摘要：傳統(tǒng)配電網(wǎng)一般呈單電源輻射式潮流從電源流向系統(tǒng)，分布式風場接入當線路發(fā)生短路故障后改變了原配網(wǎng)的結構很可能引起潮流逆向，分布式風場提供的短路電流影響繼電保護之間的配合。分析了傳統(tǒng)電流保護原理及接入分布式風場后對繼電保護的影響。提出了限流與電流保護相配合的繼電保護方式，并通過PSCAD/EMTDC建立系統(tǒng)仿真模型，通過仿真數(shù)據(jù)驗證此保護方案的正確性。

1引言

    傳統(tǒng)配電網(wǎng)一般為單電源輻射式或雙電源開環(huán)式運行,潮流從系統(tǒng)流向負荷，因此傳統(tǒng)配網(wǎng)線路采用電流保護完全滿足繼電保護要求。隨著化石能源的消耗、環(huán)境污染問題的嚴重性、傳統(tǒng)大電網(wǎng)事故及世界各國電力事業(yè)的發(fā)展，因此要求一種高效、綠色、經濟的能源。風能是一種可再生無污染的綠色能源。風電開發(fā)技術逐漸成熟，而且具有較好的經濟效益和社會效益，是現(xiàn)今最具開發(fā)前景的新能源之一。但風能的分散接入以及風場容量增大決定了并有風電場的配電網(wǎng)保護成為一個難點。在我國風力發(fā)電分散接入配網(wǎng)已經廣為重視，但隨著風場數(shù)量及容量的增加改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)潮流結構從而嚴重影響配電網(wǎng)繼電保護。因此系統(tǒng)分析分布式風場接入配網(wǎng)對線路繼電保護的影響具有重要的意義。

    近年來隨著風場大規(guī)模的接入由此帶來的配網(wǎng)繼電保護問題是人們關注的重點。以前對風電的研究大多圍繞風電場內部故障分析以及含風電場的配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性控制進行，而對風電場提供短路電流大小及整個系統(tǒng)保護的研究卻很少，針對分布式風電場并網(wǎng)配網(wǎng)保護方案可行性方面研究更少。但隨著風場容量的增大提供的短路電流也隨之增大，這就對配電網(wǎng)繼電保護的靈敏性和選擇性造成影響。

    對分布式電源接入后非三相短路故障特性分析并給出了快速保護方案，提出根據(jù)DG接入點得位置，對保護饋線進行了區(qū)域劃分在DG上游區(qū)域配置了方向縱聯(lián)保護，而整條饋線則保留了過電流保護，提出在分布式電源的出口處接入一個限制電阻，當系統(tǒng)發(fā)生短路時限流電阻將短路電流限制在很小的范圍從而保證保護之間的相互配合。但是出現(xiàn)的問題是限流電阻接入使得分布式發(fā)電出口產生了壓降，其次是電阻接入消耗了系統(tǒng)中的能量。文章全面分析傳統(tǒng)的繼電保護方案不足并在此基礎上提出了限流電抗與電流保護配合的繼電保護方案。通過仿真數(shù)據(jù)驗證了保護方案的可行性。

2傳統(tǒng)三段式電流保護及其特點

    配電網(wǎng)廣泛應分布于電力系統(tǒng)中，配電網(wǎng)的安全運行直接關系到人民的生命財產安全，所以針對配電網(wǎng)的保護必須簡單，安全，可靠。而三段式電流保護恰恰具備這些特點，因而被廣泛應用在配電網(wǎng)的保護中，而且在實際應用中得到了認可。三段式電流保護主要包括電流速斷保護、限時電流速斷保護以及定時限過電流保護。

2.1電流速斷保護

    電流速斷保護又稱無時限電流速斷保護即瞬時I段電流保護，反應了短路電流幅值增大而瞬時動作的電流保護，其整定原則為保證在下一級線路出口處發(fā)生短路故障時保護不會出現(xiàn)誤動，按動作電流按躲過被保護線路外部短路時最大短路電流來整定，整定式如式(1)所示

    (1)

    式中：K1rel為考慮各種影響后的電流速斷保護系數(shù)一般取1.2~1.3，Kd為短路類型系數(shù)，Eph為系統(tǒng)等效電勢，Zsmin為最大運行方式下保護背側系統(tǒng)等效阻抗，ZL為被保護線路正序阻抗，I3k.max為系統(tǒng)最大運行方式下被保護線路末端發(fā)生三相短路時一次側電流周期分量有效值。

    為了確定電流速斷保護范圍，設故障發(fā)生在λZL線路處，則短路電流為：

    式中，Zs為保護背側系統(tǒng)等效系統(tǒng)阻抗。

    綜上可得電流速斷保護的原理圖及動作特性如圖1所示。

    由此可見傳統(tǒng)電流速斷保護不能保護線路的全長，并且保護范圍受系統(tǒng)運行方式及短路類型的影響較大。

2.2限時電流速斷保護

    電流速斷保護不能保護本線路的全長所以其保護范圍外的故障必須由帶時限的電流速斷保護切除，這就是限時電流速斷保護也稱II段保護，其整定原則為躲過下一級線路瞬時電流速斷保護范圍末端最大短路電流。整定式為:

