DFIG接入配电网的工频故障分量距离保护应用研究

罗要云 宁爱林 罗媚媚

摘 要：DFIG接入配电网后，由于有了助增电流的影响，使得原有电流保护和距离保护都不再实用。本文分析了考虑低电压穿越时，DFIG接入配电网的工频故障分量距离保护，结果表明，DFIG接入对工频故障分量距离保护没有影响。同时分析了实际应用过程中存在的问题，提出应用保护安装处电压突变量进行比较的判据，并通过仿真验证该理论的正确性。

关键词：DFIG；低电压穿越；工频故障分量距离保护；保护安装处；电压突变量；仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.155

0 引言

近年来，风力发电以其投资省、能耗低、清洁环保[1]等优势在新能源发电中迅速发展起来。风力发电有很大一部分是通过分布式方式接入配电网，传统的配电网保护通常按照辐射型网络结构进行配置，采用的保护方式多为三段式电流保护。

风力发电机组接入以后，配电网络就从传统的单一辐射型网络转变成多电源网络，当配网发生短路故障时，配电网的潮流方向、故障电流的分布发生了根本性变化，这将导致原有的继电保护配置存在误动和拒动的可能[2]。为了保证配电网络安全可靠地运行研究风力发电接入配电网后继电保护的配置，具有非常重要的现实意义。

1 风力发电接入配电网对继电保护的影响

传统的配电网是单辐射型的，电流以一个方向流动，通常配置的为简单的三段式电流保护，当配电网接入逆变型电源，如风力发电机组以后，电网形式就从单一电源转变成为多电源形式，此时，电流的流向是多向型的，同时电流的幅值也随DFIG的容量、接入位置等变化而变化。距離保护具有不受运行方式影响的优点，而且距离保护中的方向阻抗圆特性具有特定的方向性，使得它在分布式电源接入配电网的应用中受欢迎[3]-[7]，但是传统的距离保护Ⅱ段须与下级线路Ⅰ段相配合，以图1为例，保护1的Ⅱ段的整定值在DFIG接入配电网之前，它的整定值，此时，当DFIG接入以后，如不改变整定值，当在保护1的Ⅱ段末端发生短路时，在保护1所测到的阻抗为：

由于有DFIG接入配电网，这时，，就会使保护1测得的阻抗增大，这样就有可能在保护1的保护范围内拒动，保护2却误动的情况产生，当根据接入的DFIG重新整定时，必须要考虑分支系数，分支系数中电流与DFIG的容量和出力有关，但实际运行中，DFIG的出力还与风速有关，风速的不可控因素导致不确定，所以传统的距离保护应用到DFIG接入的配电网存在局限性。

2 基于工频故障分量距离保护的原理

基于工频故障分量距离保护基本原理如图2所示。当电网发生故障时，根据叠加原理可将故障状态分解为正常负荷状态和故障附加状态[9-10]，其中故障附加状态如图2（a） 所示，即在故障点引入一个与故障前电压幅值相等、相位相反的电压源[8]，从而在短路附加状态网络产生故障分量的电流和电压。如图2（a）所示， K1 、K2为正、反方向两个故障点，分别对应于电压源。图中Y 点为距离保护整定点， 是保护安装处到整定点的阻抗值， 为正方向保护范围内故障时阻抗值，为系统电源内阻抗。保护安装处M 所测量到的电压、电流突变量分别为ΔU、ΔI。根据图2中各电气量的正方向，补偿到保护范围末端Y点处的突变量电压为：

（1）正反向故障情况。从图2可以看出，当保护范围内发生正方向故障时，存在如下关系：

从而得到：

此时故障点处的突变量电压为：

对比可以知道，在正方向保护区内发生故障时，则 ；同理，可以推得在正方向保护区外故障时 ，则。

（2）反方向故障情况。从图2短路附加状态图可以看出，当故障点发生在反方向K2时：

，从以上分析可知，判别正反向故障时，只需判别与的关系即可，当在正向故障时，短路点在M母线右侧，；反向，则短路点在M母线左侧，因此，基频故障分量距离保护的动作条件就是。

3 DFIG接入配电网的基频分量距离保护

作为目前的主流风电机型之一的双 馈 感 应 发 电 机（doubly fed inductiongenerator，DFIG），通常在电网故障时，要求风电机组具备低压穿越能力（Low Voltage Ride Through，LVRT）[11-12]。当风电场并网点电压跌落时，在一定电压跌落范围内，风场能够维持并网运行，甚至向电网供给部分无功功率和电压支撑，直到电网恢复，从而“穿越”整个低电压区段的时间[13]。在故障发生的瞬间，并网点电压下降，风力发电机组向故障点提供短路电流，但很快低电压穿越功能启动，撬棒电路投入，风力发电机组输出有功P 和无功Q 会很快返回到设定值。在正序分量控制下，风力发电机组输出的故障电流只含正序分量，不含负序分量，PCC 上下游线路流过的负序电流完全相等[7]；当DFIG接入配电网之后，在验证动作的可行性时，在考虑基频分量的距离保护中电流电压突变量分量的时候就要考虑序分量，针对图1的系统图来分析DFIG接入配电网的基频分量距离保护。

