风电接入对继电保护的影响（五）——风电分散式接入配电网对电流保护影响分析

张保会，郭丹阳，王 进，黄仁谋，吴伟明，袁 欢

（1.西安交通大学 电气工程学院，陕西 西安 710049；2.海南电网公司，海南 海口 570100）

0 引言

近年来，随着风力发电技术的持续发展，单台风电机组额定容量不断增大，风电分散式接入配电网后电流保护正确工作存在的问题受到越来越广泛的关注[1-2]。风电接入使配电网原供电结构发生变化，故障时系统电源和风电电源可能同时向故障点提供短路电流。由于风电接入对短路电流的助增或者分流作用，流过保护装置的短路电流可能增大也可能减小。当风电接入超过一定容量时，电流保护将不正确动作。风电接入对电流保护的影响与风机种类、风电接入容量、风电接入位置以及故障点位置等有很大关系[3-8]。风电接入配电网电流保护适应性分析以及限制接入点最大短路容量比有着重要意义。

本文首先利用在PSCAD／EMTDC软件平台上搭建的感应式、双馈式以及永磁直驱式风机模型，分析了3种风力发电机的故障特征及其对电流保护的影响；分别讨论了风电接在故障点上游及下游时电流保护不正确动作的情况；针对2种典型算例，拟合了风电接入点短路容量比与保护安装处短路电流关系曲线，给出了可能导致保护不正确动作的风电接入点最大短路容量比。

1 风力发电机组故障特征分析

根据风力发电机组的运行特征和控制技术，目前世界上主流的风力发电机可以分为恒速恒频与变速恒频2类，前者的代表机型是鼠笼式感应风力发电机，后者的代表机型是双馈式风力发电机和永磁直驱式风力发电机[9-11]。

若风电接入点与故障点位置不变，在故障发生时，由于接入的风电机组类型不同，流过同一保护的短路电流也不同。因此，研究不同类型风电机组故障特性是十分必要的。

1.1 鼠笼式风电机组故障特征分析

鼠笼式风力发电机组在正常运行状态时，机组的转速只能维持在同步速附近，属于恒速恒频发电系统[12]。在PSCAD／EMTDC平台建立鼠笼式风电机组电磁暂态模型，分别研究机组出口三相短路和不对称短路时的故障特征，机组参数详见文献[13]。

a.三相短路故障。

在t=0 s时刻，鼠笼式风力发电机出口发生三相短路故障，仿真得到机端三相短路电流如图1所示。由于鼠笼式发电机没有独立的励磁绕组，在故障瞬间定子绕组将产生很大的短路电流，但会迅速衰减，如果故障一直未清除，短路电流将逐步衰减至零。

图1 鼠笼式风机出口三相短路故障电流波形Fig.1 Current waveforms of FSIG with output three-phase short circuit fault

故障后1～2个周期内鼠笼机短路电流幅值迅速增大而后衰减，这种特性可能对电流速断保护正确动作产生影响。

b.不对称短路故障。

在t=0 s时刻，鼠笼式风力发电机出口发生BC两相短路故障，仿真得到机端三相短路电流如图2所示。与三相短路故障时故障电流会逐步衰减至零不同，当发生不对称故障时，风机能维持一定的短路电压和短路电流。故障相在短路瞬间可以提供一个较大的电流，但会发生衰减；非故障相电流会逐渐增大；故障相与非故障相都有一恒定的短路电流[14]。

图2 鼠笼式风机出口不对称短路故障电流波形Fig.2 Current waveforms of FSIG with outputunbalanced short circuit fault

故障发生后，由于故障相短路电流瞬间增大，可能影响电流速断保护不正确动作；非故障相电流在故障后不断增大，而后逐渐趋于稳定，该稳定电流值仍比正常状态下电流大得多，可能导致限时电流保护不正确动作。

1.2 双馈式风电机组故障特征分析

双馈式发电机组的实质是绕线式的感应发电机，其定子直接与电网相连，转子通过背靠背的整流桥与电网连接，转子侧变流器为电机提供转差频交流励磁电流，转子可以向系统馈出或从系统吸收交流功率。运行在正常发电状态时，转速的变化范围较大，因此为变速恒频发电系统。双馈式风电机组在发生短路故障时，定转子会出现过流现象，目前普遍采用双馈式风电机的转子侧加装撬棒保护（Crowbar）来实现低电压穿越。

