基于過渡電阻傾斜角的風電T接雙電源系統自適應距離保護方案

傳云,王維慶,王海云,武家輝

(新疆大學 可再生能源發電與并網控制教育部工程研究中心,烏魯木齊 830047)

0 引 言

隨著傳統能源的日益衰竭及風電技術的不斷完善,風電大規模接入配電網導致電網表現出許多異于常規電網的故障特征[1-5],給常規保護裝置的選擇性、靈敏性及可靠性帶來了很大的挑戰[6-10]。風電以T接方式并網的系統保護因其特殊性也得到國內外學者的廣泛關注。目前,有許多學者對此問題展開了大量研究[11-14]。文獻[11]針對T接線路提出余弦相似度特征判據用以解決傳統差動保護存在的區外故障可靠性與區內故障靈敏性不兼容的問題。文獻[12]指出常用差動保護判據在T接線路上存在的局限性并提出綜合保護判據,提高保護的靈敏性及可靠性。文獻[13]指出新能源電源相角畸變、幅值受限對比率式電流差動保護帶來很大影響,在并入強同步系統時容易造成靈敏度下降,并入弱同步系統時存在拒動風險。文獻[14]根據線路母線電壓互感器的信息,以線路兩端正序補償電壓之間的差值作為輔助判據消除逆變型DG接入對電流縱差帶來的影響。文獻[15]提出一種適用于多節點T接線路的差動保護方案,對多點T接線路出現的電流汲取與T點增加帶來的靈敏度問題提供了一種很好的解決方案。

上述針對T接線路保護的研究中主要運用差動保護這種方法,但差動保護對通信要求較高。距離保護具有保護區穩定并且受系統運行方式變化影響小的特點,在高壓配電網中應用較多。文獻[16-17]對傳統距離保護進行適應性分析,指出測量阻抗表達式中包含附加阻抗會引起傳統距離保護誤動與拒動,進而提出用縱聯保護來解決T接區域內故障的方案,但改變繼電保護方案投資巨大,經濟性與現實可行性較差。文獻[18]分析了風電T接對本段保護及下段保護造成的影響,仿真驗證了故障位置、風機出力及過渡電阻等對距離保護造成的具體影響,但沒有提出如何消除附加阻抗的具體解決方案。

針對現有文獻對于風電T接線路在距離保護方案上研究的欠缺,文章提出一種適用于風電T接系統的自適應距離保護方案。文中首先分析了風電T接對電網傳統距離保護產生的影響,得出當過渡電阻與電源短路電流故障分量共同作用下,產生的附加阻抗使保護整定過程變得較為復雜,可能會使傳統保護發生誤動或拒動。為了解決上述問題,文中從測量裝置處獲取各電源出口母線處的故障電流分量用于計算過渡電阻傾斜角,在過渡電阻未知的情況下,利用各阻抗與R軸之間的夾角關系對測量阻抗進行修正使其能跟蹤到短路阻抗。最后通過MATLAB/Simulink仿真驗證所提方案的有效性與正確性。

1 風電T接對傳統電網距離保護的影響

圖1為風電T型接入含雙電源的常規配電網的母線中,其中EM與EN為常規電源等效電動勢,EW為風電等效電動勢,通過升壓后并入B母線,F1與F2為故障點?？紤]到風電的聯絡線相對較短,即故障概率遠小于其他線路,所以本文暫不分析風電聯絡線發生的故障,主要分析風電接入系統母線后,在風電T接點上下游線路發生單相接地故障對距離保護裝置產生的影響。

圖1 風電T接系統示意圖

1.1 風電T接對上游保護產生的影響

當故障位置在F1處時,取T接線路為研究對象,將以外區域等效為電源和阻抗串聯的形式,如圖2所示。

圖2 F1處發生故障時的等效電路圖

(1)

測量阻抗ZMA為:

(2)

圖3 附加阻抗對保護裝置的影響

1.2 風電T接對下游保護產生的影響

當故障發生在F2處時,系統的故障等效電路圖如圖4所示。

圖4 F2處發生故障時的等效電路圖

(3)

測量阻抗ZMB為:

(4)

式(4)中,ΔZ表示附加阻抗。由式(4)可以看出,測量阻抗在金屬性故障時ΔZ為零,短路后對傳統保護裝置動作特性沒有影響。當在非金屬性故障時,ΔZ的值受到ΔIM、IM0、ΔIN、ΔIW、IW0及Rf這幾個因素的影響。相比于其他幾個故障電流分量,ΔZ受Rf影響較大。ΔZ呈感性時會使母線B的測量阻抗變大,嚴重時將引起保護裝置拒動。ΔZ呈容性時會使母線B處測量阻抗變小,嚴重時將引起保護裝置誤動。

