风电接入对并网线路选相元件的影响分析_张阔.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期135文章编号：2095-6835（2023）13-0135-03风电接入对并网线路选相元件的影响分析张 阔，李健飞，薛 涵（国网天津滨海供电公司，天津 300450）摘要：新型电力系统的构建促进了中国电源侧结构转型，风电、光伏等新能源的大规模并网将对交流系统继电保护产生巨大挑战。以并网线路相间电流突变量选相元件为例，详细分析了新能源并网对线路选相元件的影响。分析结果表明，故障过程中由于风机控制策略不断变化，风机正、负序等值阻抗差异较大，故障电流正、负序分支系数相角差较大，可能导致并网线路（新能源侧）发生误选相，系统侧仍能可靠正确选相。关键词：新能源；并网；继电保护；选相元件中图分类号：TM614文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.13.040中国 2020 年提出“碳达峰、碳中和”和“构建以新能源为主体的新型电力系统”的战略目标，在此背景下，以风电、光伏为代表的新能源得到迅速发展，未来新能源将成为电力系统的主力电源，电力系统的电源结构将发生根本性变革。1研究背景与同步机不同，新能源的形态结构、控制模型和运行特性均发生了显著变化，由于大量控制策略的引入，高比例新能源并网后交流系统故障特性发生显著变化，传统依赖工频量的继电保护性能受到全面的挑战。目前相关研究已全面展开，但大部分研究均集中于新能源接入后故障特性研究及对继电保护动作性能的影响分析。其中，文献1-6详细分析了新能源并网对继电保护的影响，指出风电场并网对继电保护产生一定的影响，需要加强保护领域的网源协调，从继电保护参数、调度管理关系等方面加强对新能源并网继电保护系统的管理。在故障特性研究方面，文献7详细分析了新能源并网线路故障特性，指出故障期间短路电流相角变化较大，提出了斯皮尔曼相关系数的并网线路保护原理；文献8详细分析了新能源、直流等电力电子装置故障特性，针对差动保护灵敏度下降的问题，提出了一种基于波形相似度的新型保护原理；文献9分析了新能源等逆变型电源并网故障特性，提出了故障电流幅值受限、相角受控的故障特征；文献10系统性分析了风电场接入短路电流特性，以及对继电保护定值等参数的影响，并提出了系统性解决方案；文献11基于电流回代方法给出了新能源并网线路故障电流暂态特性表达式，为继电保护定值整定等奠定了基础。在新型保护原理方面，文献12提出了一种基于结构相似度与平方误差的新型纵联保护原理；文献13针对新能源接入线路差动保护灵敏度下降的问题，提出了一种基于幅值比的改进型纵联差动保护。综上所述，目前的研究大部分集中于新能源接入后电流故障特性的研究，以及对现有保护原理的影响，但对于保护的选相元件研究分析较少。本文以风电并网线路为例，详细分析了风电并网后对基于相电流差突变量选相元件的影响，研究结果指出，由于风电故障过程中风电场侧等值阻抗变动较大，正、负序阻抗不再相等，导致并网线路风场侧选相元件可能误选相，但系统侧选相元件受影响较小，根据此结果提出了相关建议。2选相元件适应性分析2.1相电流差突变量选相原理继电保护选相元件一般采用相电流差突变量选相。该选相元件利用两相电流差突变量的幅值特征进行故障选相，具体原理如下。用CABCABIII?、分别表示保护安装处两相电流差突变量，其中：|-=-=-=ACCACBBCBAABIIIIIIIII?（1）式中：CBAIII?、分别为流过保护安装处的三相电流。由对称分量法可得：|-+-=-+-=-+-=fa222fa11CAfa222fa112BCfa22fa112AB1111ICaICaIICaaICaaIICaICaI?）（）（）（）（）（）（2）式中：a=ej120；C1和 C2为短路电流正序、负序分量的分布系数。科技与创新Science and Technology&Innovation1362023 年 第 13 期对于传统的同步系统，各元件参数的正、负序阻抗可认为相等，因而正、负序电流分布系数 C1=C2。利用不同故障类型时短路电流正序幅值fa1I?和负序幅值fa2I?的关系，可知由表征的 3 个两相电流差突变量幅值关系各不相同，能够可靠识别故障相。2.2风机并网对选相元件的影响分析对于风电并网系统，正、负序等值阻抗分别如图 1和图 2 所示。其中，N 侧为风场侧，M 侧为系统侧；ZN1、ZN2分别为风场侧正、负序等值阻抗；ZNL1、ZML1和 ZNL2、ZML2分别为并网线路短路点两侧的线路正、负序阻抗；ZM1、ZM2分别为并网系统的系统侧正、负序阻抗。图 1风电并网系统送出线故障正序阻抗序网示意图图 2风电并网系统送出线故障负序阻抗序网示意图由于联络线和外部系统各自的正、负序阻抗近似相等，且远小于风电场系统正、负序等值阻抗，因此风场侧正负、序分支系数之比为：N1N2N1NL1M1N2NL2M2ML2M2ML1M1PV21PVZZZZZZZZZZZZCC+=（3）式中：CPV1为风场侧正序分支系数；CPV2为风场侧负序分支系数。由于风电场存在大量的电力电子器件，具有相对复杂的控制策略，正常运行时一般采用定功率、定电流控制等，故障期间一般采用负序电流控制、低电压穿越控制等控制策略，相关控制策略随着并网系统的状态进行实时调节。控制策略的不断变化，造成了故障期间风电场的正、负序等值阻抗相差较大且不稳定，将导致风场侧正、负序电流分布系数波动较大，进而影响风场侧保护选相元件的动作性能。