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第43卷第13期2015年7月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlV01.43NO.13Ju1.1,2015风电场35kV电缆网络中性点接地方式研究刘渝根,许晓艳,马晋佩,谢丽娜(1.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,重庆400044;2.国网重庆市电力公司,重庆402284)摘要:为研究风电场35kV电缆网络中性点接地方式的适用性和可行性,针对电缆网络较大的对地电容电流水平,利用Matlab/Simulink软件建模仿真。给出了以贵州龙里风电场为工程背景、不同中性点接地方式下的运行特性,并提出了一种改进的、适合风电场35kV电缆网络的中性点复合运行方式。复合方式以消弧线圈为基础,当接地电容电流水平小于100A而发生单相接地故障时,先并中值电阻抑制系统暂态过电压,若为瞬时性故障,消弧线圈补偿后故障自动消除,若为非瞬时性故障则利用短时并入小电阻启动零序电流保护。而当接地电容电流水平大于100A,发生单相非瞬时性接地故障时,直接利用小电阻的短时投入,启动零序电流保护装置快速切除故障。仿真结果表明,复合方式适应性强,且相关设备可按照相关绝缘水平进行选取,具有较高的可操作性。关键词:风电场;电缆网络:中性点;电容电流;Matlab/SimulinkStudyonneutralgroundingmodesof35kVcablenetworksinwindfarmLIUYugen,XUXiaoyan,MAJinpei,XIELinaf1.StateKeyLaboratoryofPowerTransmissionEquipment&SystemSecurityandNewTechnology,ChongqingUnivemity,Chongqing400044,China;2.ChongqingElectricPowerCorporation,Chongqing402284,China)Abstract:Tostudytheapplicabilityandfeasibilityofwindfarm35kVcablenetworksneutralgroundingmethods,andaimingatlargercapacitivecurrenttogroundlevelincablenetworks,thesimulationismadebyusingMATLAB/Simulinksoftware.ThispapertakesLong-liwindfarmasengineeringbackgroundandgivesoperationalcharacteristicsunderdifferentneutralgroundingways.Amodifiedoperationmodebasedonarcsuppressioncoilisproposedforwindfarm35kV—cablenetworks.Whensinglephasegroundingfaultoccursandthegroundingcapacitivecurrentislessthan100A,themediumresistanceisswitchedtosuppressthetransientover-voltageintheinitialperiodofthefault,thetransientgroundingfaultCanbeextinguishedbycompensatinga—rCsuppressioncoilwhilenontransientgroundingfaultCanbesolvedthroughzerosequencecurrentprotection.Forthecaseofgroundingcapacitivecurrentgreaterthan1O0A,thezerosequencecurrentprotectiondeviceisstartedbyinputtingalowresistancetoremovenon-transientgroundingfaulttimely.Simulationresultsshowthattheimprovedmethodisadaptableandtherelatedequipmentcanbeselectedinaccordancewiththerelevantinsulationlevels,whichhasahighoperability.Keywords:windfarm;cablenetworks;neutralpoint;capacitivecurrent;Matlab/Simulink中图分类号:TM726文献标识码:A文章编号:1674.3415(2015)13-0092-080引言随着电缆线路的推广和普及,对场址环境要求颇高的风电场也倾向于采用电缆线路,而电缆网络较大的对地电容电流,使得与电缆线路故障和电力系统安全关系紧密的电缆网络中性点接地方式倍受关注。