CN116154739A - 一种风电场集电线路单相接地故障点电压完全抑制方法 - Google Patents

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CN116154739A CN202310207353.8A CN202310207353A CN116154739A CN 116154739 A CN116154739 A CN 116154739A CN 202310207353 A CN202310207353 A CN 202310207353A CN 116154739 A CN116154739 A CN 116154739A
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喻锟
杨理斌
曾祥君
王沾
王盛
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Abstract

本发明公开了一种风电场集电线路单相接地故障点电压完全抑制方法，当风电场的集电线路发生单相接地故障后，首先向风电场接地变压器引出的中性点注入测量电流信号；然后测算风电场的正序电路等值电势和可使故障点电压为0的抑制电流值；最后，向风电场接地变压器引出的中性点注入计算得到的抑制电流，将集电线路故障点电压抑制为零，实现接地故障可靠消弧。本发明通过向集电系统注入抑制电流，有效消除了风电机组容量、故障点位置以及三相对地参数不对称对消弧的影响，将中性点电压提升至风电场正序电路等值电势，在抑制系统侧电源产生的故障电流分量的基础上，进一步补偿风机集群输出至接地点的故障电流分量，使故障点电压能够被完全抑制到零。

Description

一种风电场集电线路单相接地故障点电压完全抑制方法
技术领域
本发明涉及风电场的集电线路单相接地故障处理技术领域，特别涉及一种风电场集电线路单相接地故障点电压完全抑制方法。
背景技术
煤炭、石油、天然气等不可再生能源的过度开采和使用造成严重的环境污染，威胁世界的可持续发展。为破除能源危机，有必要把新能源和清洁能源发展放在更加突出的位置。随着我国逐步完善的新能源全产业链，风电开发成本不断下降，风电已进入平价上网新阶段，这将促使风电得到进一步的快速发展。我国风力发电多为集中式风电场，大型风电场中分区分布多个风电集群，各集群所发电能通过相应集电线路传输至集电母线后经主变送入大电网。风电场多建设于山口、峡谷、高原等较高风速的地区，受风电场运行环境影响，单相接地故障特别是弧光接地故障频发，对风电场安全稳定运行存在较大影响。风电大规模并网导致线路接地故障特征发生深刻变化，其在集电线路故障条件下的输出电流将不容忽视，因此有必要针对集电线路单相接地故障消弧技术开展研究，及时消除接地故障弧光，防止事故扩大化导致风机大规模脱网。
目前风电场集电线路接地故障消弧，一般采用常规配电网以及风电场通用的，也就是电力系统都可以用的消弧方法：1、一种传统的使用消弧线圈消弧的方法，通过消弧线圈补偿电容电流，在故障电流过零熄弧后，使故障点绝缘介质恢复速度快于故障电压恢复速度，从而阻止电弧重燃。但消弧线圈对故障有功分量及谐波分量无能为力，消弧能力有限。且随着风电场整体规模扩增与集电线路电缆占比增加，集电系统电容电流急剧增大，间歇性故障电弧难以自然熄弧，甚至会发展为相间故障，扩大事故的影响范围。2、接地故障相转移技术，该项技术通过在站内设置故障接地旁路，将故障相电压钳制到零，以实现故障消弧。但消弧过程中电压调控缺乏灵活性，对系统有一定冲击，在选相错误情况下将引发相间故障。
目前普通中压配电网较新的主动消弧方法的零序电流控制有两种策略：一是通过可控电流源注入零序电流
Figure BDA0004111417220000011
(式中：λ是故障相，可为A、B或C相)；二是以故障相电压为反馈量，通过可控电流源注入零序电流控制零序电压/>
Figure BDA0004111417220000012
使故障相首端电压为0。以上两种策略的注入电流/>
Figure BDA0004111417220000014
大小及其控制目标是固定的，均是以控制故障相首端电压/>
Figure BDA0004111417220000013
为目标。