（1）距离Ⅰ段范围内发生故障时。对称性故障分析比较简单，为充分考虑DFIG接入配电网后对继电保护的影响，现以不对性BC相故障，以图1配电网系统图中保护2为对象，此时为B母线上的故障突变量电压，它包含由系统提供的和风力发电机组提供的两部分的故障突变量电压；而由于在故障过程中，考虑风力发电的LVRT特性，在正序控制方式下，DFIG只产生正序电流，接入点B母线上两侧的负序电流相等，因而发生故障后的电流突变量，它包含负序电流和由系统和DFIG提供的正序电流和。推导B、C相的整定点的补偿电压以及B、C相故障点的电压如式（7）、（8）所示：

式中：为系统电源对C相提供的突变量电压；为-断路器2，C相正序电流突变量 为风力发电机组对C相提供的突变量电压。由于故障发生在正向保护区内，，所以满足动作条件，保护可靠动作。比较式（7）、式（8）可以看出，虽然接入了DFIG电源，但是在工频故障分量距离保护中，它对整定点的电压突变量和短路点的电压突变量的影响是对等的，可以相互抵消。因此，不管风力发电机组的容量大小和出力大小，它对工频故障分量距离保护没有影响。

（2）对距离Ⅱ段的分析。仍然以图1的配电网系统图为例，以保护1为对象，当故障发生在K2点，保护1的距离Ⅱ段时，考虑BC相故障，来验证工频故障分量距离保护的动作特性。

由距离Ⅰ段分析可知：

此时在距离Ⅱ段的整定点所得到的B、C相补偿电压以及故障点的B、C相电压如式（11）、（12）所示：

可以看出，不管是距离Ⅰ段还是距离Ⅱ段，基频分量距离保护都能正确反映。因此该继电保护原理可以克服运行方式变化的影响，针对DFIG接入的配电网路有很好的保护效果。

4 实际应用中的问题

在实际应用中，最大的难点就是对的提取，因为故障发生的位置很难预测，因此不能确定Zk的位置，为此，可以近似选择短路前保护范围末端Y点发生短路时M母线上的电压突变量作为整定参考值，这时：

以此为参考，下面分别对正方向在故障保护范围以内和保护范围以外的情况进行区分当在保护范围内K1点发生短路故障时，M母线上的突变量电压为：

比较式（13）和（14）可以发现，当发生同一种类型短路故障时，在M侧断路器所检测到的短路电流是随故障的距离而变化的，越远离M点，故障电流越小，在M侧上所检测到的突变量电压要小，导致。

同理，当K1在保护范围以外时，在M侧所检测到的电压突变量绝对值要小，因此在实际应用可以依据同类型故障时，作为动作判据。把保护范围末端时的短路情况下M母线上电压突变量定义为参考值，根据短路类型，可以分为，。

因此，可以得到保护跳闸出口逻辑如图3所示。

5 仿真

为了验证风力发电接入配电网络的基频分量距离保护的可以行，在PSCAD仿真软件搭建如图4所示。分别在AB线路和BC线路设立短路点，以两相相间短路为例，A相电压、电流最大值为参考，得到数据如表 1所示。

由表1仿真数据，可以得出工频A相工频故障分量在保护安装处A母线上的突变量电压、突变量电流规律符合本文所提出观点，同时可以看出，加入DFIG的配电网，在应用工频分量距离保护时，不受DFIG的影响。

6 结论

（1）本文分析了DFIG接入配电网的工频分量距离保护，考虑了风力发电的LVRT特性所引起的故障电流的影响，但是由于故障电流在工频分量距离保护对整定值和故障点电压的影响可以相互抵消，所以应用工频距离保护对DFIG 接入的配电网进行保护，不受DFIG的影响，（2）在实际应用过程中，故障点的电压很难求得，本文提出了用保护安装处的整定点所产生的突变量电压代替整定值，用实时故障时在保护安装处所产生的突变量电压与之比较来判断故障是否在保护区内，并通过搭建仿真模型，用仿真数据验证了该理论的正确性。

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：1-5.

基金项目：湖南省科技计划项目（2016TP1023）；邵阳学院2016年研究生科研创新项目（CX2016SY035）

作者简介：罗要云（1980-），男，湖南邵阳人，硕士研究生，主要研究方向：多电源地区保护整定与控制技术。

*为通讯作者