2 基于過渡電阻傾斜角的自適應距離保護方案

由上節分析可知,當線路T接點上游發生故障時,ΔZ受到ΔIM、IM0、ΔIN、ΔIW及Rf因素的共同影響,具體表現為ΔZ隨著ΔIN、ΔIW及Rf的增大而增大,ΔZ隨著ΔIM與IM0的增大而減小,從而導致保護裝置的不正確動作,因此考慮在測量阻抗的基礎上,消除附加阻抗ΔZ,從而保證各保護裝置的正確動作。ΔIM、IM0、ΔIN、ΔIW這幾個電流故障分量可以通過在保護安裝處獲得。對于Rf,卻不容易測得,因此本文考慮利用向量圖對測量阻抗進行修正,在Rf未知的情況下,利用各阻抗與R軸之間的夾角關系對測量阻抗進行修正,使修正后的阻抗能跟蹤到短路阻抗。同理,當線路T接點下游發生故障時按照上述思路對測量阻抗進行修正。

2.1 利用向量圖修正測量阻抗

當T接點上游發生單相接地故障時,由式(2)中附加阻抗ΔZ,定義過渡電阻傾斜角[21]為:

(5)

同理,當T接點下游發生單相接地故障時

(6)

可以采用向量圖的方法,對測量阻抗軌跡進行修正,具體步驟如下:

1)獲取測量阻抗ZMA在向量圖中畫出ZMA,其中ZMA與R軸夾角為γ。

2)通過測量阻抗ZMA畫水平線,由(5)式計算得到的過渡電阻傾斜角θ1,然后畫出與該水平線成夾角θ1的射線,定義為附加阻抗ΔZ1。

3)已知線路阻抗角β,通過原點畫出與R軸成β角的射線,于ΔZ1相交于d1點,則Zd1表示修正后測量阻抗。

向量圖如圖5所示,圖中ZSET表示整定圓直徑,當θ1>0,則ΔZ1是向上傾斜指向Zd1。同理,若θ2<0,則ΔZ2是向下傾斜指向Zd2。

圖5 修正測量阻抗的向量圖

根據三角函數正弦定理,則Zd的理論計算如式(7)所得:

(7)

式(7)中θ為過渡電阻傾斜角,對于風電T接點上游的阻抗繼電器可以由式(5)求得,T接點下游的阻抗繼電器可以由式(6)求得,而式(5)和式(6)中的所有參數可以通過在保護安裝處測量得到。γ為測量阻抗ZMA與R軸夾角,β為線路阻抗角,均為已知,所以可以計算得到修正后的測量阻抗。由圖5及式(5)或(6)中可見,當過渡電阻一定且未知的情況下,通過計算過渡電阻傾斜角,可以判斷出修正后的線路測量阻抗Zd是否落入阻抗整定圓內,從而判別線路是否發生故障,進而決定保護裝置是否動作。

綜上所述,由式(5)和(6)可知,隨著線路上故障位置、系統運行狀態、過渡電阻值的變化,包含這幾個因素的過渡電阻傾斜角能夠自適應的跟著上述幾個因素的變化而變化,然后根據式(7)中計算結果反映出短路真實位置,有效提高保護裝置動作可靠性。

2.2 保護方案流程圖

保護方案流程圖如圖6所示。

圖6 保護方案流程圖

根據上節中對測量阻抗的修正方法制定保護方案如下:

1)數據濾波及故障選相。當故障發生后,使用傅里葉算法對采樣數據進行濾波處理,再利用選相元件判別出故障類型及故障相。

2)計算過渡電阻傾斜角。從各電源母線處獲取電流故障分量。對于風電T接點上游的阻抗繼電器按照式(5)計算過渡電阻傾斜角,T接點下游的阻抗繼電器按照式(6)計算過渡電阻傾斜角。

3)對測量阻抗進行修正。通過計算過渡電阻傾斜角θ、測量阻抗ZMA、線路阻抗與R軸的夾角β、測量阻抗與R軸的夾角γ這幾個數據,將其代入式(7)中計算修正后的測量阻抗Zd。

4)保護判定。若修正測量阻抗在本段保護動作區域內,則保護裝置動作。若在區外,則保護裝置不動作并返回至第一步。

3 算例仿真

3.1 系統建模

參照風電場接入電網標準[22],利用MATLAB/Simulink仿真平臺上搭建如圖1所示的風電T接系統仿真模型。系統電壓等級為110 kV,M側和N側電源的正序阻抗參數均為ZSM1=0.69+j7.97 Ω,零序阻抗為ZSM0=1.03+j11.9 Ω,W側的風電額定容量為18 MW,負荷均為15 MW。線路AB、BC、CD長度均為100 km,線路BF長度為10 km,線路參數為正序阻抗為ZL1=0.0363+j1.006 Ω/km,零序阻抗ZL0=0.3976+j1.328 Ω/km。

