适用于含DFIG配电网的新型时域保护方案.pdf
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1、安徽科技学院学报,2 0 2 3,3 7(3):1 0 9-1 1 6 J o u r n a l o fA n h u iS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yU n i v e r s i t y 收稿日期:2 0 2 2-0 6-2 7基金项目:安徽省高校自然科学研究项目(K J 2 0 2 0 B 1 4);滁州学院横向项目(HX 2 0 2 1 2 9 6)。作者简介:杨婷婷(1 9 9 1-),女,安徽滁州人,硕士,实验师,主要从事电力系统继电保护及供配电研究。适用于含D F I G配电网的新型时域保护方案杨婷婷,胡 涛,石永华(滁州学院,安徽
2、滁州 2 3 9 0 0 0)摘 要:目的:双馈感应电机(D F I G)大量接入配电网,导致传统三段式电流保护失去可靠性。为此,本研究提出一种适用于含D F I G配电网的新型时域保护方案。方法:分析D F I G输出电流的故障特性,发现其偏离工频的程度与D I F G故障前的转速有关。将故障后含D F I G和传统大电源的暂态回路分解为单一频率激励作用的工频回路和非工频回路,对D F I G侧和大电源侧测量到的故障电流情况进行推导和讨论,指出两侧的故障电流存在显著的差异。利用相关分析分别描述两侧电流对模板电流的差异,当两侧相关系数的差别超过给定阈值时,实现故障判断。结果:采用典型参数,在P
3、 S C A D平台上搭建含D F I G的配电网模型仿真验证该保护方案的有效性。结论:该保护方案在不同故障类型、不同故障位置以及不同故障电阻下均能可靠动作。关键词:双馈感应发电机;配电网;故障电流;相关系数中图分类号:TM 7 4 4文献标志码:A文章编号:1 6 7 3-8 7 7 2(2 0 2 3)0 3-0 1 0 9-0 8开放科学(资源服务)标识码(O S I D):D O I:1 0.1 9 6 0 8/j.c n k i.1 6 7 3-8 7 7 2.2 0 2 3.0 0 3 3N o v e l t i m e-d o m a i np r o t e c t i o
4、ns c h e m e f o rd i s t r i b u t i o nn e t w o r kc o n n e c t i n gD F I GYANGT i n g t i n g,HUT a o,S H IY o n g h u a(C h u z h o uU n i v e r s i t y,C h u z h o u2 3 9 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v e:T h e l a r g en u m b e ro f d o u b l y-f e d i n d u c t i o ng e n
5、e r a t o r s(D F I G s)c o n n e c t e d t o t h ed i s-t r i b u t i o nn e t w o r kl e a dt oa l o s so f r e l i a b i l i t yo f t h e t r a d i t i o n a l t h r e e-s t a g ec u r r e n tp r o t e c t i o n.T h e r e b y,t h i sp a p e rp r o p o s e s an o v e l t i m e-d o m a i np r o t e
6、 c t i o ns c h e m e f o rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s c o n n e c t i n gD F I G s.M e t h o d s:T h e f a u l t c h a r a c t e r i s t i c so fD F I Go u t p u t c u r r e n t a r ea n a l y z e da n d i t i s f o u n dt h a t i t sd e v i a t i o nd e g r e e f r o mt h ew o r k i n g
7、f r e q u e n c y i s r e l a t e dt o t h es p e e do f t h eD I F Gb e f o r e f a u l t.T h e t r a n s i e n t l o o p sc o n t a i n i n gD F I Ga n dc o n v e n t i o n a l l a r g ep o w e rs u p p l ya r ed e c o m p o s e di n t oa ni n d u s t r i a l f r e q u e n c yl o o pw i t ha s i n
