风电场运行参数变化对其出口输电线路距离保护的影响.pdf

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风电场运行参数变化对其出口输电线路距离保护的影响1 风电场运行参数变化对其出口输电线路距离保护的影响2 风电场运行参数变化对其出口输电线路距离保护的影响3 风电场运行参数变化对其出口输电线路距离保护的影响4 风电场运行参数变化对其出口输电线路距离保护的影响5 风电场运行参数变化对其出口输电线路距离保护的影响6
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第39卷第15期2011年8月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlv0l-39No.15Aug.1,2011风电场运行参数变化对其出口输电线路距离保护的影响余嘉彦1,2袁越,周建华,张斌(1.河海大学能源与电气学院,江苏南京210098;2.苏州供电公司,江苏苏州215008;3.国华东台风电场,江苏盐城224200)摘要:在我国,风电场出口输电线路配置有距离保护,由于过渡电阻的存在,保护动作特性仍然会受系统运行参数的影响。概述了风电场接入电力系统对继电保护影响的研究现状,分析了双馈风机的短路特性并介绍了风电场的保护配置,用Vc++开发了计及潮流与过渡电阻的电力系统短路计算软件。含东台风电场的系统算例表明:过渡电阻一定时,风机有功出力、功率因数增大,则保护测量电抗减小,甚至可能出现负值;风机并网数量在不同故障类型时对测量阻抗影响不同;当采用工频变化量继电器后,风电场运行参数变化对保护的影响近乎为零。关键词:双馈风机;风电场;过渡电阻;距离保护;测量阻抗ImpactofthechangesofoperationparametersofwindfarmondistanceprotectionofoutputtransmissionlineYUJia.yan,一,YUANYue,ZHOUJian-hua,ZHANGBin(1.CollegeofEnergyandElectricalEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098;China;2.SuzhouPowerSupp ̄Company,Suzhou215008,China;3.GuohuaDongtaiWindFarm,Yancheng224200,China)Abstract:InChina,di ̄anceprotectionisinstalledinoutputtransmissionlineofwindfarm,butsystemoperationparameterswillaffectprotectionoper ̄ingcharacteristicsbecauseoftransitionresistance.Thepapersummarizestheresearchonimpactofwindfarmsonprotection,analyzestheshort-circuitcharacteristicsofDFIGandintroducestheprotectionconfigur ̄ionofwindfarm.Apowersystemshort-circuitcalculationsoftwareconsideringpowerflowandtransitionresistanceisdevelopedusingVC++.ThesystemexampleincludingDongtaiwindfarmdemonstrates:iftransitionresistanceisconstant,whenactivepowerorpowerfactorincreases,themeasuredreactancedecreases,andmayevenbenegative;therearedifferenteffectsonmeasuredimpedancefordifferentfaulttypeswhennumberofDFIGchanges;windfarmoperationparametershavealmostNOeffectontheprotectionwhenfaultcomponentrelayisused.Keywords:doublefedinductiongenerator(DFIG);windfarm:transitionresistance;distanceprotection;impedancemeasurement中图分类号:TM773文献标识码:A文章编号:1674-3415(2011)15.0064.060引言常规能源枯竭及其对环境带来的影响使得清洁能源得到极大发展,风能已成为最主要的清洁能源之一。全球风电装机容量增长迅速,发电成本不断下降,单机容量从千瓦级增长至兆瓦级【l0]。2009年全球风力发电新增装机容量38312Mw,我国以13800Mw跃居首位,全球风力发电累计装机总容量已达159213MW,我国以26010MW排名第二【4l。