CN104538939A - 适应三相跳闸形成的含风电孤网运行送出线的重合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应三相跳闸形成的含风电孤网运行送出线的重合方法，含风电的带负荷的孤网送出线路发生故障时，保护速断动作三相跳闸；检测发生故障前送出线的传送功率即盈余功率△P₁；判断盈余功率△P₁与风电场注入功率P_f的大小：确定最终送出线的盈余功率△P₂，通过运用等面积法计算出△Pmax，对△P2与△Pmax进行比较，计算出最大合闸频率及最大合闸时间，扩大了孤网送出线路容许合闸时间和频率，缩短了含风电带负荷孤网恢复正常运行状态的时间，解决了由于盈余功率的存在，送出线发生短路故障断路器三相跳闸后形成含风电场带负荷的孤网的频率和电压很快越限，小系统侧无法满足检同期要求，导致重合闸失败的问题。

Description

适应三相跳闸形成的含风电孤网运行送出线的重合方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体地，涉及一种适应三相跳闸形成的含风电孤网运行送出线的重合方法。

背景技术

目前，我国风资源丰富且风场、风区集中，风电以分散的方式就近接入配电网，就地消纳部分电能，在一定程度上减轻远距离高压输电的压力。风电的接入给电网带来许多新问题，对于含风电带负荷的孤网，相当于将一个不稳定功率注入原本能维持自身稳定的电网中，由于不稳定因素的注入，势必会对原来的功率平衡产生影响，这就对保护和重合闸都提出新的要求。由于受风能资源的影响，风电场运行方式多变使含风电场带负荷的孤网的故障特性具有特殊性，常规故障分析如叠加原理不适应，无法进行数学分析。从近年来的运行情况来看，由于没有对满足国家标准GB19963的风电场特性进行具体分析，选相及重合闸的影响已经显现。如果风电场送出线路发生故障，具备无功支撑及低电压穿越能力的风电场运行工况不同，故障性质不同，重合的效果也大不相同。如果重合策略不合理，不但风电场要遭受二次冲击，也会影响电网及其他相邻并网风电场，而风电场的集群特性还可能放大这种影响，导致事故扩大，严重影响风电场及系统的安全稳定运行。

风电场故障特性随运行方式、风电机组类型而变。在风电场故障特性及相关保护方面国内外学者已进行了大量研究，取得了一定的研究成果。目前关于风电场的重合研究主要集中在风电接入配网对重合的影响，并且采用的重合策略与常规能源相同，如非同期重合闸、检同期自动重合闸、快速重合闸，并没有针对风电的接入提出新的重合策略。

目前含风电的双电源送出线三相重合闸配置不考虑风电的运行特性及其影响，按以下方式配置：按常规双端电源线路的重合闸进行配置(综合重合闸)，当风电场联络线发生两相短路故障、两相接地故障或三相故障时，断路器跳三相，系统侧采用检无压先重合，0.7s后风电场检测频差小于0.238Hz，电压幅值差小于±5％，捕捉相角差过零点重合。

采用这种重合策略存在如下问题：

1、大系统采用检无压重合都能重合成功，但是小系统侧检同期大部分失败：含风电带负荷的孤网送出线三相跳闸后，产生了盈余功率，孤网很难维持自平衡，导致孤岛系统失稳，引起小系统侧检同期失败；

2、风电机组的设计原则是追求最大风功率，因此风电场不具备调频能力，当送出线三相跳闸以后，风电场无法参与频率调节，造成含风电带负荷的孤网频率失稳，小系统侧检同期重合失败；

3、若重合策略采用不合理，不但风电场要遭受二次冲击，也会影响电网及其他相邻并网风电场，并且风电场的集群特性还可能放大这种影响，导致事故扩大，严重影响风电场及系统的安全稳定运行。

