风电场主变压器纵联差动保护适应性分析方法

摘要

本发明提供了一种风电场主变压器纵联差动保护适应性分析方法，所述方法包括步骤1：计算风电场的短路电流；步骤2：评估比率差动保护的适应性；步骤3：评估二次谐波制动保护的适应性；步骤4：评估差动速断保护的适应性。与现有技术相比，本发明提供的一种风电场主变压器纵联差动保护适应性分析方法，能够准确判断现有主变压器纵联差动保护的定值设置对风电场的适应性；给出二次谐波制动比、速断保护整定值、风电场短路容量比和风电机组运行频率偏移的优化与控制依据，提高风电场主变压器纵联差动保护的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种变压器差动保护分析方法，具体涉及一种风电场主变压器纵联差动保护 适应性分析方法。

背景技术

在风电容量比重较小时，电力系统保护配置和整定计算往往不考虑风电的影响，而是简 单地将风电场视为一个负荷，或将风力发电机作为同步发电机处理，不考虑其提供的短路电 流。然而，当大规模风电场接入系统后，电网发生故障时风力发电机将向短路点提供一定的 短路电流。由于风电机组自身的短路电流特性，传统继电保护在风电场中有一定的局限性。 风电接入电网后，故障的快速、正确切除已成为保证电网安全运行的重要因素。

风电的接入将会在以下两方面对传统保护动作的可靠性产生影响：

①：目前，实现双馈风电机组低电压穿越的普遍方法是在转子侧增加撬棒保护电路。配 备了撬棒保护的风电机组的短路电流特性有别于常规机组，因此风电场内保护的可靠性会受 到影响。

②：传统的主变压器纵差保护通常采用工频傅氏算法提取短路电流电压的工频分量以形 成电流电压向量，这种算法的前提是被保护元件两端的电流频率都为默认的50Hz。然而，在 风电场发生短路故障时，短路点两端的电流的主要组成部分是否为工频分量还需要具体分析。 因此，这种基于工频分量分析的传统保护在风电场中将存在一定的可靠性问题。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种风电场主变压器纵联差动保护适应性分析 方法，所述方法包括：

步骤1：计算风电场的短路电流；

步骤2：评估比率差动保护的适应性；

步骤3：评估二次谐波制动保护的适应性；

步骤4：评估差动速断保护的适应性。

优选的，所述步骤1中风电场的短路电流包括风电机组注入短路点的短路电流和电网 注入短路点的短路电路

风电机组注入短路点的短路电流的计算公式为：

${\stackrel{·}{I}}_g=(\frac{-{\stackrel{·}{I}}_{f1}}{{\stackrel{·}{I}}_{g2}}\frac{R_g}{R_g+Z_{l2}+Z_g}+1){\stackrel{·}{I}}_{g2}---\left(1\right)$

其中，所述由短路电流中的衰减直流分量，以及频率为风电机组发生故障前的转子频 率的衰减交流分量组成；

所述由短路电流中的衰减直流分量，以及频率为工频的交流分量组成；

所述R_g为短路点的过渡阻抗；

所述Z_g为电网与电压送出线之间的阻抗标幺值；

所述Z_l2为短路点与风电机组之间的电压送出线的阻抗标幺值；

电网注入短路点的短路电路的计算公式为：

${\stackrel{·}{I}}_f={\stackrel{·}{I}}_{f1}-\left(\frac{\frac{R_g}{Z_f}}{\frac{R_g}{Z_f}+\frac{Z_{l1}}{Z_f}+1}\right){\stackrel{·}{I}}_{g2}---\left(2\right)$

其中，所述Z_f为风电机组与电压送出线之间的阻抗标幺值；

所述Z_l1为短路点与电网之间的电压送出线的阻抗标幺值；

优选的，所述步骤2中用傅里叶变换算法评估比率差动保护的适应性；

优选的，所述步骤3中评估二次谐波制动保护的适应性包括：

步骤3-1：计算风电场侧与电网侧的差动电流i_op(t)；

步骤3-2：获取所述差动电流的二次谐波幅值I₂；

步骤3-3：依据二次谐波制动系数K评估二次谐波制动的适应性；

优选的，所述步骤3-1中差动电流i_op(t)的计算公式为：

i_op(t)＝i_f(t)+i_g(t)          (3)

