一种降低风电场低电压穿越容量需求的集成保护方法

摘要

本发明属于电力系统及风电场并网领域，特别涉及一种降低风电场低电压穿越容量的集成保护方法，包括利用电流保护判据实现对故障线路的识别，还包括测量风电场并网变电站母线相电压UΦ，用于电压保护判据，电压保护判据计算低于低电压穿越稳定值(90％额定电压值)的电压跌落幅值百分比值V；如果V值大于等于70，则电压保护判据取消II段电流保护延时；如果V值小于70，则电压保护判据实时调整故障线路上的电流保护延时，使得由电流保护延时加上断路器动作固有时间组成的故障切除时间与V值大小保持关系：(V2+1707)·t＝5081，其中0.6≤t≤4。本发明具备系统层面提高风电场低电压穿越能力的功能，实现简单、成本低；同时具备保护风电机组与电力系统安全运行的能力。

权利要求

1.一种降低风电场低电压穿越容量需求的集成保护方法，包括电压保护判据和电流保护判据两部分；具体步骤如下：

1）测量风电场并网变电站母线相电压UΦ，用于电压保护判据，其中下标Φ表示A、B、C相任一相；测量变电站每个间隔集电线路的三相电流IiΦ，用于电流保护判据，其中下标i表示第i个间隔，电流保护配置采用传统的二段式电流保护，包括I段电流速断保护、II段过电流保护；

2）利用电流保护判据实现对故障线路的识别，当判断故障发生后，如果I段电流速断保护动作瞬时跳闸，故障切除时间在150毫秒-200毫秒；如果II段过电流保护动作，延时跳闸切除故障，延时值由电压保护判据确定；

3）电压保护判据具体如下：利用母线相电压幅值UΦ计算低于低电压穿越稳定值的电压跌落幅值百分比值V；其中：UΦ为母线相电压幅值；UN为母线额定电压值；

如果V值大于等于70，则取消II段过电流保护延时，故障集电线路上的II段过电流保护无延时动作切除故障；

如果V值小于70，则实时调整II段过电流保护延时，使得由II段过电流保护延时加上2

断路器动作固有时间组成的故障切除时间与V值大小保持关系为：(V+1707)·t＝5081，其中0.6≤t≤4，加速故障集电线路上的保护动作。

说明书

一种降低风电场低电压穿越容量需求的集成保护方法

技术领域

[0001] 本发明属于电力系统及风电场并网领域，特别涉及一种降低风电场低电压穿越容量需求的集成保护方法。

背景技术

[0002] 根据电力系统行业规范要求，大容量风电场并网必须具备一定的低电压穿越能力，在并网系统故障等紧急情况下提供一定的电压和无功支撑。低电压穿越能力主要体现在两个关键指标：电压跌落幅值和持续时间。电力系统中严重的电压跌落发生的诱因基本上都是由电力系统故障引起的；继电保护是电力系统实现故障检测、切除的技术；因此继电保护的动作特性将直接决定电压跌落的持续时间；从而影响电力系统对并网风电场风电机组的低电压穿越容量的要求。

[0003] 目前开展的对提高风电机组低电压穿越能力的研究，主要是从调整风电机组变流器的控制策略来实现。但是受风电机组变流器容量或所采用的电力电子器件设计参数的限制，在恶劣故障情况下，风电机组变流器的控制策略将失效只能使用撬棍(Crowbar)保护，将转子短路，无法实现必须的低电压穿越能力。特别是目前针对风电机组变流器的控制策略研究及应用，只是针对风机个体来展开的，实际需要针对每台风机进行研究及应用，成本很高；而且由于风机个体的差异性，以及风电场内由于无功功率的分布不均衡，导致了采用风电机组变流器控制策略的方式来提高风电场风电机组低电压穿越容量的应用效果不佳。

[0004] 实际上，在恶劣故障情况下常规风电机组变流器低电压穿越控制策略失效时，如果能辨识风电场并网处母线电压跌落的危害程度，自适应调整相应的继电保护动作特性，缩短故障切除时间，则将有效地整体降低风电场风电机组感受到的电压跌落持续时间，从而降低电力系统对风电场低电压穿越容量的要求；此时再配以常规的、低容量需求的风电机组低电压穿越控制策略，将实现对并网风电场的良好低电压穿越。