据调查，一个一类风区装机容量为50MW的单个风电场，年发电量大约为一亿五千万千瓦·时，当含风电场带负荷的孤网送出线线发生故障断路器三相跳闸后，若采用以上重合闸配置方式，孤网侧电压、频率发生波动，很快越限失稳造成小系统侧检同期失败，风电场解列转入热备用状态。在确定故障位置、进行故障处理后24小时内汇报调度，检查无误后方可送电，风电场将损失大约820000千瓦·时的送出电量且孤网内的电源进入备用状态会导致大系统有功缺额，造成系统频率下降，增加系统其他电源的调峰深度。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种适应三相跳闸形成的含风电孤网运行送出线的重合方法，以解决由于盈余功率的存在，送出线发生短路故障断路器三相跳闸后形成含风电场带负荷的孤网的频率和电压很快越限，小系统侧无法满足检同期要求，导致重合闸失败的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种适应三相跳闸形成的含风电孤网运行送出线的重合方法，包括以下步骤：

步骤1、含风电的带负荷的孤网送出线路发生故障时，保护速断动作三相跳闸，此时孤网中各类发电机出力暂时不变，负荷不变；即孤网中常规电源注入功率P₀、风电场注入功率P_f和负荷P_load不变；检测发生故障前送出线的传送功率即盈余功率△P₁，其中△P₁＝P_f+P₀-P_load；

步骤2、判断上述盈余功率△P₁与风电场注入功率P_f的大小：若风电场注入功率P_f大于盈余功率△P₁，则对风电场采取高周切机的方式，减少风电场注入功率P_f，减少风电场注入功率至约P_f＝△P₁；若风电场注入功率小于等于盈余功率，切除风电场使风电场注入功率为0；

步骤3、经过上述步骤2对风电场的切机后，确定最终送出线的盈余功率△P₂，若△P₂＝0，则孤网自平衡，自动重合闸继电器重合，大系统侧检无压装置检测电压，大系统侧检无压装置检测的电压满足设定条件后检无压继电器启动，直至小系统侧检测相角过零即满足条件，检同期继电器启动，重合闸成功。

优选的，还包括：

步骤4、如上述步骤3中，△P₂不等于0，则基于等面积法确定极限盈余功率△P_max；

等面积法中减速面积公式为：

$\mathrm{\Δ}{S}_{-}=\underset{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{yx}}}{\overset{{\mathrm{\δ}}_h}{\∫}}(P_{\mathrm{em}}-P_T)\mathrm{d\δ}$

其中P_T为原动机注入的有效功率，P_em为发电机的电磁功率，m为常数，E₀为内电动势，U为机端电压，X_t为发电机电抗，δ为发电机功角；δ_yx为合闸时发电机功角,δ_h为发电机极限切除功角；

等面积法中加速面积公式为：

ΔS₊＝2π·ΔP_max。

利用加速面积等于减速面积，即ΔS₊＝ΔS_-计算出极限盈余功率△P_max；

步骤5、将上述盈余功率△P₂与极限盈余功率△P_max进行比较；若△P₂<＝△P_max，自动重合闸继电器启动，转步骤6；否则不重合；

步骤6、经过上述步骤1至步骤5的计算后，确定最大允许重合频率w_yx及最大重合时间t_yx；

$w_{\mathrm{yx}}=\sqrt{\frac{2w_0\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{p}_2({\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{yx}}-{\mathrm{\&delta;}}_0)}{T_j}}$

$t_{\mathrm{yx}}=\frac{2T_j({\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{yx}}-{\mathrm{\&delta;}}_0)}{w_0\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{P}_2}$

其中w₀为电网侧角频率，δ₀为初始发电机功角，δ_yx为合闸时发电机功角，T_j为发电机惯性常数；

步骤7、在上述计算的最大合闸时间内大系统侧检无压装置检测电压，大系统侧检无压装置检测电压满足设定条件后，检无压继电器启动，小系统侧检同期装置检测相角和频率，当相角过零点且频率不超限时即满足条件，检同期继电器启动，重合闸成功。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的技术方案，针对送出线路三相跳闸后，通过判断含风电带负荷的孤网送出线盈余功率与风电场注入功率的关系，提出不同的解决方法：盈余功率大于风电场注入功率时，切除风电场，使风电场注入功率为0；盈余功率小于风电场注入功率时，对风电场采取高周切机的方式，减少风电场注入功率，经过对风电场的切机后，确定最终送出线的盈余功率，计算出最大合闸频率及最大合闸时间，扩大了孤网送出线路容许合闸时间和频率，缩短了含风电带负荷孤网恢复正常运行状态的时间，避免因盈余功率过多导致的孤岛系统的频率、电压等很快失稳情况，保证了风电场稳定运行，提高了风电场的效益和系统对风电的消纳能力，促进了风电发展。