其中，所述i_f(t)为假设风电场侧输出电流的正弦波信号，

所述i_g(t)为假设电网侧输出电流的正弦波信号，

所述ω_r为正弦波信号i_f(t)的角频率；所述ω_s为正弦波信号i_g(t)的角频率；

所述为正弦波信号i_f(t)和i_g(t)的相位；

所述A为正弦波信号i_g(t)的幅值；

所述步骤3-2中二次谐波幅值I₂的计算公式为：

所述步骤3-3中二次谐波制动系数K的计算公式为：

$K=\frac{\frac{(1-{\lambda }^2)\sin \left(\mathrm{\lambda \pi }\right)}{({\lambda }^2-4)}\sqrt{{\left(2\lambda \right)}^2+[16-{\left(2\lambda \right)}^2]{\cos }^2{\omega }_{r}t}}{\sqrt{{[2\lambda \sin \left({\omega }_{r}t\right)\sin \left(\mathrm{\lambda \pi }\right)+\mathrm{A\pi }(1-{\lambda }^2)\sin \left({\omega }_{s}t\right)]}^2+{[2\cos \left({\omega }_{r}t\right)\sin \left(\mathrm{\lambda \pi }\right)+\mathrm{A\pi }(1-{\lambda }^2)\cos \left({\omega }_{s}t\right)]}^2}}---\left(5\right)$

其中，所述λ为频率偏差率，

优选的，依据二次谐波制动系数K评估二次谐波制动的适应性包括：

判断所述二次谐波制动系数K是否达到其设定值，以确定风电场主变压器发生故障，从 而决定比率差动保护是否动作；

优选的，所述步骤4中评估差动速断保护的适应性包括：

步骤4-1：计算风电场侧与电网侧的差动电流i_op(t)的幅值A_op；

步骤4-2：分析所述幅值A_op和频率偏差率λ，评估差动速断保护的适应性：

当幅值A_op为定值时，若频率偏差率λ≈1，则差动速断保护敏感性高，若频率偏差率 λ＞＞1，则差动速断保护敏感性低。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

本发明提供的一种风电场主变压器纵联差动保护适应性分析方法，能够准确判断现有主 变压器纵联差动保护的定值设置对风电场的适应性；给出二次谐波制动比、速断保护整定值、 风电场短路容量比和风电机组运行频率偏移的优化与控制依据，提高风电场主变压器纵联差 动保护的可靠性。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1：本发明实施例中一种风电场主变压器纵联差动保护适应性分析方法流程图；

图2：本发明实施例中风电场与电网连接示意图；

图3：本发明实施例中二次谐波制动系数曲线示意图；

图4：本发明实施例中幅频特性曲线示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或 类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的 实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提出一种风电场主变压器纵联差动保护适应性分析方法，能够准确判断现有纵联 差动保护的定值设置对风电场的适应性，有助于提高风电场纵联差动保护的可靠性。

一、如图1所示，所述方法的具体步骤为：

1、计算风电场的短路电流。

包括风电机组注入短路点的短路电流和电网注入短路点的短路电路

(1)风电机组注入短路点的短路电流的计算公式为：

${\stackrel{·}{I}}_g=(\frac{-{\stackrel{·}{I}}_{f1}}{{\stackrel{·}{I}}_{g2}}\frac{R_g}{R_g+Z_{l2}+Z_g}+1){\stackrel{·}{I}}_{g2}---\left(1\right)$

其中，包括短路电流中的衰减直流分量，以及频率为风电机组发生故障前的转子频率 的衰减交流分量组成；包括短路电流中的衰减直流分量，以及频率为工频的交流分量组成； R_g为短路点的过渡阻抗；Z_g为电网与电压送出线之间的阻抗标幺值；Z_l2为短路点与风电机 组之间的电压送出线的阻抗标幺值。

