含风电电网输电线距离保护测量阻抗特性研究

刘闯，晁勤，吐尔逊·依布拉音，童柱，周二彪,4

(1.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830008；2.昌吉供电公司，新疆昌吉831100；3.广水供电公司，湖北随州432700；4.新疆电力经济技术研究院，新疆乌鲁木齐830008)

含风电电网输电线距离保护测量阻抗特性研究

刘闯1,2，晁勤1，吐尔逊·依布拉音1，童柱3，周二彪1,4

(1.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830008；2.昌吉供电公司，新疆昌吉831100；3.广水供电公司，湖北随州432700；4.新疆电力经济技术研究院，新疆乌鲁木齐830008)

分析了联络线风电侧距离保护测量阻抗随风速、过渡电阻等参数变化时的特性。基于双馈异步(DFIG)、普通异步(IG)机组仿真了线路不同故障下改变风速、过渡电阻等参数时距离保护测量阻抗的变化。结果表明，由于对侧电源的助增和本侧风机风速变化使过渡电阻呈电容性或电感性，可引起距离保护保护范围缩短或使保护装置超范围动作，从而导致保护产生误动或拒动。针对测量阻抗随过渡电阻变化的特性，提出了相应的改进措施。

DFIG；IG；Matlab；距离保护；风速；过渡电阻；测量阻抗

随着风电技术的快速发展，风电机组的单机容量不断增加，风电场规模不断增大。电力系统中风电承担的负荷日益增多，高压输电线路成为风电电能输送的有效载体。在我国，大容量风电场出口输电线路为了保证更好的安全性和独立性，首先考虑距离保护[1]。然而，由于风速的间歇性，风电场运行状态和参数不断变化，对风电场出口输电线路距离保护将造成一定影响[2]。同时，电网侧短路点过渡电阻变化也会对联络线距离保护产生影响。因此，需要对多参数变化时的距离保护测量阻抗特性进行研究。

文献[3]分析了分布式发电的容量、接入位置以及变压器连接组别对距离保护的影响，文献[4-7]介绍了不同类型风电机组的短路特性及对电网电流保护的影响与对策，文献[8]研究了不同负荷水平和功率因素时风电场对其出口输电线路距离保护的影响，文献[9-10]介绍了风电场联络线距离保护的自适应整定方法，但均未对不同风电机组下风速、过渡电阻、短路容量等参数变化时测量阻抗的特性进行对比分析。本文主要研究了含风电场的双侧电源联络线的距离保护测量阻抗随风速、过渡电阻、接入点短路容量、故障类型等参数变化时的特性，并基于双馈异步(DFIG)、普通异步(IG)机组仿真分析了风速、过渡电阻和故障类型等变化时对出口输电线路距离保护的影响，并针对测量阻抗随过渡电阻的变化特性，提出了相应的改进措施。

1 距离保护测量阻抗的原理分析

大容量风电场通过单回高压线路向电网注入电能，距离保护作为输电线路的保护。图1为输电线路上发生单相接地故障时的接线图，仿真时系统侧和风电侧均采用简化等效模型，本文主要研究风电侧距离保护。线路在K点发生短路接地，过渡电阻为。如图1所示，W、G分别代表风电侧和系统侧母线；1SW、1SG分别为风电侧和系统侧电源的等效A相正序阻抗；1LW、1LG分别为母线W、G与F点间的输电线路A相正序阻抗；1W和1G分别代表风电侧电源和系统侧电源与故障点之间的A相正序阻抗。以下下标中含0、2的阻抗代表相应的零序和负序参数。

图1A相接地单相接线图

对单相接地(AG)和相间短路(BC)，W母线处距离保护感受到的阻抗如下：

式中：K0=(Z0L-Z1L)/3Z1L是零序电流补偿因素。

测量阻抗为：

单相接地时：

式中：C′′=C+C+CZ/Z。

相间短路时：

三相短路时：

其中：

过渡电阻为：

2 联络线距离保护测量阻抗仿真系统

为研究风电对输电线路距离保护测量阻抗的影响，本文以220 kV输电线路为例，基于风速、过渡电阻、F点短路容量、故障类型研究过渡电阻对测量阻抗的影响。在Matlab环境下搭建如图2所示的仿真系统，仿真时风电场分别由容量为30 MW的IG机组和DFIG机组组成，单机容量均为1.5 MW，每台风机均与0.69 kV/35 kV的2 MVA配电变压器(DYn1)相连。从保护角度来看，由于零序电流分量的存在，DYn连接是比YnYn连接更好的一种接法，故本文变压器采用DYn接法。

图2 含风电场系统结构

3 风电场和电网参数变化时测量阻抗特性仿真分析

3.1 风电场由DFIG机组组成时距离保护的测量阻抗

风电场由DFIG机组组成，仿真时风速分别为8、12、16m/s，短路故障在线路50%(||＝8Ω)处发生。基于1、2、0和式(2)～式(4)可计算出，当典型风速为12m/s时，风电侧距离保护处如表1所示，观察得其他风速时，幅值保持不变，但角度有1°～2°的变化。

表1 基于DFIG机组时W侧过渡电阻补偿系数Kr

短路容量为1000 MVA时，基于仿真系统分别仿真出不同风速时风电侧距离保护（母线W处）测量阻抗的特性，仿真结果见图3～图5(图中均为DFIG)。由图3得当K点单相接地且风速一定时，过渡电阻越大则保护测量阻抗越大，=15Ω时测量阻抗为36.53∠15.22°Ω；过渡电阻一定时，风速越大则测量阻抗越小。由图4和图5得相间和三相短路且风速为16m/s时，过渡电阻增大，则保护测量阻抗不同程度地向实轴靠拢，甚至可能出现负值，=5Ω时测量阻抗分别为57.13∠－0.12°Ω和69.73∠－3.18°Ω。由图3～图5得使过渡电阻呈电感性或电容性，过渡电阻、风速对测量阻抗有显著影响，可能使保护误动或拒动。但当故障均为金属性短路即=0Ω时，无论风速大小，风电侧距离继电器均能正确测出阻抗值。

