CN109066801B - 一种适用于dfig并网线路的负序方向元件判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于DFIG并网线路的负序方向元件判别方法。该方法首先离线获取不同工况下DFIG负序阻抗的相角集合，将相角集合进行平均化处理，以用于确定灵敏角

。故障启动后，根据撬棒投入信号确定DFIG当前工况，再由当前工况和平均化处理后的相角确定灵敏角

，进而计算

和传统负序方向元件灵敏角

之间的偏移角

，通过偏移角

实时调整动作区域，得到负序方向元件动作判据。进一步地，计算保护安装处测量到的负序电压，负序电流

之间的相角，利用所提动作判据进行故障方向判别。本发明方法自适应DFIG运行状态，实时调整动作判据，具有原理简单，容易实现的特点，同时灵敏度和可靠性高。

Description

一种适用于DFIG并网线路的负序方向元件判别方法

技术领域

本发明涉及新能源并网继电保护领域，特别是涉及一种适用于DFIG并网线路的负序方向元件判别方法。

背景技术

双馈风力发电机，即DFIG作为风力发电厂的主力机型之一，被大量地接入电网。与同步发电机不同，DFIG属于异步发电机并采用变流器实现与电网的双向功率交换。DFIG控制策略的多样性、复杂性使得含DFIG电网的故障特征明显不同于以同步发电机为主要电源的传统电网。目前，尚没有针对DFIG的特殊保护原理，因此对传统继电保护原理在含DFIG电网中的适应性研究显得尤为重要。

在较高电压等级的DFIG并网线路上通常配置纵联保护以满足快速切除全线故障的要求。负序方向元件是目前方向纵联保护中最常用的方向元件，但应用于DFIG并网线路时，其动作性能并不理想。针对负序方向元件在含DFIG并网线路中的应用，张保会，王进，原博等著的《风电接入对继电保护的影响(四)—风电场送出线路保护性能分析》，电力自动化设备，2013，33(4)：1-5页通过数字仿真发现传统负序方向元件在DFIG并网线路上存在不正确动作的情况。

负序阻抗是负序方向元件的研究基础，传统负序方向元件动作判据整定依据正是传统电源负序阻抗稳定。然而，DFIG有别于传统电源，已有研究表明：DFIG的特殊结构及非线性控制环节使其故障特征明显不同于传统的同步发电机，故障后DFIG表现出来的负序阻抗与传统电源的负序阻抗特性也完全不同。例如宋国兵，陶然，李斌等著的《含大规模电力电子装备的电力系统故障分析与保护综述》，电力系统自动化，2017，41(12)：2-12、黄涛，陆于平，凌启程等著的《适应于双馈风电场的改进故障序分量选相方法》，电力自动化设备，2016，36(4)：123-128、黄涛，陆于平，蔡超著的《DFIG等效序突变量阻抗相角特征对故障分量方向元件的影响分析》，中国电机工程学报，2016，36(14)：3929-3939均有所提及。另外，按并网规程要求，DFIG应具备低电压穿越能力。实现低电压穿越的方式有两种：一是电网电压跌落较轻时，通过转子侧变流器控制实现，以下将“转子侧变流器控制”简称为“RSC控制”，其中RSC意为Rotor Side Converter；二是电网电压跌落严重时，通过投入撬棒电路实现。上述两种方式下DFIG的负序阻抗也存在较大差异。因此，传统负序方向元件应用于DFIG并网线路进行故障方向判别时，动作性能将无法得到保证。

传统负序方向元件无法自适应DFIG状态，存在灵敏角固定的弊端，应用于DFIG并网线路时会出现灵敏度下降甚至不正确动作的问题，性能明显降低。由此，需要一种适用于DFIG并网线路的负序方向元件判别方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于DFIG并网线路的负序方向元件判别方法，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案：一种适用于DFIG并网线路的负序方向元件判别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，保护装置进行初始化：

利用定值离线计算不同工况下DFIG负序阻抗的相角集合，将相角集合进行平均化处理，用于确定灵敏角

所述初始化过程具体为：

(1)上述用于离线计算的定值包括定、转子电阻R_s、R_r，定、转子的等效电感L_s、L_r，定转子间的互感L_m，控制器比例系数k_p及DFIG转差率s∈[-0.3,0.3]、撬棒电阻R_c，以上定值通过DFIG设计手册均可直接获到，将上述定值及传统负序方向元件灵敏角

进行存储；

(2)DFIG故障后不同工况对应RSC控制和撬棒投入两种工况，离线情况下，事先将上述定值代入RSC控制和撬棒投入两种工况对应的DFIG负序阻抗解析式，RSC控制下DFIG负序阻抗Z_sr-的表达式为：

