考虑双馈异步风机特性的自适应接地距离保护
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
上海交通大学电子信息与电气工程学院的研究人员洪树斌、范春菊、陈实，在2017年第5期《电工技术学报》上撰文，研究风电场故障特性对继电保护的影响。针对双馈异步风机投入撬棒电阻后正序阻抗和负序阻抗不相等的特征,分析了传统接地距离保护I、II、III段在保护安装处所测量到的阻抗与实际阻抗的异同。若利用传统整定原则来整定接地距离保护II段,保护可能拒动。根据接地故障时的测量阻抗,提出了考虑双馈异步风机特性的自适应接地距离保护II段的整定方法。
该方法在线计算自适应分支系数,使保护安装处的测量阻抗更为准确地反映保护安装处到故障点的距离。利用DIgSILENT仿真软件搭建含风机的线路模型进行仿真分析,验证了自适应接地距离保护的灵敏性,同时该保护的可靠性得到有效提高,且不失选择性。
图 9 考虑风机故障特性的自适应接地距离保护的整定流程图
随着能源危机和环境问题的日益突出，风电等可再生能源越来越受到社会的关注，而其大规模应用，也将带来集中及多点接入、远距离传输以及风电场内部集电线路网络化等问题，进而改变电力系统的运行特征。
目前双馈异步风机 ( Doubly-FedInduction Generator，DFIG) 已成为国内风电场的主流机型。有别于同步发电机组，双馈异步风机由于其变流器采用了绝缘栅极型晶体管，对过电流敏感，而为了保护变流器免受故障大电流和直流高电压的冲击，在故障后几毫秒内，撬棒电路将转子侧变流器短路，风机进入异步运行状态。而撬棒电路的投入也增大了风电场的正、负序阻抗，进而加重了风电场的弱馈程度。
现有研究风电对继电保护影响的文献中，大部分是以10 kV电网三段式电流保护作为研究对象。而随着风电场容量增大，风电场并网的电压等级转向110kV，其中110kV电网一般采用距离保护作为主保护或后备保护。在分析传统的电源系统阻抗时，一般认为系统正、负序阻抗相等，但是，风电场正、负序阻抗不相等。
另外，传统的接地距离保护的整定方法与相间距离保护相同，在进行距离保护整定时仅仅利用正序分支系数，降低了接地距离保护的灵敏性。针对风电场故障特征与距离保护，国内外已进行了相关研究。
文献［9］分析了风电场联络线故障情况下，风电场侧电压、电流基波频率不同这一特征对基于工频傅氏算法的相量距离保护元件的动作性能造成的严重影响。文献［10］通过对 DFIG 在电网故障情况下的机理分析，给出了电网故障时 DFIG 转子电流的表达式。针对双馈式风电场并网中亟须解决的低电压穿越问题，提出了一种基于撬棒电阻的双馈机组风电场等值方法。
文献［11］推导了光伏电站等效阻抗与分支系数间的关系，建立了自适应接地距离保护 II 段阻抗整定值判据。文献［12］讨论了故障点位置、风电场运行方式及过渡电阻对风电T接线路距离保护测量阻抗的影响以及其对本段和下段线路距离保护的影响。
文献［13］分析了风电系统在故障时测量阻抗随风电功率、电压水平、风电阻抗和系统频率的影响而变化，提出了相应的距离保护自适应整定技术，然而其中忽略了正、负序阻抗不相等的特征。
文献［14］验证了含风电场的电力系统在发生短路故障时所特有的电压电流频率不一致的特性，分析其对距离保护的影响。文献［15］根据风电系统发生故障时正、负序阻抗不相等的特点，分析了风电接入后突变量保护的适应性问题。文献［16］分析了风电系统中异步发电机理论阻抗和并网静态特性及其对距离保护 III 段的影响。
总的来说，目前针对双馈异步风机故障特性的接地距离保护自适应整定技术的研究依然较少。本文针对风电场在撬棒电路投入后风机负序阻抗小于正序阻抗这一特性，提出考虑双馈异步风机正、负序阻抗不相等的接地故障自适应距离保护整定原则，并利用DIgSILENT仿真软件进行仿真分析，证明了引入自适应分支系数后保护测量得到的阻抗更为准确，相应的自适应整定原则使得保护的可靠性得到提高。
结论
本文针对风机故障时正序阻抗与负序阻抗不相等这一特性，分析了在风机接入点上游线路和下游线路发生接地故障时，距离保护安装处所测量到的阻抗值，研究了考虑双馈异步风机特性的自适应接地距离保护方案，得到如下结论：
1)在距离保护的I段保护中，距离保护的测量阻抗主要与线路参数有关，风机的故障特征对接地距离保护的整定没影响，可以按照传统的距离保护I段整定原则进行整定。
2)在距离保护的II段保护中，提出了考虑风机故障特性的自适应分支系数及其相应的自适应接地距离II段保护方案。该保护方案不仅与保护I段具有完好的配合特性，而且提高了保护整定的准确性和保护的灵敏度，避免保护拒动的情况，提高了保护的可靠性。DIgSILENT仿真测试验证了该保护的动作特性。
3)在距离保护的III段保护中，由于III段保护的动作时间较长，风机的故障特性对此段保护的整定方法影响不大，故按照传统整定方法整定即可。