基于功率比的带并补电抗风电送出线自适应单相重合闸策略

解　超, 李凤婷, 王　宾, 周识远, 樊艳芳, 陈伟伟

(1. 可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心(新疆大学), 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830047;2. 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学), 北京市 100084;3. 国网甘肃省电力公司风电技术中心, 甘肃省兰州市 730050; 4. 国网新疆电力有限公司经济技术研究院, 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830013)

0　引言

工程中带并补电抗的风电送出线采用单相自动重合闸,重合前不检测故障性质,经固定延时后重合故障相。一旦重合失败,引发的二次冲击将对风电场和系统的稳定运行造成威胁[1-3]。因此,研究一种能可靠识别线路故障性质的带并补电抗风电送出线自适应单相重合闸策略至关重要。

目前,带并补电抗的输电线路单相重合闸策略研究大多针对常规能源输电线路,相关专家提出的故障性质判据主要分为基于恢复电压幅值[4-6]、并补电抗电流幅值[7-9]以及频率特性[10-13]三类。其中,基于电压、电流幅值的故障性质判据对风电出力波动的适应性较差;区外雷击会影响电压判据结果的准确性;双馈风电系统的偏频特性也会影响基于频率特性的故障性质判据的判定结果[1,2,14-16]。

上述判据均以故障相电压或电流为单一考察对象,抗干扰能力较差。本文结合二者特征,利用瞬时功率理论求得故障相有功、无功功率的同时,达到减小干扰的目的。在分析带并补电抗的风电送出线功率特性的基础上,提出一种基于功率比的带自适应单相重合闸策略,并参照新疆某风电送出线,以PSCAD/EMTDC为平台搭建模型,仿真验证了该策略对风电场出力波动的适应性,能够避免雷击和偏频对故障性质判别的干扰,有效提高重合成功率。

1　送出线故障相有功、无功特性分析

本文以单端带并联电抗器的220 kV风电送出线为例,分析送出线发生A相接地跳闸后,故障消失前后的A相有功、无功特性。电压互感器安装在并补电抗线路侧,电流互感器安装在电抗器中性点小电抗侧,故障相有功、无功功率可通过数字滤波的方法获得[17](具体方法见附录A)。

1.1　故障消失前故障相有功、无功特性分析

故障消失前,线路暂态过程结束后,线路A相等效电路如图1所示[18]。

图1　故障状态线路A相等效电路Fig.1　Equivalent circuit of phase A in the line with fault condition

1.2　故障消失后故障相有功特性分析

故障消失后,Rt所在支路断路,线路等效储能元件开始互相充放电,在由并补电抗、送出线阻抗、分布电容组成的振荡回路中形成一个衰减的低频自由分量[20]。同时,在相间电容和相间互感的作用下,故障相还存在一个与健全相电流频率相同的基频分量。对于基于双馈风电机组的风电送出线,受低电压穿越(LVRT)过程中偏频的影响,基频分量频率不一定是工频。考虑到故障性质判定所需时间较短,自由分量衰减可忽略不计,故障消失后,故障相电压u(t)和电流i(t)为:

(1)

式中:U,I,ω,θ分别为电压幅值、电流幅值及其角频率和初相角;下标1和2分别表示基频分量和自由分量;下标u,i分别表示电压量和电流量。

故障相有功功率为:

P1(t)+P2(t)+P3(t)+P4(t)+P5(t)

(2)

式中:T为一个工频周期;P(t)包含一个直流分量P1(t),三个高频分量P2(t),P3(t),P4(t)以及一个低频分量P5(t),其表达式分别如式(3)至式(7)所示。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:

(8)

(9)

1.3　故障消失后故障相无功特性分析

将故障相电压u(t)的基频、自由分量移相90°得到:

u′(t)=U1sin(ω1t+θu1)+U2sin(ω2t+θu2)

(10)

故障相无功功率为[17]:

Q1(t)+Q2(t)+Q3(t)+Q4(t)+Q5(t)

(11)

Q(t)包含一个直流分量Q1(t),三个高频分量Q2(t),Q3(t),Q4(t)以及一个低频分量Q5(t),其表达式分别如式(12)至式(16)所示。

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

1.4　基于功率比的送出线故障性质判据

带并补电抗线路等效感抗远大于等效电阻,故有

(17)