通过改进现有风电场送出线路小系统侧检同期重合方法，有效地提高含风电带负荷孤网送出线重合闸的成功率，既能降低风电场因转入热备用引起的经济损失和减少对系统稳定性的影响，提高风电场的效益，又可保证风电接入电网的稳定运行，提高系统对风电的消纳能力。通过运用等面积法计算出△Pmax，对△P2与△Pmax进行比较，计算出最大合闸频率及最大合闸时间，扩大了孤网送出线路容许合闸时间和频率，缩短了含风电带负荷孤网恢复正常运行状态的时间。解决由于盈余功率的存在，送出线发生短路故障断路器三相跳闸后形成含风电场带负荷的孤网的频率和电压很快越限，小系统侧无法满足检同期要求，导致重合闸失败的问题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例二所述的含风电带负荷的孤网示意图；

图2为本发明实施例二所述的含风电孤网送出线重合闸接线示意图；

图3为本发明实施例一所述的适应三相跳闸形成的含风电孤网运行送出线的重合方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

如图3所示，一种适应三相跳闸形成的含风电孤网运行送出线的重合方法，包括以下步骤：

步骤1、含风电的带负荷的孤网送出线路发生故障时，保护速断动作三相跳闸，此时孤网中各类发电机出力暂时不变，负荷不变；即孤网中常规电源注入功率P₀、风电场注入功率P_f和负荷P_load不变；检测发生故障前送出线的传送功率即盈余功率△P₁，其中△P₁＝P_f+P₀-P_load；

步骤2、判断上述盈余功率△P₁与风电场注入功率P_f的大小：若风电场注入功率P_f大于盈余功率△P₁，则对风电场采取高周切机的方式，减少风电场注入功率P_f，减少风电场注入功率至约P_f＝△P₁；若风电场注入功率小于等于盈余功率，切除风电场使风电场注入功率为0；

步骤3、经过上述步骤2对风电场的切机后，确定最终送出线的盈余功率△P₂，若△P₂＝0，则孤网自平衡，自动重合闸继电器重合，大系统侧检无压装置检测电压，大系统侧检无压装置检测的电压满足设定条件后检无压继电器启动，直至小系统侧检测相角过零即满足条件，检同期继电器启动，重合闸成功。

优选的，还包括：

步骤4、如上述步骤3中，△P₂不等于0，则基于等面积法确定极限盈余功率△P_max；

等面积法中减速面积公式为：

$\mathrm{\&Delta;}{S}_{-}=\underset{{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{yx}}}{\overset{{\mathrm{\&delta;}}_h}{\&Integral;}}(P_{\mathrm{em}}-P_T)\mathrm{d\&delta;}$

其中P_T为原动机注入的有效功率，P_em为发电机的电磁功率，m为常数，若发电机为3相，则m＝3，E₀为内电动势，U为机端电压，X_t为发电机电抗，δ为发电机功角；δ_yx为合闸时发电机功角,δ_h为发电机极限切除功角；

等面积法中加速面积公式为：

ΔS₊＝2π·ΔP_max。

利用加速面积等于减速面积，即ΔS₊＝ΔS_-计算出极限盈余功率△P_max；

步骤5、将上述盈余功率△P₂与极限盈余功率△P_max进行比较；若△P₂<＝△P_max，自动重合闸继电器启动，转步骤6；否则不重合；

步骤6、经过上述步骤1至步骤5的计算后，确定最大允许重合频率w_yx及最大重合时间t_yx；

$w_{\mathrm{yx}}=\sqrt{\frac{2w_0\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{p}_2({\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{yx}}-{\mathrm{\&delta;}}_0)}{T_j}}$