风电场与中压配电网虽同属于中压系统，但集电线路末端连接有容量较大的风机集群，风机集群输出电流会分流至接地故障支路，根据分析可知，普通配电网消弧方法补偿后，接地故障电流为:
Figure BDA0004111417220000021
因此普通配电网主动消弧方法无法全补偿该故障电流，故无法适用于风电场集电线路消弧。
综上所述，现有的消弧方法皆存在一定的局限性，如：无法实现故障点电压、电流的完全抑制，依赖于故障选相技术。同时，上述方法均未考虑风电场特殊场景下的风电机组容量、故障点位置以及三相对地参数不对称等因素对消弧的影响，无法实现可靠消弧。
发明内容
为了解决目前风电场集电线路接地故障消弧方法无法实现可靠消弧的技术问题，本发明提供一种风电场集电线路单相接地故障点电压完全抑制方法，能够实现风电场集电线路接地故障点电压的完全抑制，且可靠性强。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种风电场集电线路单相接地故障点电压完全抑制方法，当风电场有集电线路发生单相接地故障后，
首先向风电场接地变压器引出的中性点注入测量电流信号；
然后测算风电场的正序电路等值电势，进而计算可使故障点电压为0的抑制电流值：
风电场的正序电路等值电势的测算公式为：
Figure BDA0004111417220000022
其中，
Figure BDA0004111417220000023
为风电场的正序电路等值电势，/>
Figure BDA0004111417220000024
为风电场集电系统的固有零序电流，
Figure BDA0004111417220000025
为故障后的零序电压自然偏移量，/>
Figure BDA0004111417220000026
为注入测量电流信号/>
Figure BDA0004111417220000027
后监测到的零序电压偏移量，Y0为风电场集电系统的对地零序导纳；/>
Figure BDA0004111417220000028
为可使故障点电压为0的抑制电流；
最后，向风电场接地变压器引出的中性点注入该计算得到的抑制电流。
进一步地，注入的测量电流信号
Figure BDA0004111417220000029
为：/>
Figure BDA00041114172200000210
α为比例系数，/>
Figure BDA00041114172200000211
取接地变压器的一次绕组中的某相电势，该相是指单相接地故障发生后集电母线电压最低的相。
进一步地，集电线路发生单相接地故障的判断方法为：实时监测风电场零序电压和零序电压变化量，当零序电压或零序电压变化量超过各自的预设阈值时，则判断集电线路发生单相接地故障。
进一步地，风电场零序电压的监测方法为：在风电场集电母线连接接地变压器，引出中性点，由电压互感器测量中性点电压获得风电场零序电压。
进一步地，通过电子可控电流源向中性点注入零序电流，所述电流源的幅值和相位均可控。
进一步地，0.15。
有益效果
普通中压配电网主动消弧方法，只需考虑系统侧电源产生的接地故障电流，所以仅通过零序网络对接地故障电流进行分析，认为控制故障相母线电压为0即可实现故障消弧。但本发明虽然与中压配电网同属于中压系统，由于风电场集电线路末端连接有容量较大的风机集群，因此不能忽略风机并网改变的正、负序网络参数信息。
本发明通过电力电子可控电流源向中性点注入测量电流信号，测算风电场正序电路等值电势，考虑了风电机组容量、故障点位置以及三相对地参数不对称对消弧的影响，精确地测算出风电场正序电路等值电势，从而计算得到将接地故障点电压完全抑制的电流值，注入的抑制电流可在数个周波内将中性点电压提升至风电场正序电路等值电势，在抑制系统侧电源产生的故障电流分量的基础上，进一步补偿风机集群输出至接地点的故障电流分量，使故障点电压能够被完全抑制到零，将线路故障点电压主动抑制到零，从根本上防止故障电弧重燃，实现单相接地故障快速可靠消弧，且不影响风电场集电系统线电压，可保持风机正常工作。
附图说明
图1为风电场零序电压柔性调控原理图；
图2为风电场正序等效电路
图3为风电场负序等效电路；
图4为柔性接地风电场集电线路接地故障复合序网；
图5为本发明实施例所述方法示意图；
图6为不同运行工况下的风电场集电线路接地故障消弧波形。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。