近年来,上海的电缆网络在国内最具代表性,其电压等级多,投运时间长。尤其上海市中心的基金项目:国家创新研究群体基金资助(51021005)35kV电缆网络,曾采用消弧线圈带10Q的并联电阻,并经10S延时投入以选择故障线路,继之又在苏联专家的建议下,拆除并联电阻运行。后来随着电缆线路的延长,又重新开始使用9.9Q的低电阻接地方式。区别于传统城市配网[1-2],风电场的负荷为风机,而城市配网直接面向用户,其通常采用中性点经消弧线圈接地并配合小电流选线装置,但因小电流选线装置一般需要一定的判断时间,然后才跳闸动作,这对于风电场而言存在着很大的安全隐患,刘渝根,等风电场35kV电缆网络中性点接地方式研究一93一且很少有参考文献深入分析这种差异性及其适用性。鉴于此,借助目前贵州龙里风电场三期(大坪子风场)和四期(马郎坡风场)工程中的典型35kV电缆网络中性点经小电阻(Rd=47Q)接地方式为研究背景【3J,利用Matlab/Simulink软件平台,结合实际工程运行经验,分析35kV电缆网络在不同因素作用不同接地故障下的运行特性,进而提出改进的中性点接地方式,并验证分析其可行性。1风电场建模在明确风电场电气系统与常规能源电气系统的区别下,建立适当的风电场数学模型[5】。先简单介绍龙里风电场三、四期工程的现状,再针对风电场特有的风力发电机建模,并结合风电场的工作条件,对整个风电场进行建模。1.1龙里风电场简介大坪子风场、马郎坡风场位于贵州省黔南市辖区内龙里县的草原乡和民主乡,总装机容量96Mw,48台单机容量为2Mw的风机构成。风机出口电压690V,并采用两级升压,即0.69/35kV集电变和35/110kV主变。集电变高压侧使用联合单元接线,8台风机构成一联合单元,经6回YJV22.185的集电电缆(交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套钢带铠装)线路接入升压站35kV低压侧,该电缆网络系统目前主要采用中性点经小电阻(Rd=47Q)接地方式,再经一回LGJ.240架空线接入马郎变电站。1.2风力发电机模型风力发电机模型一般包含风速、风力机及发电机组模型[8-toJ。其中,风速是一个在空间和时间上典型的随机变量,即互。为此进行了简化处理,沿用普遍采用的四分量模型:基本风VwB、阵风G、渐变风VWR和随机风VWN的叠加,即V=+G++(1)(1)基本风VWB,用风电场测风数据的威尔分布参数(尺度参数和形状参数近似有=(1+1/K)AF(2)式中,厂(・)为伽马函数。(2)阵风-wG描述为』0<。)≤≤。={(。t。+)10>G+)(3)=争1-cos(2/ro)]式中,、G、及G一依次表示阵风风速、起动时间、周期及最大值。(3)渐变风VWR描述为‰=0(t<R)Vr(f+)JRn1(t+R)(4)0>+)=[1一(tlT ̄)/(一)]式中,R、R及分别表示渐变风最大值、起动时间、终止时间及保持时间。(4)随机风VWN则用噪声分量来描述有=∑2丽=(i一1/2)Am(5)式中:表示0-2n之间均匀分布的随机变量;KN表示地表粗糙系数;F表示扰动范围;为相对高度的Ⅳ平均风速;是频谱取样点数;是各个频段的频率。风力机的主要结构为叶片、轮毂、齿轮箱及中间的传动装置,其模型由笔者根据经验曲线确定,即由实测数据经过异步电动机转速60和风速来确定电机的机械转矩。对于发电机,采用双馈式感应发电机(Doubly.fedInductionGenerator,以下简称DFIG),①为方便做出如下假定:假定DFIG三相绕组对②称,不考虑空间谐波,且磁势沿气隙正弦分布;不考虑磁路饱和影响,各绕组的自感和互感均线性变③化;不计铁损,不计频率、温度等变化对绕组的④影响;假定转子各绕组参数已经折算到定子侧,折算后定转子各相绕组的匝数相等。设d-q坐标系以同步转速n。旋转,并忽略定子绕组压降,则电机的电压方程为/'gds:=0:U一(6)Ig。‘=足+(一生L,dt一(一等)・:麓(Lr-Ldt(Lr7:R+生1竖一一筝).专..94..电力系统保护与控制“式中:、依次表示d、q轴的转子电流;U甜扪U依次表示d、q轴的定、转子电压;为定∞子磁链;、CO依次表示同步转速、滑差角速度。而电磁转矩方程为=一(npLm/)(8)采用电动机惯例,则定子侧有功功率、表示为1==一npO ̄iqr(Lm/Ls)…IQs==(一L)/Ls1.3风电场的数学模型目前,对于大型风电场的建模主要分为两大类:一类是采用详细模型,即对风电场的每一台风电机组进行建模;二类是基于详细模型而提出的不同程度的简化模型,即风电场的集总模型。本文采用第二类,并以龙里风电场为背景,结合其风电场工作条件,得风电场的简化模型如图1。并利用Matlab/Simulink中Simpower子库中的三相故障模块模拟单相接地故障,Breaker模块模拟间歇性弧光接地故障。电网图1风电场简化模型Fig.1Simplifiedmodelofwindfarm根据风电场的简化模型,得其各部分参数的计算公式如下。①发电机参数=eXm一eX1(1。)X,jc2eq,eq,eq——m——m——m式中:m表示等值为一台风电机组的台数;表示发电机容量;-、2、、:表示定、转子的电抗和电阻;x表示发电机激磁电抗。