$t_{\mathrm{yx}}=\frac{2T_j({\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{yx}}-{\mathrm{\&delta;}}_0)}{w_0\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{P}_2}$

其中w₀为电网侧角频率，δ₀为初始发电机功角，δ_yx为合闸时发电机功角，T_j为发电机惯性常数；

步骤7、在上述计算的最大合闸时间内大系统侧检无压装置检测电压，大系统侧检无压装置检测电压满足设定条件后，检无压继电器启动，小系统侧检同期装置检测相角和频率，当相角过零点且频率不超限时即满足条件，检同期继电器启动，重合闸成功。

实施例二：

如图1、图2所示，孤网侧风电场装机容量30MW，每台风机出力1.5MW，发电机G1、发电机G2和发电机G3均为常规能源，装机容量均为50MW，发电机初始功角25°，发电机转子时间常数T_j＝6s。f点发生三相故障后保护动作跳闸，检测此时含风电场孤网送出线的盈余功率△P₁；比较△P₁与风电场注入功率P_f的大小。

盈余功率△P₁大于风电场注入功率P_f；由于初始功率大于风电场注入功率，此时可考虑将风电全部切除，风电场注入功率降为0，确定此时的盈余功率△P₂；基于等面积法则利用即(加速面积＝减速面积)确定极限盈余功率ΔP_max；比较△P₂与ΔP_max,若△P₂<ΔP_max说明盈余功率没有超过极限盈余功率ΔP_max，自动重合闸继电器启动；计算风电场切机后最大重合时间最大合闸频率在最大合闸时间内大系统侧检无压装置检测电压，满足条件后检无压继电器启动，小系统侧检同期装置检测相角、频率，当相角过零点且频率不超限时满足同期条件，检同期继电器启动，重合闸成功。

盈余功率△P₁大于风电场注入功率P_f；由于初始功率大于风电注入功率，此时可考虑将风电全部切除，风电场注入功率降为0，确定此时的盈余功率△P₂；基于等面积法则利用即(加速面积＝减速面积)确定极限盈余功率ΔPmax；比较△P₂与ΔP_max,若△P₂＝ΔP_max说明盈余功率等于极限功率，此时处于重合闸的临界，自动重合闸继电器启动；计算风电场切机后最大重合时间最大合闸频率在最大合闸时间内大系统侧检无压装置检测电压，满足条件后检无压继电器启动，小系统侧检同期装置检测相角、频率，当相角过零点且频率不超限时满足同期条件，检同期继电器启动，重合闸成功。

盈余功率△P₁大于风电场注入功率P_f；由于初始功率大于风电场注入功率，此时可考虑将风电全部切除，风电场注入功率降为0，确定此时的盈余功率△P₂；基于等面积法则利用即(加速面积＝减速面积)确定极限盈余功率ΔPmax；比较△P₂与ΔP_max,若△P₂>ΔP_max说明盈余功率>极限功率，自动重合闸继电器不启动，重合闸不重合。

盈余功率△P₁等于风电场注入功率P_f；由于初始功率等于风电场注入功率，此时将风电全部切除，风电场注入功率降为0，此时的盈余功率△P₂＝0，孤网自平衡，即△P₂<ΔPmax,自动重合闸继电器启动；大系统侧检无压装置检测电压，满足条件后检无压继电器启动，小系统侧检测相角过零即满足同期条件，检同期继电器启动，重合闸成功。

