CN111313432A - 风电场110kV单回送出线主动式三相重合闸系统及方法 - Google Patents

风电场110kV单回送出线主动式三相重合闸系统及方法 Download PDF

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黄兴华
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Abstract

本发明公开了一种风电场110kV单回送出线主动式三相重合闸系统及方法，在线路故障跳闸后，闭合STATCOM并网断路器和线路靠近风电场侧断路器，根据预设附加控制策略控制STATCOM全桥子模块电容的投切将预先选取的特征信号注入故障线路；特征信号为根据信号注入的持续时间和电力电子器件的耐受能力选取的最大电流幅值；持续时间为以送出线近端出口三相故障进行整定得到；根据预先确定的特征信号在不同故障类型的传播特性差异实现故障线路的故障性质判别，当判断为故障持续存在，输电线路不重合闸，当判断为故障消失，换流器重合闸。本发明在以风电线110kV架空线并网系统实现了自适应重合闸，确保系统安全可靠运行，减少停电损失，直接效益和间接效益十分显著。

Description

风电场110kV单回送出线主动式三相重合闸系统及方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种含STATCOM的风电场110kV单回送出线主动探测式三相重合闸方法。
背景技术
随着风电机组制造水平的快速提升，电网中风机的装机容量不断增大，风电集中接入电网的电压等级越来越高，输送距离越来越远，我国风电接入110kV及以上电压等级的装机容量约占风电接入总量的75％。风电场并网后存在系统无功补偿、电压稳定等问题，往往在并网点处进行集中无功补偿，基于柔性交流输电技术(Flexible AC TransmissionSystem,FACTS)的无功设备因其快速、连续、平滑的特性受到广泛关注，如静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)和静止无功补偿器(Static VarCompensator，SVC)。
架空线是输电的最主要的方式，运行经验表明，电力系统大多数故障来自于架空线。线路故障具有单相(极)、瞬时性的特点，线路故障切除后经固定时限重合成功的概率为60％～90％，电压等级越高重合成功率越高，因此，重合/重合闸技术的应用对于提高以架空线为主的电网的运行可靠性至关重要。
目前风电送出线重合闸方法：在110kV送出线三相跳闸后，交流系统侧断路器先重合，若重合成功，则利用通信将风电场侧断路器重合，若重合失败，系统侧断路器跳开，不再进行重合操作。若送出线故障使得并网点电压跌入风机低穿范围之外，风机将立即脱网；若风机尚能处于低穿状态，送出线三相跳闸后，风电场与系统失去连接，从保护动作到重合闸动作之间通常有不少于1.5s的间隔，此延时较长是为了确保风机和无功设备退出运行，避免重合时对风电场站内设备造成影响；或者一些风电并网线路的重合闸停用。
综上，在风电场110kV单回送出线三相跳闸后，风电场退出运行的概率要远高于并网运行的概率。而随着风电送出功率的增加，送出线跳闸后风电场退出运行会导致系统产生较大功率缺额，不利于系统稳定，110kV送出线瞬时性故障应尽快重合。由于电力电子器件的脆弱性，与交流系统相比，风电系统承受故障冲击能力较差，如何做到故障性质和重合时间的自适应判别以减少故障冲击，是风电输电系统重合\重合闸技术的关键所在。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种含STATCOM风电场110kV单回送出线主动探测式三相重合闸系统及方法，能够在风电场110kV单回架空输电系统中有助于提高风机重合闸成功率，减少对风电场设备的冲击，缩短系统停电时间，解决现有单回送出线的风电场三相重合闸无选择性重合的问题。
本发明采用以下技术方案：