撬棒投入时DFIG负序阻抗Z_sc-的表达式为：

其中，Z_ac-、Z_bc-的表达式分别为：

式中，U_sf-为故障后定子负序电压，ω_s为同步速角频率，标幺化后ω_s＝1，其中，K＝k_p+R_r，R_rc＝R_c+R_r，

均可通过定值求得；

(3)计算Z_sr-和Z_sc-的相角，在s取值范围内，Z_sr-的相角集合记为

和Z_sc-的相角集合记为

s范围内间隔步长Δ取值一次，根据步长Δ可以确定n值：

-0.3+Δ(n-1)＝0.3 (5)

其中，Δ优选为0.1，此时n＝7；

(4)对Z_sr-和Z_sc-相角集合

进行平均处理，记为

和

和

将用于确定灵敏角

至此，初始化过程结束，保护装置投入工作，并在采样中断服务程序中进行故障启动和负序方向判别，而且负序方向元件的动作判据根据事先计算的灵敏角

以及撬棒投入信号进行实时调整；

步骤2，采样中断服务程序中的处理：

故障启动后，根据撬棒投入信号确定DFIG当前工况，再由当前工况和处理后的相角

确定灵敏角

通过

和传统负序方向元件灵敏角

之间的偏移角

实时调整动作区域，得到负序方向元件动作判据，所述采样中断服务程序处理过程具体为：

(1)故障启动后，根据撬棒信号是否投入确定DFIG当前工况，撬棒信号未投入，DFIG运行于RSC控制工况，撬棒信号投入，DFIG运行于撬棒投入工况；

(2)由DFIG当前工况和相角

确定灵敏角

RSC控制时，灵敏角取为

撬棒投入时，灵敏角取为

(3)确定

和传统负序方向元件灵敏角

之间的偏移角度

(4)根据偏移角度

实时调整动作区域，得到负序方向元件的动作判据：

式中，

分别为故障后测量到的负序电压和负序电流，

的计算公式如下：

其中，

是三相电压相量，

是三相电流相量，常量

步骤3，利用步骤2所述动作判据判断故障方向：

计算保护安装处测量到的

之间的相角，利用动作判据(9)，完成故障方向判别，满足式(9)时，判为正方向故障，反之，判为反方向故障。

所述的一种适用于DFIG并网线路的负序方向元件判别方法，有益效果在于：

(1)本发明方法能正确可靠地判断DFIG并网线路的故障方向，原理简单，容易实现；

(2)可根据DFIG参数及运行工况自适应调整灵敏角，实时调整负序方向元件的动作区域，使负序方向元件始终工作于最佳状态，具备自适应能力强，灵敏度和可靠性高的特点。

附图说明

图1是本发明所述的负序方向元件在采样中断服务程序中的处理流程；

图2是应用本发明方法实施例中DFIG并网线路模型；

图3是应用本发明方法实施例中负序方向元件的动作特性对比；

图4是应用本发明方法实施例中不同撬棒阻值下负序方向元件的动作特性对比。

具体实施方式

本发明提出的一种适用于DFIG并网线路的负序方向元件判别方法实施例详细说明如下：

应用本发明方法的一种电压等级为110kV的DFIG并网线路模型如图2所示。并网线路长15km，其中单位电阻r＝0.081Ω/km，单位电感x＝0.401Ω/km。保护1、2安装在并网线路两端。仿真中共设置5个故障点，其中f₁、f₂、f₃为正方向区内故障点，分别位于线路全长的10％、50％、90％处，f₄为正方向区外故障点，f₅为反方向故障点。DFIG通过风机箱变和主变后接入电网，DFIG参数如表1所示。根据表1的DFIG参数，下文对应用本发明方法实施例具体步骤进行了描述。

表1 DFIG参数

应用本发明方法对保护装置进行初始化过程为：

(1)根据表1，将所需定值及DFIG转差率s∈[-0.3,0.3]、撬棒电阻R_c和传统负序方向元件灵敏角

进行存储，DFIG可设定多组R_c，本实施例取R_c＝0.1pu和R_c＝0.4pu两种情况(R_c其他取值情况与此类似)，传统负序方向元件灵敏角

(2)离线情况下，将上述定值代入RSC控制和撬棒投入两种工况对应的DFIG负序阻抗解析式；

(3)计算Z_sr-和Z_sc-的相角，本例将s范围内选择的步长Δ定为0.1，利用式(1)、式(2)、式(5)，在s范围内求出Z_sr-和Z_sc-的相角，构成相角集合

