风电场对变压器保护的影响分析

1、引言

双馈感应发电机组（Doubly-Fed Induction Generator，DFIG）因其所独有的优越性在风力发电中得到了广泛的应用，成为目前风电机组的主流机型。因此，双馈风机的并网对原有继电保护的影响成为集中研究的热点。为了研究双馈风电机组的频率偏移特性对变压器保护的影响，首先搭建双馈风力发电机组。介绍了DFIG风电机风机侧定子磁链定向矢量控制和网侧功率解耦控制方法的设计。基于机组容量加权的参数聚合法把风电场等值成一台等值风电机组。本文正是根据这些原理搭建50MW DFIG模型，以某地区实际风电接入为例对变压器保护进行仿真。

2、双馈电机组风电场暂态特性分析

在PSCAD/EMTDC电磁暂态平台建立某地区50MW双馈风电机组集中接入仿真系统如图1所示。

系统参数如下：220kV侧系统，短路容量：1719MVA，短路电流：4.32kA。短路阻抗模30Ω。送出线路参数：正序阻抗0.132+j0.38Ω/Km，负序阻抗0.396+j1.15Ω/Km，线路全长10.2Km；风电场主变压器参数：额定容量50MVA，阻抗电压百分比U（%）=10.32，短路损耗181.7kW，空载损耗32.4kW。风电集群再升压变压器额定容量50MVA，额定电压38.5kV/121kV/235kV，阻抗电压百分比UA12（%）=13.65，UA23（%）=23.04，UA13（%）=7.49。仿真在t=4s时在风电场的送出线中点K点发生三相故障系统侧电流，风电场侧电流，系统侧电压和系统侧电压如图2和图3所示，图4为输出功率变化。

双馈感应风力发电机为变速恒频发电系统，在正常运行状态下，转速的变化范围在0.7pu～1.3pu之间。当电网电压跌落时，风机电磁转矩减少，为了维持风机电磁转矩和机械转矩的平衡，这时系统侧变频器工作在整流状态，机侧变频器工作在逆变状态，通过稳态解耦控制增大励磁电流。双向的电压源变换器是由电力电子器件构成，过高的电流会损耗变换器，因此当感应到过高的转子电流时接入crowbar保护电路，为转子中产生的过电流提供一条旁路通道，配合变换器在故障期间持续运行，向电网馈送无功功率，对电网电压提供支撑。Crowbar保护投入后此时双馈感应电机的特性可以等价一普通的异步发电机。故障期间衰减的交流分量占了双馈电机定子电流的主要部分，其与故障发生时风机在状态有关，双馈风机转速的变化范围在0.7pu-1.3pu之间，因此双馈风机定子故障电流频率变化范围为50（1+30%）Hz之间。从图2可以看出，系统侧电流在故障发生时主要为工频，风电场侧电流不再保持工频。如下图4可看出故障发生时，不同工况下，定子电流频率偏移。

风电场变压器保护目前主要采用纵联差动保护，其原理是基于流过变压器原边和副边的电流、电压频率不发生变化，然后根据电流差动原理判别故障。而双馈风电机组的这种频率偏移特性会对原有的保护产生影响。

3、风电场变压器纵联差动保护

3.1比率差动保护

风电场送出变压器常常采用YNd11的接线方式，这种接线方式使星形侧电流落后于三角形侧电流300。这就会使变压器正常运行或区外故障时所计算差动电流不为零，因此必须消除这种不平衡电流对差动电流的影响。对于微机继电保护可将YNd11接线变压器的两侧电流互感器采用星形接线，由软件实现电流互感器变比和相位的调整。

3.2二次谐波判别

通过检测差流中二次谐波含量的大小来判断是否为励磁涌流，从而达到及时闭锁纵联差动保护，防止保护误动作。励磁涌流的判据为：id2>k2id1（1）式中：id2为差流中的二次谐波电流；id1为差流中的基波电流；k2为二次谐波制动系数，一般取0.15～0.2。

3.3差流速断保护

在变压器差动保护中，当在保护范围内发生严重故障时，大量的谐波会在二次电流中出现使涌流元件误认为励磁涌流而拒动或延迟动作。因此为了在变压器内部故障时动作可靠性，设置差动速断保护。差动速断保护的整定值应躲过变压器最大励磁涌流或外部短路最大不平衡电流，其值为4～10额定电流。

4、仿真算例及结果分析

根据变压器纵联差动保护原理在PSCAD/EMTDC中搭建变压器保护模块主变型号：SFZ11-50000/110；额定电压：115±8×1.25%/36.5kV；主变一次接线：Yn/d11；差动二次接线：Y0/Y012；高压侧CT变比：400/1；低压侧CT变比：1000/1；差动电流启动值为：0.4Ie；比率制动系数k=0.5，2次谐波制动系数k2=0.15，差流速断电流8Ie。

系统仿真模型仍采用某地区50MW双馈风机集中接入仿真系统如图4所示，系统各参数值不变，发生故障时转速为0.8pu，频率为40Hz.线路中点K点t=4s时发生三相短路故障。A相纵联差动动作曲线、差动动作结果、二次谐波含有量如图5、图6、图7所示。

从图7可以看出差动量和制动量不再保持恒定，在差动量和制动量中会含有其它频率的分量。保护会首先判断是否超高差流速断的定值，差流结果没超高定值不会动作。由图6差动动作结果可以看出，在故障初始阶段，在0-40ms内比率制动会可靠动作，但随着制动量和动作量的大小的变化，动作曲线会由动作区向制动区偏移，导致拒动。由二次谐波所占比率可以看出，在故障发生时刻二次谐波含量增加，由于风电场频率的偏移导致比率制动被闭锁，随着短路电流的衰减闭锁关断而此时比率制动又不能可靠动作，从而使动作时间延长并不可靠动作。

5、结论

本文从实际双馈风电机组接入时的短路特性中得出得出双馈风电机组在送出线路发生故障后频率发生偏移。风电场测保护侧的的频率与故障发生前风电机组的状态有关，不再保持工频量，系统侧保护测得的主要为工频量。而现有的常规变压器保护主要根据双侧或三侧在故障前后电压、电流具有相同的频率，利用电流差动原理判别出区内外故障，这就会对现有的保护产生影响。通过在PSCAD/EMTDC中搭建变压器纵联差动保护模块来验证得出，双馈风机在线路发生故障后会对变压器纵联差动保护产生影响，导致误动。

（作者单位：山东电力建设第一工程公司）