盈余功率△P₁小于风电场注入功率P_f，此时采用高周切机策略切除部分风电机组，确定切除部分风电机组后此时送出线的盈余功率△P₂；基于等面积法则利用即(加速面积＝减速面积)确定极限盈余功率ΔPmax；比较△P₂与ΔPmax,若△P₂≤ΔPmax说明盈余功率小于等于极限功率，自动重合闸继电器启动；计算风电场切机后最大重合时间 $t_{\mathrm{yx}}=\frac{2T_j({\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{yx}}-{\mathrm{\&delta;}}_0)}{w_0\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{P}_2},$ 最大合闸频率 $w_{\mathrm{yx}}=\sqrt{\frac{2w_0\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{p}_2({\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{yx}}-{\mathrm{\&delta;}}_0)}{T_j}};$ 在最大合闸时间内大系统侧检无压装置检测电压，满足条件后检无压继电器启动，小系统侧检同期装置检测相角、频率，当相角过零点且频率不超限时满足同期条件，检同期继电器启动，重合闸成功。若△P₂>ΔP_max说明盈余功率大于极限功率，自动重合闸继电器不启动，重合闸不重合。

图2中，KU1表示无电压检定继电器，KU2表示同步检定继电器，KRC表示自动重合闸继电器。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种适应三相跳闸形成的含风电孤网运行送出线的重合方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、含风电的带负荷的孤网送出线路发生故障时，保护速断动作三相跳闸，此时孤网中各类发电机出力暂时不变，负荷不变；即孤网中常规电源注入功率P₀、风电场注入功率P_f和负荷P_load不变；检测发生故障前送出线的传送功率即盈余功率△P₁，其中△P₁＝P_f+P₀-P_load；

步骤2、判断上述盈余功率△P₁与风电场注入功率P_f的大小：若风电场注入功率P_f大于盈余功率△P₁，则对风电场采取高周切机的方式，减少风电场注入功率P_f，减少风电场注入功率至约P_f＝△P₁；若风电场注入功率小于等于盈余功率，切除风电场使风电场注入功率为0；

步骤3、经过上述步骤2对风电场的切机后，确定最终送出线的盈余功率△P₂，若△P₂＝0，则孤网自平衡，自动重合闸继电器重合，大系统侧检无压装置检测电压，大系统侧检无压装置检测的电压满足设定条件后检无压继电器启动，直至小系统侧检测相角过零即满足条件，检同期继电器启动，重合闸成功。

2.根据权利要求1所述的适应三相跳闸形成的含风电孤网运行送出线的重合方法，其特征在于，还包括：

步骤4、如上述步骤3中，△P₂不等于0，则基于等面积法确定极限盈余功率△P_max；

等面积法中减速面积公式为：

$\mathrm{\&Delta;}{S}_{-}=\underset{{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{yx}}}{\overset{{\mathrm{\&delta;}}_h}{\&Integral;}}(P_{\mathrm{em}}-P_T)\mathrm{d\&delta;}$

其中P_T为原动机注入的有效功率，P_em为发电机的电磁功率，m为常数，E₀为内电动势，U为机端电压，X_t为发电机电抗，δ为发电机功角；δ_yx为合闸时发电机功角,δ_h为发电机极限切除功角；

等面积法中加速面积公式为：

ΔS₊＝2π·ΔP_max。

利用加速面积等于减速面积，即ΔS₊＝ΔS_-计算出极限盈余功率△P_max；

步骤5、将上述盈余功率△P₂与极限盈余功率△P_max进行比较；若△P₂<＝△P_max，自动重合闸继电器启动，转步骤6；否则不重合；

步骤6、经过上述步骤1至步骤5的计算后，确定最大允许重合频率w_yx及最大重合时间t_yx；

$w_{\mathrm{yx}}=\sqrt{\frac{{2w}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;p}}_2({\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{yx}}-{\mathrm{\&delta;}}_0)}{T_j}}$

$t_{\mathrm{yx}}=\frac{{2T}_j({\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{yx}}-{\mathrm{\&delta;}}_0)}{w_0\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;P}}_2}$

其中w₀为电网侧角频率，δ₀为初始发电机功角，δ_yx为合闸时发电机功角，T_j为发电机惯性常数；

步骤7、在上述计算的最大合闸时间内大系统侧检无压装置检测电压，大系统侧检无压装置检测电压满足设定条件后，检无压继电器启动，小系统侧检同期装置检测相角和频率，当相角过零点且频率不超限时即满足条件，检同期继电器启动，重合闸成功。