[0005] 但是，目前的风电场并网变电站集电线路上只是配置常规的二段式电流保护，包括I段瞬时电流速断保护、II段过电流保护。I段瞬时电流速断保护无动作延时，故障切除时间主要取决于断路器的固有动作时间，时间在150毫秒-200毫秒之间；但I段电流保护的保护范围仅为线路全长的30％左右。线路上的大部分故障需要II段过电流保护切除；II段电流保护需要延时动作，延时要根据现场应用的拓扑结构与相邻线路或变压器配合整定，延时一般在1.5-3秒左右；长时间的延时导致电压跌落的持续时间很长，对并网风电场风电机组的低电压穿越容量要求也就很高。

[0006] 风电机组低电压穿越反应的主要是低电压指标，因此如果能有效地结合低电压指标，同时考虑到目前普遍采用的二段式过电流保护，有效地兼容电力系统故障的选择性隔离和风电场风电机组低电压穿越容量的需求，则必将能实现从电力系统层面降低对并网风电场风电机组低电压穿越能力的要求。

[0007] 兼容来自母线测量的低电压指标和针对每一个间隔的过电流指标，常规的按照间隔配置的保护难以实现；但是目前快速发展的能够实现一套继电保护装置，采集站内多间隔的电流信息和母线电压信息保护整个变电站的集成保护平台，为解决该问题提供了应用基础。

发明内容

[0008] 本发明的目的是为克服以上问题，提出了一种降低风电场低电压穿越容量需求的集成保护方法；本发明具备系统层面提高风电场低电压穿越能力的功能，实现简单、成本低；同时具备保护风电机组与电力系统安全运行的能力。

[0009] 本发明提出的一种降低风电场低电压穿越容量需求的集成保护方法，包括电压保护判据和电流保护判据两部分；具体步骤如下：

[0010] 1)测量风电场并网变电站母线相电压UΦ，用于电压保护判据，其中下标Φ表示A、B、C相任一相；测量变电站每个间隔集电线路的三相电流IiΦ，用于电流保护判据，其中下标i表示第i个间隔，电流保护配置采用传统的二段式电流保护，包括I段电流速断保护、II段过电流保护；

[0011] 2)利用电流保护判据实现对故障线路的识别，当判断故障发生后，如果I段电流速断保护动作瞬时跳闸，故障切除时间在150毫秒-200毫秒；如果II段过电流保护动作，延时跳闸切除故障，延时值由电压保护判据确定；

[0012] 3)电压保护判据具体如下：利用母线相电压幅值UΦ计算低于低电压穿越稳定值(90％额定电压值)的电压跌落幅值百分比值V；其中：

[0013]

[0014] UΦ为母线相电压幅值；UN为母线额定电压值；

[0015] 如果V值大于等于70，则取消II段电流保护延时，故障集电线路上的II段保护无延时动作切除故障；

[0016] 如果V值小于70，则实时调整II段电流保护延时，使得由电流保护延时加上断路2
器动作固有时间组成的故障切除时间与V值大小保持关系为：(V+1707)·t＝5081，其中
0.6≤t≤4，加速故障集电线路上的保护动作。

[0017] 本发明特点及有益效果：

[0018] 本发明方法基于行业标准规定的风力机组低电压穿越能力规范，基于传统的变电站集成保护平台，包含面向全变电站的电压保护判据和面向单一间隔的电流保护判据，电流保护判据采用传统的保护判据和整定方法，同时提出了具备反时限动作特性的低电压保护动作特性；增加了考虑风电场低电压穿越行业规范要求的电压保护判据来加速各间隔的传统的电流保护判据快速跳闸切除故障，从而降低对并网风电场风机低电压穿越容量的要求，并提高风电场并网的运行特性。