本实施例的基本工作原理如下：针对目前风电场集电线路接地故障消弧方法无法实现可靠消弧的技术问题，本发明提出了一种风电场集电线路单相接地故障点电压完全抑制方法，该方法通过电力电子可控电流源向中性点注入测量电流信号，测算风电场正序电路等值电势，考虑了风电机组容量、故障点位置以及三相对地参数不对称对消弧的影响，计算出将集电线路故障点电压抑制为零，实现故障可靠消弧的抑制电流值。该方法能够实现风电场集电线路接地故障点电压的完全抑制，且可靠性强，具有十分长远的发展前景。
本实施例风电场零序电压柔性调控原理图如图1所示，图中
Figure BDA0004111417220000041
分别为风电场主变低压侧三相绕组电势，/>
Figure BDA0004111417220000042
分别为集电母线三相对地电压；c0、g0为集电线路每相对地电容和对地泄漏电导；rL、xL为集电线路每相电阻和电抗；α为集电母线至故障点距离占线路总长度的比值；Rf为接地故障电阻；YN为风电场中性点对地导纳。令/>
Figure BDA0004111417220000043
Figure BDA0004111417220000044
为接地变压器一次绕组三相电势，有/>
Figure BDA0004111417220000045
根据集电母线电压、中性点零序电压/>
Figure BDA0004111417220000046
与接地变压器一次绕组电势的相量关系，有：
Figure BDA0004111417220000047
可控电流源通过风电场接地变引出的中性点N向系统注入幅值、相位可调的零序电流/>
Figure BDA0004111417220000048
实现系统零序电压的柔性调控。
根据图1所示的风电场零序电压柔性调控原理图，结合dq轴旋转坐标系下DFIG定、转子电压与磁链方程以及转子侧变流器控制结构，得到风电场正序等效电路、风电场负序等效电路分别如图2、图3所示，图中：ZD(1)为双馈风机(DFIG)的正序等值阻抗，
Figure BDA0004111417220000049
为DFIG正序电流源，ZD(2)为DFIG负序等值阻抗。根据单相接地故障边界条件，将风电场正序、负序等效阻抗与零序对地支路相串联，得到中性点柔性接地风电场集电线路接地故障复合序网如图4所示。图中/>
Figure BDA00041114172200000410
为从故障点看进去的风电场正序电路等值电势，Z(1)为从故障点看进去的风电场正序电路等值阻抗，/>
Figure BDA00041114172200000411
为故障点零序电流，系统对地零序导纳Y0＝YN+Y0A+Y0B+Y0C，系统固有零序电流/>
Figure BDA00041114172200000412
对柔性接地风电场接地故障复合序网列基尔霍夫电流方程，得到风电场三序量函数关系如式(3)所示。
Figure BDA00041114172200000413
不妨假设故障后的中性点电压自然偏移量为
Figure BDA00041114172200000414
通过首次向中性点注入零序电流
Figure BDA00041114172200000415
中性点电压偏移量变化为/>
Figure BDA0004111417220000051
联立两种状态下的风电场三序量函数关系式，可得正序电路等值电势/>
Figure BDA0004111417220000052
的表达式：
Figure BDA0004111417220000053
根据式(3)可进一步得到中性点电压
Figure BDA0004111417220000054
与注入电流/>
Figure BDA0004111417220000055
的关系为：
Figure BDA0004111417220000056
对复合序网列基尔霍夫电压方程得到接地故障电流
Figure BDA0004111417220000057
与故障点电压/>
Figure BDA0004111417220000058
中性点电压/>
Figure BDA0004111417220000059
以及正序电路等值电势/>
Figure BDA00041114172200000510
的关系为：
Figure BDA00041114172200000511
由式(5)、(6)可知，当注入电流
