大规模风电接入的继电保护问题综述

对国内外大规模风电接入电网的继电保护问题进行了综述.首先分析了不同类型风电机组短路电流的幅值和衰减特征,以及影响风电场短路电流的因素.其次讨论了风电场内集电线路的故障特征和相应的保护策略.然后针对高压输电系统保护对风电接入的适应性,分析了零序保护、重合闸和距离 III 段的性能以及相应对策.最后,建议应当从加强风电机组故障特性研究、组织力量开展保护用风电机组电磁暂态通用模型研究、开发适用于风电场集电线路和网络保护的网络化保护新原理与新技术以及加强风电场与电网在保护和控制方面的协调配合4个方面展开研究工作,解决继电保护面对的问题     

双馈风场进线对220 kV母线采样值差动保护的影响

由于采样值差动保护具有计算速度快、易考虑CT饱和等优点而被普遍应用于当前的母线保护装置中。然而暂态特性不同于传统火电机组的双馈风电机组大量接入电力系统,这会给现有的继电保护带来严重的挑战。以双馈风电场远距离接入220 kV电压等级变电站母线为例,在RTDS仿真平台上研究双馈风场进线对母线采样值差动保护的影响。结果表明,在母线区内故障时风场侧支路提供的短路电流存在弱馈、高谐波及频率偏移等特点。与此同时,计及CT饱和、双馈机组本身的无功优化控制策略等因素影响,使得该短路电流的复杂性更加突显,进而造成传统母线釆样值差动保护动作有延迟。为此,提出了一种自适应变数据窗的釆样值差动保护判据,并通过RTDS仿真平台验证了该方法行之有效。     

海上风电场故障特性及保护配合的研究

一般海上风电场所选用设备和线路与陆上风电场有所不同,有必要对海上风电场的继电保护配置进行专门研究。利用ETAP仿真软件对风电场内元件及送出线故障时各元件的短路电流和机端电压跌落情况进行分析,并研究海上风电场本身特征和故障特性。在多个风电场并网时,风机会提供不容忽视的短路电流,短路点成为双侧电源供电。为此,考虑其特性及风机低电压穿越能力,提出海上风电场各元件和线路的保护配置方案及其整定原则。并对ETAP软件上搭建的某海上风电场模型进行保护及动作时序配合的仿真,验证了所提保护配置方案及动作时序的正确性和合理性。     

Impacts of DFIG‐based wind farm integration on its tie line distance protection and countermeasures

Modern power grids, especially high‐voltage grids, are increasingly integrated with wind farms. The correct action of distance protection for the wind farm tie line plays an important role in the safe and stable operation of the power system. However, based on the fault characteristics of wind farms based on the doubly fed induction generator, considering crowbar action and weak infeed properties, this paper reveals some serious defects of conventional distance protection. The result shows that, due to the influences of mixed data window and damped current component with near‐rotor‐speed frequency, the fault distance calculation result obtained by the fundamental‐component‐based distance protection is inaccurate. To tackle this problem, a transient‐based distance protection countermeasure along with a faulted phase selection technique is proposed. Specifically, the transient phase voltage characteristic for different fault types is analyzed to select the faulted phase. Considering the effect of high‐frequency components, pre‐fault voltage compensation, and transducer characteristics, a distance calculation procedure including a low‐pass filter, the reconstruction of voltage at the fault point, and an iterative fault distance calculation is proposed. The comprehensive performance of the proposed method is validated by the simulation case studies using the PSCAD /EMTDC software. © 2017 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

风电接入电力系统故障电流的影响因素分析及对继电保护的影响

在EMTDC／PSCAD平台上建立了鼠笼式、双馈式及直驱式3种常见风电机组的电磁暂态模型。比较直驱式风机电磁暂态数值模型与数模混合实验在各种故障条件及控制策略下的仿真结果,验证了模型的正确性。同时比较双馈式风机电磁暂态模型的故障仿真结果与双馈式风场短路实验结果,验证了所提双馈式风机电磁暂态模型的正确性。在以上模型的基础上,仿真了风电机组在各类故障条件下的电磁暂态特征,结果表明风机类型、风机的工作状态、风机所采用的控制方法、故障类型以及风电场的弱电源特性是影响并网运行风电故障电流的主要因素,研究结果为现有继电保护的改进与研发新原理继电保护打下了基础。     

基于保障低压穿越能力的风电机组撬棒自适应投切策略研究

针对风电场低压穿越(Low Voltage Ride Through, LVRT)能力提升问题,以并网型中大规模风电场为研究对象,从整个风电场层面出发,分析了故障扰动场景下双馈风机(Doubly-fed Induction Generator, DFIG)的暂态特性及LVRT能力。利用RBF(Radial Basis Function)神经网络对切除后的DFIG转子电流暂态过程进行有效拟合,提出了一种撬棒保护自适应投切策略。算例仿真结果表明,RBF神经网络对故障后转子侧最大电流预测较为准确,能够有效避免撬棒的重复投切。该策略进一步提升了故障场景下风电场的无功支撑和LVRT能力,显著提高了风电场运行的安全稳定性水平。     

