适用于双馈风电场集电线路保护的LVRT保护动作判据

刘书玉，刘毅力，董 哲

（西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安 710048）

0 引言

电网电压跌落严重时，为了满足风机不脱网运行，要求并网风力发电机具有低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）功能。风力发电机组并网后，其复杂的输出特性对传统三段式电流保护是一个巨大的挑战[1]～[3]。

为了防止风电场风机故障电流使下游集电线路保护误动，文献[4]针对集电线路提出了一套比较完整的具有针对性的相间故障和接地故障的继电保护方案。文献[5]分析了风电场集电线路发生故障，有可能引起相邻线路发生保护误动。文献[6]分析了风电场继电保护配置以及集电线路保护受到熔断器动作时间的影响。文献[7]从撬棒电阻阻值与电压跌落程度对风机提供的短路电流稳态交流分量角度分析，根据风机箱式变压器熔断器与集电线路电流保护的反时限特点，优化了集电线路保护选择性和速动性。对于具有低电压穿越能力的双馈风电场而言，采用不同低电压穿越措施后会对风电场提供的短路电流造成不同影响，但是上述文献并未针对这一问题进行研究。

本文分析了当风机并网点发生不同程度电压跌落对称故障时，LVRT控制措施中保护电路投入的不同情况下，双馈异步风力发电机（Doubly Fed Induction Generator，DFIG）暂态电流的变化规律，以及对传统集电线路电流保护可能产生拒动的影响。因此，在集电线路电流保护基础上采用LVRT保护电路是否投入的判据，基于MATLAB/Simulink搭建含有DFIG的风电场模型，仿真了集电线路三相对称故障情况。结果表明，采用检测LVRT保护电路是否投入的保护方法，能够保证风电场集电线路继电保护的正确动作。

1 DFIG的LVRT控制方法

1.1 LVRT控制措施

本文将Crowbar电路与DC-Chopper保护电路相结合，提出一种改进的保护电路实现LVRT，如图1所示。

图1 LVRT控制电路图Fig.1 LVRT control circuit diagram

DFIG的定子侧通过变压器与电网相连，转子侧通过背靠背换流器与电网间接相连接。在转子侧变换器通过在绕组中加入交流励磁，通过调节励磁电流的幅值、相位控制无功功率，调节励磁电流的频率控制有功功率和转速，实现定子侧输出的恒频恒压；通过矢量控制实现功率的调节，以及最大风能追踪。网侧变换器主要为保持直流母线电压恒定和网侧无功功率的控制[8]。Crowbar保护通过采用三相二极管不可控整流桥结构，整流桥直流通道由可关断IGBT电力电子器件串联释能电阻组成，IGBT触发脉冲信号通过反应转子瞬时电流突变来实现。

由图1可知，转子侧变换器与Crowbar电路的关系为

式中：ir，iCrowbar，iConv分别为转子电流、旁路电流和流入转子侧变换器回路电流；RCrowbar为撬棒电阻值；uCrowbar，uConv分别为Crowbar旁路电压、转子侧变换器回路的电压。当撬棒保护不投入时，iCrowbar=0；当撬棒保护投入时，iCrowbar≠0。

DC-Chopper电路并联电容是为了抑制直流母线过电压。DC-Chopper保护是在直流母线并联卸荷电路，卸荷电路由卸荷电阻和IGBT组成，通常采取直流母线过压投入、低压返回的滞环控制投退方式[9]。DC-Chopper保护实际上是通过反复投入与切出，维持母线电压在直流母线电压下限值（uDCmin）至直流母线电压上限值（uDCmax）内。

1.2 RCrowbar与uDC开断电压的整定

RCrowbar主要与转子电流ir和直流母线电压uDC有关。当转子电压最大值urmax保持不变时，为使暂态分量更快的衰减，RCrowbar须足够大。为了防止撬棒电阻阻值过大而引起转子侧过电压，RCrowbar上的电压须小于直流母线电压最大阈值uDCmax，即：

式中：RCrowbarmax，RCrowbarmin分别为撬棒电阻最大值、最小值；L′r=（LsLr-Lm2）/Ls；Ls，Lr，Lm分别为定子电感、转子电感、励磁电感；i′rmax为故障时最大转子电流；ωr为转子角速度。

DC-Chopper开断电压选取，如图2所示。

图2 Crowbar控制原理图Fig.2 Crowbar control principle diagram

DC-Chopper开通保护阈值uDCmax应低于Crowbar开通阈值，并留有裕量。直流侧电压一般不允许超过额定电压的110%[9]，在仿真中将阈值设置为1.1unDC，如图3所示。

图3 DC-Chopper控制原理图Fig.3 DC-Chopper control principle diagram

2 DFIG短路电流特性

2.1 DFIG故障电流

若风电机组并网点处发生三相对称短路故障，DFIG输出的短路电流为

式中：is为DFIG定子输出短路电流；iGSC为网侧输出短路电流，一般很小，因此可以用定子输出短路电流来表示双馈风机所提供的短路电流[10]。

假设t=0时，双馈风力发电机机端发生三相对称故障，机端电压跌落至（1-k）us，k为跌落深度，若不考虑Crowbar动作延时，瞬时投入，将撬棒电阻看作转子绕组的一部分。此时，转子侧电阻可等效为