但风电迅速发展的同时也给电网带来一些问题I5]:如电网电压波动,线路传输功率越限,电网短路容量增加,电网暂态稳定性变化等。风电场风机容量小数量多,并网模式复杂,由于风速的随机性【oJ,其运行状态多变,对电网继电保护将造成一定影响。容量较小的风电场常以分布式发电(DG)模式接入配电系统,这将影响电流保护的灵敏度,造成重合闸困难,影响故障检测与定位,减弱保护协调工作能力,降低系统可靠性【7们。文献【l1】分析TDG容量、接入位置以及变压器连接组别对距离保护的影响。文献[12】指出双馈风机三相短路时电流迅速衰减为零,两相短路时持续电流较大,风机在电动机运行状态下潮流反向易引起保护误动。文献【l3】分析了风电场出口联络线两端电气量变化对接地距离保护的影响,应用自适应保护削弱其影响。我国风电场主要以集中式大规模并网发电,基于双馈感应发电机的变速恒频风力发电方余嘉彦,等风电场运行参数变化对其出口输电线路距离保护的影响.65.案成为目前兆瓦级风力发电机组最普遍采用的形式¨]。本文通过含东台风电场的系统算例分析了风电场运行参数变化对出口输电线路距离保护的影响。1风电场保护配置与双馈风机短路特性1.1风电场继电保护配置风电场保护一般分为风机保护、线路保护、母线保护、母联保护、主变保护、场用变保护、箱变保护等L1引。它们分别负责风电场内发、输、变电部分设备的安全。风机的保护策略关系到电网侧发生故障时其注入短路电流的特性以及系统的稳定性。1.2双馈风机短路特性分析系统发生短路故障时,DFIG转子回路与变频器直流侧会过流、过压,为保护转子回路与电力电子装置,撬棒(Crowbar)保护将转子回路短接,使其与变频器电气隔离,从而起到保护作用,此时风机转入异步电机状态运行,其短路特性与异步机相‘似【l6"j。转子撬棒保护的结构如图l所示。图1DFIG转子撬棒保护Fig.1CrowbarprotectionofDFIG假设撬棒保护在短路瞬间接入,双馈风机空载时定子出口处三相短路电流近似表达式为【l引:1r,T2、:————Ie-f一ej畔et/r;I(1)J+/l其中:缎是工频角速度;是转子旋转角速度;是暂态等值电抗;,L分别是定子回路和转子回r路漏抗与励磁电抗之和;为定子电压有效值;与分别为定、转子暂态衰减时间常数;足为撬棒保护中的短路电阻值,其值由转子回路和变频器最大承受电流、电压决定,一般认为电阻为零。当风机单位功率因数运行时,有功输出将影响转子磁链,从而影响短路电流中交流分量的幅值和角度。短路电流因回路电阻迅速衰减,在几个周期内衰减为零。当系统出现不对称短路时,转子回路与变频器仍会过流、过压,引起撬棒保护动作使其定子侧跳闸。当系统故障发生在风电场出口时,风机贡献的短路电流主要对速动段保护产生影响。2风电场运行参数变化对距离保护的影响由于过渡电阻的存在,保护测量阻抗将受影响且与系统潮流相关。风电场运行状态多变,潮流变化大,等值阻抗也经常变化,这将影响其出口输电线路上距离保护测量阻抗的性能。2.1相间距离保护测量阻抗分析以BC两相短路故障为例,电网发生故障时,相间过渡阻抗主要为电弧电阻,阻值较小。相间距离继电器采用零度接线方式,保护测得阻抗值为:Zj:一bB-Uc:—:一(2)———————————————————————一-一一(,l(n)+a-a)距离保护所在节点的电压各序分量为:r...—JUAIUAtotZnfl/fl(3)lUA2一Znf2If2总短路电流各序分量为:^l=I2(4)故障点电压各序分量为:r・..1r-=r(+Zf)(5)lUf2=其中:口:ej120 ̄:为短路前保护处节点电压;elol为短路前故障点的电压;Znf和z分别代表转移阻抗和各序网络中的总等值阻抗;为过渡电阻。可以看出测量阻抗与短路前距离保护所在节点和故障处节点电压密切相关,网络等值阻抗与过渡阻抗又相当于其权重系数。2.2接地距离保护测量阻抗分析以A相接地短路故障为例,电网发生故障时,接地过渡阻抗由接地回路决定,阻值较大】。接地距离继电器采用零序补偿接线,保护测得阻抗值为:z:::.一(0,)—————————————————————————T=-=一,A+,n—UA1-—Ufl—+UA2-—Uf2+rl+K)UAO-UfO ̄-.ZIZ2’zO补偿系数取::Q二刍(7)Zl距离保护所在节点的电压各序分量为:.66.电力系统保护与控制lUAI=UA101一Znf1/fl1..{UA2=一2If21..IUAO=一ZnfofoL总短路电流各序分量为:本软件计算原理为二次叠加原理【们,即先应用对称分量法将系统分解为三序分量,然后再用叠加(8)原理加入潮流分量。软件计算流程如图3所示。———j:j:加:一一(9)∑∑∑Z+Zz+Z。+3Zf故障点电压各序分量为:Ufl=lfl(ZE2+0+3Zf)∑f2=一f1Z2(10)Ufo=一If1Zx0可以看出单相接地故障时,测量阻抗与短路前保护所在节点和故障处节点电压密切相关,网络等值阻抗与过渡阻抗对于其值的影响不同。此时,系数无法正确补偿电流值,当过渡电阻一定时,保护测量阻抗随风电场运行参数变化而变化。2.3风电场运行参数变化对距离保护的影响风电场的有功出力波动较大,无功补偿策略(如风机功率因数调整、并联电容等)将影响无功出力;风速变化、电压波动与检修等情况会造成风电场不同比例的停机,从而改变了整个风电场的等值阻抗。