒電路投入，轉(zhuǎn)子繞組被短接，轉(zhuǎn)子電壓突變?yōu)?,并封鎖Crowbar.圖1雙饋風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)Fig.1Stnictureofdoubly-fedwindgenerator轉(zhuǎn)子變流器觸發(fā)脈沖叫可以得出轉(zhuǎn)子電壓釧，轉(zhuǎn)子電阻增加為RT+R,其中R(為撬棒電阻

9、阻值,A,為援棒電阻投入前轉(zhuǎn)子電阻阻值。當電網(wǎng)發(fā)生不對稱短路故障時，由于雙饋風力發(fā)電機組不接地，因此風機提供的短路電流只包含正序電流分量和負序電流分匿叫+WxHU-UDk寸+匕/況(1)式中：口表示機端正序電壓，乙表示機端負序電慶，以為雙饋風機正常運行時的機端電壓，恥為風機同步轉(zhuǎn)速&為風機轉(zhuǎn)子電角速度,s為轉(zhuǎn)差率;上表示勵磁電感;乙、乙，分別表示定、轉(zhuǎn)子全電感，且L,=LLn,LLLm,其中乙”、兒分別為定、轉(zhuǎn)子漏感。可以看出，雙饋風機定子短路電流共有3部分構(gòu)成：穩(wěn)定的基頻交流分量、衰減的直流分fit和衰減的額率等于轉(zhuǎn)速頻率的暫態(tài)諧波分盤。繼電保護中的電流保護大都提取短路電流中的穩(wěn)態(tài)基

10、頻交流分員，所以本文重點研究的是雙饋風機定子短路電流中的穩(wěn)態(tài)基頻交流分量，因此，當風電場內(nèi)發(fā)生三相短路時，機端電壓跌落為kU,U,為風機正常運行時的機端電壓，風機輸出的基頻穩(wěn)態(tài)短路電流為YhL,+j-t字P5k&'5,四頊,)S2雙饋風機機端電壓深度跌落仿真2.1風電場模型圖2所示為雙饋風電機組接入無窮大系統(tǒng)示意圖，雙饋風電機組出口電壓為690V,經(jīng)過箱式變壓器升壓到35kV.通過110/35kV升壓變壓器接入110kV無窮大系統(tǒng)。雙饋風機參數(shù)如表1所示。式(2)可以看出，Crowbar電阻的阻值越大，則衰減直流分由和穩(wěn)態(tài)交流分雖都會越小，且轉(zhuǎn)子磁鏈衰減加快.有利，機x,|I蜀

11、圖2雙饋風電機組接入無窮大系統(tǒng)示意圖Fig.2Schematicdiagramofstudiedpowersystem«1雙僚風機仿.Tab.1SimulationparametersofDFIG于雙饋風機的保護。但是Cmwbar電阻阻值并不是越大越好，Crowbar電阻阻值太大會引起直流母線箝位效應(yīng)，從而導致直流側(cè)過電壓，導致的危害比轉(zhuǎn)子繞組短時過流更大。因此本文仿真中選取的Cmwbar電阻阻值為風機轉(zhuǎn)子電阻的30倍。2.2仿真分析額定功率/R(MW)1.5額定轉(zhuǎn)速/(m/s)15勵磁電感ZU(pu)1.84定子漏感/Lu(pu)0.12定于電阻/R.(pu)0.008轉(zhuǎn)于漏

12、74;/Lj,(pu)0.088轉(zhuǎn)子電阻/昭(pu)0.0071=0.5s時,35kV處k點發(fā)生三相短路故障，故障持續(xù)0.1s后切除。故障發(fā)生在離風機出口較近的地方，從而風機機端電壓發(fā)生深度跌落，故障發(fā)生瞬間投入Crowbar保護，同時封鎖轉(zhuǎn)子側(cè)變流器脈沖。圖35給出了電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障后風機機端的電壓、電流以及電流基頻分量的波形。圖4風機機端輸出電流波形圖5風機機端電流交流分址波形Fig.5ACcomponentoftheDFIGcurrentwaveform由仿真波形可以看出故障發(fā)生后，風機機端電壓立刻降d2r-<2>©66dl-GD-0A06WW低，并迅速穩(wěn)定到0