风电场110kV单回送出线主动式三相重合闸方法，在线路故障跳闸后，闭合STATCOM并网断路器和线路靠近风电场侧断路器，根据预设附加控制策略控制STATCOM全桥子模块电容的投切将预先选取的特征信号注入故障线路；所述特征信号为根据信号注入的持续时间和电力电子器件的耐受能力选取的最大电流幅值；所述持续时间为以送出线近端出口三相故障进行整定得到；根据预先确定的特征信号在不同故障类型的传播特性差异实现故障线路的故障性质判别，当判断为故障持续存在，输电线路不重合闸，当判断为故障消失，换流器重合闸。
具体的，在线路故障跳闸后，电弧去游离时间为200～300ms，在线路跳闸后200～300ms利用通信解锁STATCOM变流器向送出线注入低电流，向故障线路注入特征信号，注入间隔为30～70ms。
具体的，所述特征信号在不同故障类型的传播特性差异的确定过程，包括：
将线路为永久性故障时的电路拓扑与线路为瞬时性故障时的电路拓扑进行比较；
根据比较结果确定特征信号在不同故障类型的传播特性差异。
具体的，附加控制策略启动后，由AC相注入，依据相关系数法判别故障，若线路故障为瞬时性故障时，输电线路处于开路状态，整定值ρset根据线路末端高阻故障时
Figure BDA0002301017920000032
的特征并考虑裕度选取；若
Figure BDA0002301017920000033
则判定为故障消失，反之，则判定为故障存在。
进一步的，若判断故障存在且判断次数小于设定值nset，则继续从AC相注入低电流；若判断故障存在且判断次数大于nset，断路器BRK1跳开并结束判断。
进一步的，若判断故障不存在，从不同的两相组合进行注入操作辅助判断，若此次判为故障未消失且判断次数大于nset，则判断故障存在；
若判为故障未消失且判断次数小于nset，则继续注入低电流，若判断为故障消失，则断路器BRK2合闸，风机主断路器合闸，随后风电场恢复功率传输。
更进一步的，若判断故障不存在，注入次数为2次。
进一步的，判断依据如下：
Figure BDA0002301017920000031
其中，
Figure BDA0002301017920000034
为相关系数，范围为[0，1]，ΔT为数据时长，Ts为采样间隔，
Figure BDA0002301017920000035
为送出线相电流，
Figure BDA0002301017920000041
为送出线故障消失时的注入电流基准。
本发明的另一个技术方案是，一种风电场110kV单回送出线主动式三相重合闸系统，包括：
检测模块，选取特征信号，检测装置和电力电子器件的耐受能力，注入电流幅值，低电流注入回路包含IGBT和电容器器件，注入策略的持续时间以110kV送出线近端出口三相故障进行整定；
控制模块，在线路故障跳闸后，闭合STATCOM并网断路器和线路靠近风电场侧断路器，启动附加控制策略，通过控制STATCOM全桥子模块电容的投切实现特征信号注入；
故障判断模块，利用特征信号在故障线路和健全线路的传播特性差异实现故障线路的故障性质判别，当判断为故障持续存在，输电线路不重合闸，当判断为故障消失，换流器重合闸。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种含STATCOM风电场110kV单回送出线主动探测式三相重合闸方法，注入的低电流的幅值可控；为了增加判别的可靠性，可以实现多次注入；且多次注入操作下仍可快速判别故障性质，该方法利用STATCOM变流器自身的控制能力，无需增加额外设备，构建具有故障性质判别能力的自适应重合闸方案，有助于提高重合闸成功率，减少对风机和换流设备的冲击，保障输电系统安全稳定运行。
进一步的，步骤S2中利用切换STATCOM固有电力电子器件的通断实现故障性质判别，无需增加额外投资。
进一步的，附加控制持续时间的设置兼顾了检测装置和电力电子器件的耐受能力，防止器件过流。
进一步的，步骤S3在实现故障性质判别的基础上，是决定重合闸与否的必要步骤。
进一步的，多次独立的故障判别一定程度上避免检测的随机性影响，增加判别的可靠性。
进一步的，综合注入电流特征和操作时序，形成风电场单回送出线自适应重合闸流程方案。
进一步的，若判断故障不存在，注入次数依据系统可靠性要求设定，缩短重合时间。
综上所述，本发明在以风电线110kV架空线并网系统实现了自适应重合闸，确保系统安全可靠运行，减少停电损失，直接效益和间接效益十分显著。