式中：ks=Lm/Ls，kr=Lm/Lr分别为定、转子互感系数；σ为漏磁系数，σ=1-kskr；τ′s为定子衰减时间常数；τ′r为转子衰减时间常数。

由式（6）可知，DFIG输出的短路电流由工频分量、直流分量、与转速有关的转速频率分量组成。

2.2 DFIG故障电流分析

本文以1台5.5 MW的双馈风力发电机为例，设2 s发生三相对称短路故障，故障时间设置为0.625 s。对以下保护电路投入的3种不同情况进行仿真对比，情况1：当机端电压跌落到额定电压80%时，不投入Crowbar与DC-Chopper保护电路；情况2：当机端电压跌落到额定电压50%时，DC-Chopper保护电路不投入，Crowbar保护电路投入；情况3：当机端电压跌落到额定电压20%时，Crowbar与DC-Chopper保护电路都投入。图4给出了3种情况下双馈风机的直流母线电压uDC、有功功率P、无功功率Q及定、转子侧的a相电流ir，is波形图。

图4 三相短路保护电路DFIG响应曲线Fig.4 Three-phase short circuit protection circuit DFIG response curve

由图4可知，当机端电压跌落至额定电压80%时，只靠转子侧变流器就能完成LVRT过程，无需Crowbar和DC-Chopper保护的投入。此时DFIG直流母线电压最大值为1.551 kV，转子电流最高为0.6 p.u.，对转子侧变流器及转子绕组造成的影响不大；定子短路电流最大值为14.41 p.u.，是正常运行时的1.3倍；同时风电机输出有功功率产生较小波动。定子电流波形相对稳定，DFIG能输出相对稳定的短路电流。

当机端电压跌落额定电压50%时，Crowbar保护电路投入，由于直流母线电压为1.626 kV，未超过阈值，DC-Chopper保护电路不作用，此时转子电流最高达到0.28 p.u.，定子短路电流最大值为21.84 p.u.，经过0.07 s迅速衰减至7.3 p.u.，故障消除时刻无功出现波动。当机端电压跌落额定电压20%时，随着Crowbar保护电路的投入，转子电流最高达到12.44 p.u.，这会严重损坏转子侧变流器及转子绕组；定子短路电流迅速衰减，其峰值最大为40.42 p.u.，约为正常运行时的4倍，但随着保护投入、切出，电流值迅速增减至6.22 p.u.；由于直流母线电压超过电压阈值，DC-Chopper投入后控制电压使直流母线电压最高为1.626 kV，随着保护电路的投切，电压不断衰减；故障清除时，风机无功功率产生较大波动。

由图4情况2，3可知，故障期间投入保护电路，同时短路转子侧变流器，电机所提供的短路电流交流分量在撬棒电路的影响下衰减较快，不能提供周期性的稳态电流。保护电路投入后，定转子短路电流的峰值持续时间短，衰减速度快，且迅速衰减至最小。这一特点有可能使常规的电流速断保护误动，而对于过电流保护，短路电流迅速衰减至极小，有可能小于保护的动作整定值，导致过电流保护拒动。

3 双馈风机LVRT措施保护动作判据

由于风电场向系统提供短路电流这一特点，传统的配电网电流保护不再适用于风电场集电线路继电保护。结合上述分析，需要考虑到LVRT控制措施保护的动作情况，本文采用文献[11]的方法，得到Crowbar与DC-Chopper保护是否投入的判据。

设系统稳定运行时风机的额定电压为un，故障发生后，机端电压由us0跌落至us1，us1=（1-kd）·us0，将故障后的机端电压跌落系数kd作为两种保护电路互相协同配合控制下的动作判据。DCChopper保护动作的触发电压uChopper，取DCChopper的触发电压即直流母线上允许流过的最大电压值uDCmax。uCrowbar为Crowbar保护动作的触发电压，Crowbar电路的投入一般为转子电流超过额定电流上限值irmax，即：

令转子电流最大值irmax等于转子电流额定电流的上限阈值irnmax，根据us1=（1-kd）us0求得跌落系数kd，此时的uCrowbar=us1，也就是Crowbar的动作判据。

当系统故障后测得实际电压u满足uChopper＜u≤un时，Crowbar和DC-Chopper保护电路不投入；当uChopper＜u≤uCrowbar时，Crowbar保护电路投入，DC-Chopper保护电路不投入；当0＜u≤uChopper时，Crowbar和DC-Chopper保护电路都投入。

判据流程如图5所示。

图5 双馈风机LVRT控制措施保护动作判据流程图Fig.5 Flow chart of protection action criteria for LVRT control measures of DFIG