在PSCAD／EMTDC平台建立双馈式风电机组电磁暂态模型，分别研究机组出口三相短路和不对称短路时的故障特征，机组参数详见文献[15]。

a.三相短路故障。

在t=0 s时刻，双馈式风力发电机出口发生三相短路故障，5 ms后投入Crowbar电路，仿真得到机端三相短路电流如图3所示。投入Crowbar后，机端故障电流近似由稳态交流分量、衰减直流分量与衰减交流分量三部分组成。当电压跌落较深时，衰减交流分量为故障初期电流的主要构成部分，其频率取决于当前转速，由图3得机端电流频率约为0.8×50=40（Hz）。

图3 双馈式风机出口三相短路故障电流波形Fig.3 Current waveforms of DFIG with output three-phase short circuit fault

故障后投入Crowbar的双馈式风电机组故障特征与鼠笼式感应风电机组故障特征相似，即在故障瞬间短路电流很大，在故障后数周期内迅速衰减[8]。这种特性将对电流速断保护产生影响，而对限时电流速断保护影响不大。

b.不对称短路故障。

在t=0 s时刻，双馈式风力发电机出口发生BC两相短路故障，5 ms后投入Crowbar电路，仿真得到机端三相短路电流如图4所示。故障相短路电流在故障瞬间增大，而后逐渐衰减并维持在一稳定值；非故障相也可以维持一稳定故障电流，而且可能会比故障相电流大。

图4 双馈式风机出口不对称短路故障电流波形Fig.4 Current waveforms of DFIG with output unbalanced short circuit fault

由于故障瞬间风机提供助增电流，电流速断保护可能不正确动作；对于非故障相，与鼠笼式风机类似，会提供一稳定的短路电流，该值比正常状态下电流大很多，同样可能对限时电流速断保护产生影响。

1.3 永磁直驱式风电机组故障特征分析

永磁直驱式风力发电机的转子为永磁体，无需外部提供励磁电源，属于变速恒频发电系统，采用功率变流器并网方式。风机检测到外部故障后，进入低电压穿越状态，来抑制直流母线过压现象。

受到永磁直驱式风机控制器限流作用的影响，出口故障时风机提供的短路电流增加，但增幅不大，一般要求不超过正常运行时电流的1.5倍。因此，直驱式风电机组接入配电网对电流保护适应性的影响不大。

综上，可以得到以下结论：不同类型风电机组由于工作原理、机组控制规律各不相同，导致其故障特征及对继电保护影响也各不相同。其中，鼠笼式与投入Crowbar后双馈式风电机组在发生出口故障时机端提供的短路电流波形相似，都可能对电流速断及限时电流速断保护产生影响。本文以鼠笼式感应风力发电机接入配电网为例，分析不同情况下其对电流保护的影响。

2 风电接入位置对电流保护影响分析

目前在配电网中常用的电流保护方案通常由电流速断保护、限时电流速断保护和过电流保护组成。根据以上对不同类型风力发电机组的故障特征分析可知，故障发生后，风机提供的短路电流迅速衰减。为了简化分析，本文采用电流速断保护和限时电流速断保护构成的两段式电流保护，其中电流速断按照躲过下条线路出口短路电流整定，不能保护线路全长；限时电流速断保护可以保护本级线路的全长，但故障切除时间变长[16]。

假设风电接入10.5 kV配电网络，并且将10.5 kV变电站以上的电网等值为一个电压源，典型配电网结构如图5所示。最大运行方式下系统阻抗Zsmin=j0.91 Ω，最小运行方式下系统阻抗Zsmax=j1.16 Ω；线路阻抗为0.169+j0.394 Ω／km。以鼠笼式风电机组为例，风电由母线B接入系统。

图5 风电接入配电网对保护影响仿真算例Fig.5 Simulation model of wind power connected to distribution network