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为含STATCOM风电场系统单线示意图；
图2为星型级联多电平STATCOM；
图3为附加控制策略；
图4为等效电容放电过程；
图5为自适应重合闸方案；
图6为不同过渡电阻下的注入电流。
具体实施方式
本发明提供了一种含STATCOM风电场110kV单回送出线主动探测式三相重合闸方法，在故障线三相跳闸后，通过STATCOM附加控制策略短时导通电力电子器件，使得其直流侧电容向交流线路放电，实现换流器向故障线路注入特征信号，利用电流波形相关系数构造保护判据实现故障性质判别，该发明对架空输电线路的供电可靠性和抗干扰能力的提升具有重要意义。
一种风电场110kV单回送出线主动式三相重合闸系统，包括：
检测模块，选取特征信号，检测装置和电力电子器件的耐受能力，注入电流幅值，低电流注入回路包含IGBT和电容器器件，注入策略的持续时间以110kV送出线近端出口三相故障进行整定；
控制模块，在线路故障跳闸后，闭合STATCOM并网断路器和线路靠近风电场侧断路器，启动附加控制策略，通过控制STATCOM全桥子模块电容的投切实现特征信号注入；
故障判断模块，利用特征信号在故障线路和健全线路的传播特性差异实现故障线路的故障性质判别，当判断为故障持续存在，输电线路不重合闸，当判断为故障消失，换流器重合闸。
请参阅图5，本发明一种含STATCOM风电场110kV单回送出线主动探测式三相重合闸方法，在风电场110kV单回送出线因故障而三相跳闸后，利用STATCOM附加控制策略向故障线路注入特征信号，特征信号在不同故障类型下的传播特性存在差异，利用该差异实现故障线路的故障性质判别，具体步骤如下：
S1、选取特征信号；
注入电流的幅值应兼顾检测装置和电力电子器件的耐受能力，低电流注入回路包含IGBT和电容器等器件，为防止器件过流，注入策略的持续时间应以110kV送出线近端出口三相故障进行整定，此时注入的电流幅值最大。
由仿真参数和电容放电回路可知，Leq≈2L+Ltr≈Ltr＝3.9mH，Req＝0.002Ω，Ceq＝2500μF，该电容放电为零输入响应，icap＝48e-0.2564tsin(320.3t)kA，代入注入时间Δttri＝100μs得icap最大值为1.54kA，远小于STATCOM变压器额定电流，因此该主动控制时间不会引起器件过流；
S2、在线路故障跳闸后，闭合STATCOM并网断路器和线路靠近风电场侧断路器，启动附加控制策略，通过控制STATCOM全桥子模块电容的投切实现特征信号注入；
在线路跳闸后，考虑故障绝缘恢复时间，故障点电弧熄灭时间受故障点风速、湿度、电弧长度、线路长度等因素影响，电弧去游离时间一般为200～300ms，在线路跳闸后200～300ms利用通信解锁STATCOM变流器向送出线注入低电流，优选250ms，向故障线路注入特征信号，注入间隔为30～70ms，优选注入间隔为50ms，避免连续注入操作对保护判别产生干扰；
附加控制策略持续时间时主要考虑换流器中IGBT耐受电流水平，本发明选取50～100μs。
S3、线路为永久性故障时的电路拓扑与线路为瞬时性故障时的电路拓扑不同，故特征信号在故障线路和健全线路的传播特性存在差异，利用该差异实现故障线路的故障性质判别，当判断为故障持续存在，输电线路不重合闸，当判断为故障消失，换流器重合闸。
风电场STATCOM的换流器为星型级联多电平换流器，星型级联多电平换流器因其动态调节快、谐波电流小、损耗以及成本低等优点，广泛应用于高压、大功率场合的电能质量治理场合，特别是风电场。
附加控制策略启动后，由AC相注入，依据相关系数法判别故障存在与否，判据如下：
Figure BDA0002301017920000081
其中，
Figure BDA0002301017920000082
为相关系数，其范围为[0，1]，ΔT为数据时长，Ts为采样间隔，
Figure BDA0002301017920000083
为送出线相电流，
Figure BDA0002301017920000084
为送出线故障消失时的注入电流基准，该基准依注入相不同而不同。相关系数越大，表明变量间相关性越强，若线路故障为瞬时性故障时，输电线路处于开路状态，
Figure BDA0002301017920000085