[0019] 本发明具备系统层面提高风电场低电压穿越能力的功能，实现简单、成本低；同时具备保护风电机组与电力系统安全运行的能力。

附图说明

[0020] 图1为本发明方法的电压保护判据特性。

[0021] 图2为应用本发明方法的并网风电场示意图。

具体实施方式

[0022] 本发明提出的一种降低风电场低电压穿越容量需求的集成保护方法，包括电压保护判据和电流保护判据两部分；具体步骤如下：

[0023] 1)测量风电场并网变电站母线相电压UΦ，用于电压保护判据，其中下标Φ表示A、B、C相任一相；测量变电站每个间隔集电线路的三相电流IiΦ，用于电流保护判据，其中下标i表示第i个间隔，电流保护配置采用传统的二段式电流保护，包括I段电流速断保护、II段过电流保护；

[0024] 2)利用电流保护判据实现对故障线路的识别，当判断故障发生后，如果I段电流速断保护动作瞬时跳闸，故障切除时间在150毫秒-200毫秒；如果II段过电流保护动作，延时跳闸切除故障，延时值由电压保护判据确定；

[0025] 3)电压保护判据具体如下：利用母线相电压幅值UΦ计算低于低电压穿越稳定值(90％额定电压值)的电压跌落幅值百分比值V；其中：

[0026]

[0027] UΦ为母线相电压幅值；UN为母线额定电压值；

[0028] 如果V值大于等于70，则取消II段电流保护延时，故障集电线路上的II段保护无延时动作切除故障；

[0029] 如果V值小于70，则实时调整II段电流保护延时，使得由电流保护延时加上断路器动作固有时间组成的故障切除时间与V值大小保持关系：(V2+1707)·t＝5081，其中0.6≤t≤4，如图1所示，图中曲线最大值V＝80出现在0.6秒处；曲线最小值V＝0出现在2.98秒至4秒之间；加速故障集电线路上的保护动作。

[0030] 针对图2所示并网风电场，本发明方法的实施例详细说明如下：

[0031] 图2中风电场风电机群1经集电线路1连接至风电场并网变电站的35kV母线；风电场风电机群2经集电线路2连接至风电场并网变电站的35kV母线；风电场风电机群3经集电线路3连接至风电场并网变电站的35kV母线。风电场并网变电站经35kV/110kV变电站升压接入电力系统。

[0032] 利用安装在风电场并网变电站内已有的变电站集成保护平台实现本发明方法，其中的电流保护判据针对变电站内三个间隔(集电线路1、集电线路2、集电线路3)中的任一个，测量该间隔的三相电流 ，并配置传统的二段式电流保护，即I段-瞬时电流速断保护、II段-过电流保护。同时应用本发明专利的变电站集成保护平台测量35kV的母线电压幅值，用于集成保护的电压保护判据。

[0033] I段-瞬时电流速断保护的动作定值大于在最大运行方式下被保护线路末端发生三相短路时通过的电流值，时间延时为0秒；II段-过电流保护的动作定值大于被保护线路的最大负荷电流值，时间延时与相邻线路采用阶梯式配合，一般在1.5-3秒左右。

[0034] 如图2中线路1为例，假设应用本发明方法的变电站集成保护面向线路1的电流保护判据按照传统方法整定之后，I段在正常运行方式下保护线路全长的50％，时间延时为0秒；II段的动作延时在3秒。

[0035] 此时若在线路1距离线路始端全长85％处发生A、B两相接地故障，故障后风电场并网变电站A相、B相电压下降为额定值的35％，则应用本发明专利的变电站集成保护面向线路1的电流保护判据大于整定值而启动，由于线路故障距离超出了I段电流保护的保护范围，只能由II段保护动作，延时3秒跳闸切除故障。

[0036] 但是故障相A相、B相电压下降为额定值的35％，则启动应用本发明方法的电压保护判据，测量故障后并网变电站母线相电压 ，并计算V：

[0037]

[0038] V＝55＜70，则电压保护判据实时调整II段电流保护延时，根据图1所示的本发明方法的电压保护判据特性，线路1的II段电流保护延时将调整为1秒，加速故障集电线路1的保护动作跳闸，降低了电力系统对风电场低电压穿越性能的要求。