图3 K点单相接地时风电侧保护的测量阻抗(从0变到15Ω)

图4 K点两相短路时风电侧保护的测量阻抗(从0变到5Ω)

图5 K点三相短路时风电侧保护的测量阻抗(从0变到5Ω)

3.2 风电场由IG机组组成时保护的测量阻抗

将DFIG机组改为同容量的IG机组接入电网。当典型风速12m/s时，如表2所示。接入点短路容量为1000 MVA，不同风速时风电侧距离保护测量阻抗的特性见图6～图8(图中均为IG)。

表2 基于IG机组时W侧过渡电阻补偿系数Kr

图6 K点单相接地时风电侧保护的测量阻抗(从0变到15Ω)

图7 K点两相短路时风电侧保护的测量阻抗(从0变到5Ω)

图8 K点三相短路时风电侧保护的测量阻抗(从0变到5Ω)

由图6得K点单相接地且风速一定时，过渡电阻越大，保护测量阻抗越大；过渡电阻一定时，风速越大则测量阻抗越小。单相接地时，当风速为16m/s，=15Ω时，测量阻抗达43.4∠12.87°Ω。由图7和图8得相间和三相短路时，风速为16m/s且过渡电阻为5Ω，测量阻抗分别为85.48∠2.93°Ω和86.21∠－0.31°Ω。由图6～图8得使过渡电阻呈电感性或电容性，对保护测量阻抗有显著影响，可能使保护误动或拒动。但当三种故障均为金属性短路，距离保护均能正确测出阻抗值。相同条件下，与DFIG机组相比，当风电场由IG机组组成时，过渡电阻对测量阻抗影响更大。

4 输电线路距离保护存在的问题及改进措施

由仿真分析得含风电的双侧电源线路发生短路故障时，对侧电源和本侧风机风速增大对过渡电阻有助增电流作用，过渡电阻将呈电容性或电感性。风电侧距离保护的测量阻抗将随过渡电阻的容抗性变化而减小或增大，可使距离保护保护范围缩短或引起保护装置的超范围动作，从而导致距离保护误动或拒动。如图9(a)所示，呈现容性，进入保护的动作范围引起保护误动；图9(b)中呈现感性，使在保护范围之外即保护拒动。

图9使保护误动或拒动

针对上述问题，选用具有躲过渡电阻能力的自适应式阻抗继电器，比如多边形继电器。如图10所示，阻抗继电器动作特性边界以整定的阻抗矢量作为其轴心，通过旋转倾斜角来消除短路点过渡电阻带来的不利影响。

图10 距离保护改进措施

图10(a)中为克服线路末端故障时过渡电阻的影响，五边形阻抗继电器的BC边可在轴方向独立移动以适应大小不同的过渡电阻，通常1取45°～60°。0A边为保证线路出口经过渡电阻短路时能够可靠动作，2通常取15°。倾斜角4的选取应能避免在输电线路末端发生短路时保护误动和拒动，其通过实时计算得到。对短线路，由于其值比较小，容易受过渡电阻影响。此时，可加大/比值以增强其允许过渡电阻的能力。

5 结论

（1）含风电的双电源线路由于对侧电源的助增和本侧风机运行风速变化使过渡电阻呈电容性或电感性，可导致距离保护超范围动作或使距离保护的保护范围缩短，从而导致保护误动或拒动。

（2）风电场出口线路距离保护整定时，必须考虑过渡电阻、风速、短路容量的影响，尽量配置多边形继电器并适当调整其保护范围，以避免极端情况下保护产生误动或拒动。另外，风电场升压变压器采用DYn接法，在单相接地时，零序电流的存在使阻抗继电器有更好的动作条件。

（3）相同条件下，与DFIG机组相比，当风电场由IG机组组成时，过渡电阻对测量阻抗影响更大。但当故障为金属性短路时，两种机组风电侧距离继电器均能正确测出阻抗值。

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[11]COOKV.Analysis of Distance Protection[M].New York:Research Studies Press Limited,John Wiley and Sons,1985.

Research onmeasured impedance characteristics of transmission line distance protection of power grid with wind farm

LIU Chuang1,2,CHAO Qin1,TUERXUN Yibulayin1,TONG Zhu3,ZHOU Er-biao1,4

The characteristics ofmeasured impedance in wind power side distance protection of the contact line based on variations of the wind speed and fault resistance were analyzed.Two types of WTGU:Doubly Fed(DFIG)and Squirrel Cage Induction Generators(IG)were simulated and connected to grid with single circuit transmission line. The effect of the fault resistance and wind speed onmeasured impedance of distance protection was simulated. Obtained thatmeasured impedance and Change of wind speedmay exceed the scope of action or shortened the scope of the protection,protectionmalfunction or refuse tomovemight be resulted.Aiming at the characteristics ofmeasured impedance that variation with fault resistance,the corresponding protection configuration and principle were put forward.

DFIG;IG;Matlab;distance protection;wind speed;fault resistance;measured impedance

TM 614

A

1002-087 X(2014)10-1900-04

2014-03-15

国家自然科学基金项目(51267020)；科技部国家国际科技合作专项资助(2013DFG61520)

刘闯(1987—)，男，湖北省人，硕士研究生，主要研究方向为洁净能源及其并网技术。