②等值惯性常数1q=÷Zr,s,(11)L】l式中:和分别表示第.,台发电机的容量和惯性时间常数;SM表示m台发电机容量之和;是m台等值发电机的惯性时间常数。③变压器参数7sT。q=,ZT。q=(12)rH式中:是变压器容量;ZT是变压器阻抗。④控制参数有功功率和无功功率测量模块的等值基准容量为=mS(13)⑤无功功率控制参考值Qref_e=Oref_J(14)i=1式中,Qr。r为风电机组的无功功率控制参考值。⑥电缆参数根据表1中电缆线路的电容值0.1808 ̄tF/km及参考图1的电缆网络分布,计算得风电场35kV电缆网络的对地电容电流大小约为143.14A(>100A),该值将直接影响后文中性点经消弧线圈接地、小电阻接地方式等在数值上的选取问题。表1电缆参数Table1Cableparameters2电缆网络中性点运行特性分析传统风电场35kV系统中性点运行方式有三种,即中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和经小电阻接地[11-16],但这三种基本中性点接地方式,在不同条件下相比于电缆网络情况,差异性较大。利用Matlab/Simulink软件平台,通过仿真分析不同接地故障时刻、接地故障点位置、接地故障点过渡电阻及接地电容电流等影响因素下,发生不同接地故障形式时电缆网络的运行特性,即仿真计算衡量中性点不同接地方式下最重要的两大技术指标:系统的过电压水平和接地故障点电流水平,计算结果如表2所示。表2表明,当电缆网络发生单相金属性永久接地故障时,故障初始阶段,中性点不接地和经消弧线圈接地方式均未起到限制系统过电压作用。暂态过程结束后,中性点经小电阻接地方式下,过电压水平最低,对设备绝缘水平要求最低,且接地故障点的残流(550A)较大,有利于快速切除故障线路,刘渝根,等风电场35kV电缆网络中性点接地方式研究.95.表2电缆网中性点不同接地方式下的仿真结果Table2Simulationresultsofdifferentneutralgroundingmodesincablenetwork—2.4952.4891.5931.9651.9711.1561.6911.8031.8540.857一一一9.77I401.6920.7875.015~一5.26550注:因中性点不接地和中性点经小电阻接地方式下,发生间歇性弧光接地故障时,暂态过程较强烈,无法得到故障期间的工频过电压值,故表中未列出。保证非故障相的供电可靠性。而当电缆网络发生间歇性弧光接地故障时,因消弧线圈的快速补偿作用,中性点经消弧线圈接地方式很好的降低了系统的过电压水平,并且残流为5A(<10A,电弧可靠熄灭,较中性点经小电阻接地方式下,明显减少了故障的跳闸率。综上可见,对于风电场35kv电缆网络系统中性点的不同接地方式,各有其适应性。3中性点复合接地方式研究由表2的仿真结果可知,目前风电场35kV电缆网络单一的中性点接地方式,主要存在两大问题,即大电流接地系统跳闸率较高和小电流系统选线困难并伴随较高暂态过电压。对此本章提出了中性点经消弧线圈配合小电阻的复合接地方式,即当系统发生单相接地故障时,消弧线圈进行快速补偿,减小故障点残流,若为瞬时性故障则故障消失,否则投入小电阻启动零序电流保护快速切除故障。11工作原理以消弧线圈为基础,当系统对地电容电流Ic>lO0A时,发生单相金属性永久接地故障时,直接短时并入小电阻,有效启动零序电流保护,快速切除故障线路;当系统对地电容电流Ic<100A时,先并中值电阻泄放较高的暂态过电压能量,暂态结束后立即退出中值电阻,而后的操作同于单相金属性永久接地故障情况,具体工作原理如图2所示。另外,考虑到中值电阻一般在半个工频周期即可泄放掉电弧燃熄积累的多余电荷,故其投运半个工频周期立刻退出;而用于启动故障跳闸的小电阻取值应保证其动作的可靠性,并根据国外以电缆为主的配网实验可知,当其电阻中流过的电流为400-800A左右时不会对通信系统产生太大干扰。对于小电阻的延迟,则应考虑现场的运作经验和相关电气设备的动作速度等。实时监测N故障消失故障计Y弧线网动作,时中值电阻投入 ̄>100垦L<定油≥——计时值>定值卜1断开中值电小电阻投入——故障线路切除零序电流保护房动图2中性点经消弧线圈配合小电阻接地的工作原理Fig.2Workingprincipleofneutralgroundingviaarcsuppressioncoilcooperatedwithlowresistance2仿真验证仿真仍以本文初始的电路为基础,并通过停运集电线路回数来模拟电容电流水平 ̄>100A(6回路投运)和Ic<100A(投运2回路,停运4回路)两种情况。对于电容电流Ic<100A的电缆网络,依据文献[17】,当系统接地电流有功分量与系统接地电容电流之比即,R/Ic>3时,抑制暂态过电压效果已不明显,故并联的中值电阻取200Q。仿真不同时刻发生单相fA相为例)金属性永久接地故障时,结果同于中性点经消弧线圈接地情况,即在一个工频周期内出现系统暂态过电压和过电流最大值和最小值的时刻有两个,依次在故障相为峰值和零值附近。其中,A相幅值发生接地故障时,非故障相和中性点的暂态过电压最大值依次为2.0995p.u.