忽略健全相电磁耦合影响时,有

(18)

将式(17)、式(18)代入式(3)、式(7)、式(12)和式(16),可得:

(19)

(20)

由式(19)、式(20)可知,Q1(t),Q5(t)的幅值远大于P1(t),P5(t);由式(4)至式(6)、式(13)至式(15)可知,P2(t),P3(t),P4(t)的幅值与Q2(t),Q3(t),Q4(t)的幅值大小相等。设送出线中点A相接地故障3.2 s时消失,不同风电场运行方式下(以不同出力为例),A相有功、无功功率的直流、低频分量和(以下简称为低通分量)的变化特征见附录A图A3。

由上述结果知,因低通分量的幅值与故障相电压、电流关系密切,而故障相电压、电流与送出线输送功率也有关[21],故风电场运行方式对故障相有功、无功功率的低通分量幅值影响较大。由第1节分析,忽略健全相电磁耦合影响时,注意到故障相有功、无功功率的低通分量均与U1I1成正比。由此,可通过对故障相无功、有功功率的低通分量做比,约去U1I1,减小风电运行方式变化对判定结果的影响。据此可以提出基于功率比(无功功率/有功功率)的风电送出线故障性质判据:风电送出线单相接地跳闸0.5 s后[22],若式(21)在0.05 s的判定时间内持续成立,则判定送出线单相接地故障为瞬时性,并且故障已于0.05 s前消失。

(21)

式中:RMS(·)表示求有效值;K为裕度系数,本文取为2;XLA为线路A相等效感抗;ε为为避免分母过零而设定的补偿量,其大小为潜供电流在故障线路中产生的最大有功,计算方法如下

(22)

式中:Isc，max为线路开断前运行方式下可能产生的最大潜供电流,其计算方式可参考文献[23]。

由于故障相无功、有功功率的低通分量主要受故障相电气量基频分量和自由分量的频率差影响,并不受基频分量频率大小的影响,因此,本判据不会受双馈风电场LVRT期间偏频特性的影响。

2　送出线自适应单相重合闸策略

基于式(21)所述判据制定基于功率比的带并补电抗的风电送出线自适应单相重合闸策略，其流程图如图2所示。

图2　自适应单相重合闸策略流程图Fig.2　Flow chart of adaptive single-phase reclosing scheme

所提自适应单相重合闸策略有以下几个步骤。

步骤1：带并补电抗的风电送出线单相跳闸,计时器归零(t=0)并开始计时。

步骤2：判定断路器跳闸的原因,若为偷跳,延时0.1 s后重合故障相[24];若是人为操作,则闭锁重合闸;若非上述两种情况,则进入步骤3。

步骤3：虑及线路熄弧时间,延时0.5 s后开始计算送出线故障相有功、无功功率[22],并使用截止频率为30 Hz的低通滤波器处理所得线路故障相有功、无功功率。

步骤4：若0.05 s内式(21)持续成立,则判定送出线故障为瞬时性,并且已于0.05 s前消失,延时0.05 s后重合故障相,流程结束。否则,判定故障依然存在,转入步骤5。

步骤5：若计时器计时t小于当地线路单相重合闸整定动作时间tset,返回步骤4,进行循环判定;若t>tset时,判定结果仍为“故障依然存在”,则判定故障为永久性,闭锁重合闸。

需要说明的是,对于线路发生间歇性接地故障的情况,本文做出如下论证。本文判据为在0.05 s内,式(21)持续成立,则判定送出线单相接地故障为瞬时性,设故障间歇时间(即每次故障消失的时间)为tg,当tg<0.05 s时,故障重现于判定时间内,本文判据不受影响;0.05 s 0.1 s时,故障重现于重合成功后,本文判据亦不受影响。文献[25]指出,多数间歇性接地故障的间歇时间为半个工频周期,综上,在大多数情况下,本文的故障性质判据并不会受到间歇性接地故障的影响。

3　仿真结果与分析

参照新疆淖毛湖—山北风电送出线,以PSCAD/EMTDC为平台,构建其仿真模型。线路电压等级为220 kV,线路长度为134 km。单位长度送出线参数见附录A表A1。