Figure BDA00041114172200000512
时，中性点零序电压/>
Figure BDA00041114172200000513
则可使得故障电流、电压均为零，通过注入电流控制中性点零序电压等于风电场正序电路等值电势，实现了故障点电压的完全抑制，可靠消除单相接地故障电弧。
基于上述使故障点电压为0的电压完全抑制原理，本实施例提供一种风电场集电线路单相接地故障点电压完全抑制方法，参考图5所示，包括：
步骤1，在风电场集电母线连接接地变压器，引出中性点，由电压互感器实时测量中性点电压获得风电场零序电压，进而实时监测风电场零序电压和零序电压变化量，当零序电压或零序电压变化量超过各自的预设阈值时，则判断有集电线路发生单相接地故障。
零序电压变化量指的是上一个周波的零序电压相对于下一个周波的零序电压的变化。
步骤2，当风电场有集电线路发生单相接地故障后，向风电场接地变压器引出的中性点首次注入测量电流信号；本实施例可通过电子可控电流源向中性点注入零序电流，所述可控电流源的幅值和相位均可控。
首次注入的预设零序电流
Figure BDA00041114172200000514
为：/>
Figure BDA00041114172200000515
取接地变压器的一次绕组中的某相电势，该相是指单相接地故障发生后集电母线电压最低的相。
步骤3，测算风电场的正序电路等值电势，进而计算可使故障点电压的抑制电流值。
其中，风电场的正序电路等值电势的测算公式为：
Figure BDA0004111417220000061
其中，
Figure BDA0004111417220000062
为风电场的正序电路等值电势，/>
Figure BDA0004111417220000063
为风电场集电系统的固有零序电流，
Figure BDA0004111417220000064
为故障后的零序电压自然偏移量，/>
Figure BDA0004111417220000065
为注入测量电流信号/>
Figure BDA0004111417220000066
后监测到的零序电压偏移量，Y0为风电场集电系统的对地零序导纳。
由于考虑了三相对地参数不对称产生的中性点不平衡电压的影响，因此可以精确地计算出正序电路等值电势
Figure BDA0004111417220000067
可使故障点电压为0的抑制电流计算公式为：
Figure BDA0004111417220000068
其中，
Figure BDA0004111417220000069
为可使故障电流为0的抑制电流。根据抑制电流值的计算公式可知，零序补偿电流值充分考虑了风电机组容量、故障点位置以及三相对地参数不对称对消弧的影响。
相对于普通配电网消弧方法注入电流固定，不随故障点位置的改变而变化，本发明由于要考虑风机集群容量和故障点位置，因此需要先注入一个测量电流信号，以完成对正序电路等值电势和相应抑制电流的计算。
本发明方法综合考虑了系统零序电压与系统正、负序网络参数对故障消弧的影响，并通过理论分析推导得到，实现消弧的注入电流
Figure BDA00041114172200000610
与故障位置以及风机集群的输出电流是密切相关的，随着故障位置以及风机集群的输出电流不同，实现可靠消弧与故障电流完全补偿的注入电流/>
Figure BDA00041114172200000611
是动态变化的。本发明根据风电场正、负序等效电路首次建立了中性点柔性接地风电场集电线路接地故障复合序网，从故障点的角度对故障点电压、接地故障电流进行分析，首先测算得到风电场正序电路等值电势/>
Figure BDA00041114172200000612
再根据/>
Figure BDA00041114172200000613
的大小，注入电流
Figure BDA00041114172200000614
将故障点电压抑制为零，实现故障电流完全补偿。从注入电流/>
Figure BDA00041114172200000615
的公式可知，其大小并非固定不变的，随着风电场正序电路等值电势/>
Figure BDA00041114172200000616
的变化(受故障位置以及风机集群的输出电流影响)，注入电流/>
Figure BDA0004111417220000071
也随之改变，以适应不同故障位置的风电场集电线路消弧。