8、 g l e f r e q u e n c ye x c i t a t i o ne f f e c t a n dan o n-i n d u s t r i a l f r e q u e n c y l o o pa f t e r f a u l t,a n d t h em e a s u r e df a u l t c u r r e n t so nt h eD F I Gs i d ea n dt h e l a r g ep o w e rs u p p l ys i d ea r ed e r i v e da n dd i s c u s s e d.I t i s
9、p o i n t e do u t t h a t t h e r e a r e s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e sb e t w e e n t h e f a u l t c u r r e n t s o n t h e t w o s i d e s.C o r r e l a t i o na n a l y s i si su s e d t od e s c r i b e t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e c u r r e n t so ne a c hs i d ea
10、 g a i n s t t h e t e m p l a t e c u r r e n t s r e s p e c-t i v e l y,a n d f a u l t d e t e r m i n a t i o n i s a c h i e v e dw h e n t h ed i f f e r e n c e i nc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t sb e t w e e n t h e t w os i d e se x c e e d s ag i v e n t h r e s h o l d.R e s u
11、 l t s:U s i n g t y p i c a l p a r a m e t e r s,ad i s t r i b u t i o nn e t w o r km o d e l c o n t a i-n i n gD F I Gi sb u i l to nt h eP S C A D p l a t f o r m f o rs i m u l a t i n ga n dv a l i d a t i n gt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dp r o t e c t i o ns c h e m
12、e.C o n c l u s i o n:T h ep r o p o s e dp r o t e c t i o ns c h e m ec a nr e l i a b l ya c tw i t hd i f f e r e n tf a u l t t y p e s,d i f f e r e n t f a u l t l o c a t i o n sa n dd i f f e r e n t f a u l t r e s i s t a n c e s.K e yw o r d s:D o u b l y-f e d i n d u c t i o ng e n e r
13、 a t o r s;D i s t r i b u t i o nn e t w o r k s;F a u l t c u r r e n t s;C o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t s为推进“双碳”目标的实现,促进绿色能源利用,双馈感应发电机(D F I G)被广泛接入配电网。传统配电网为辐射状网络,通常配置三段式电流保护1。D F I G的接入使配电网变为双向有源网络,从而使三段式电流保护的可靠性显著劣化。为确保含D F I G配电网的稳定运行,有必要开发性能更为可靠的新型保护方案。以提高三段式电流保护在配网中的可靠性为目标,通过控制分
14、布式电源(D G)的输出容量使故障电流始终稳定在电流保护的容忍范围内,虽然保护可靠性有所保证,但D G的利用效率受到很大限制2。通过自适应能力的电流保护方法,使所提阈值能够跟随系统运行情况进行调整,从而改善电流保护的性能3-5,然而这类方法并没有涉及D G本身的故障特性。将差动保护的思路引入含D G的配电网中,这类方法往往具有较高的可靠性和选择性,但需要较为严苛的同步条件以实现保护间信息的通信6-7。受限于目前配电网的通信能力,这类方法存在较大的实现难度。与以同步发电机为主的传统大电源不同,受控制策略和自身结构影响,D F I G在故障后表现出更加复杂的暂态特性8,因而充分利用D F I G故
15、障暂态特性构建新型保护开始得到人们的关注。段建东等9基于D F I G故障电流频率会发生偏移的特征,提出一种利用线路两侧电流频率差的保护方案来识别故障,不过,考虑到频率的时变性,实时测频的准确度仍然难以保证。H o o s h y a r等1 0利用PMT单元处理故障电流,通过仿真指出D F I G输出的故障电流波形变化复杂,但缺少一定的理论分析。整体而言,含D F I G配电网中的保护方案仍然相对匮乏且实用性不佳。为此,本研究提出一种新型的时域保护方案。分析D F I G输出故障电流,发现其暂态特性包含非工频分量,分解故障后的暂态回路,通过单一频率激励下的工频回路和非工频回路确定两侧保护感受