2.3定時限過電流保護

    定時過電流保護也叫過流保護也即為第III段保護，它是作為下級線路的主保護拒動和斷路器拒動時的遠后背保護也作為過負荷保護。整定原則是躲過最大負荷整定。整定式為：

(5)

3分布式風場接入對傳統(tǒng)配網(wǎng)繼電保護影響

    一般傳統(tǒng)配電網(wǎng)線路采用三段式電流保護相互配合，滿足繼電保護要求。但是隨著分布式風電接入，改變了傳統(tǒng)單電源模式，使配電網(wǎng)結構和潮流分布相應發(fā)生了改變。

3.1分布式風場接入對傳統(tǒng)配電網(wǎng)電流保護選擇性的影響

    傳統(tǒng)配電網(wǎng)如圖2所示，不論線路發(fā)生短路故障與否，潮流始終從電源側流向線路，傳統(tǒng)配電網(wǎng)電流保護特點是本級線路三段式配合加上下級線路相互配合完全滿足線路繼電保護要求。當分布式風場接入配網(wǎng)后如圖3所示，改變了原配網(wǎng)結構。當分布式風場接入級線路保護上游F1或F2(一般為母線或同母線相鄰線路)發(fā)生故障后，由分布式風場提供的逆向短路電流將是保護發(fā)生誤動作。當分布式風場下游F3故障時由分布式風場提供的助增電流使得與原配網(wǎng)相比靈敏度過大，甚至上級線路保護范圍延伸到下級線路，從而影響上下級線路保護之間的配合。

3.2分布式風場接入對重合閘及熔斷器分段器配合的影響

    傳統(tǒng)配電網(wǎng)線路首段有時配備重合閘裝置，不論前加速或后加速，其原理都是重合器斷開后重合檢測是否隔離故障，對于單電源網(wǎng)絡，都能正確開斷或重合。

    當分布式風場接入后，當分布式風場接入如圖4F4處發(fā)生故障后由于線路首端重合閘斷開后，分布式風場對故障處仍然提供了很大的管路電流，因此使得重合閘開斷后不能順利熄弧，從而重合失敗，嚴重時將損壞重合閘裝置。

    此外，分布式風場提供的過大的短路電流使得分段器計數(shù)錯誤導致保護誤動拒動，也會使得原配網(wǎng)安裝熔斷器失去配合，即影響分段器、熔斷器及其配合。

    總之，當大容量分布式風場接入配網(wǎng)后，由于短路時提供過大的短路電流影響傳統(tǒng)電流保護之間的協(xié)調性，因此采用限流與電流保護相配合的方法即經濟又適用的方案來滿足配電網(wǎng)線路繼電保護要求。

4分布式風場接入配電網(wǎng)限流與電流保護方案

    基于分布式風場提供的過大的短路電流是影響傳統(tǒng)配電網(wǎng)線路繼電保護保護協(xié)調性的主要因素，因此針對短路電流提出限流保護與電流段式保護相互配合的保護方案，如圖5所示。

4.1限流與電流保護配合保護原理

    實驗整定限流電抗值，當系統(tǒng)相關線路發(fā)生短路故障，分布式風場出口限流保護裝置如果感受到故障電流，限流保護啟動，從而限制附加短路電流，系統(tǒng)保護正確動作。

4.2限流保護裝置原理

    限流裝置等效圖如圖6所示，限流器投入運行開始階段,開通所有晶閘管。串聯(lián)禍合變壓器的原邊流過部分電流,這部分電流藕合到變壓器副邊通過橋路給直流電感充電,直流電感上有逐漸增大的直流電流產生。與此同時,并聯(lián)在變壓器原邊的旁路電感上通過部分交流電并逐漸減小。經過幾個周期,充電過程結束,進入到穩(wěn)態(tài)運行階段。變壓器原、副邊電流定義為Ia，Ib，變比為N，線電流關系為Ia:Ib=1:N,直流電感上的電流ILd等于變壓器副邊電流峰值，即ILd=2Ib=2NIa，穩(wěn)態(tài)運行階段直流電感上電流ILd接近一常量,則dILd/dt≈0,因此直流電感上壓降接近為0,這意味著變壓器副邊繞組壓降很小,所以并聯(lián)在原邊上的交流電感上壓降幾乎為0。在穩(wěn)態(tài)運行時,限流器的壓降主要由串聯(lián)變壓器的漏抗、繞組電阻和晶閘管壓降引起,在高中壓系統(tǒng)中,由此產生的壓降可以忽略。短路故障發(fā)生時,變壓器原邊突然加上很大的壓降,交流電感立刻出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)短路電流ILa,直流電感上電流ILd隨即增大。由于交、直流電抗器的存在,故障電流受到抑制而不會急劇上升。通過正確的控制策略,使直流電感和橋路退出故障回路的運行,交流限流電感完全承擔限流作用。旁路交流限流電感大小由系統(tǒng)所允許的短路電流水平決定,即