这都会改变系统潮流,改变保护的测量阻抗。3短路计算软件开发风电场运行状态多变,等值网络常常变化,研究其问题时应能快速便捷地修改网络拓扑和潮流。本文基于Text文档存储方式用VC++开发了短路计算软件,能便捷地应用于风电系统短路计算,且计及各类过渡电阻及各种短路故障,软件如图2所示。图2短路计算软件界面Fig.2Interfaceofshort-circuitcalculationsoftware读取Text3 ̄档数据(节点、支路数据)数据格式转换(标幺值转换及数据排序)潮流计算(PQ法/前推回代法)基于潮流进行短路计算f先对称分量法、后正序网络与潮流叠加)求取节点电压求取支路电流输出短路计算结果至Text3 ̄档图3短路计算流程Fig.3Procedureofshortcircuitcalculation该软件便于修改网络拓扑,适用于风电系统短路计算,并用电科院软件PSASP验证了其正确性。4算例4.1含东台风电场的系统模型含东台风电场的系统模型如图4所示。13XDlU图4含东台风电场的系统模型Fig.4ModelofsystemincludingDongtaiwindfarm图中一台DFIG与一个箱变(DE)代表了13个这样的组合。风机型号为华锐SL1500,容量1.5lVIW,暂态参数,=0.047(p.U.)。风机由线路CD将电能送至两台100MVA主变,经27km的220kV输电线路AB(LGJ一2X300)将电能送至电网。电网等值阻余嘉彦,等风电场运行参数变化对其出口输电线路距离保护的影响.67.抗=0.037、Xo=0.055(p.U.)。4.2风电场运行参数变化对相间距离保护的影响本节分析了节点B处两相短路故障时风电场有功出力、功率因数、停机比例变化对相间距离保护QFI ̄U量阻抗的影响,结果如图5~图7所示。毋.——:Rf(max)=10Q\、\、有功出力:\\\\\功出力60%\。.\有功出力1o00.000.010.020.030.040.050.06R/p.U.图5不同有功出力对测量阻抗的影响Fig.5ImpactofactivepoweronimpedancemeasurementRf(min)=lQ’'.\Rf(max)=10f,\功率因数:(\率因数功率因数950.9755R/p.u.图6不同功率因数对测量阻抗的影晌Fig.6Impactofpowerfactoronimpedancemeasurement。l、—停机比例3停机比例8万\Rf(max)=11机比例可见发生两相短路故障且考虑相间过渡电阻时,相间距离保护测量阻抗随风电场运行参数的改变,不同程度地向实轴靠拢。风机有功出力越大、功率因数越高、停机数量越多,则测量电抗越小。当过渡电阻较大时,停机数量的减少,可以有效抑制测量电阻的增大。4.3风电场运行参数变化对接地距离保护的影响本节分析了节点B处单相接地故障时风电场有功出力、功率因数、停机比例变化对接地距离保护QFI ̄IJ量阻抗的影响,结果如图8~图10所示。——t有功出力2O-Rf(rain)=2Q-__一一一Rrfm900.、\\\.\有功出力60%0.00.1\0.20.30.~、有功出力100%图8不同有功出力对测量阻抗的影响Fig.8Impactofactivepoweronimpedancemeasurement—Rf(min)1QRf(max)=90Q’..・功率因数:i皇●一’—\\\■功率因数:0.000.050.1150.20A\\\功率因数:R/p.U.图9不同功率因数对测量阻抗的影响Fig.9Impactofpowerfactoronimpedancemeasurement一一▲一停机比例//——’停机比例8,l3/,r—.每三二:。一一一停机比例4/131._Rr(min)。..甩().R/pU.图1O不同停机比例对测量阻抗的影响Fig.10ImpactofproportionofofflineDFIGonimpedancemeasurement可见系统发生单相短路故障时,风电场运行参数变化可能使测量阻抗靠近或远离实轴。当风机有功出力较大时,保护处电压角度和测量阻抗减小,由于补偿系数变,过渡电阻继续增大时测量电抗减小。当过渡电阻超过50Q且风机满出力、功率因数为1时,测量电抗易变为负值。而当停机比例很大时,测量电抗急剧增加,可能导致保护拒动。4.4工频变化量保护算例配置工频变化量距离继电器,保护动作采用补偿电压工频变化量幅值判别法。当整定阻抗取线路阻抗,故障发生在线路末端时,电压变化量如表1~3㈣咖啪n仉nmmnmm.号盘啷嘶薹!咖㈣咖㈨0OO000OO一一一一.Ir呲㈣啷咖O0O0O00O0.j.d64208642呲.68.电力系统保护与控制所示。表1有功出力变化对测量电压的影响Tab.1Impactofactivepoweronvoltagemeas ̄emem表2功率因数变化对测量电压的影响Tab.2Impactofpowerfactoronvoltageme ̄uremem表3停机比例变化对测量电压的影响Tab.3ImpactofproportionofoffiineDFIGonvoltagemeasuremem表中的测量电压分别为BC两相短路时的补偿电压工频变化量(线电压P.u.)