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风电场接入对配电网继电保护的影响与对策


第 33 卷 第 11 期 2009 年 6 月 文章编号:1000-3673(2009)11-0087-05

电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号:TM771;TM614 文献标志码:A

Vol. 33 No. 11 Jun. 2009 学科代码:470·4054

风电场接入

对配电网继电保护的影响与对策
杨国生 1,李欣 2,周泽昕 1
(1.中国电力科学研究院,北京市 海淀区 100192; 2.华北电力大学 电气与电子工程学院,北京市 昌平区 102206)

Impacts of Wind Farm on Relay Protection for Distribution Network and Its Countermeasures
YANG Guo-sheng1,LI Xin2,ZHOU Ze-xin1
(1.China Electric Power Research Institute,Haidian District,Beijing 100192,China;2.School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Changping District,Beijing 102206,China) ABSTRACT: The connection of wind farm with distribution network changes the distribution of short-circuit current in the network, so the existing relay protection for distribution network has to be regulated to ensure the fault cleared while short-circuit fault occurs. The impact of wind farm that has been connected with distribution network on relay protection for distribution network is researched, the short-circuit currents of asynchronous generators as well as the composition of stator fault current, the calculation of attenuation time constant of fault current components and their attenuation law are analyzed. On this basis, an adaptive instantaneous trip current protection scheme is proposed to effectively solve the possible maloperation and misoperation caused by the connection of wind farm with distribution network and to improve the reliability of protection action. KEY WORDS: wind farm ; distribution network ; relay protection;adaptive protection 摘要:风电场的接入改变了配电网的短路电流分布,必须 调整现有的配电网保护才能保证发生短路时保护能正确切 除故障。 文章研究风电场接入后对配电网继电保护的影响, 分析异步风力发电机的短路电流,讨论定子故障电流的构 成和各分量衰减时间常数的计算及其衰减规律。在此基础 上提出了自适应电流速断保护方案,有效解决了风电场接 入后原配电网保护可能出现的误动、拒动问题,提高了保 护动作的可靠性。 关键词:风电场;配电网;继电保护;自适应保护

降。由于风力发电具有较好的经济效益和社会效 益,因此其发展受到世界各国政府的高度重视。 目前风力发电技术大体上分为恒速恒频 (constant speed constant frequency,CSCF)和变速恒 频[1](variable speed constant frequency,VSCF)2大 类。恒速恒频系统采用同步发电机或感应发电机, 风速变化时,系统通过调节保持风力机转速恒定, 实现频率的恒定。变速恒频是交流励磁变速恒频风 力发电系统,采用绕线式异步电机或级联式无刷双 馈电机,目前常用的是双馈感应电机(double fed induction generator,DFIG)。 随着并网运行风电场容量的不断增加,风电场 对电网运行的影响也越来越突出。目前国内外研究 人员对风电并网问题的研究主要集中在风电场接入 对系统无功、电压的影响,对电能质量的影响,对 系统调峰的影响及对系统稳定性的影响等方面[2-10], 对风电场提供的短路电流问题研究较少。对包含风 电场的系统进行保护整定时,一般的做法是将其按 同等容量同步机考虑或直接忽略其影响,这会产生 一定的误差,因此需要对风电机组的短路电流及其 对继电保护的影响进行研究,以进行准确的保护整 定计算。 本文探讨了风电场接入系统后对配电网继电保 护的影响,重点分析了异步风力发电机的短路电流, 讨论了定子故障电流的构成和各分量衰减时间常数 的计算及其衰减规律。针对传统配电网接入风电场 后保护可能出现拒动或误动的问题,提出了自适应 电流速断保护方案,对保护原理和整定方法进行了 说明。

0 引言
随着风力发电技术的不断进步,风机的单机容 量逐渐增大,经济性也逐渐提高,发电成本持续下

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杨国生等:风电场接入对配电网继电保护的影响与对策

Vol. 33 No. 11

1 风电场接入对电流保护的影响
现阶段大、中容量风电场均采用升压后接入系 统变电站母线,再向负荷供电的方式;小容量风电 场一般是经升压站送电线路就近 T 接或π接在系统 线路上[11]。高压线路主保护一般采用双侧电气量比 较的纵联保护,风电场接入后,其动作性能基本不 受影响;配电网主保护一般采用传统电流速断保 护,风电场接入后,对接入点上、下级线路的保护 性能都将产生影响[12-13]。 电源电势E一定时,短路电流的大小为 E E E = = IK = Z ∑ ZS + Z K ZS + β Z l