越接近于1，且相同故障距离时，过渡电阻越大，注入电流畸变程度越小，相关系数越大。
为了保证线路末端故障时，保护装置一定能动作，整定值ρset根据线路末端高阻故障时
Figure BDA0002301017920000086
的特征并考虑一定裕度进行选取；若
Figure BDA0002301017920000087
则判定为故障消失，反之，则判定为故障存在，本发明设置ρset＝0.6。
若判断故障存在且判断次数小于设定值nset，则继续从AC相注入低电流；若判断故障存在且判断次数大于nset，断路器BRK1跳开并结束判断。
若判断故障不存在，再从不同的两相组合进行注入操作辅助判断，如BC/AB相，该操作能消除从AC相注入时的检测盲区(送出线AB相间故障)，且一定程度上避免检测的随机性影响，注入次数依据系统可靠性要求设定，本发明设定为2次。
若此次判为故障未消失且判断次数大于nset，则判断故障存在，若判为故障未消失且判断次数小于nset，则继续注入低电流，若判断为故障消失，则断路器BRK2合闸，风机主断路器合闸，随后风电场恢复功率传输。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，在PSCAD软件中建立如图1所示的含STATCOM风电场并网模型，各风力发电机组通过机端变压器连接35kV集电线，机端变压器的容量为5.7MVA，电压比和漏抗分别为0.69/35kV和0.08pu，并通过风电场主变压器接入110kV电力系统，主变压器的容量为100MVA，电压比和漏抗分别为35/115kV和0.1pu；
永磁发电机的参数为：
单台额定容量为5.2MVA，额定电压为0.69kV，额定频率为30Hz，定子电阻和漏抗分别为0.01pu、0.04pu，转子d轴阻抗为0.055+j0.60 pu，q轴阻抗为0.183+1.175pu，撬棒电路额定功率为6MW，启动电压为1.1pu。
请参阅图2，子模块为10个，子模块电容为25mF，联结电抗为200μF。输电系统发生单极接地故障，采用如图3所示的附加控制策略，以STATCOM并网变压器低压侧AC相为例，选取STATCOM变流器A相子模块T1和T3和C相子模块T2短时导通，向风电场母线注入低电流，低电流注入策略如图3(a)所示，为电容放电过程；注入策略去使能时，关断A相子模块T1和T3，C相子模块T2依然短时导通，注入策略如图3(a)所示，此时为电容充电过程。由于变压器线路侧短路，直流侧电容放电等效电路拓扑示意图如图4所示，Ceq为等效子模块电容，Req为回路等效电阻，主要为IGBT通态电阻和变压器铜损耗，Ltr为变压器电抗，L为STATCOM联结电抗，icap为电容电流，udc为桥臂子模块电容电压之和，由图可知，子模块电容的放电过程符合二阶电路的零输入响应，三相自适应重合闸方案如图5所示，线路长度100km，采样频率为50kHz，保护测点在MMC1和MMC2出口处。
仿真验证：
以图1所示含STATCOM风电场并网模型进行电磁暂态仿真计算以验证本发明提出的含STATCOM风电场110kV单回送出线主动探测式三相重合闸方法的性能。
首先，为了验证保护算法的有效性，在送出线50km处仿真不同类型的金属性故障，以AC相注入为例，单次注入的电流相关系数计算结果如表1所示。
表1不同故障类型下的电流相关系数结果
Figure BDA0002301017920000101
由表可知，由于线路侧AB相感应电压幅值记性相同，本发明提出的单次注入法在AB相间故障存在检测盲区，需要配合第二次不同相注入低电流消除盲区，而其他故障类型下，始终存在故障相的电流相关系数远小于整定值，即判定为故障存在。
相同故障距离下，金属性故障时注入电流幅值最大，而经过渡电阻故障的注入电流畸变程度将变小，以A相故障为例，故障距离为50km，在经不同的过渡电阻发生永久性故障时，线路注入电流的仿真如图6所示。
表2不同故障距离下的电流积分结果
Figure BDA0002301017920000111
Figure BDA0002301017920000121
为了验证自适应重合闸方案在不同过渡电阻下的灵敏度，给出不同故障距离和过渡电阻Rfault下保护算法计算结果，如表2所示。