3.2 仿真驗證

為驗證所提自適應距離保護方案的正確性,本文在風電T接點上、下游單相接地短路的情況分別進行仿真,并通過改變故障位置、過渡電阻、系統電源相位、風電運行方式驗證所提方案的自適應性。初始條件按如下設定:雙饋風機的風速為15 m/s,輸出功率為9 MW,模型采樣時間為5 μs,故障持續時間0.1 s,過渡電阻取20 Ω,故障位置在本段線路50%處,M側和N側電源的相位差為30°,整定距離取本段線路的85%。

阻抗修正按照前面2.1節修正測量阻抗的方法,把測量阻抗軌跡上每一個點均映射到線路阻抗角的直線上,形成看起來像一條線段的所有點的集合。

3.2.1 保護方案對T接點上游故障的適應性分析

保持上述初始條件不變,故障位置分別取本段線路的25%、50%、75%,驗證所提方案對上游故障位置變化時的自適應性。仿真結果如圖7所示。

圖7 保護方案對上游故障位置變化的適應性分析

由圖7可知:隨著故障位置在本段線路上的變化,電抗對于阻抗測量軌跡影響比電阻大。當在線路75%處發生故障時,原保護裝置出現拒動,而本文所提保護方案中阻抗修正軌跡能跟蹤到短路點阻抗,能克服原保護的拒動風險。

3.2.2 保護方案對過渡電阻的適應性分析

保持上述初始條件不變,過渡電阻分別取0.1 Ω、10 Ω、30 Ω、50 Ω,驗證所提方案對過渡電阻變化的自適應性。仿真結果如圖8所示。

圖8 保護方案對過渡電阻變化的適應性分析

由圖8可知:過渡電阻越小,測量阻抗曲線變化越劇烈,說明在短路穩定階段測量阻抗上下波動幅度也越大。當過渡電阻為30 Ω時,測量阻抗進入保護整定邊緣。當過渡電阻為50 Ω時,測量阻抗軌跡已遠離整定圓。而本文所提保護方案在各種不同過渡電阻的情況下,均能跟蹤到線路短路點阻抗,使保護裝置正確動作。

3.2.3 保護方案對系統電源相位的適應性分析

保持上述初始條件不變,系統電源EM與EN的相位差分別為30°、45°、60°,驗證所提方案對電源相位變化時的自適應性。仿真結果如圖9所示。

圖9 保護方案對系統電源相位變化的適應性分析

由圖9可知:系統電源相位差越大,測量阻抗軌跡向上有輕微偏移量。相對于故障位置、過渡電阻而言,系統電源相位差對測量阻抗影響很小。

3.2.4 保護方案對風電運行方式的適應性分析

保持上述初始條件不變,風電分別按下面三種運行方式,如表1所示,驗證所提方案對風電運行方式變化的自適應性。仿真結果見圖10。

圖10 保護方案對風電電源變化的適應性分析

由圖10可知:阻抗測量軌跡在上述三種方式下幾乎不變,這是因為風電電源提供的短路電流幅值受限,會遠遠小于系統電源的提供的短路電流,所以對測量軌跡基本沒有影響。

3.2.5 保護方案對T接點下游故障的適應性分析

保持上述初始條件不變,故障位置分別取T接點下游線路的25%、50%、75%處,驗證所提方案對下游故障位置變化時的自適應性。仿真結果如圖11所示。

圖11 保護方案對下游故障位置變化的適應性分析

由圖11可知:當下游線路故障時,從阻抗測量軌跡可以看出,受諧波影響比上游線路故障時更大。當在線路75%處發生故障時,原保護的阻抗測量軌跡偏離阻抗整定圓,發生保護裝置拒動。而文章所提保護方案能跟蹤到短路點阻抗,保證保護裝置的正確動作。

4 結束語

針對風電T接對傳統距離保護的影響,文章提出基于過渡電阻傾斜角的風電T接雙電源系統自適應距離保護方案,主要結論如下:

1)在風電T接雙電源系統后,阻抗繼電器所測得的阻抗除了線路本身短路阻抗外還包含附加阻抗ΔZ。當ΔZ呈感性(容性)時,會使測量阻抗變大(變小),嚴重時將引起繼電保護裝置拒動(誤動)。

2)通過分析附加阻抗ΔZ的構成,考慮到過渡電阻不易測量,文中利用各阻抗與R軸之間的夾角關系消除掉過渡電阻對保護裝置產生的影響,能自適應修正測量阻抗使其能跟蹤到短路阻抗。

3)仿真結果表明文中所提方案受故障點位置、過渡電阻、電源相位差及風電運行方式影響較小,可以使保護裝置可靠動作。該方案簡單有效,無需改造原距離保護裝置,經濟性與現實可操作性較高,具有一定現場工程指導意義。

限于篇幅,本文只分析了單相接地故障,上述分析方法同樣適用于其他接地故障。