2安装处测量到的短路电流增大,保护范围增大,速 断保护的范围可能延伸至下级线路,造成下级线路 无选择性跳闸,并且风电场容量越大,影响越明显。 图2给出了风电场接入对保护1的影响。图2(b) 中曲线1、2为风电场未接入时,系统分别运行在最 大、最小方式下,线路AB、BC内部发生故障时的 短路电流;曲线3、4为风电场接入后,系统分别运 行在最大、 最小方式下, 线路BC内部发生故障时流 过保护1的电流。由于接入了风电电源,流过保护2 的电流增大,母线B的残压升高,流过保护1 (1)
I I 的电流减小。 I dz,A 、 I dz,B 分别为保护1、2的速断定 II 值, I dz,A 为保护1的限时速断定值。由图2可见,系

式中: ZK 为保护安装处到故障点之间的阻抗; ZS 为保护安装处到系统等效电源之间的阻抗,随运行 方式而变化;Zl 为线路全长的阻抗; β = Z K / Z l , 0 ≤ β ≤ 1。 图 1 给出了风电场接入对保护 2 的影响。 1(b) 图 中曲线 1、2 为风电场未接入时,系统分别运行在 最大、最小方式下,线路 AB、BC、CD 内部发生 故障时的短路电流;曲线 3、4 为风电场接入后, 系统分别运行在最大、最小方式下,线路 BC、CD 内部发生故障时流过保护 2 的电流。由于接入
I I 了风电电源,流过保护 2 的电流增大。 I dz,A 、 I dz,B 、

统运行在非最大运行方式下时,保护1的限时电流 速断保护范围将缩小。风电场在B处接入后,有可 能在BC线路发生故障时不能动作。
A 1 1DL d1 B 2 2DL d2 C

(a) 风电场接入系统图

I

1 2

I

I dz,C

分别为保护 1、 3 的速断定值,I 2、

II dz,A

、I

II dz,B



Idz,A 4

I

3

Idz,A

II

Idz,B

I

保护 1、2 的限时速断定值;l 为线路长度。由图 1 可见,保护 2 的保护范围受系统运行方式和风电场 接入的双重影响,风电电源提供的短路电流使保护
A 1 系统 1DL d1 B 2 2DL d2 C 3 3DL d3 D

l
(b) 短路电流曲线

Fig. 2

图 2 风电场接入对保护 1 的影响 The influence of wind power connected on protection 1

风电场 (a) 风电场接入系统图

I 1 2
I Idz,A

B 3 4 Idz,A
II

C Idz,B
I

另外,三相短路时短路电流初值大、衰减快, 主要影响速断保护的灵敏系数和保护范围;两相短 路时短路电流初值小、衰减慢,对速断和限时电流 速断保护均造成影响。可见,系统运行方式、风电 场容量、故障位置、故障类型等都对保护有直接的 影响,使安装在电网中不同位置的保护保护范围缩 小或增大。要使保护正确动作,必须分析风电场接 入后故障电流的特征,利用其特征来改进保护[14-18]。
Idz,C l
I

Idz,B

II

2 短路电流分析
鼠笼式风力发电机突然发生三相对称短路故 障后,A 相电流的近似表达式如下[19]: isa = U s / X s′ e ? t / Ts 0 sin α + U s (1/ X s ?
1/ X s′ )e ? t / Tr 0 sin(ω1t + α )

(b) 短路电流曲线

Fig. 1

图 1 风电场接入对保护 2 的影响 The influence of wind power connected on protection 2

(2)

第 33 卷 第 11 期








1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.0

89

式中:Us 为定子 A 相电压; X s′ 为发电机瞬态电抗;
衰减常数

Xs 为发电机稳态电抗; 为定子 A 相短路时电源电 α T 压初相角; s0 为故障电流中所含非周期分量电流的 T 衰减常数; r0 为故障电流中所含周期分量电流的衰 减常数; ω1 为故障电流周期分量的角频率。
鼠笼式风力发电机无独立励磁,定子短路后无 外部电功率供给,因此其定子短路电流将衰减至零 而无稳态电流分量。 鼠笼机的次暂态电势为
′′ E0 = U 0 ? jI 0 X ′′

e

?t/Tr0

e?t/Ts0 0.1 0.2 t/s 0.3

Fig. 4

图 4 衰减常数变化曲线 The curve of attenuation constant

时,将导致保护范围缩小,而如果维持原整定值, 将可能使保护范围扩大到下级线路。

(3)