综上所述，提出的含STATCOM风电场110kV单回送出线主动探测式三相重合闸方法有效。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.风电场110kV单回送出线主动式三相重合闸方法，其特征在于，在线路故障跳闸后，闭合STATCOM并网断路器和线路靠近风电场侧断路器，根据预设附加控制策略控制STATCOM全桥子模块电容的投切将预先选取的特征信号注入故障线路；所述特征信号为根据信号注入的持续时间和电力电子器件的耐受能力选取的最大电流幅值；所述持续时间为以送出线近端出口三相故障进行整定得到；根据预先确定的特征信号在不同故障类型的传播特性差异实现故障线路的故障性质判别，当判断为故障持续存在，输电线路不重合闸，当判断为故障消失，换流器重合闸。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在线路故障跳闸后，电弧去游离时间为200～300ms，在线路跳闸后200～300ms利用通信解锁STATCOM变流器向送出线注入低电流，向故障线路注入特征信号，注入间隔为30～70ms。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述特征信号在不同故障类型的传播特性差异的确定过程，包括：
将线路为永久性故障时的电路拓扑与线路为瞬时性故障时的电路拓扑进行比较；
根据比较结果确定特征信号在不同故障类型的传播特性差异。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，附加控制策略启动后，由AC相注入，依据相关系数法判别故障，若线路故障为瞬时性故障时，输电线路处于开路状态，整定值ρset根据线路末端高阻故障时
Figure FDA0002301017910000011
的特征并考虑裕度选取；若
Figure FDA0002301017910000012
则判定为故障消失，反之，则判定为故障存在。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，若判断故障存在且判断次数小于设定值nset，则继续从AC相注入低电流；若判断故障存在且判断次数大于nset，断路器BRK1跳开并结束判断。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，若判断故障不存在，从不同的两相组合进行注入操作辅助判断，若此次判为故障未消失且判断次数大于nset，则判断故障存在；
若判为故障未消失且判断次数小于nset，则继续注入低电流，若判断为故障消失，则断路器BRK2合闸，风机主断路器合闸，随后风电场恢复功率传输。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，若判断故障不存在，注入次数为2次。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，判断依据如下：
Figure FDA0002301017910000021
其中，
Figure FDA0002301017910000022
为相关系数，范围为[0，1]，ΔT为数据时长，Ts为采样间隔，
Figure FDA0002301017910000023
为送出线相电流，
Figure FDA0002301017910000024
为送出线故障消失时的注入电流基准。
9.一种风电场110kV单回送出线主动式三相重合闸系统，其特征在于，包括：
检测模块，选取特征信号，检测装置和电力电子器件的耐受能力，注入电流幅值，低电流注入回路包含IGBT和电容器器件，注入策略的持续时间以110kV送出线近端出口三相故障进行整定；
控制模块，在线路故障跳闸后，闭合STATCOM并网断路器和线路靠近风电场侧断路器，启动附加控制策略，通过控制STATCOM全桥子模块电容的投切实现特征信号注入；
故障判断模块，利用特征信号在故障线路和健全线路的传播特性差异实现故障线路的故障性质判别，当判断为故障持续存在，输电线路不重合闸，当判断为故障消失，换流器重合闸。
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