风电接入对继电保护的影响综述

对国内外风电接入后对电网继电保护的影响问题进行了综述。分析了不同类型风电机组的故障特征、短路电流特性以及影响风电场短路电流的因素。分别论述了风电接入对送出变压器、送出线路以及配电网继电保护的影响。基于风电接入系统继电保护的性能,总结了风电接入系统继电保护存在的不协调问题及相应的解决方案。建议后续研究应基于风电场的低电压穿越特性加强风电系统故障特性研究,重视风电场自动控制系统和电网继电保护与安全自动装置的配合,研究机组保护与风电场保护、系统保护之间的协调配合,全面解决风电系统继电保护面临的问题。     

直驱风电场PCC点联络线故障电流特性及其对纵差保护影响

根据新疆某风电场并入主网的实际参数,利用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件,搭建了基于dq分解法和滞环跟踪法2种控制策略的直驱风电机组模型及基于计及尾流效应等值风速法的并网风电场等值模型;仿真分析了故障类型、控制策略、风速条件均变化时风电场出口处短路特性及其对风电场与电网110 kV联络线上光纤电流纵差保护的影响。仿真结果表明,风电场外部发生短路故障时,其提供的短路电流有效值小于同容量火电,但波动性强,对并网点（point of common coupling,PCC）处保护装置有很大的影响。针对可能出现的问题,提出相应的改进措施,为大规模风电并网提供理论基础。     

双馈风电场群短路电流计算与故障分析方法

由于风电场群内各风电场的暂态特性存在较大差异,且各风电场及系统间存在较强的耦合关系,这些因素增加了风电场群接入后电力系统故障分析的复杂度。基于变流器的输入-输出外特性等值了变流器的数学模型,进一步给出了计及变流器控制影响的双馈风电机组暂态模型,分析了低电压穿越控制策略对短路电流的影响机理,并建立了双馈风电机组的短路电流计算模型。分析了故障期间风电场间的相互影响机理,提出了双馈风电场群的短路电流计算方法。采用RTDS建立含双馈风电机组实际控制器的物理实验平台,验证了所提出的双馈风电场群短路电流计算方法的准确性。在此基础上对双馈风电场群接入后的电网故障分析方法进行了探讨与分析。     

Design and field testing of a source based protection relay forwind farms

The paper describes the design and field testing of a source based relay suitable for the protection of wind farms with fixed-speed induction generators. The relay provides short-circuit protection for the medium voltage (MV) power collection circuit and the MV and low voltage (LV) windings of each generator transformer. The use of the relay allows a reduction in the construction cost of a wind farm, since MV fuses are no longer required to protect the generator transformers. The paper discusses how the protection algorithm was designed based on the electrical behaviour of induction generators operating in a wind farm. The relay was evaluated at a wind farm in Wales and also in the laboratory using data from a wind farm simulator and a transient recorder. The latter, installed at the wind farm, recorded the voltage and current signals measured during local disturbances. The recorded or simulated data was subsequently replayed into a relay simulator which graphically describes the operating behaviour of the protection     

具有低电压穿越能力的风电接入电力系统继电保护的配合

具备低电压穿越能力的风电机组要求在一定的故障条件下不脱网,需要相关继电保护与之配合。详细分析了风电场送出线以外输电系统元件故障、风电场送出线故障、风电场内部电网故障以及风电机组本体故障情况下,输电系统保护以及风电场内部保护应有的配合关系。进一步分析了当前集中式接入风电场的继电保护配置,指出风电机组保护及变流器保护选择性不强,在风电场内部保护或系统保护动作切除故障之前,风电机组已经脱网,而且将风电网等同于单侧电源的配电网,没有考虑风电机组对短路的贡献。最后分析了单风电机组本体保护、风电场主变保护、风电场送出线保护需要进行的改进,以保证低电压穿越能力的发挥,并指出各保护需要注意的问题。     

大型风电场对工频故障分量距离保护影响的研究

随着风力发电技术日趋成熟,越来越多的大型风电场开始投入运行。由于风电场运行方式的变化及其弱电源特性,会对输电线路的保护造成一定的影响。研究了工频故障量距离保护的基本原理及风电场运行方式的多变性,并在此基础上进一步分析了风电场的运行方式的变化和弱电源特性对保护的影响,通过利用电压相量图分析保护判据的比相表达式提出了对传统距离保护的改进。通过分析可知,在发生金属性故障时,工频变化量距离继电器几乎不受风电场运行方式的影响,但由于风电场正、负序等值阻抗较系统阻抗大,使得相间保护耐受过渡电阻的能力很小,而受风电场零序阻抗较大的影响,接地保护耐受过渡电阻的能力较强。以Matlab/Simulink为平台建立了风电场并网的仿真模型,研究了风电场对保护的影响及对比保护改进前后在故障时的动作行为,仿真结果与理论分析相吻合。     

