CN105098713A - 一种考虑风电接入电网的继电保护定值整定计算方法 - Google Patents

一种考虑风电接入电网的继电保护定值整定计算方法 Download PDF

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陈军
冯小萍
南东亮
王晓飞
罗邦云
刘静
王密娜
李雪冬
曹伟
崔大林
倪宏坤
张丽
杨斌
牛嘉鑫
梁静
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Guo Wang Xinjiang Power Co
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Abstract

本发明公开了一种考虑风电接入电网的继电保护定值整定计算方法,其把风力发电作为电力系统的稳定供电电源,在系统中考虑风机模型后重新整定系统中继电保护装置的定值,大大提高风资源的利用率。该方法包括步骤:(1)在现有继电保护定值整定计算方法中绘制含风电场的电力系统的接线图;(2)录入风电场的基本参数;(3)采用现有继电保护定值整定计算方法,对风电场的电力系统中配置继电保护装置和保护原理元器件进行定值整定;其中步骤(2)中把风电作为电力系统的稳定供电电源,建立风机模型,把双馈风力发电机作为异步发电机进行处理,所述风机模型采用异步发电机的数学模型。

Description

一种考虑风电接入电网的继电保护定值整定计算方法
技术领域
[0001] 本发明属于继电保护定值整定计算的技术领域,具体地涉及一种考虑风电接入电 网的继电保护定值整定计算方法。
背景技术
[0002] 近年来,随着能源危机和环境问题的日益突出,新能源与分布式发电技术越来越 受到社会的关注,如风电、光伏等可再生能源。大规模风电场接入电力系统后,必然带来集 中接入、远距离传输以及风电场内部集电线路网络化等问题,从而改变电力系统的运行特 征。而且风力发电机投入、退出引起的风电场容量变化,以及系统中不同故障位置的影响, 都将在等值电路中通过等效电势和背侧阻抗反映出来,即可反映在自适应电流保护动作整 定值中。可根据理论分析研究出的风电数学模型在继电保护省地一体化平台中建立风电场 计算分析模型。
[0003] 规模化的风电场对系统运行的影响,已不能像早期小型风电接入一样被完全忽略 掉,这已不仅仅是风电调度的问题,继电保护所面临的故障特征同样也发生了显著的变化。 大型风电场内部的机组和机群越来越多地采用35kV电压等级以网络的形式汇集电能,传 统的配电网保护原理和装置能否满足风电场内部集电线路的要求,也是电力系统运行部门 必须考虑的问题。
[0004] 虽然大型风电场内部集电线路广泛采用35kV电压等级,但却与传统配电网辐射 状网络结构存在明显的差别。对于任一集电线路,由于两侧母线上均有电源分布,在继电保 护研究中,将被等效为双端电源元件,传统辐射状配电网继电保护的配置方式和整定原则 将不再适用。
[0005] 继电保护是电网安全稳定运行的第一道防线,能够在故障发生时快速可靠地识别 并有效地隔离故障,对遏制系统运行状况的进一步恶化,保障电能高效稳定的传输和利用 都具有重要的意义。
[0006] 风电电源接入后,由于升压变压器的接地,系统零序网络发生变化,联络线零序保 护的灵敏度下降;并网联络线的自动重合闸功能将受到挑战,这主要是由于目前采用的检 同期重合方式需要风电电源在并网点具有稳定性,而大规模风电场在联络线跳开后风机会 进入动态过程,不能保证检同期成功,从而可能导致重合失败,最终造成风电脱网;由于风 电场向电网馈出持续短路电流的能力差,除非装设专门的弱馈保护,否则并网点联络线保 护性能差,拒动将成为常态。
[0007] 风电场集电线路及网络保护研究主要包括保护原理、保护配置、整定原则及与电 网保护配合关系等内容。
[0008] 目前在风力发电并入电力系统的研究中,人们习惯上把风力发电作为系统的负荷 进行处理。在系统发生故障时,沿用系统原有的继电保护整定的定值,把部分或全部风机从 系统中切除;当系统故障切除后,控制切除风机的重新投入运行。随着风机装机容量的快速 增加,采用上述风力发电并网控制策略会造成大量风资源的浪费。
发明内容
[0009] 本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供一种考虑风电接入电网的 继电保护定值整定计算方法,其把风力发电作为电力系统的稳定供电电源,在系统中考虑 风机模型后重新整定系统中继电保护装置的定值,大大提高风资源的利用率。
[0010] 本发明的技术解决方案是:这种考虑风电接入电网的继电保护定值整定计算方 法,该方法包括以下步骤:
[0011] (1)在现有继电保护定值整定计算方法中绘制含风电场的电力系统的接线图;
[0012] ⑵录入风电场的基本参数;