此时集合中元素个数n＝7；

(4)对Z_sr-和Z_sc-相角集合

进行平均处理，根据式(6)，求出

再根据式(7)，求出

分别对应R_c＝0.1pu和R_c＝0.4pu两种情况；

应用本发明方法采样中断服务程序中的处理为：

(1)故障启动后，根据撬棒信号是否投入确定DFIG当前工况；

(2)故障后，RSC控制时，由

投入撬棒，

对应R_c＝0.1pu和R_c＝0.4pu两种情况分别57.4°和45.9°；

(3)确定

和传统负序方向元件灵敏角

之间的偏移角度

取

根据式(8)求得：

对应R_c＝0.1pu和R_c＝0.4pu两种情况，可求得：

(4)由上述计算的

结合式(9)可分别得到RSC控制下、投入撬棒R_c＝0.1pu和R_c＝0.4pu时，负序方向元件的动作判据：

RSC控制

R_c＝0.1pu时

R_c＝0.4pu时

通过计算保护安装处测量到的

之间的相角，利用实时调整动作区域后的负序方向元件动作判据式(11)～式(13)，完成故障方向的判断。

为了验证应用本发明负序方向元件的有效性和优越性，利用电磁暂态仿真软件PSCAD搭建基于图2所示的模型，并进行了大量仿真。仿真中考虑不同故障位置：f₁～f₅；不同故障类型：单相接地、两相故障和两相短路接地；DFIG不同运行状态：超同步运行、同步运行和亚同步运行；不同的撬棒电阻值：R_c＝0.1pu、R_c＝0.4pu。

表2～表4对负序阻抗的相角仿真数据进行了整理。表2～表4中，每一行上层数据记录了保护1测量得到的负序阻抗相角、下层数据记录了保护2测量得到的负序阻抗相角，表2～表4中“—”表示该项实验对应的工况在仿真中不会出现，这是由于撬棒是否投入是根据电压跌落情况决定的。

表2 A相接地故障时负序等值阻抗相角

注：表中加粗数据代表与传统动作边界相差低于10°的相角,下同。

表3 AB相间故障时负序等值阻抗相角

表4 AB相接地时负序等值阻抗相角

根据表2～表4的数据以及传统负序方向元件动作判据(式(9)中

)、负序方向元件判据式(11)～式(13)，可对比传统负序方向元件和本发明负序方向元件的动作情况。由表中加粗相角可知，传统负序方向元件此时处于动作边界附近的模糊区，不能可靠判断故障方向。因此，传统负序方向元件在DFIG并网线路上存在灵敏度降低和不正确动作的情况。而将表中加粗相角代入式(11)～式(13)后，均能满足在本发明动作判据的动作区内，即采用本发明负序方向元件能可靠判断DFIG并网线路上的故障方向。

上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的情况下做出各种变化。

Claims (1)

1.一种适用于DFIG并网线路的负序方向元件判别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，保护装置进行初始化：

利用定值离线计算不同工况下DFIG负序阻抗的相角集合，将相角集合进行平均化处理，用于确定灵敏角

所述初始化过程具体为：

(1)上述用于离线计算的定值包括定、转子电阻R_s、R_r，定、转子的等效电感L_s、L_r，定转子间的互感L_m，控制器比例系数k_p及DFIG转差率s∈[-0.3,0.3]、撬棒电阻R_c，以上定值通过DFIG设计手册均可直接获到，将上述定值及传统负序方向元件灵敏角

进行存储；

(2)离线情况下，将上述定值代入转子侧变流器控制和撬棒投入两种工况对应的DFIG负序阻抗解析式，

转子侧变流器控制下DFIG负序阻抗Z_sr-的表达式为：

撬棒投入时DFIG负序阻抗Z_sc-的表达式为：

其中，Z_ac-、Z_bc-的表达式分别为：

式中，U_sf-为故障后定子负序电压，ω_s为同步速角频率，标幺化后ω_s＝1，其中，K＝k_p+R_r，R_rc＝R_c+R_r，

均可通过定值求得；

(3)计算Z_sr-和Z_sc-的相角，在s取值范围内，Z_sr-的相角集合记为

和Z_sc-的相角集合记为

s范围内间隔步长Δ取值一次，根据步长Δ可以确定n值：

-0.3+Δ(n-1)＝0.3 (5)

(4)对Z_sr-和Z_sc-相角集合

进行平均处理，记为

和

和

将用于确定灵敏角

至此，初始化过程结束，保护装置投入工作，并在采样中断服务程序中进行故障启动和负序方向判别；

步骤2，采样中断服务程序中的处理：

故障启动后，根据撬棒投入信号确定DFIG当前工况，再由当前工况和处理后的相角

确定灵敏角

通过

和传统负序方向元件灵敏角

之间的偏移角

实时调整动作区域，得到负序方向元件动作判据，所述采样中断服务程序处理过程具体为：

(1)故障启动后，根据撬棒信号是否投入确定DFIG当前工况，撬棒信号未投入，DFIG运行于转子侧变流器控制工况，撬棒信号投入，DFIG运行于撬棒投入工况；

(2)由DFIG当前工况和相角

确定灵敏角

转子侧变流器控制时，灵敏角取为

撬棒投入时，灵敏角取为

(3)确定

和传统负序方向元件灵敏角

之间的偏移角度

(4)根据偏移角度

实时调整动作区域，得到负序方向元件的动作判据：

式中，

分别为故障后测量到的负序电压和负序电流，

的计算公式如下：

其中，

是三相电压相量，

是三相电流相量，常量

步骤3，利用步骤2所述动作判据判断故障方向：

计算保护安装处测量到的

之间的相角，利用动作判据(9)，完成故障方向判别，满足式(9)时，判为正方向故障，反之，判为反方向故障。

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