13、.3pu,定子輸出電流峰值達到了4.442pu,這是因為短路電流中包含衰減的直流分ft,基頻交流分量以及頻率等于轉(zhuǎn)速獗率的暫態(tài)諧波分景，直流分和頻率等于轉(zhuǎn)速頻率的哲態(tài)諧波分址很快衰減°定子輸出的電流基頻分魅也在短路后發(fā)生的50ms內(nèi)出現(xiàn)了峰值3.208pu.并迅速穩(wěn)定為0.3406puo仿真中3=1.2pu,代入式（2）可以計算出33135pu,計算誤差約為險。34烈？35xl00%=7.96%0.3406由仿真結(jié)果和計算結(jié)果可知，計算誤差在可以允許的范圍內(nèi)，基筷穩(wěn)態(tài)短路電流表達式能夠反映電網(wǎng)發(fā)生對稱短路時風機機端基頻短路電流的情況。3風電場集電線路保護配置的分析和改進3.1傳統(tǒng)風電

14、場集電線路的保護配置國內(nèi)大部分風電場集電線路的保護都按照電網(wǎng)35kV線路的配置標準配置階段式電流保護悶。因為集電線路保護的選擇性比較低，當箱變高壓側(cè)故障時，集電線路保護經(jīng)常會越級動作擴大停電范圍。目前普遍采用兩段式電流保護來改善集電線路保護選擇性，兩段式分為限時電流速斷保護和定時限過流保護。限時電流速斷保護電流定值按線路末端兩相短路有靈敏度整定，時間定值按0.3s整定，來躲過箱變?nèi)蹟嗥鞯娜蹟鄷r間，保證在箱變高壓廁短路時，必須由箱變?nèi)蹟嗥髑谐收稀６〞r限過流保護電流定值按照躲過風機正常運行時的線路負荷電流整定，作為線路的后備保護，時間定值按0.6s整定。3.2傳統(tǒng)風電場集電線路的保護配置存在的不

15、足當集電線路靠近35kV母線側(cè)故障時，由于集電線路保護設(shè)有0.3s的延時，因而不能快速動作，而雙饋風機機端電壓多數(shù)會跌落至20%額定電壓以下，此時如果不能迅速切除故障，35kV母線上的所有風電機組保護都有可能動作于跳閘.大范圍擴大事故范闈。因此有必要對集電線路的電流保護配置速斷保護，從而迅速切除集電線路的嚴重故障，防止事故范圍的擴大。當前對風電場內(nèi)部集電線路電流保護定值進行整定時.一般的做法是將風電機組作為不考慮故障時提供短路電流的負荷來進行處理，或者是將其比照同步電機的故障模型來考慮風電機組提供的短路電流氣根據(jù)對雙饋風電機組的短路電流詳細分析可以知道，短路電流大小與故障前風機的轉(zhuǎn)速、故障后C

16、rowbar投入與否以及機端電壓大小密切相關(guān)°因此前者進行保護的整定計算時忽略風電機組提供的短路電流，造成保護范圍擴大；而后者增大了風機故障電流幅值,造成保護范圍縮小。33風電場集電統(tǒng)路的電流速斷保護的整定方法圖6所示為某風電場主接線圖，風電場通過主變壓器接入110kV電網(wǎng)系統(tǒng)S1,除故障集電線路的風電場內(nèi)部其他-160-風機等效為系統(tǒng)S2,各風機通過箱式變壓器連接到集電線路上。X制為35kV系統(tǒng)等效阻抗,刀口為保護安裝處至系統(tǒng)S2的等效阻抗，擊2為保護安裝處至集電線路第1臺風機安裝處（即dl點）的阻抗。圖6某風電場簡化接線圖Fig.6Simplifiedwiringdiagramo

17、fawindfarm電流速斷保護定值按照躲過被保護線路末端發(fā)生三相短路時的電流來整定。為了保證集電線路電流保護的選擇性,防止箱變高壓側(cè)故障時保護越級動作，保護動作電流定值不是躲過被保護線路末端d2點短路時的電流，而是按照躲過最大運行方式下dl點發(fā)生三相短路時的電流來糧定：IKJ工'性業(yè)也）（4）式中：Kz為可株系數(shù)，一般取1.3,12土為故障集電線路短路時S1提供的三相短路電流.為等效風電系統(tǒng)S2提供的三相短路電流，可由式（2）計算得出。如果集電線路保護沒有裝設(shè)方向元件，還要考慮躲過主變壓器低壓側(cè)三相短路時此條集電線路提供的最大短路電流，防止保護誤動作：心*必（5）3.4整定計X實例圖

18、6所示某風電場，系統(tǒng)基準容量100MW,基準電壓37kV,風電場各風機參數(shù)與上節(jié)仿真中的風機參數(shù)相同，風機次暫態(tài)阻抗無寸0.029Q,系統(tǒng)S1最大運行方式阻抗;4.04Q,最小運行方式X寸5.61Q,除故障集電線路的風電場內(nèi)部其他12臺風機等效為系統(tǒng)S2.X"或5.10n,xu=）2.94Q。系統(tǒng)最大運行方式下dl點發(fā)生三相短路時，系統(tǒng)S1提供的短路電流為42=2.74kA。計算等效系統(tǒng)S2提供的短路電流時，可以列寫風電場節(jié)點導納矩陣，用公式（1）表示節(jié)點3的注入電流，得到節(jié)點3電壓t/j=0.32pu,S2提供的短路電流為心=0.52kA。代入式（4）中可得到整定值/4.24kA。