[0013] (3)采用现有继电保护定值整定计算方法,对风电场的电力系统中配置继电保护 装置和保护原理元器件进行定值整定;
[0014] 其中步骤(2)中把风电作为电力系统的稳定供电电源,建立风机模型,把双馈风 力发电机作为异步发电机进行处理,所述风机模型采用异步发电机的数学模型。
[0015] 本方法把风电场等效为一个风机模型,把双馈风力发电机作为异步发电机进行处 理,所述风机模型采用异步发电机的数学模型,因此把风力发电作为电力系统的稳定供电 电源,在系统中考虑风机模型后重新整定系统中继电保护装置的定值,大大提高风资源的 利用率。
附图说明
[0016] 图1示出了根据本发明的通用正序等效电路。
[0017] 图2示出了根据本发明的通用负序等效电路。
[0018] 图3是风场并入电力系统的连接关系不意图。
[0019] 图4是根据本发明的变压器的等值阻抗图。(根据发明法的相关规定,附图应为白 色背景黑色线条,所以请将附图4中代表电阻的方框内的灰蓝色改为白色)
具体实施方式
[0020] 这种考虑风电接入电网的继电保护定值整定计算方法,该方法包括以下步骤:
[0021] (1)在现有继电保护定值整定计算方法中绘制含风电场的电力系统的接线图;
[0022] (2)录入风电场的基本参数;
[0023] (3)采用现有继电保护定值整定计算方法,对风电场的电力系统中配置继电保护 装置和保护原理元器件进行定值整定;
[0024] 其中步骤(2)中把风电作为电力系统的稳定供电电源,建立风机模型,把双馈风 力发电机作为异步发电机进行处理,所述风机模型采用异步发电机的数学模型。
[0025] 本方法把风电场等效为一个风机模型,把双馈风力发电机作为异步发电机进行处 理,所述风机模型采用异步发电机的数学模型,因此把风力发电作为电力系统的稳定供电 电源,在系统中考虑风机模型后重新整定系统中继电保护装置的定值,大大提高风资源的 利用率。
[0026] 优选地,如图1、2所示,在异步发电机的数学模型中,在系统发生不严重故障时, 风机的正负等效阻抗相等,均为公式(1)
Figure CN105098713AD00061
[0028] 其中,X"为系统发生故障时电机的此暂态电抗表为转子电抗;Xn
[0029] 为励磁电抗;Xs为定子漏抗;X 2为负序电抗;
[0030] 在系统发生严重故障时,风机的正负等效阻抗分别为公式(2)中的
[0031] ZnZ2,
Figure CN105098713AD00062
[0034] 其中,Rs为定子电阻;Xs为定子电抗;Xni为励磁电抗;X 1^转子电抗;R1^转子电 阻;Rcwjar为 Crowbar 电阻。
[0035] 优选地,在异步发电机的数学模型中,在系统发生不严重故障时,风机的正负等效 阻抗相等,均为公式(5)
Figure CN105098713AD00063
[0037] 其中X1^为转子电抗;Xni为励磁电抗;Xs为定子漏抗;X 1为正序电抗,X2为负序电抗; η是风电场投入运行的风机数量;SN是变压器的三相额定容量;V (^是额定线电压;V s%是短 路电压;
[0038] 在系统发生严重故障时,风机的正负等效阻抗分别为公式(6)中的Z,、Z9,
Figure CN105098713AD00064
[0041] 其中&为转子电抗;Xni为励磁电抗;Xs为定子漏抗;η是风电场投入运行的风机数 量;S N是变压器的三相额定容量;V ,是额定线电压;V s%是短路电压;η是风电场投入运行 的风机数量;Rs为定子电阻;R ^为转子电阻;R &ciwb"为Crowbar电阻。
[0042] 下面给出一个具体的实施例。
[0043] 目前在风力发电并入电力系统的研究中,人们习惯上把风力发电作为系统的负荷 进行处理。在系统发生故障时,沿用系统原有的继电保护整定的定值,把部分或全部风机从 系统中切除;当系统故障切除后,控制切除风机的重新投入运行。随着风机装机容量的快速 增加,采用上述风力发电并网控制策略会造成大量风资源的浪费,为了解决这个问题,本发 明提出了把风力发电作为电力系统的稳定供电电源,在系统中考虑风机模型后重新整定系 统中继电保护装置的定值。
[0044] 通过查阅大量相关文献书籍,可以把双馈风力发电机作为异步发电机进行处理, 因此双馈风力发电机的数学计算模型采用异步发电机的数学模型。图1是异步发电机的通 用正序等效电路图,图2是异步发电机的通用负序等效电路图。
[0045] 图1、图2中Zs为定子漏阻抗、Z 为转子漏阻抗、Z m为励磁电抗、R 为Crowbar 电阻、R1^为转子电阻、S为转差率。其中Crowbar电阻主要应用在风力发电逆变器的低电压 穿越技术中。Crowbar电阻用在风力发电机转子侧,用于旁路转子侧变流器。当电网发生 低电压扰动时,防止直流母线电压过高和转子电流过大。主要工作在故障状态,阻尼定子磁 链。Crowbar电阻能在瞬时把巨大能量耗散掉。
[0046] 零序时,风机断开,等值阻抗取0。
[0047] 对图1和图2的正负序等效电路进行分析,得出以下结论:
[0048] 当s = 1时,为系统发生不严重故障的情况;
Figure CN105098713AD00071
[0050] 其中,X"为系统发生故障时电机的此暂态电抗久为转子电抗;Xni为励磁电抗;X s 为定子漏抗;X2为负序电抗。
[0051] 公式(1)是风力发电机在系统发生不严重故障时的正负序等效阻抗计算公式。在 系统发生不严重故障时,风机的正负等效阻抗相等。
[0052] 当s = -1时,为系统发生严重故障的情况。
Figure CN105098713AD00072
[0055] 其中,Rs为定子电阻;Xs为定子电抗;Xni为励磁电抗;X 1^转子电抗;R1^转子电 阻;Rcwjar为 Crowbar 电阻。
[0056] 公式(2)是风力发电机在系统发生不严重故障时的正负序等效阻抗计算公式。在 系统发生严重故障时,风机的正负序等效阻抗不相等。
[0057] 通过公式(1)、⑵的分析可以知道,S的取值不同,系统发生故障的严重程度不 同,同时风机的正负序等效阻抗的计算公式不相同。因此,可以把转差率作为风场的基础参 数,可以根据系统故障情况人为的确定转差率的取值情况。
[0058] 图3是风电场中风机的连接关系示意图。假设风电场投入运行的风机数量是η。 其中,图3a是所有投入运行的风机分别经过升压变压器后并入电网的接线图示意图;据风 电场的接线特点,将同一类型的风机和升压变压器进行并联后等效为一个风场模型,为方 便计算使用,如图3b方框里面所示。在风电场中,每个风机发的电通过升压变压器后连接 到同一个母线上,再经过升压变压器升压后并入电网。
[0059] 从图3a方框里面可以看出,风力发电机发的电经过二绕组变压器并入母线,图4 是二绕组变压器的等值阻抗图。
[0060] 图4中的R/变压器电阻是变压器作短路实验时,将一侧绕组短接,在另一侧绕组 施加电压,使短路绕组的电流达到额定值,计算公式如公式(3)所示;X/变压器电抗,计算 公式如公式(4)所示;G t是变压器的电导;81是变压器的电纳。计算中一般不考虑变压器 的励磁支路。
Figure CN105098713AD00081
[0063] 其中,Sn是变压器的三相额定容量;V ,是额定线电压;ΔΡ s是短路损耗;V s%是短 路电压。在对变压器进行等值计算时,采用公式(4),而且变压器的正负序等值阻抗是相等 的。
[0064] 在电力系统继电保护中,需要根据系统的运行方式进行定值整定。把风电场作为 稳定电源向系统供电时,需要考虑风电场的大小运行方式。本专利中规定风电场中所有风 机都投入运行并如电网的运行方式为大方式;风电场中并非所有风机都投入运行并如电网 的运行方式为小方式。
[0065] 当电力系统发生故障时,可以根据系统发生故障的严重程度确定图3b框中故障 计算的等效计算模型,进而进行继电保护的定值整定。风电场的具体计算模型如下:
[0066] (1)当系统发生不严重故障时,即S = 1时
Figure CN105098713AD00082
[0071] 其中,公式(5)、(6)中的η是风电场投入运行的风机数量。
[0072] 本发明提出了一种计及风电接入电网对继电保护影响的定值整定计算方法。在该 计算方法中,风电场作为电力系统稳定的供电电源,当电力系统发生故障时保留风电场,计 算整定含有风电场的系统的定值。在本发明中提出了风电场大小运行方式的定义,以及电 力系统发生不同程度的故障时风电场正负序阻抗的不同计算公式。
[0073] 本发明的研究内容主要是当电力系统发生故障,同时风电场作为稳定电源不切除 的情况下,计算风电场的正负序等值阻抗,进而进行系统的继电保护定值的整定计算。
[0074] 首先是搜集表1里面需要用到的参数。
Figure CN105098713AD00091
[0076] 表 1
[0077] 其次对表1中风电场的录入参数进行设计录入。其中电压等级是风电场中风机发 电经升压变压器抬高后的电压等级;D铭牌参数中的大小方式投入风机数是根据风电场实 际运行的风机数量决定,若风电场中的所有风机都投入运行则风电场运行在大方式,若风 电场中并非是所有的风机都投入运行则风电场运行在小方式(具体投入运行的风机数量 是由风电场的调度控制中心决定);D铭牌参数中的单机转差率S的取值决定电力系统发生 故障的严重程度,当S = 1时,系统发生不严重的故障,当S = -1时,系统发生严重故障;D 铭牌参数中箱变短路电压百分比是风电场中升压变压器的短路电压百分比。
[0078] 最后按照风电场正负序的等值阻抗计算公式,计算风电场的等值阻抗,进而对电 力系统的继电保护的定值进行整定。
[0079] 以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何形式上的限制,凡是依 据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属本发明 技术方案的保护范围。