由继电保护整定原则，对于电流速断保护R2，其整定的动作电流IIset.2必须大于最大运行方式下母线C三相短路时电流Ik.C.max，动作电流为：

其中，可靠系数KIrel取值1.2～1.3；Eφ为系统等效电源的相电动势；ZB-C为线路BC阻抗值。

根据限时电流速断保护的整定原则，保护R1的Ⅱ段动作电流为：

其中，可靠系数 KⅡrel取值 1.1～1.2，IIset.2为保护R2的电流速断保护I段定值。

保护R1的限时电流速断保护动作时限tⅡ1应比保护R2的电流速断保护固有动作时限t2I大一个时限级差 Δt，即：

通常取 Δt≈0.5 s。

不考虑风电接入时，各电流保护整定值如表1所示，取 KIrel=1.2，KⅡrel=1.1。

表1 不考虑风电接入情况下各电流保护定值Tab.1 Protection settings without consideration of grid-connected wind farm

2.1 风电接在故障点上游时对电流保护影响分析

2.1.1 风电接入容量对各保护影响分析

如图5所示，系统最大运行方式下线路CD首端k3处发生三相短路故障，当风机接入容量改变时，流过各保护的故障电流如表2所示。

表2 k3点短路，接入容量变化时的短路电流Tab.2 Variation of fault current and integrated capacity when short circuit happens at k3

对于保护R1，由于受风电分流作用影响，故障电流随风电接入容量增大而减小，保护灵敏度减小；对于保护R2，由于受风电助增电流影响，故障电流随风电接入容量增大而增大，当风电容量达到5 MW时，流过保护R2故障电流已经大于其电流速断Ⅰ段定值，保护将误动，风机容量越大，误动范围越大；对于保护R3，由于受风电助增电流影响，故障电流随风电接入容量增大而增大，保护灵敏度增大；保护R4由于不流过风电电流，其动作不受影响。

2.1.2 可靠系数对保护影响分析

当风机容量为5 MW，系统最大运行方式下线路CD首端k3发生三相短路，可靠系数KIrel改变时流过保护R2的故障电流如表3所示。

表3 k3点短路，可靠系数变化时流过保护R2的短路电流Tab.3 Variation of fault current via protection R2 and reliability coefficient when shortcircuit happens at k3

随着可靠系数KIrel的增大，保护Ⅰ段整定值增大；可靠系数的增大可能避免保护R2的Ⅰ段在下级线路发生故障时误动。例如当取KIrel=1.25时，保护R2不再误动。

2.1.3 线路长度对保护影响分析

a.被保护线路BC长度变化。

当风机接入容量为5 MW，系统最大运行方式下线路CD首端k3发生三相短路，线路BC长度改变时流过保护R2的故障电流如表4所示。

表4 k3点短路，线路BC长度变化时流过保护R2的短路电流Tab.4 Variation of fault current via protection R2 and BC line length when short circuit happens at k3

当被保护线路BC长度增大时，保护R2的Ⅰ段定值减小，流过保护R2的风电故障电流减小更多，当BC长度增大到一定数值时，流过保护R2的故障电流已经小于其I段定值，保护不再误动。

b.电源线路AB长度变化。

当风机接入容量为3 MW，系统最大运行方式下线路CD首端k3发生三相短路，线路AB长度改变时流过保护R2的故障电流如表5所示。

表5 k3点短路，线路AB长度变化时流过保护R2的短路电流Tab.5 Variation of fault current via protection R2 and AB line length when short circuit happens at k3

当AB长度增大时，等价于系统阻抗增大，保护R2的Ⅰ段定值减小，流过保护R2的系统故障电流也随之减小。当AB长度增大到一定数值时，保护R2定值降低，而风电故障电流不变，保护将误动。AB长度越长，保护误动范围越大。

2.2 风电接在故障点下游时对电流保护影响分析

2.2.1 风电接入容量对各保护影响分析

如图5所示，最小运行方式下线路AB末端等价为k1发生两相短路故障，当风机接入容量改变时，故障后0.4 s左右流过保护R1故障电流如表6所示。

保护 R2、R3、R4由于不流过风电电流，其动作不受影响；保护R1受风电分流作用影响，流过保护的故障相电流减小，可能导致保护R1的Ⅱ段拒动。当风电接入容量为5 MW时，流过保护R1的故障电流已经小于其Ⅱ段定值，保护R1将拒动。非故障相不会提供大的短路电流。

表6 k1点短路，风电容量变化时流过保护R1的短路电流Tab.6 Variation of fault current via protection R1 and wind turbine capacity when short circuit happens at k1

