基于暂态高频能量的直驱风场汇集线路保护_孔祥敏.pdf

第51 卷 第4 期 电力系统保护与控制 Vol.51 No.4 2023年2月16日 Power System Protection and Control Feb.16,2023 DOI:10.19783/ki.pspc.221033 基于暂态高频能量的直驱风场汇集线路保护 孔祥敏1,刘丽花1,张亮红1,赵文越2,马 静2(1.国网山西省电力公司经济技术研究院，山西 太原 030024；2.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206)摘要：针对直驱风场汇集线路故障难以识别的问题，提出了一种基于暂态高频能量的直驱风场汇集线路保护方法。首先，基于风机变流器控制系统与电气参数影响，结合元件在高频区段的暂态特性，建立由感性阻抗构成的风场汇集线路暂态高频模型。在此基础上，建立区内外故障下的暂态高频网络，根据不同故障场景与保护安装处暂态高频能量的匹配特性，构建基于暂态高频能量方向差异的保护判据。最后，在 RT-LAB 仿真平台验证了所提方法在各种故障情况下，均能正确识别区内外故障，故障识别不受同步误差影响，耐过渡电阻能力强。关键词：直驱风场；控制策略；汇集线路；暂态能量；方向保护 Protection of a direct-driven wind farm collection line based on transient high-frequency energy KONG Xiangmin1,LIU Lihua1,ZHANG Lianghong1,ZHAO Wenyue2,MA Jing2(1.Economic and Electrical Research Institute of Shanxi Electrical Power Company of SGCC,Taiyuan 030024,China;2.School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)Abstract:It is difficult to identify a fault on a direct-driven wind farm collection line.Thus a protection of the line based on transient high-frequency energy is proposed.First,considering the converter control strategy,the electrical parameters and component transient characteristics in the high-frequency section,a wind farm collection line transient high-frequency model composed of inductive impedance is established.Then a transient high-frequency network of internal or external faults is established.According to the matching degree of different fault cases and transient high frequency energy at the protection installation site,a protection criterion is constructed using the difference of transient high-frequency energy direction.Finally,an RT-LAB simulation platform verifies that this method can correctly identify the internal or external faults under various fault conditions.The fault identification is not affected by synchronization error,and has strong resistance to transition resistance.This work is supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51822703).Key words:direct-driven wind farm;control strategy;collection line;transient energy;directional protection 0 引言 继电保护是电网安全运行的第一道防线1-2。大规模风电通过电力电子设备并入电网3，风电机组代替传统同步电源成为产生故障电流的新主力，其短路电流暂态过程由单纯的电磁物理约束，转变为电磁物理与非线性受控的双重约束，故障暂态过程与风机变流器控制策略及其参数密切相关，短路电流幅值受电力电子设备过流耐受能力限制而降低4-6。因此，研究风电场经线路送出的保护方法对实际系统安全运行具有重要的实际意义。基金项目：国家自然科学基金项目资助(51822703)根据用于判据构造的电气量为频域量还是时域量，将现有风电送出线路纵联保护分为基于时域量的线路纵联保护和基于频域量的线路纵联保护7-8。基于时域量的纵联保护指根据线路保护安装处采集的时域电气量信息，利用模型参数识别或波形特征等方法构造保护判据9-11。基于频域量的纵联保护指根据线路保护安装处采集的频域电气量信息，利用傅里叶变换、小波变换等方法构造保护判据12-15。