19、系統(tǒng)最小運行方式（所有風機停運）下集電線路末端d2點發(fā)生兩相短路時短路電流為Ul.75kA,可以計算出整定的電流速斷保護靈敏度為K-=1.75/4.24=0.4】。將風機比照同步電機的故障模型來計算風電機組提供的短路電流，可得到蝕=133kA,代入式（4）得3.29kA,=1.75/5.29=0.33,可以看出按照同步電機來計算風機短路電流增大了風機故障電流幅值，降低了保護的靈敏度。4結(jié)論隨著風電場規(guī)模的日益擴大,有效的風電場內(nèi)部集電線（TH第165頁）內(nèi)的變頻調(diào)速裝置還存在一些問題無法滿足，需要進一步研究。，考文獻：董晚莉，胡生彬，狄兵兵.變頻調(diào)速對水泵經(jīng)濟運行的影響分析J.電氣應(yīng)用，201

20、2,31(4):79-83.DONGXiao-li,HUSheng-bin,DIBing-bing.Theimpactanalysisofeconomicoperationofthefrequencycontrolofmotorspeedofwaterpumpfj).ElectrotechnicalApplication,2012,31(4) :79-83.2 林紹強.變頻調(diào)速恒壓供水的控制原理JJ.電氣時代，2011(7):223-228.LINShao-qiangJ,requencycontrolofmotorspeedcontrolprincipleofconstantpressurew

21、atersupplyPElectricAge,2011(7):223-228.3 賀娟，古亮，羅程.變頻恒壓供水系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計J.電氣應(yīng)用，2014,33(4):89-92.HEJuan,GULiang,LUOCheng.VariablefrequencyconstantpressurewatersupplysystemwiththemonitoringandcontrolsystemdesignJ.ElectrotechnicalApplication,2014,33(4):89-92.4J股佳琳，譚孝輝，羅華富.PLC控制系統(tǒng)干擾及抗干擾措施研充J.控制工程，2013,20(4):77

22、6-772.YINJia-lin,TANXiao-hui,LUOHua-fu.InterferenceFactorsAnalysisofPLCControlSystemandit'sAnti-interferenceMeasures(J.ControlEngineeringofChina,2013,20(4):776-772.5 范洪艷，陳鳳，李壯.小區(qū)變頻4壓供水控制系統(tǒng)J.電氣時代,2011(4):80-82.FANHong-yan,CHENFeng,LIZhuang.Variablefrequencyconstantpressurewatersupplycontrolsystem

23、(J.ElectricAge,2011(4):80-82.6 膠佳琳，王針華，張丈君.基于PLC的變頗恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計J.控制工程，2014,21(2):309-311.YINJia-lin,WANGShu-hua,ZHANGWen-jun.DesignofFrequencyConversionandConstantPressureWaterSupplySystemBasedonPLCJ.ControlEngineeringofChina,2014,21(2):309-311.7 呂惠芳.基于PLCU壓供水系統(tǒng)中PID控制器的實現(xiàn)J,t慶商教研宛，2009(1)：53-5二LVHui-fang

24、.BascilontherealizationofthePIDcontrollerinPLCconstantpressurewatersupplysystemJJ.ChongqingHigherEducationResearch,2009(1)：53-55.8 王梅，馬小平.金立.基于S7-200的恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計工，自動化,2010(7):129-131.WANGMei,MAXiao*ping,JINLi.TheconstantpressurewatersupplycontrolsystembasedonS7-2OOdesignJ.IndustryandMineAutomation,2010(7):129-131.(上接第160頁)路保護對風電場的穩(wěn)定運行和故障的及時切除有著十分重要的意義。文中詳細分析了雙饋風機機端電壓發(fā)生深度跌落時，轉(zhuǎn)子Crowbar保護動作后的定子短路電流，并針對繼電保護的需要重點分析了定于短路電流中的穩(wěn)態(tài)基頻部分，得到了可以應(yīng)用到風電場集電線路保護整定中的短路電流表達式，并進行了仿真驗證，并在此基礎(chǔ)上給出集電線路的電流速斷保護的整定方法，該方法實用可行。,考文獻：1 KayikciM,MilanovicJV.Assessingtransientre