一种提升风电场低电压穿越能力的继电保护方法

摘要

本发明属于电力系统的继电保护领域，涉及一种提升风电场低电压穿越能力的继电保护方法，包括下列步骤：在风电场各集电线路的本地负荷支路上分别装设反时限低电压保护装置；通过风电场高压母线上的电压互感器采集并网点的电压数据，并计算得到三相电压的幅值，进而计算采样时的电压跌落数值；根据故障导致电压的跌落幅度和集电线路上负荷的容量占风电场总容量的比重设置各个保护装置的动作时间，分时分级动作跳开断路器，容量较小的集电线路的负荷支路上的保护装置先动作。本发明在电网侧故障导致的风电场低电压期间，能够分时分级切除风电场所带负荷，可以充分利用机组容量，提升风电场低电压穿越能力。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统的继电保护领域，特别涉及风电场低电压穿越期间的继电保护方案。

背景技术

风力发电充分利用了风能的可再生性和清洁性，具有良好的环境友好性，已成为重要的电力能源形式。 随着风电并网的规模和容量不断增大，电网对并网风电场的运行要求不断提高。为保证在电网侧故障导致 系统电压下降的情况下，风机能够不脱网并支持电网的稳定运行，越来越多的国家明确要求并网风电机组 必须具备低电压穿越(LVRT)能力^[1-3]。因此，在分析上述要求的基础上，进行保护方案的研究，有利于提高 风电场的低电压穿越能力和并网系统运行的稳定性，具有重要的理论意义和经济价值。目前，对风电机组 低电压穿越能力的研究主要集中在改变控制策略和增加硬件电路方面。文献[4,5]分析了采用无功补偿装 置实现风电场的低电压穿越功能的方法。文献[6,7]提出了通过改变电网故障时定子电流的控制策略实现 低电压穿越的方案。文献[8-10]讨论了采用转子撬棒电路Crowbar实现风机低电压穿越的方法。由以上分 析可知，目前风电场低电压穿越方法多集中于风电机组本身，有必要发明新的保护方案，在风电场低电压 期间进行有效动作，从而帮助风电机组更好地穿越这一低电压时期，以确保风电并网系统的稳定运行。

参考文献

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发明内容

本发明的目的是提出一种提升风电场低电压穿越能力的新方法。该方法从继电保护角度出发，在电网 侧故障导致的风电场低电压期间，分时分级切除风电场所带负荷，达到充分利用机组容量，提升风电场低 电压穿越能力的目的。本发明的技术方案如下：

一种提升风电场低电压穿越能力的继电保护方法，包括下列步骤：

1)在风电场各集电线路的本地负荷支路上分别装设反时限低电压保护装置；

2)通过风电场高压母线上的电压互感器采集并网点的电压数据，并计算得到三相电压的幅值， 进而计算采样时的电压跌落数值；

3)根据故障导致电压的跌落幅度和集电线路上负荷的容量占风电场总容量的比重设置各个保护 装置的动作时间，分时分级动作跳开断路器，容量较小的集电线路的负荷支路上的保护装置先动作。

作为优选实施方式，步骤3）中的动作时间的设置公式为：t=K_zs(-1.9643Δu+2.1964)，式中， K_zs=2.5S_DGi/S_∑为自适应系数；S_DGi为第i条集电线路上所带风电机组的容量；S_∑为风电场的总容量； Δu为电压跌落数值。

本发明的有益效果如下：

1.风电场中各集电线路上的反时限低电压保护特性均低于标准反时限特性，可减少Crowbar的投 入次数；

2.电网侧故障期间，风电场的大部分本地负荷仍保持与电网连接，不会出现故障切除后大规模负 荷重新并网的现象；

3.本文提出的反时限低电压保护具有自适应性，只需设置好特性，无需整定。

附图说明

图1风电并网系统示意图。

图2风电场低电压穿越要求。

图3集电线路所装设的反时限保护特性。

图4低电压反时限保护的动作特性。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

在图1所示的风电并网系统中，当电网侧发生故障将导致风电场母线M电压下降，使得风电场的风电 机组进入低电压穿越时段。若母线M处电压不满足图2所示的国家电网公司风电场低电压穿越要求时，风 电机组将被切除，对系统的稳定运行造成不利影响。

本发明根据图2所示的国家电网公司对并网风电场低电压穿越能力的要求，推导出风电机组并网时间 与并网点电压跌落百分比的标准反时限特性关系；以此为依据设置保护特性，从而达到提升风电场低电压 穿越能力的目的。

选取图2中并网点电压标么值为0.2~0.9区间的线段，设其方程为：

au+b=t    (1)

式中，u为并网点电压标么值，t为规定要求的风电机组并网运行时间，a，b为常数。将点(0.2， 0.625)，(0.9，2)代入式(1)，得a=1.9643，b=0.2321，则

t=1.9643u+0.2321       (2)

取Δu=1-u为电压跌落百分比，代入式(2)，得

t=-1.9643Δu+2.1964    (3)

上式表达了风电机组并网时间与并网点电压跌落百分比之间的关系，即为风电机组所需具备的标准反 时限低电压特性，如图3中曲线1所示。

为了充分利用风电场的容量，本发明在图1所示风电场并网系统的各集电线路本地负荷上分别装设反 时限低电压保护，各保护的反时限特性按下列方程设置。

t=K_zs(-1.9643Δu+2.1964)    (4)

式中，K_zs=2.5S_DGi/S_∑为自适应系数；S_DGi为第i条集电线路上所带风电机组的容量；S_∑为风电 场的总容量。

公式(4)的反时限特性具有自适应性，依据机组容量在标准反时限特性的基础上有不同程度的下降， 从而达到分级分时切除本地负荷支撑母线电压的作用。为了避免过早动作，反时限低电压保护在系统电压 跌落程度较低时需躲开集电线路上所装设的反应短路的后备保护动作时限t_III。因此，式(4)动作特性的下 限是一条与标准反时限特性斜率相同且保证电压跌落百分比为0.3（即电压降至0.7）时在t_III上方的直线， 如图3中曲线2所示。

每条集电线路容量与风电场容量比值通常在0.3~0.4范围内，自适应系数K_zs在机组容量比上乘以 2.5，则K_zs在0.75~1的范围内，能满足躲开短路后备保护的要求。这样自适应反时限特性不会下降太严 重，充分利用机组承受短路电流的能力，避免不必要的动作。例如当S_DGi/S_∑=0.3时，该集电线路的保 护特性为：

t=-1.4732Δu+1.6473    (5)

此特性为图4中的曲线2。

设S_DG1、S_DG2、S_DG3依次增大，对应画出的三个反时限低电压保护特性如图3所示。当电网侧故障导致母 线M电压降低至u₁时，安装在各集电线路上的低电压反时限保护将分别计算出相应的动作时间，并由安装 在集电线路1上的保护以较短的延时t₁首先动作，将本地负荷1与电网断开；若切除线路后母线电压提升 至u₂仍然能够触发下一级低电压保护，集电线路2上的保护将以t₂的延时动作，使母线电压上升至u₃，依 此类推。