3 自适应电流速断保护
3.1 整定原则 自适应电流速断保护的电流整定值可表示为
I I dz = I K k K d Es Zs + Z l

式中: U 0 为短路前定子电压; I 0 为短路前定子电 流; X ′′ 为次暂态电抗,其表达式为

Xr Xm X ′′ = X s + Xr + Xm

(4)

(7)

式中: X s 为定子漏感抗; X r 为转子漏感抗; X m 为 电枢电抗。 风电场接入后,若短路点在配电线路上某处, 计算短路电流衰减常数时还应考虑发电机至短路点 的等值阻抗,将该阻抗值加到发电机定子漏阻抗中。 以图 1 中的配电网为例,分析 BC 段线路发生 短路时故障电流的衰减规律。故障后从转子侧看进 去的等值电路如图 3 所示,其中 Le、Re 分别为外电 路等值后的等效电感和等效电阻。
Re Le Rs Ls Lm Lr Rr

I 式中: K k 为可靠系数,一般取 1.2?1.3;Kd 为故障

类型系数;Es 为系统等效电势;Zs 为背侧阻抗;Zl 为保护范围内线路阻抗。 3.2 参数计算 1)故障类型系数Kd[20]。 ①利用负序电流区分两相和三相短路。两相短 路的判据为
I 2 > K I1f

(8)

式中: I 2 、 I1f 分别为负序、正序电流的故障分量; 系数 K < 1 。 ②利用相电流故障分量区分故障类型。 在只利 用两相电流(如A、C两相)的条件下,BC两相短路、 AB两相短路、CA两相短路选相算法分别为
I Af < K1 I Cf I Cf < K1 I Af

Fig. 3

图 3 故障后转子侧等值电路 Equivalent circuit of rotor side after fault

从定子侧看进去的等值定路与转子侧是互易 的,衰减常数表达式为 1 Xm(Xs + Xe) Tr0 = [Xr + ] ω1 Rr Xm + (Xs + Xe) (5) (6)

(9) (10) (11)

I Af + I Cf < K1 I Af

Ts0 =

1 XmXr (X + Xe + ) ω1 ( Re + Rs ) s Xm + Xr

式中: I Af 、 I Cf 分别为 A、C 相电流的故障分量; K1 为系数,并且 K1 < 1 。 在式(9)?(11)中,满足任一条件时即为两相短 路;而当式(9)?(11)均不满足时判定为三相短路。 2)背侧阻抗Zs。 由叠加原理可知, 系统 若图1中d2点发生短路, 正常及故障附加状态如图5所示。图中: Es 为系统 等效电势;Z s 为背侧阻抗;Z l 为保护安装处至故障
U 点的阻抗; Bf 与 I Bf 分别为保护安装处计算得到的

图 4 为 BC 段线路末端发生故障时衰减常数随 时间的变化曲线,可以看出,故障后短路电流迅速 衰减且衰减速度不同。故障点距离风电场越远, e ? t / Ts 0 越小,非周期分量衰减速度越快,而 e ? t / Tr 0 越 大,周期分量衰减速度越慢。 可见,与普通电源明显不同的是,风力发电机 接入后提供的短路电流是随时间衰减的,并且不同 分量的衰减速度不同。对于传统的电流速断保护, 若按最大短路电流整定,在风力发电机退出运行

故障电压分量与故障电流分量; U d2 为故障点正常 运行时的电压。

90
Zl Zs . Es (a) 正常状态 + . Ud2 _ . UBf

杨国生等:风电场接入对配电网继电保护的影响与对策
Zl Zs . IBf + _ (b) 故障附加状态 .