和A相接地短路时的补偿电压工频变化量(相电压P.u.),其中PW,cos、OR分别表示风机有功出力、功率因数、停机比例,尸豫/G豫分别表示相间/接地过渡电阻。可见采用工频变化量继电器后,滤除了潮流分量,若过渡电阻不变,风机功率、停机数量变化时,保护测得故障点电压工频变化量的变动范围在2%以内。当过渡电阻增大时保护范围相应减小。机数量的减少,可以有效抑制测量电阻的增大。3)风电场出口输电线路单相接地故障时,有功出力、功率因数越大,接地距离保护测量电抗越小。过渡电阻超过50Q且风机满出力、功率因数为1时,保护测量电抗容易变为负值。当风电场停机比例很大时,保护测量电抗急剧增加,可能导致保护拒动。4)采用工频变化量继电器后,若过渡电阻为恒值,风电场的风机功率、停机数量变化时,保护测得故障点电压工频变化量变动范围小于2%(p_u_),很好地滤除了潮流分量,使保护性能更稳定。5)风电场出口线路保护配置纵联距离或距离I段时,若线路中间发生接地故障且过渡电阻很大时,两侧保护可能拒动,必须验证并调整其保护范围。应尽量配置稳态量、突变量纵差保护以免在极端情况下发生保护拒动,以保证系统的可靠性、稳定性。参考文献[1]JohnsonGL.Windenergysystems[M].Manhattan,[23[3][4][5]5结论[6]风电场运行参数对继电保护的距离元件测量阻抗的性能会产生一定影响,其影响程度取决于风电场有功输出、风机的功率因数、风电场停机比例、过渡电阻等。通过算例分析得到以下结论:1)目前风机多有转子回路和变频器保护,无法提供持续短路电流,故系统在近风电场侧故障时,风机提供的短路电流对速动段保护影响较大。一2)风电场出ISl输电线路两相短路时,过渡电阻一定时,有功出力、功率因数、停机比例越大,相间距离保护测量电抗越小。当过渡电阻较大时,停2006.JoachimPeinke,PeterSchaumann,StephanBarth.Windenergy[C].//ProceedingsoftheEuromechColloquium,Berlin,2007.ThomasAckermann.Windpowerinpowersystems[M].Sweden:RoyalInstituteofTechnologyStockholm,2005.Worldwindenergyassociation.Worldwindenergyreport2009[C].H9thWorldWindEnergyConferenceandExhibition,Turkey,2010.迟永宁,刘燕华,王伟胜,等.风电接入对电力系统的影响【J】.电网技术,2007,31(3):77.81.CHIYong-ning,LIUYan-hua,WANGWei・sheng.eta1.Studyonimpactofwindpowerintegrationonpowersystem[J].PowerSystemTechnology,2007,31(3):77.81.张华中,王维庆,朱玲玲,等.基于过渡电阻计算的距离保护【J】.电力系统保护与控制,2008,36(18):37.42.—ZHANGHua-zhong,WANGWeiqing,ZHULing-ling,eta1.Grounddistancerelaybasedonfaultresistancecalculation[J].PowerSystemProtectionandControl,2008,36(18):37.42.林霞,陆于平,吴新佳.分布式发电系统对继电保护灵敏度影响规律【J】.电力自动化设备,2009,29(1):54.59.余嘉彦,等风电场运行参数变化对其出口输电线路距离保护的影响.69.—LINXia,LUYuping,wuXin-jia.Influencelawofdistributedgenerationonrelayprotectionsensitivity[J].ElectricPowerAutomationEquipment,2009,29(1):54.59.[8]KumpulainenLK,KauhaniemiKT.Analysisoftheimpactofdistributedgenerationonautomaticreclosing[C].//PowerSystemsConferenceandExposition,NewYork,2004:603-608.[9]MarvikJI,PetterteigA,HoidalenHK.Analysisoffaultdetectionandlocationinmediumvoltageradialnetworkswithdistributedgeneration[C].//IEEEPowerTech,Lausanne,2007:l191-1196.[10]ChaitusaneyS,YokoyamaGirgisA.Reliabilityanalysisofdistributionsystemwithdistributedgenerationconsideringlossofprotectioncoordination[C].//9thInternationalConferenceonProbabilisticMethodsAppliedtoPowerSystems,Stockholm,2006:1-8.