下面以 A 相接地故障为例，分析相电流差突变量选相元件在风电并网系统中的适应性。此时故障点短路电流三序分量相等，即fa0fa2fa1III?=，代入公式（2）得：|-=-=-=fa1221CAfa1212BCfa1212AB11ICaCaIICCaaIIaCCaI?（4）若当分布系数 C1=C2时，则可得：|=fa11CABCfa11AB303ICIIICI?（5）根据式（5）可知，此时CAABII?=，而非故障相电力差突变量0BC=I?，因此按选相流程可正确选为 A 相接地故障。当分布系数 C1C2时，若按选相流程仍能正确选相，则至少需要满足：|ABBCCABCIIII?（6）将式（6）代入式（4）可得：|-60arg6012CC（7）即只有当正、负序电流分布系数的相位差满足式（7）时，相电流差突变量选相元件才能正确选为 A相接地故障。由于风电场控制策略的影响，故障期间风场侧故障电流呈现幅值受限、相角受控的特征，故障电流的正、负序阻抗相角变化较大9，相角差变化也较大，当相角差超过 90时，根据式（7）可知，风场侧并网线路的相电流差突变量选相元件将选相失败。而对于系统侧，正、负序电流分布系数之比为：1N1ML1NL1M1N2NL2M2NL2N2NL1N1P2P1+=ZZZZZZZZZZZCC（8）结合式（7）和式（8）可知，系统侧相电流差突变量可以正确选相。综上所述，风电并网系统在并网线路发生故障期间，由于控制策略的影响，风场侧正、负序阻抗变化较大，呈现幅值受限、相角受控的特征，当相角差大于 90时，风场侧相电流差突变量选相元件存在选相失败的风险；而系统侧由于受同步机影响，不受电力电子装置控制，因此相电流差突变量选相元件可以正确选相。3结论新能源接入后对并网线路的选相元件存在误选相ZNL1NZN1ZML1U1ZN2MZM1NMZM2ZNL2ZML2U2Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期137的可能，进而可能导致距离保护不正确动作，因此建议新能源侧距离保护可有选择性退出。能源并网线路建议沿用光纤差动保护为主保护，但当新能源接入达到一定规模时，需要考虑差动保护灵敏度下降的风险。随着中国新型电力系统的建设，新能源占比会越来越高，电力系统双高特性凸显，基于传统工频量保护将会受到全面挑战，需要提前开展适应新型电力系统的继电保护技术方案研究。参考文献：1宋国兵，陶然，李斌，等.含大规模电力电子设备的电力系统故障分析与保护综述J.电力系统自动化，2017，41（12）：2-12.2陈国平，王德林，裘愉涛，等.继电保护面临的挑战与展望J.电力系统自动化，2017，41（16）：1-11，26.3李兴磊，文成.大规模风电接入对继电保护的影响与对策J.光源与照明，2021（5）：139-140.4赵炜.新能源并网对电网的影响及对策J.河北电力技术，2018，37（5）：25-27.5郦菊英.大规模风电接入对继电保护的影响与对策J.科技与创新，2016（21）：96.6黄振伟.福州地区风电场继电保护异常动作实例分析及防范措施J.科技与创新，2017（21）：130-131.7贾科，杨哲，魏超，等.基于斯皮尔曼等级相关系数的新能源送出线路纵联保护J.电力系统自动化，2020，44（15）：103-111.8申洪明，肖智宏，刘颖，等.电力电子化背景下交流电网保护配置方案J.电力建设，2020，41（7）：75-81.9刘素梅，毕天姝，王晓阳，等.具有不对称故障穿越能力逆变型新能源电源故障电流特性J.电力系统自动化，2016，40（3）：66-73.10李菁.风电场短路电流计算模型及其谐波特性对继电保护的影响研究D.北京：华北电力大学，2019.11贾科，杨彬，刘浅，等.基于逆变型电源暂态电流回代的系统级故障暂态解析J.电力系统自动化，2022，46（3）：113-120.12郑黎明，贾科，毕天姝，等.基于结构相似度与平方误差的新能源场站送出线路纵联保护综合判据J.电网技术，2020，44（5）：1788-1797.13贾科，杨哲，朱正轩，等.基于电流幅值比的逆变型新能源场站送出线路 T 接纵联保护J.电力自动化设备，2019，39（12）：82-88.作者简介：张阔（1986），男，硕士研究生，高级工程师，研究方向为电力系统保护与控制。李健飞（1996），男，本科，工程师，研究方向为电力系统保护与控制。薛涛（1997），男，本科，工程师，研究方向为电力系统保护与控制。（编辑：丁琳）（上接第 134 页）4结束语北京天文馆展览计算机集群管理系统的设计与实现在一定程度上改善了目前展览计算机的管理状态，提高了维护效率，提升了开放效率，降低了维护成本，对天文馆的信息化建设进程起到了推动作用。在未来的发展中，新技术还会不断与展览相结合，计算机的管理必将十分重要，本系统也为未来的展览设计工作提出了新思路。参考文献：1郭芳.设计与实现高校计算机机房管理系统J.才智，2017（26）：216-217.2郑志凌，郭李平，范明昊.Web 集群管理系统的设计与实现J.电子技术与软件工程，2016（5）：58-59.3赵蓓.图书馆计算机管理系统的总控设计与实现研究J.电子设计工程，2018，26（13）：71-74.4肖雯静.计算机远程控制系统的研究J.数字技术与应用，2018，36（11）：5-6.5李爽.刍议科技馆展品展项中计算机的管理和维护J.科技创新导报，2017，14（17）：193-194.作者简介：张枫乐（1995），男，北京人，本科，助理工程师，研究方向为展览运维设计。（编辑：张超）