算例介绍及仿真分析

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：图7-8 风向γ=3°时风电场等效模型3.风电场故障电流特征仿真t=4s时刻，在主变压器低压侧F1点发生三相金属性短路，故障持续时间为0.1s，故障后5ms风电机组投入Crowbar电路，故障前STH风电场输入风速为10m/s。动作电流与制动电流均不再恒定并叠加有其他频率分量，会发生大范围抖动。

1.算例介绍

STH风电场由33台1.5MW双馈变速风电机组组成，风电场内风电机组的排列布置如图6-6所示。STH风电场经35kV/110kV风电场主变压器及110kV风电场送出线接入HM电网的MHG风电汇集站的110kV母线，最后经升压变压器将电能送至系统，如图7-7所示。

图7-7 STH风电场接入MHG风电汇集站系统

STH风电场主变压器型号和保护定值如下：

变压器型号：SFZ11—50000/110；额定电压：36.5/（115±8×1.25%）kV；主变压器一次接线：Yn/d11；差动二次接线：Y0/Y012；高压侧TA电流比：400/1；低压侧TA电流比：1200/1；主变压器一次额定电流：251A/791A；差动二次额定电流：0.63A/0.66A；过电流二次额定电流：0.63A/0.66A；比率差动差流门槛定值：0.55A；比率制动系数k=0.5，二次谐波制动系数k₂=0.12，差动速断电流7.64I_e。

2.STH风电场模型

以图6-6所示的风电场为例，根据第5章提出的风电场建模方法，可建立不同风向下的风电场模型。下面在电力系统分析软件PSCAD/EMTDC[2-4]仿真平台，搭建风向为3°时风电场等效模型，如图7-8所示，对电网故障时风电场向电网提供的故障电流特征及其对风电场主变压器继电保护的影响进行仿真研究。

图7-8 风向γ=3°时风电场等效模型

3.风电场故障电流特征仿真

t=4s时刻，在主变压器低压侧F1点发生三相金属性短路，故障持续时间为0.1s，故障后5ms风电机组投入Crowbar电路，故障前STH风电场输入风速为10m/s。通过仿真得到此时系统侧与风电场侧电流（一次值），如图7-9所示。故障期间，风电机组转子回路投入Crowbar电路后，风电场电流频率约为0.7×50Hz=35 Hz。系统侧电流几乎为工频。

图7-9 主变低压侧发生三相短路时系统侧电流与风电场侧电流

4.风电场对相量值差动保护影响仿真

保护装置检测到故障发生后，首先调用半波傅里叶算法程序对故障数据采样进行差动速断判别，算法数据窗为半个工频周期，即N/2=12采样点之后达到真值；当采样点数达到每周期采样数N=24时，调用全波傅里叶算法程序进行比率差动判别及二次谐波制动判别。

以A相电流差动为例，差动保护的动作电流与制动电流如图7-10所示。动作电流与制动电流均不再恒定并叠加有其他频率分量，会发生大范围抖动。A相电流差动保护动作特性如图7-11所示，差动保护电流二次谐波所占比率如图7-12所示。

图7-10 差动保护的动作电流与制动电流

保护首先进行差动速断判别，差动电流未超过速断整定值，差动速断保护不会动作。

图7-11 A相电流差动保护动作特性

1—比率差动动作特性 2—A相电流差动保护动作特性

图7-12 差动保护电流二次谐波所占比率

1—A相差动动作量 2—B相差动动作量 3—C相差动动作量

比率差动保护能否动作需进行二次谐波制动判别，一般保护装置采用三相或门制动，由图7-12综合三相制动元件分析得出，直到故障后30ms比率差动才可以不被二次谐波制动元件闭锁。因此，当二次谐波元件在故障后30ms开放时，比率差动结果落于动作区，比率差动保护动作。

由于风电场电流在故障初期频率的偏移，因此二次谐波制动元件会闭锁比率差动保护一段时间（40～50ms）。而随着风电场电流的衰减，二次谐波制动特性将削弱，此时比率差动元件的性能无法可靠保证灵敏度，如果比率差动结果落于动作区外，则保护动作时间将进一步延长。由于风电场电流衰减较快，一般2～3个周期后相量值差动保护才可以稳定动作。

5.风电场对采样值差动保护影响仿真

以A相为例，采样值差动保护动作特性如图7-13所示。图中仅示出了前两个周期差动动作的结果。

采样值差动保护在第1、14～16、28～32个采样点处落入动作区之外，保护判据为连续R=18次判别S=16次满足即动作，分析可知在第33～48个采样点连续16点落入动作区，采样值差动保护在第48个采样点（故障后40ms）方可动作。

因此，由于风电场电流在故障初期频率的偏移，基于采样值的差动保护在某些采样点的动作条件不满足，故保护无法快速动作。因为风电场电流衰减较快，所以，一般两个周期后采样值差动保护才可以稳定动作。

6.应对措施

由于双馈变速风电机组电流在故障初期频率的偏移，因此变压器保护的二次谐波制动元件会闭锁比率差动保护一段时间（40～50ms）。随着风电场电流的衰减，二次谐波制动特性将削弱，此时比率差动元件的性能无法可靠保证灵敏度，如果比率差动结果落于动作区外，则保护动作时间将进一步延长。

通过仿真分析可知，由于风电场电流衰减较快，一般在2～3个周期后变压器差动保护即可稳定动作，因此，在选择风电场主变压器时，应考虑保护延时动作2～3个周期（40～60ms）时故障电流的影响，以确保设备满足热稳定性要求。

图7-13 采样值差动保护动作特性

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