[11]VirajPradeepMahadanaarachchi,RamaRamakumar.Impactofdistributedgenerationondistanceprotectionperformance-areview[C].//IEEEPowerandEnergy—SocietyGeneralMeetingConversionandDeliveryofElectricalEnergyinthe21stCentury,Pittsburgh,2008.[12]文玉玲,晁勤,吐尔逊・依布拉音,等.关于风电场适应性继电保护的探讨[J].电力系统保护与控制,2009.37(5):47.50.WENYu-lin,CHAOQin,TUERXUNYibulayin,eta1.Studyonadaptiveprotectionofwindfarm[J].Power—SystemProtectionandControl,2009,37(5):4750.[13]张华中,王维庆,朱玲玲,等.风电场联络线距离保护的自适应整定方法[J].电网技术,2009,33(3):89.93.ZHANGHua-zhong,WANGWei-qing,ZHULing-ling,eta1.Anadaptivesettingmethodfordistanceprotectionoftransmissionlinesconnectingwindfarms[J].Power—SystemTechnology,2009,33(3):8993.[14]舒进,张保会,李鹏,等.变速恒频风电机组运行控制[J].电力系统自动化,2008,32(16):98-102.—SHUJin,ZHANGBaohui,LIPeng,eta1.Acontrolstrategyonthevariable・・speedconstant--frequencywindturbine[J].AutomationofElectricPowerSystems,2008,32(16):98.】O2.[15]国华东台风电场继电保护整定计算书[s】.南京:江苏省电力试验研究院,2007.RelaysettingcalculationofGuohuaDongtaiwindfarm[S].Nanjing:JiangsuElectricPowerResearchInstitute,2007.[16]JohanMorren,SjoerdWHdeHaan.Ridethroughofwindturbineswithdoubly-fedinductiongeneratorduringavoltagedip[J].IEEETransactionsonEnergyConversion,2005,20(2):435.441.[17]关宏亮,赵海翔,刘燕华,等.风力发电机组对称短路特性分析[J].电力自动化设备,2008,28(1):61.64.—GUANHong-liang,ZHAOHai-xiang,LIUYanhua,etalSymmetricalshortcircuitanalysisofwindturbinegenerator[J].ElectricPowerAutomationEquipment,2008,28(1):61.64.[18]Gomez,JuanCarlosNesci,SebastianMBarbero,eta1.Shortcircuitcurrentsuppliedforinductiongenerators[C].1|thInternationalConferenceandExhibitiononElectricityDistribution,Prague,2009:1-4.[19]牟聿强,王秀丽,别朝红,等.风电场风速随机性及容量系数分析[J].电力系统保护与控制,2009,37(1):65.70.—MOUYuqiang,WANGXiu-li,BIEZhao-hong,eta1.Analysisofwindspeedprobabilitydistributionandwindturbinegeneratorcapacityfactor[J].PowerSystemProtectionandControl,2009,37(1):65.70.[20]李光琦.电力系统暂态分析[M】.二版.北京:中国电力出版社,1995.LIGuang-qi.Powersystemtransientanalysis[M].Secondedition.Beijing:ChinaElectricPowerPress,】995.收稿日期:201卜08-09;修回日期:2Olo-12-30作者简介:余嘉彦(1984-),男,硕士,主要研究方向为风电并网对电力系统继电保护的影响;E.mail:saltfishmail@sina.com袁越(1966-),男,博士,教授,主要研究方向为可再生能源发电技术、分布式发电、微型电网、智能电网等;周建华(1983-),男,博士研究生,主要研究方向为风电并网对电力系统的影响。
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