(6)

    式中：ω為電力系統(tǒng)角頻率，Un為系統(tǒng)額定相電壓，Isel為允許短路電流。

    考慮短路時刻最嚴重情況下半個周期時間內直流電感上電感一直上升，則短路時允許直流電感上電流上升值Δim與直流電感值La的關系為：

(7)

    式中：ULdFm為故障時加在直流電抗上可能的最大電壓的峰值。

    為使直流電抗器體積最小，應以故障情況下電感中儲能最小來設計電感值，而故障情況下直流電感的儲能為：

(8)

    式中：Im為穩(wěn)態(tài)運行時直流電感上通過的電流。將式（7）帶入式（8），求式（8）相對于Ld變量的極值，可得：

(9)

    上式表明，Δim=Im即短路發(fā)生后半個周期內使直流電感中的電流增加到正常穩(wěn)態(tài)運行值的2倍來選擇直流電感,可使直流電感器的設計最優(yōu)。由此可見,直流電感和橋路參數(shù)的設計與系統(tǒng)的短路電流水平無直接關系。

4.3限流與電流保護設計優(yōu)點

    根據(jù)以上分析，當分布式風場接入配電網(wǎng)后原配網(wǎng)線路繼電保護采用限流與電流保護配合完成主要有以下優(yōu)點：

    (1)目前風機出口都需安裝低電壓穿越保護裝置，即當系統(tǒng)故障時保證風機在低壓范圍625ms內不脫網(wǎng)，在這個時限范圍遠超出一般系統(tǒng)電流保護時限，因此限流更顯得必要，及故障時限流器與低電壓保護也形成配合關系。

    (2)對于一般的限流電抗器或電阻式限流裝置，當系統(tǒng)發(fā)生故障雖然限制了電流但是額外消耗大量能量或產生壓降，對于此方案采用一種新型固態(tài)短路限流電抗器，克服了以上缺點。

    (3)對于限流保護的投切時間都遠低于保護裝置動作時限，保證限流與電流保護時限的配合。

    (4)此方案要比其他的功率方向保護元件、增設多個保護裝置等更經濟簡單。

5算例驗證

    算例采用圖5等效模型，系統(tǒng)母線三回出現(xiàn)，其中一回接入分布式風場，仿真參數(shù)如下：配網(wǎng)電壓：10.5KV系統(tǒng)：最小運行方式阻抗：0.54Ω，最大運行主抗0.64Ω。分布式風場：最小運行方式主抗0.75Ω，最大運行方式下主抗1.75Ω。線路參數(shù)：線路L1主抗：0.88Ω，線路L2主抗：0.96Ω，線路L3主抗:0.85Ω，線路L4主抗:2.55Ω，線路L5主抗:1.75Ω，線路L6主抗:1.8Ω，線路L7主抗:3.5Ω。整定計算可靠系數(shù)：電流Ⅰ段可靠系數(shù)：1.2，電流Ⅱ段可靠系數(shù)：1.1，電流Ⅲ段可靠系數(shù)：1.2，自啟動系數(shù)：

1.1，回復系數(shù)：0.9。

    表1所示為系統(tǒng)接入分布式風場前保護定值，當分布式風場按入保護R6母線處時，各保護處短路時短路電流如表2所示。

    由此可見當分布式風場接入后系統(tǒng)母線或相鄰線路首端發(fā)生三相短路故障時將引起保護R3啟動二段跳開斷路器，按傳統(tǒng)(未接分布式風場)保護，當系統(tǒng)母線尤其是相鄰線路發(fā)生故障，保護不能動作，因此當分布式風場接入后將使保護誤動。當線路L6，L7發(fā)生短路故障，由于分布式風場提供的短路電流增大，使得其相應保護范圍過大，有其實R6的短路電流增大到2.65。當分布式風場出口處接入線路保護裝置后試驗數(shù)據(jù)如表3示。

    對比表2，表3可見，當接入限流保護裝置后，短路電流明顯減小，從而實現(xiàn)，限流保護與三段式保護相互配合滿足分布式電源接入配電網(wǎng)后配電網(wǎng)線路繼電保護要求。

6結論

    文章分析了電流保護原理保護整定原則，靈敏度分析，系統(tǒng)論述了當風電場分布式接入配電網(wǎng)后對傳統(tǒng)單電源配電網(wǎng)潮流分布及配電網(wǎng)線路電流保護的影響，提出了在分布式風場出口處接入一種新型固態(tài)電流保護裝置，從而實現(xiàn)與傳統(tǒng)電流保護相互配合滿足配電網(wǎng)線路繼電保護要求。并通過PSCAD/EMTDC建立仿真模型并通過提取數(shù)據(jù)分析從而驗證了方案的正確性。