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下,分别对风电场接入点(母线 B)下级线路安装保 护 2 和上级线路安装保护 1 进行仿真计算,分析保 护动作性能。下级线路、上级线路自适应保护动作 性能如图 6、7 所示。 由仿真结果可以看出,采用自适应保护后,在 保护区内故障时保护可靠动作,保护区外故障时可 靠不动。 风机未接入时,故障电流周期分量随故障时间 呈现稳定值,保护根据故障电流值与实时计算的整 (12) 定值进行判别,此时动作性能与传统配电网保护相 同,能可靠判别故障并正确动作。 风机接入后,短路电流周期分量随故障时间衰 减或增大至稳定值,在这段时间内,保护根据系统 实时故障电流计算出保护整定值,该整定值与故障 电流呈现相同的变化趋势,故障电流大于整定值 时,判别为保护范围内故障,保护可靠动作;故障 电流小于整定值时,判别为保护范围外故障,保护 可靠不动。
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2
故障电流值

?Ud2

图 5 系统正常状态及故障附加状态 Fig. 5 The circuit of power system normal state and fault state

背侧阻抗可由对称分量法求出,系统的正、负 序阻抗Z1s、Z2s可表示为
[19]

Z1s = ?U1f / I1f , Z 2s = ?U 2f / I 2f

式中:U1f 、I1f 分别为保护安装处的正序故障电压、 电流分量;U 2f 、 I 2f 分别为保护安装处的负序故障 电压、电流分量。 当有双馈式风力发电机接入时,由于双馈机转 子侧控制电路主要由电力电子元件组成,此时的风 力发电系统将不再是线性的,叠加原理不适用。在 分析非线性系统中某一时刻的响应时,可进行局部 线性化近似,得到分析结果。因此,对于接入双馈 式风力发电机的系统,在故障发生时刻和确定延时 电流并确定保护整定值,其分析方法和原理与线性 电路相同。 风电场接入系统后,风力发电机投入、退出引 起的风电场容量变化,以及系统中不同故障位置的 影响,都将在等值电路中通过等效电势和背侧阻抗 反映出来,即可反映在自适应电流保护动作整定值 中。多台风电机组组成风电场,等值电路中的等效 电势和背侧阻抗也可按同样方法计算得到。风电场 容量、运行方式、故障位置发生变化时,自适应速 断保护的动作电流整定值随之变化,使保护范围和 灵敏系数满足风电场接入系统后保护的要求。 3)故障分量。 提取故障分量的算法可表示为
i1 (t ) = i (t ) ? ( ?1) n i (t ? nT / 2) (13) 式中: i1 (t ) 为故障分量电流; i (t ) 为实测电流;T为

i/kA

时刻可近似看作线性电路,运用叠加原理分析故障

保护整定值

0.3

0.4

0.5

t/s

0.6

0.7

0.8

(a) 风机接入时,区内三相短路

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.2

i/kA

保护整定值 故障电流值

0.3

0.4

0.5

t/s

0.6

0.7

0.8

(b) 风机接入时,区外三相短路

0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2

故障电流值

i/kA

保护整定值

0.3

0.4

0.5

t/s

0.6

0.7

0.8

(c) 风机未接入时,区内三相短路

工频周期; n = ±1, ±2,


i/kA

4)系统等效电势Es。 系统等效电势Es可按下式在线计算: Es = U Bf + I Bf Z s (14)

0.65 0.55 0.45 0.35 0.25 0.15

保护整定值

故障电流值 0.2 0.3 0.4 0.5

t/s

0.6

0.7

0.8

4 保护动作性能分析
系统接线如图 1(a)所示,用 PSCAD 软件建立 仿真模型,在系统运行方式和故障类型变化的情况
Fig. 6

(d) 风机未接入时,区外三相短路

图 6 下级线路自适应速断保护动作性能 The action performance of adaptive quick-break protection located on downstream line

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1.8 1.4 1.0 0.6 0.2 0.2








31(20):16-23(in Chinese).

91

i/kA

[3]
故障电流值 保护整定值 0.3 0.4 0.5

Cao Na, Zhao Haixiang, Huizhu. Dai Dynamic behavior of integrated wind turbines during fault condition and impact on relay settings of distribution network feeders[C].2006 International Conference on Power System Technology,Chongqing,China,2006.

t/s

0.6

0.7

0.8

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(a) 风机接入时,区内三相短路
0.6 i/kA 0.5 0.4 0.3 0.2 0.2 保护整定值

故障电流值 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

[5]