和1.1164p.u,暂态电流最大值为3.64kA,相比于中.f生点经消弧线圈…接地晴况(对应值为2.2484p-u.和1,3401PU3.55kA),暂态过电压幅值明显下降,且满足电缆绝缘要求(2.6p.u.)。另外,虽然故障电流略微增大,但时间非常短,并且可采用晶闸管控制实现中值电阻的有效投切。其电容电流小于100A的电缆网络A相为90 ̄和(y0时发生接地故障时的暂态波形如图3所示,图4为延迟投入一一绷经帆不堑弧小性接歇弧地司毡.98.电力系统保护与控制得&1920.24kVA,并根据接地变与消弧线圈容—量的配合关系.=1.15Q),故选用DKS14400/35,容量为4400kVA,额定电压为38.5kV的接地变压器。综上,在满足电缆线路绝缘水平、接地电容电流水平等要求下,针对笔者提出的改进中性点接地方式,是能够进行电气设备选取的,具有较高的可操作性。4结论1)仿真分析中性点的三种基本接地方式可知,单一的接地方式在电缆网里各有其适应性,主要存在两方面问题,即大电流接地系统跳闸率较高和小电流系统选线困难并伴随较高暂态过电压。2)改进中性点接地方式下,针对不同接地电容电流水平,计算分析得改进方式综合了中性点经消弧线圈接地可快速消弧和经小电阻接地快速切出故障线路的优点,并且电阻的投切对系统不造成冲击,不影响设备的正常安全运行。3)从主要设备选取的分析计算过程可知,选定的相关设备是可以达到相关的技术要求的,可操作性强。参考文献[1]苏继峰.配电网中性点接地方式研究[J1.电力系统保护与控制,2013,41(8):141.148.SUJifeng.Researchofneutralgroundingmodesinpowerdistributionnetwork[J].PowerSystemTechnology,—2013,41(8):141148.[2]董雷,何林,蒲天骄.中性点接地方式对配电网可靠性的影响fJ】.电力系统保护与控制,2013,41(1):96.101.DONGLei,HELin,PUTianjiao.Effectofneutralgroundingmodeonreliabilityofdistributionnetwork[J].PowerSystemProtectionandControl,2013,4l(1):96-101.[3]林峰,张兰英,吕庭钦,等.风电场接地变及其中性点接地电阻的改进方案分析【J】.电网与清洁能源,2015,31(2):126-130.L1NFeng,ZHANGLanying,LOTingqin,eta1.Analysisoftheimprovedschemeforgroundingtransformerand’itSneutralpointgroundingresistanceinthewindfarm[J].PowerSystemandCleanEnergy,2015,31(2):126-130.[4]郑晶晶,杨勇,邢延东,等.风电场35kV系统优化设计及稳定运行技术探讨【J].电网与清洁能源,2013,—29(5):9396.ZHENGJingjing,YANGYong,XINGYandong,eta1.Technicaldiscussionsontheoptimizeddesignandstableoperationofthe35kVforwindfarms[J].PowerSystemandCleanEnergy,2013,29(5):93-96.[5]葛江北,周明,李庚银.大型风电场建模综述[J].电力系统保护与控制,2013,41(17):146。153.GEJiangbei,ZHOUMing,LIGengyin.Reviewon—largescalewindfarmmodeling[J].PowerSystemTechnology,2013,41(17):146-153.[6]曹娜,于群,戴慧珠.计及随机波动风速、风向的风电场建模方法研究[J].电网与清洁能源,2013,29(4):85.9O.CAONa,YUQun,DAIHuizhu.Astudyonwindfarmmodelingmethodwiththestochasticvolatilityofwindvelocityandwinddirectionconsidered[J].PowerSystem—andCleanEnergy,2013,29(4):8590.[7]时锐,焦然,陈艳霞.含大规模风电电网的静态电压仿真分析[J】.高压电器,2014,50(12):105・110.SHIRui,JIAORan,CHENYanxia.Staticvoltagesimulationanalysisofgridwithlarge-scalewindpower[J].HighVoltageApparatus,2014,50(12):105.110.[8]米增强,苏勋文,杨奇逊,等.风电场动态等值模型的—多机表征方法[J].电工技术学报,2010,25(5):162169.MIZengqiang,SUXunwen,YANGQixun,eta1.Multi-machinerepresentationme 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