其次，本发明针对普通中压配电网主动消弧方法未计及运行环境、线路不换位及线路电磁耦合设备安装不对称等因素导致的中性点不平衡电压对消弧的影响，将系统固有零序电流
Figure BDA0004111417220000072
并入风电场集电线路接地故障复合序网，考虑了中性点不平衡电压对消弧的影响，不仅避免了不平衡电压对求取风电场正序电路等值电势/>
Figure BDA0004111417220000073
的影响，还通过注入电流
Figure BDA0004111417220000074
中的/>
Figure BDA0004111417220000075
电流分量，补偿了风电场集电系统的不平衡电流，实现了将中性点电压提升至/>
Figure BDA0004111417220000076
的目标，从而实现了接地故障电流的完全抑制。
仿真验证：
在PSCAD/EMTDC仿真环境中搭建如图1所示，取线路阻尼率为4％，消弧线圈过补偿9％，为表征实际中压系统中普遍存在的三相不平衡现象，在集电线路对地参数中设置一定不对称度，针对不同中性点接地方式下的集电系统，在集电线路距离集电母线15km处设置C相接地故障，故障过渡电阻分别设置为50Ω、1000Ω。故障发生时间为0.05s，故障发生后5个周波时注入抑制进行故障点电压的完全抑制。不同系统运行与故障工况下的故障抑制效果如图6所示，其中(a)为中性点经消弧线圈接地风电场过渡电阻50Ω弧光接地故障波形，(b)为中性点经消弧线圈接地风电场过渡电阻1000Ω单相接地故障波形，(c)为中性点不接地风电场过渡电阻50Ω单相接地故障波形，(d)为中性点不接地风电场过渡电阻1000Ω单相接地故障波形。
以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种风电场集电线路单相接地故障点电压完全抑制方法，其特征在于，当风电场有集电线路发生单相接地故障后，
首先向风电场接地变压器引出的中性点注入测量电流信号；
然后测算风电场的正序电路等值电势，进而计算可使故障点电压为0的抑制电流值：
风电场的正序电路等值电势的测算公式为：
Figure FDA0004111417210000011
其中，
Figure FDA0004111417210000012
为风电场的正序电路等值电势，/>
Figure FDA0004111417210000013
为风电场集电系统的固有零序电流，/>
Figure FDA0004111417210000014
为故障后的零序电压自然偏移量，/>
Figure FDA0004111417210000015
为注入测量电流信号/>
Figure FDA0004111417210000016
后监测到的零序电压偏移量，Y0为风电场集电系统的对地零序导纳；/>
Figure FDA0004111417210000017
为可使故障点电压为0的抑制电流；
最后，向风电场接地变压器引出的中性点注入该计算得到的抑制电流。
2.根据权利要求1所述的风电场集电线路单相接地故障点电压完全抑制方法，其特征在于，注入的测量电流信号
Figure FDA0004111417210000018
为：/>
Figure FDA0004111417210000019
α为比例系数，/>
Figure FDA00041114172100000110
取接地变压器的一次绕组中的某相电势，该相是指单相接地故障发生后集电母线电压最低的相。
3.根据权利要求1所述的风电场集电线路单相接地故障点电压完全抑制方法，其特征在于，集电线路发生单相接地故障的判断方法为：实时监测风电场零序电压和零序电压变化量，当零序电压或零序电压变化量超过各自的预设阈值时，则判断集电线路发生单相接地故障。
4.根据权利要求3所述的风电场集电线路单相接地故障点电压完全抑制方法，其特征在于，风电场零序电压的监测方法为：在风电场集电母线连接接地变压器，引出中性点，由电压互感器测量中性点电压获得风电场零序电压。
5.根据权利要求1所述的风电场集电线路单相接地故障点电压完全抑制方法，其特征在于，通过电子可控电流源向中性点注入零序电流，所述电流源的幅值和相位均可控。
6.根据权利要求1所述的风电场集电线路单相接地故障点电压完全抑制方法，其特征在于，α≤0.15。
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