本实施例中风电机组注入短路点的短路电流

(2)电网注入短路点的短路电路的计算公式为：

${\stackrel{·}{I}}_f={\stackrel{·}{I}}_{f1}-\left(\frac{\frac{R_g}{Z_f}}{\frac{R_g}{Z_f}+\frac{Z_{l1}}{Z_f}+1}\right){\stackrel{·}{I}}_{g2}---\left(2\right)$

其中，Z_f为风电机组与电压送出线之间的阻抗标幺值；Z_l1为短路点与电网之间的电压 送出线的阻抗标幺值。

本实施例中电网注入短路点的短路电路${\stackrel{·}{I}}_f={\stackrel{·}{I}}_{f1}-\left(\frac{\frac{R_g}{Z_f}}{\frac{R_g}{Z_f}+\frac{Z_{l1}}{Z_f}+1}\right){\stackrel{·}{I}}_{g2}\approx {\stackrel{·}{I}}_{f1}-\frac{R_g}{Z_f}{\stackrel{·}{I}}_{g2}.$

2、评估比率差动保护的适应性。

(1)计算差动保护的差动电流I_op，其计算公式为：

$I_{\mathrm{op}}=|{\stackrel{·}{I}}_g+{\stackrel{·}{I}}_f|---\left(3\right)$

为风电场侧输出的电流信号，为电网侧输出的电流信号。

(2)计算差动保护的制动电流I_res，其计算公式为：

$I_{\mathrm{res}}=|{\stackrel{·}{I}}_g-{\stackrel{·}{I}}_f|/2---\left(4\right)$

(3)利用傅里叶变换算法提取差动电流I_op与制动电流I_res的基频分量；

(4)分析差动电流与制动电流的频率偏移对基频分量提取的影响。

3、评估二次谐波制动保护的适应性，具体步骤为：

(1)计算风电场侧与电网侧的差动电流i_op(t)，其计算公式为：

i_op(t)＝i_f(t)+i_g(t)       (5)

其中，i_f(t)为假设风电场侧输出电流的正弦波信号，i_g(t)为假设电网 侧输出电流的正弦波信号，ω_r为正弦波信号i_f(t)的角频率；ω_s为正弦波 信号i_g(t)的角频率；为正弦波信号i_f(t)和i_g(t)的相位；A为正弦波信号i_g(t)的幅值。

(2)获取差动电流的二次谐波幅值I₂，包括：

①：用傅里叶变换算法计算差动电流i_op(t)的二次谐波幅值I_2sin以及I_2cos，具体为：

②：依据式(4)和(5)可以得到二次谐波幅值I₂的计算公式为：

用傅里叶变换算法计算差动电流i_op(t)的二次谐波幅值时，其相位也随时间改变：

其中，为差动电流i_op(t)的初始相位；

将式(7)代风电场侧输出的正弦波信号后，正弦波信号 从而可以确定差动电流i_op(t)的二次谐波幅值随着时间以2ω_r波动。

(3)依据二次谐波制动系数K评估二次谐波制动的适应性，二次谐波制动系数K的计算 公式为：

$K=\frac{\frac{(1-{\lambda }^2)\sin \left(\mathrm{\lambda \pi }\right)}{({\lambda }^2-4)}\sqrt{{\left(2\lambda \right)}^2+[16-{\left(2\lambda \right)}^2]{\cos }^2{\omega }_{r}t}}{\sqrt{{[2\lambda \sin \left({\omega }_{r}t\right)\sin \left(\mathrm{\lambda \pi }\right)+\mathrm{A\pi }(1-{\lambda }^2)\sin \left({\omega }_{s}t\right)]}^2+{[2\cos \left({\omega }_{r}t\right)\sin \left(\mathrm{\lambda \pi }\right)+\mathrm{A\pi }(1-{\lambda }^2)\cos \left({\omega }_{s}t\right)]}^2}}---\left(10\right)$