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t/s

(b) 风机接入时,区外三相短路
1.8 1.4 1.0 0.6 0.2 0.2 故障电流值 保护整定值

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i/kA

0.3

0.4

0.5

t/s

0.6

0.7

0.8

(c) 风机未接入时,区内三相短路
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.2 保护整定值

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(d) 风机未接入时,区外三相短路

Fig. 7

图 7 上级线路自适应速断保护动作性能 The action performance of adaptive quick-break protection located on upstream line

5 结论
本文对风电场接入后对配电网继电保护的影 响进行了探讨,重点分析了异步风力发电机送出的 短路电流,提出了自适应电流速断保护方案,通过 实时计算改变定值,实现保护的可靠动作,保护动 作性能有了明显改善。 随着风力发电技术的迅速发展,风电场容量越 来越大,大容量风电场大多采用升压后直接接入高 压电网的方式,由此带来短路电流水平变化,对系 统稳定、电能质量、继电保护等产生影响,这些都 需要进一步深入研究。

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第 33 卷 第 11 期





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收稿日期:2009-03-16。 作者简介: 杨选怀(1967—),男,硕士,高级工程师,主 要从事电力仿真培训系统平台的研究开发工作, E-mail:long1631@sina.com; 林昌年(1964—),男,硕士,教授级高工,主 要从事电力系统分析、电力仿真培训系统的研究开 杨选怀 发工作; 王国平(1977—),男,硕士,工程师,主要从事电力仿真培训系统 虚拟现实仿真技术研究; 蒲天骄(1970—),男,硕士,高级工程师,主要从事电力仿真培训 系统的研究开发工作; 徐正清(1972—),男,硕士,高级工程师,主要从事电力仿真培训 系统的研究开发工作。

(责任编辑

李兰欣)

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[14] Jang S I,Choi J H,Kim J W,et al.An adaptive relaying for the protection of a wind farm interconnected with distribution networks[C].IEEE Transmission and Distribution Conference and Exposition,Dallas,Texas,USA,2003. [15] Haslam S J, Crossley P A, Jenkins N, al. et Design and evaluation of a new type of protection for wind farms[C].Sixth International Conference on Developments in Power System Protection , Nottingham,UK,1997. [16] Crossley P,Haslam S,Jenkins N.Evaluation of a new type of protection relay for wind farms[C].IEE Colloquium on System Implications of Embedded Generation and Its Protection and Control, Birmingham,UK,1998. [17] Achleitner G,Obkircher C,Fickert L,et al.Overall protection in decentralized wind power plants and decentralized grids[C]. International Conference on Clean Electrical Power,Capri,Italy,2007.

[18] Reichard M L,Finney D,Garrity J T.Wind farm system protection using peer-to-peer communications[C].60th Annual Conference on Protective Relay Engineers,Texas,USA,2007. [19] 马志云. 电机瞬态分析[M]. 北京: 中国电力出版社, 1998: 120-134. [20] 葛耀中.新型继电保护与故障测距原理与技术[M].西安:西安交 通大学出版社,1996:316-380.

收稿日期:2009-02-23。 作者简介: 杨国生(1977—),男,硕士,主要研究方向为电 力系统继电保护,E-mail:yangguosheng@epri.ac. cn; 李欣(1984—),女,硕士研究生,主要研究方 向为电力系统继电保护; 周泽昕(1970—),女,高级工程师,主要研究 杨国生 方向为电力系统继电保护。

(责任编辑 沈杰)

《三峡输变电工程总结性研究论文集》征稿启事
按照国务院三峡办的有关要求,国家电网公司将于 2009 年底出版《三峡输变电工程总结性研究论文集》 ,该论文集在 归纳、整理已发表的相关论文的基础上继续征集新论文,欢迎从事三峡输变电工程建设的专家、学者和工程技术人员踊跃投 稿,投稿要求如下: 1)投稿为未公开发表的论文,请勿一稿多投,请作者确保论文内容的真实性和客观性。 2)稿件内容可以为综述、理论研究、试验研究、工程设计、工程施工、工程管理、设备研制等。 3)稿件字数控制在 8000 字以内,如内容丰富可适当增加字数。 4)稿件提交截止日期为 2009 年 8 月 20 日。 5)来稿请注明“三峡输变电工程建设论文” 。 投稿邮箱:pst@epri.ac.cn;联系人:郭训颖;联系地址:北京市海淀区清河小营东路 15 号《电网技术》编辑部;电话: 010-82812532;传真:010-82812532。


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