3.1　送出线故障性质判据仿真验证

令故障位置分别为0%,25%,50%,75%,100%线路长度,仿真验证过渡电阻分别为0,100 Ω时,所提送出线故障性质判据的正确性和可行性。设带并补电抗的风电送出线在2.5 s时发生A相接地故障,2.55 s时线路跳闸;故障时长为0.7 s;据附录A表A1中的数据及式(21)得整定值为-7.81;考虑送出线开断前工况,算得线路最大潜供电流为30.1 A,根据式(22),取ε为0.01,故障消失前后的仿真结果如图3所示。

图3　单相接地故障前后故障相功率比特征Fig.3　Characteristics of faulty phase power ratio before and after single-phase to ground fault

由图3仿真结果可知,带并补电抗的风电送出线发生单相接地故障,不论故障位于线路何处,是否带过渡电阻,故障未消失时,功率比均大于整定值,仿真结果验证了所提故障性质判据的正确性和可行性。

3.2　出力波动对送出线故障性质判据影响仿真验证

设带并补电抗的风电送出线发生A相接地故障,故障位置为50%线路长度处;故障发生时间与故障时长同3.1节;送出线于3.05 s时由于风资源突变、投切风电机组等原因发生风电出力波动,波动幅度为先前出力的两倍;令过渡电阻分别为0 Ω和100 Ω,对比故障相电压、电流及功率比对出力波动的耐受能力,其仿真实验结果如图4所示。

图4　单相接地故障时出力波动的影响Fig.4　Influence of output power fluctuation under single-phase to ground fault

由图4仿真结果可知,风电送出线单相接地故障消失前,风电出力波动影响故障相电压、电流波形,有可能使得基于电压、电流幅值或拍频特性的判别方法产生误判。本文所提故障性质判据虽有影响,但未超过整定值,均在安全范围内,判定结果正确。验证了本文所提送出线故障性质判据对风电送出线传输功率波动具有较好的适应性。

3.3　区外雷击对故障性质判据影响仿真验证

送出线故障情况同3.2节;送出线区外于3.1 s时发生雷击,仿真实验结果如图5所示。

图5　单相接地故障时区外雷击影响Fig.5　Influence of external lightning stroke under single-phase to ground fault

由图5仿真结果可知,带并补电抗的风电送出线发生单相接地故障且故障未消失时,若区外线路发生雷击,影响故障相电压,有可能使得基于电压幅值或拍频特性的判别方法产生误判;本文所得故障相有功、无功功率经过低通滤波器处理,降低了高频雷电波产生的影响,区外雷电并未致使功率比越过整定值,说明区外雷电并不会使本文所提故障性质判据产生误判。

3.4　送出线自适应单相重合闸策略仿真验证

设当地单相重合闸整定动作时间tset为3 s。令故障时长为0.7 s或无穷大,整定值及分母补偿量ε的取值同3.1小节,风电送出线分别在0%,25%,50%,75%及100%线路长度处发生A相金属接地故障以及经100 Ω过渡电阻接地故障时,仿真验证本文所提送出线自适应单相重合闸策略的正确性和可行性,仿真结果见附录A表A2。由仿真结果可知,本文所提送出线自适应单相重合闸策略兼具快速性与准确性,对风电送出线具有良好的适应性。

4　结语

本文提出了一种基于功率比的带并补电抗风电场送出线自适应单相重合闸策略。理论分析和仿真验证表明,该策略具有如下特点。

1)本方案的实现只需测量故障相有功、无功功率,对其做低通滤波处理,求取有功部分的有效值,无需增加新设备,成本低廉易实现。

2)功率比波形简单,识别难度低,判据灵敏度高,计算量小,动作速度快。

3)本方案判据判定结果不受过渡电阻、故障位置、风电场输出功率变化、区外雷击及双馈风电场LVRT期间偏频现象的影响,能够很好地适应风电送出线多变的工况。

然而,故障相有功、无功功率包含的频率成分较多,相比传统方法,本文所提重合闸策略基础理论更加复杂,需采用附录A中数字滤波的方法获得故障相有功、无功功率。相比之下,传统重合策略更适用于天气状况良好,出力波动不大的输电线路。本文所提重合策略更适用于天气多变,有可能出现出力大幅波动的风电送出线。该方案虽经理论分析和仿真验证,仍需进行动模实验,进一步验证其可行性。

本文得到了新疆大学优秀博士创新项目(XJUBSCX-2017021)支持，特此感谢！

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。