2.2.2 可靠系数对保护影响分析

当风机接入容量为3 MW，可靠系数KⅡrel改变时流过保护R1故障电流如表7所示。

表7 k1点短路，可靠系数变化时流过保护R1的短路电流Tab.7 Variation of fault current via protection R1 and reliability coefficient when short circuit happens at k1

随着可靠系数KⅡrel的增大，保护Ⅱ段整定值均增大，其保护拒动范围增大；当KⅡrel=1.15时，3 MW 风电机组接入就会导致保护R1的拒动。

2.2.3 线路长度对保护影响分析

当风机接入容量为3 MW，电源线路AB长度改变时流过保护R1的故障电流如表8所示。

表8 k1点短路，线路AB长度变化时流过R1的短路电流Tab.8 Variation of fault current via protection R1 and AB line length when short circuit happens at k1

当AB长度增大时，保护R1的Ⅱ段整定值逐渐减小，而故障电流减小更多。当线路AB长度为10km时，流过保护R1的故障电流小于其Ⅱ段定值，保护将拒动。AB长度越长，保护R1的拒动范围越大。

综上，可以得出以下结论：当风电接入位置在故障点上游时，风电助增电流作用可能导致故障点所在线路相邻线路电流保护Ⅰ段超越；当风电接入位置在故障点下游时，风电分流作用可能导致故障点所在线路电流保护Ⅱ段拒动，其误动及拒动范围与可靠系数、线路长度、风机接入容量有关。

3 风电接入点短路容量比对电流保护影响分析

风电接入会对配电线路电流速断保护带来I段超越以及Ⅱ段拒动问题。风电接入容量越大，风电电源的助增或者分流作用越明显，当风电接入容量达到一定数值时，保护将会发生误动或拒动。以下考察风电接入点接入容量与短路容量之比即短路容量比对保护误动以及拒动的影响。

3.1 风电接入容量对保护Ⅰ段超越的影响

算例1：已知母线B的短路容量为36.7 MV·A，系统最大运行方式下保护R3出口处发生三相短路故障，当风电接入容量改变时，保护R2的速断将误动。短路电流与风电接入点短路容量比关系曲线如图6所示。

图6 保护R2处短路电流与风电接入点短路容量比关系曲线Fig.6 Curve of fault current via protection R2 vs.short circuit capacity ratio of wind turbine grid-connection point

当风电接入容量与接入点短路容量之比大于11.72%时，流过保护R2的故障电流将大于其电流速断的Ⅰ段整定值，导致保护误动。

3.2 风电接入容量对保护Ⅱ段拒动的影响

算例2：系统最小运行方式下保护R2出口处发生两相短路故障，提取故障后0.4 s流过保护R1的故障电流，当风电接入容量改变时，短路电流与风电接入点短路容量比关系曲线如图7所示。

图7 保护R1处短路电流与风电接入点短路容量比关系曲线Fig.7 Curve of fault current via protection R1 vs.short circuit capacity ratio of wind turbine grid-connection point

随着风电接入容量增大，流过保护R1的故障电流先减小后缓慢增大。若可靠系数KⅡrel≥1.103，保护R1的Ⅱ段整定值IsⅡet1≥1.562 kA，当风电接入容量约为接入点短路容量的21.8%时，流过保护R1的故障电流将小于其保护整定值，保护R1的Ⅱ段拒动。

综上，可以得出以下结论：风电接入配电网容量变化将对配电线路电流速断保护的Ⅰ段超越及Ⅱ段拒动产生影响；综合2种情况考虑，当风电接入容量与接入点短路容量之比大于11.72%时，风电接入将可能导致配电线路电流保护的不正确动作。

4 结论

永磁直驱式风电机组由于机组的限流作用，接入配电网后不会对保护产生影响。而感应式和双馈式风电机组接入配电网时：当风电接入位置在故障点上游，风电接入容量的增大可能导致故障点所在线路的相邻线路电流速断保护Ⅰ段超越；当风电接入位置在故障点下游，可能导致故障点所在线路电流保护的Ⅱ段拒动，其保护误动及拒动范围与可靠系数、线路长度、风电接入容量等因素相关。为了防止配电网电流保护的不正确动作，限制风电接入点最大短路容量比在10%以下是必要的。