上述研究多集中于风电场送出线路保护，对大规模风电场经汇集线路送出的保护研究较为匮乏。针对上述问题，本文提出了一种基于暂态高频能量的直驱风场汇集线路保护方法。首先，基于风机变流器控制系统与电气参数影响，考虑系统各元-94-电力系统保护与控制 件的阻抗特性，建立由感性阻抗构成的风场汇集线路暂态高频模型。在此基础上，建立区内外故障下的暂态高频网络，推导汇集线路保护安装处及各风机端口的暂态高频能量。进一步，利用故障暂态网络中暂态高频能量方向的差异性，构造保护判据。最后，在 RT-LAB 仿真平台验证了本方法在各种故障情况下，均能正确识别区内外故障，无需信息同步交互，且耐过渡电阻能力强。1 直驱风场汇集线路暂态高频模型构造 1.1 直驱风电机组暂态模型 永磁直驱风电机组并网系统如图 1 所示，永磁直驱风电机组由风力机、永磁同步发电机和全功率变流器组成。其中，风力机捕获风能带动发电机转动，将风能转化为电能。永磁同步发电机(permanent magnet synchronous generator,PMSG)采用永磁体励磁，定子上无励磁线圈绕组，铜损耗低、发电效率高，连接机侧变流器，将发电机发出的功率传送至网侧系统。全功率变流器通过直流环节将机侧变流器 RSC 与网侧变流器 GSC 解耦，且直流母线电容足够大，机侧系统动态变化影响较小，将其简化为恒功率源16。图 1 永磁直驱风电机组并网系统图 Fig.1 Grid connection system diagram of PMSG dq 同步旋转坐标系下网侧变流器电压方程为 ggggsg gggggsg g()()ddqdqqdquRsL iL ieuRsL iL ie=+-+|=+|(1)式中：gdu、gqu、gdi、gqi 分别为网侧变流器端口电压、电流dq 轴分量；gR、gL 分别为网侧变流器进线电抗器的等效电阻、电感；de、qe分别为风电机组端口电压dq 轴电压；s为电网角速度。直驱风电机组网侧变流器控制结构如图 2 所示17-18，工程上一般采用定直流电压和定无功功率控制，稳定直流电压，控制输入功率因数，并将有功功率即时传递至电网。网侧变流器控制系统的派克变换采用锁相环(phase-locked loop,PLL)输出的角度，锁相环跟踪 PCC 点电压的相角以实现风电机组同步并网的外环控制和有功无功电流内环控制，PLL 控制框图如图 3 所示。风电机组稳态运行情况下，dq 坐标系下的控制方程为 图 2 网侧变流器控制框图 Fig.2 Control block diagram of GSC 图 3 PLL 控制框图 Fig.3 Control block diagram of PLL ggpgiggsg gggpgiggsg g()()()()dddqdqqqdquKKs iiL ieuKKs iiL ie*=+-+|=+-+(2)式中：*gdi、*gqi分别为稳态运行情况下dq轴电流参考值；gpK、giK分别为电流内环 PI 调节器比例、积分系数。联立式(1)、式(2)，坐标变换到三相静止坐标系上19，可得频域形式下直驱风电机组输出稳态电流为 gigpsgabcggigsggpsjj()jpppKKiiKRLK*-=+-+-(3)式中，p为p次谐波角速度。电网发生故障后，由于电网拓扑结构变化导致并网点电压幅值与相位突变，锁相环坐标轴不能立刻跟上并网点电压坐标变换20。因此，考虑故障后锁相环动态特性，锁相环检测相位与实际端电压相位存在误差pll。ipllpllppll1()qKKess=+(4)sppllpllsppllpllcossinsincosddqqxxxx=|-(5)pllupll=-(6)式中：pll为锁相环输出电角度；ppllK、ipllK分别为锁相环PI控制比例、积分系数；sdx、sqx分别为电 孔祥敏，等 基于暂态高频能量的直驱风场汇集线路保护 -95-网坐标系下dq轴参量；pdx、pqx分别为锁相环坐标系下dq轴参量；u为电网电角度。电网故障后网侧变流器矢量控制方程为 ggpgiggpllg gggpgiggpllg g()()()()dddqdqqqdquKKs iiL ieuKKs iiL ie*=+-+|=+-+|(7)式中：dug、qug、dig、qig分别为故障后网侧变流器电压、电流dq轴分量；de、qe 分别为故障后风机端口dq轴电压；di*g、qi*g分别为故障后dq轴电流参考值；pll为故障后锁相环输出角速度。联立式(1)、式(4)式(7)，坐标变换到三相静止坐标系上，可得频域形式下直驱风电机组短路电流21为 gabcwgabcsabciY eI=+(8)其中 ipllsppllusssipllsppllusswgigpgsgs3sug2sssppllipll11(1j)1j(j)j11j(j)jjj()()()(j()ppppppppppKE KKE KYKKRLLEKK+-+|-+|-=-+-|-|-|-+gigpgs3su2sssppllipllsabcgigpgsgs3sug2sssppllipllj()()()j()(j()jj()()()(j()dqpppppppppKKiEKKIKKRLLEKK*-|-|-+=-+-|-|-|-+式中：sE为故障后风机端口稳态电压幅值；gabce为故障后风机端口并网点三相电压；wY为故障后风电机组等效导纳；sabcI为故障后风电机组等效电流源。构造风电机组输出电流故障暂态模型为 gabcgabcgabcwgabcwiiiY eI=-=+(9)式中，wsabcgabcIIi=-。1.2 直驱风场暂态高频模型 依据风电机组连接个数，风场连接方式分为专线送出和多点T接送出。专线送出仅连接单台风机，多点T接送出连接多台风机，即链形接线连接方式。本文以风电场采用链形接线为例进行说明：风机与箱变采用一机一变的方式连接，一定数量的风电机组连接到一条汇集线路上，整个风电场由若干串汇集线构成22。在同一条汇集