Claims (3)

1. 一种考虑风电接入电网的继电保护定值整定计算方法,其特征在于:该方法包括以 下步骤: (1) 在现有继电保护定值整定计算方法中绘制含风电场的电力系统的接线图; (2) 录入风电场的基本参数; (3) 采用现有继电保护定值整定计算方法,对风电场的电力系统中配置继电保护装置 和保护原理元器件进行定值整定; 其中步骤(2)中把风电作为电力系统的稳定供电电源,建立风机模型,把双馈风力发 电机作为异步发电机进行处理,所述风机模型采用异步发电机的数学模型。
2. 根据权利要求1所述的考虑风电接入电网的继电保护定值整定计算方法,其特征在 于:在异步发电机的数学模型中,在系统发生不严重故障时,风机的正负等效阻抗相等,均 为公式(1)
Figure CN105098713AC00021
⑴ 其中,X"为系统发生故障时电机的此暂态电抗;X1^为转子电抗;X"为励磁电抗;Xs为定 子漏抗;x2为负序电抗; 在系统发生严重故障时,风机的正负等效阻抗分别为公式(2)中的Zi、Z2,
Figure CN105098713AC00022
其中,Rs为定子电阻;Xs为定子电抗;Xm为励磁电抗;X1^为转子电抗;R1^为转子电阻;R&™bar为Crowbar电阻。
3. 根据权利要求1所述的考虑风电接入电网的继电保护定值整定计算方法,其特征在 于:在异步发电机的数学模型中,在系统发生不严重故障时,风机的正负等效阻抗相等,均 为公式(5)
Figure CN105098713AC00023
(5) 其中X1^为转子电抗;X"为励磁电抗;Xs为定子漏抗;Xi为正序电抗,X2为负序电抗;n是 风电场投入运行的风机数量;SN是变压器的三相额定容量;¥,是额定线电压;Vs%是短路电 压; 在系统发生严重故障时,风机的正负等效阻抗分别为公式(6)中的ZpZ2,
Figure CN105098713AC00031
其中I为转子电抗;Xm为励磁电抗;Xs为定子漏抗;n是风电场投入运行的风机数量;SN是变压器的三相额定容量;乂,是额定线电压;Vs%是短路电压;n是风电场投入运行的风 机数量;馬为定子电阻;L为转子电阻;R&ciwb"为Crowbar电阻。
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