其中，λ为频率偏差率，

判断所述二次谐波制动系数K是否达到其设定值，以确定风电场主变压器发生故障，从 而决定比率差动保护是否动作。

4、评估差动速断保护的适应性

(1)计算风电场侧与电网侧的差动电流i_op(t)的幅值A_op

(2)分析幅值A_op和频率偏差率λ评估差动速断保护的适应性：

对于不同的幅值A_op，风电场频率偏差率λ对速断保护的影响程度不同，A_op越大，这种 影响就越小。当A_op固定时，频率偏差率λ在1附近小范围内取值时，差动电流最大幅值有所 增大，差动速断保护更为敏感，而当频率偏差率λ较大时，最大幅值显著下降，差动速断保 护敏感性降低，具体为：

若频率偏差率λ≈1，则差动速断保护敏感性高，若频率偏差率λ＞＞1，则差动速断保护 敏感性低。

二、针对如图2所示风电场中主变压器T₁进行纵联差动保护适应性分析，具体为：

1、确定风电场中各电气参数；

本实施例中电网的电压等级为500kV，正序阻抗140Ω，零序阻抗200Ω；

集群升压变T₂的额定容量500MW，额定电压330kV/500kV，短路电压百分数U_K＝24％；

电压送出线的长度为20km，正序阻抗0.1+j0.4Ω/km，零序阻抗0.3+j1.2Ω/km；

主变T₁的额定容量S取决于双馈风机组的台数N，S＝1.7WM×N，额定电压 35kV/330kV，短路电压百分数U_K＝20％；主变T₁高压侧电流互感器变比800：1，集电线长 10Km，正序阻抗0.1+j0.3Ω/km，零序阻抗0.3+j0.9Ω/km，箱变额定容量1.5MW，额定电压 690V/35kV，短路电压百分数U_K＝6％；

双馈风机组额定功率1.5WM，额定电压690V，转子阻抗0.005+j0.15p.u.，定子阻抗 0.005+j0.2Ωp.u.，励磁电抗6p.u.。

2、风电场短路故障

本实施例中设定系统0.505秒时在F₁处发生三相接地短路故障。

3、仿真试验

(1)设定双馈风电机组台数N＝150，转差率s＝0.3，二次谐波制动系数整定值K＝0.12， 得到如图3所示风电场，二次谐波制动系数K的波形。其中，实线为A相二次谐波制动系数K， 短虚线为B相二次谐波制动系数K，点断线为C相二次谐波制动系数K，长虚线为二次谐波制 动系数整定值K＝0.12。

①：在故障发生后的一段时间内，当A、B和C三相K值都大于二次谐波制动系数整定值 K＝0.12时，二次谐波制动闭锁保护，在这段时间中，无论比率式差动保护动作方程是否满足， 保护不动作。

②：当A、B和C三相K值都小于二次谐波制动系数整定值K＝0.12时，保护闭锁解除，保 护被延迟17ms动作。

(2)分析图3所示曲线波形可以得到：

①：二次谐波闭锁能否解除取决于二次谐波制动系数K的第一个极小值K_min。

若K在第一个波谷处的值大于二次谐波制动系数整定值K＝0.12，二次谐波制动误闭锁保 护，纵差保护发生进一步延迟。

②：电网侧输出的正弦信号幅值A、风电场频率偏差率λ和二次谐波制动系数K的第一 个极小值K_min三者的关系为：

对于给定的λ，当A越小，即风电场侧电流相对越大，K_min越大。对于给定的A，当λ越 靠近1时，K_min越小。在风电场中，一般取λ∈[0.7,1.3]，当风电场短路容量越大，电流偏离 工频越多，K_min值就越大，二次谐波制动保护误闭锁的可能性越大。同时，超同步运行状态 下K_min值随着频率偏差率增大快速上升，而亚同步运行状态下K_min普遍较小，因此超同步运 行状态下二次谐波制动保护误闭锁的可能性越大。

(3)设定电网侧输出的正弦信号幅值A＝1.5得到如图4所示的幅频特性曲线：

①：A值越大，风电场频率偏差率λ对速断保护的影响越小；

②：A为定值时，

a、风电场频率偏差率λ在1附近小范围内取值，差动速断保护更为敏感；

b、风电场频率偏差率λ较大时，差动速断保护敏感性降低。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。 基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其 他实施例，都属于本申请保护的范围。