适用于双馈风电场联络线故障选相方法

双馈风电机组复杂的故障电流特性使得应用于双馈风电场联络线上的传统选相元件性能严重劣化,难以满足双馈风电场联络线保护与重合闸的选相需求。根据双馈风电机组的低电压穿越控制策略,分析了传统选相元件应用于双馈风电场联络线面临的缺陷。提出了基于相间电压突变量和相电压突变量幅值比较的故障选相新方法。根据双馈风电场侧保护安装处相电压突变量与相间电压突变量之间的比例关系,构建了故障相别选择系数,并利用故障相别选择系数在不同电网故障类型下的特征,以实现故障选相。仿真结果表明,所提选相元件可以可靠地选出故障相。     

风力发电系统短路故障特征分析及对保护的影响

为了进一步掌握风力发电系统短路故障特征并分析其对继电保护的影响,建立了双馈和直驱风电系统电磁暂态模型。通过电磁暂态仿真研究了风电系统短路电流及系统正负序阻抗的特征,得出了风电系统提供短路电流能力较常规电源弱和风电系统正负序阻抗不一致且随时间波动的结论。研究了常用输电线路继电保护原理对风力发电系统的适应性,得出了输电线路距离保护和选相元件受风力发电系统故障特征影响较大,可能发生不正确动作的结论。利用现场录波数据验证了故障特征及保护适应行分析的正确性,相关结论对继电保护的配置具有一定的借鉴意义。     

风电场联络线短路电流特性的研究

为了对包含双馈感应风力发电机风电场的联络线保护进行研究,有必要对联络线发生故障时的短路电流特性进行分析。对于联络线对称短路故障,利用双馈风力发电机定、转子磁链的暂态变化机理,推导了双馈风力发电机组在联络线远端和近端故障情况下的定子暂态电流解析表达式。对于不对称短路故障,通过利用对称分量法和双馈感应风力发电机简化正负序等效电路,定性地分析了联络线发生不对称故障时的短路电流特性。仿真结果表明含双馈感应风力发电机的风电场联络线短路电流特性与常规电力系统短路电流特性有明显差别。     

STATCOM对风电场低电压穿越和保护的研究

在Matlab/Simulink中建立了含异步风力机的风电场和STATCOM仿真模型。根据目前风电场接入系统保护配置,针对采用STATCOM后的异步风电场对系统保护配置影响及其存在的问题进行研究。研究表明,加装STATCOM装置可提高风机风电场的低电压穿越能力。提出了合理的改善低电压穿越和继电保护相互配合的措施,尽可能减少风力机脱网,提高电网的安全、稳定性。     

风电场继电保护的研究

文章对风电系统保护进行了论述,并就风电对电网继电保护产生的影响进行了分析,使用Matlab中动态仿真工具Simulink,对包含风电场的单机无穷大电力系统当联络线发生故障时进行动态仿真,通过双馈发电机在不同故障类型下的故障电压、电流曲线,得出风电场应采用适应性保护。     

西北电网330kV尖樊线人工短路试验中接地距离保护适应性分析

以风电为代表的新能源场站的故障特征对传统距离保护的附加阻抗产生了新的影响,导致保护性能降低。而现有距离保护适应性研究缺乏对单相接地故障场景的分析。为此,结合西北电网于尖樊线进行的2次人工短路试验数据,基于多种控制策略下的风电场故障特征,分析单相接地故障下接地距离保护附加阻抗系数,进而判断保护适应性。研究发现网侧保护附加阻抗系数较小,两侧电源故障电流对保护影响较小;而风电场侧保护附加阻抗系数较大,两侧电源故障电流对保护影响较大,导致保护拒动。     

基于正序电流的风电接入电网自适应阈值差动保护方案

随着风电渗透率的不断提高,风电不确定性和间歇性对电网保护方案的影响愈加显著,基于固定阈值的保护整定方案不再适用于复杂多变的电力系统.基于此,提出了基于正序电流的风电接入电网自适应阈值差动保护方案.首先,以含风电场的标准电力系统为例,剖析了风电"T"型接入对传统电流差动保护的影响机理.在此基础上,以正序电流为故障信号,以...     

Research on optimal configuration strategyof energy storage capacity in gridconnectedmicrogrid

To coordinate the protection of PMSG (permanent magnet synchronous generator), collector circuits and outgoing lines, a comprehensive and improved protection method of PMSG based wind farms with LVRT (low voltage ride through) capability is proposed. The proposed method includes adding a short time delay to the collector network current protection zone I and a directional protective relaying to the collector network protection, installing grounding transformers and zero sequence current protection, and generator low-voltage protection action improvement. A LVRT scheme consisting of variable resistance dumping circuit, grid side dynamic reactive power control and reactive power compensation control is proposed. The fault characteristics of PMSG based wind farms are analyzed, and a PMSG based wind farm in Dabancheng, Xinjiang, is used as an example to analyze typical wind farm protection configuration, the setting values considering LVRT requirements, and the coordination problems. Finally, an improved wind farm protection coordination methodology is proposed and its validity is verified by simulation.