16、的故障电流情况,计算两侧故障电流与模板电流的相关系数构建保护方案,为适应配电网的通信条件,保护方案仅仅比较两侧计算的相关系数;数字仿真结果验证所提方案的有效性。1 故障电流特性分析1.1 D F I G故障电流D F I G结构如图1所示,其实质是在普通绕线式感应电机的转子回路增加变频电源。D F I G的定子直接与电网连接,转子通过背靠背的双换流器接入电网。转子侧变流器不仅可以为电机提供励磁电流,还可以调节D F I G的转速,转速的变化范围一般在0.71.3p u1 1。系统正常运行时,转子变频交流励磁使定子始终输出工频交流电。图1 D F I G结构图F i g.1 T h es t r
17、 u c t u r eo fD F I GD F I G一般采用撬棒保护电路实现故障穿越1 2。D F I G的电磁转矩和机械转矩正常时处于平衡状态,一旦系统发生故障,为了补偿电磁转矩的下降,转子励磁电流会不断增大。当检测到转子出现过流现011 安徽科技学院学报 2 0 2 3年象时,D F I G立即投入撬棒电路。此后,D F I G相当于转子侧带大电阻的异步电机,直至故障消失,撬棒退出运行。故障期间,D F I G馈出的故障电流由定子绕组电流和网侧变流器(R S C)的交流侧电流两部分组成。由于R S C容量较小,因此其馈出电流对整个故障电流影响不大1 3。故障电流主要呈现出定子绕组电流
18、的故障特性。若区内发生三相短路,则D F I G机端的定子故障电流可以表示如下1 4:Is=(D-1)UmXsc o s(st+)-DUmX sc o se-t/s+DUm(1X s-1Xs)c o s(rt+)e-t/r(1)其中,为投入撬棒时电压的相位;Um是故障前电压幅值;D是电压跌落水平;Xs和X s分别是定子稳态和暂态的电抗;s和r分别是同步转速和转子转速;s是定子时间常数;r是与撬棒有关的转子时间常数。由式(1)可看出,Is主要包含稳定工频分量、衰减的直流分量、转差频率的暂态交流分量。稳定工频分量由故障后的稳态定、转子磁链共同产生。衰减的直流分量由定子磁链的暂态磁链直流分量产生。衰
19、减的转速频率交流分量由转子磁链直流分量产生,撬棒电路的投入使该分量的变化特性极为复杂。总体而言,D F I G故障电流的暂态特性由以上三部分共同确定,由于衰减转速频率交流的存在,故障电流可能偏离工频,其偏离程度与故障前D F I G的转速有关。1.2 保护安装处的故障电流特性假定某含D F I G的配网线路如图2所示,保护安装M和N处流过的电流记为IM和IN,T 1为升压变。当区内K点发生短路,故障电流由D F I G和大电源共同提供。图2 含D F I G的配网网络F i g.2 T h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ko fD F I G对于暂态故
20、障期间,故障电流可以看作由工频量和非工频量两个激励的共同作用下出现的电气量。因此,根据叠加原理,可将故障暂态回路分解为由单独频率激励作用的工频故障回路和非工频故障回路,如图3所示。图3 故障回路F i g.3 T h e f a u l t c i r c u i t其中,Es表示系统电势,频率为工频;Ed f i g表示风机暂态电势,频率为非工频;ZL 1、ZL 2是线路阻抗;Zs是系统侧阻抗;Zd f i g是风电场侧的等值阻抗,包含D F I G的暂态阻抗、箱变阻抗、升压变阻抗、汇输线路阻抗;Rg是过渡电阻。上标f、g分别代表非工频量和工频量。风电场的容量很小,一般为系统短路容量的5%1
21、 0%,风机出口电压低,表现出典型的弱馈性1 5。从高压侧来看,风电场侧的等值阻抗远大于系统侧的等值阻抗,即Zd f i gZs。黄涛等1 6研究表明,虽然Ed f i g故障后呈现出快变特点,但其幅值在转速和撬棒影响下变化并不大。计及以上条件后,两种频率激励分别单独作用下,保护安装M和N处的电流IM和IN可分别表示为:111第3 7卷第3期杨婷婷,等:适用于含D F I G配电网的新型时域保护方案IgNEsZgs+ZgL 1+Rg(2)IgM-EsRg(ZgL 2+Zgd f i g)(Zgs+ZgL 1+Rg)+(Zgs+ZgL 1+Rg)Rg(3)IfN=-Ed f i gRg(Zgd
22、f i g+ZfL 2)(ZfL 1+Zfs+Rg)+(ZfL 1+Zfs)Rg(4)IfM=Ed f i g(Zfs+ZfL 1+Rg)(ZfL 2+Zgd f i g)(Zfs+ZfL 1+Rg)+(Zfs+ZfL 1)Rg(5)结合式(2)(5),通过比较保护安装M和N处的工频分量和非工频分量的电流幅值,得到以下结论:(1)IgNIfN,大电源侧故障电流IM的主要频率为工频;(2)IfMIgM,D F I G侧故障电流IN的主要频率为非工频。2 基于相关分析的时域保护方案由上述分析可知,故障前大电源和D F I G均输出工频电流,故障后大电源依然输出工频电流,而D F I G输出非工频电
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