由图5可知，本文将保护的动作情况分为两类，状态1表示机端电压轻微跌落，保护电路不投入；状态2表示电压跌落程度较深，保护电路相继投入。

4 集电线路电流保护配置

4.1 集电线路电流保护改进方案

为了防止风机机端发生轻微故障，因不满足快速性导致保护拒动的情况，电流速断保护按照汇集线末端在最大运行方式下发生三相短路时的短路电流进行整定，取时限为0 s[12]。限时电流速断保护的范围延展到主变压器，除了作为本级的保护，也作为变压器的后备保护，增加一个时间级[13]。同时需判断Crowbar与DC-Chopper保护电路是否动作，当电流超过整定值时，判断电压条件是否满足，若检测到保护投入后，电流保护启动，即使保护启动后电流快速衰减而造成电流条件不满足也能确保故障可靠切除。定时限过电流保护按照大于该线路上可能出现的最大负荷电流进行整定。

4.2 电流保护逻辑框图

结合前文对DFIG故障特性的分析情况，本文提出一种改进方法实现风电场集电线路保护，其原理如图6所示。

图6 电流保护原理逻辑框图Fig.6 Logic block diagram of current protection principle

5 仿真验证

图7为内蒙古东部某风电场并网模型。其中单台DFIG参数：定、转子匝数比Ns∶Nr=1∶3，转子电阻为Rr=0.005Ω，定子电阻Rs=0.007Ω，转子漏感Lr=0.143 mH，定子漏感Ls=0.157 mH，励磁互感Lm=2.68 mH，直流母线额定电压unDC=1.45 kV，电缆电抗值为0.852 0Ω，电阻值为2.791Ω，阻抗值为2.918 1Ω。以集电线路1为例，为了证明集电线路在发生故障且低电压穿越措施投入后，改进的电流保护方案能够使保护正确动作，仿真三相对称短路故障。

图7 风电场并网模型图Fig.7 Grid-connected wind farm model diagram

图9 加入LVRT措施下流过保护的短路电流Fig.9 Short-circuit current flowing through protection under LVRT measures

图10 流过改进保护的短路电流Fig.10 Short-circuit current flowing through improved protection

由图8可见，对于传统的电流保护，电压轻微跌落时，由于未投入DC-Chopper以及Crowbar限流策略，故障后，直流电容电压增大，转子侧会有很大的过电流，流过保护的短路电流超过保护整定值，此时流过BRK3的电流不会减小，BRK3保护的电流II段不会拒动，0.3 s后保护动作，切除故障。Crowbar电路和DC-Chopper电路的投入，限制了转子的过电流，直流电容电压没有过电压，同时Crowbar电路的投入限制了流过BRK3的电流，导致BRK3保护II段拒动，BRK3在故障后没有分闸，保护拒动。针对改进的汇集线保护，通过添加Crowbar投入信号，消除了BRK3的II段保护拒动动作影响，保护正常动作。

图8 未加LVRT措施下流过保护的短路电流Fig.8 Short-circuit current flowing through protection without LVRT measures

动作验证结果如表1所示。

表1 保护动作结果Table 1 Protection action result

当保护区外故障时，流过保护的电压会略微降低，此时风机因不稳定因素吸收无功，产生过电流，导致Crowbar电路误投，引起集电线路保护误动。因此为防止保护区外发生故障，在Crowbar电路安装一个低电压保护电路，设置短路电压中三相线电压其中任意一项跌落低于0.85倍相电压时保护才投入，如图11所示。

图11 低电压保护电路Fig.11 Low voltage protection circuit

表2为安装低电压保护电路后的保护动作结果。

表2 保护动作结果Table 2 Protection action result

当电网侧设置区外近端金属性接地故障f1，此时短路点电流主要由电网侧提供，集电线路保护也会有过电流，但故障点所在线路保护优先动作，因该保护不是本文讨论重点在此不多做解释。故障切除后集电线路保护安装处电压轻微下降，此时配合低电压保护电路，保护不会误动作，如图12所示。

图12 发生区外故障流过保护的故障电流Fig.12 The fault current flowing through the protection when an out-of-zone fault occurs

综上，集电线路发生故障，由于保护电路的投入而引起的短路电流迅速衰减，使流过集电线路电流保护的电流小于保护整定值，引起保护II段拒动，此时加入保护电路是否投入的判据后，保护能够可靠动作。该仿真结果证明了在电流保护II段采用Crowbar与DC-Chopper是否投入的判据，通过时限的配合，使得保护II段避免了因LVRT控制保护电路投入后引起的保护拒动；验证了改进的电流保护方法可以使集电线路继电保护正确而可靠的动作。

6 结论

本文基于传统的配电网电流保护已不适用于接入具有低电压穿越能力的双馈风力发电场集电线路的继电保护，从一种改进的LVRT控制措施入手，通过Crowbar与DC-Chopper保护动作情况分析了DFIG提供的短路电流特性。并针对集电线路电流保护的因素做出了适当整改，在电流保护II段增加了判断LVRT控制保护是否投入的电压判据，并根据LVRT的控制要求，解决传统电流保护的选择性及保护拒动问题。最后通过仿真，验证了该方法的有效性。