一种风电机组断路器的参数整定方法

摘要

本发明公开一种风电机组断路器的参数整定方法，步骤包括：1)建立目标风电机组中电气系统的等值模型以及发电机的等值模型；2)根据建立的模型进行短路计算，获取得到风电机组在短路故障时的故障电流范围；分别计算风电机组中各部件在短路故障时对故障电流的耐受时间，获取得到风电机组对故障电流的耐受能力；3)根据获取得到的故障电流范围、耐受能力确定待整定断路器中电流以及动作时间的整定值，通过整定值使得风电机组中电流在超出故障电流范围时，待整定断路器在耐受能力内动作以切断电路。本发明具有整定实现方法简单、能够结合风电机组的电气特性以及故障工况进行参数整定且参数安全性能高的优点。

权利要求

1.一种风电机组断路器的参数整定方法，其特征在于步骤包括：

1)建立目标风电机组中电气系统的等值模型以及发电机的等值模型；

2)根据建立的所述电气系统的等值模型、发电机的等值模型进行短路计算，获取得到风电机组在短路故障时的故障电流范围；分别计算风电机组中各部件在短路故障时对故障电流的耐受时间，获取得到风电机组对故障电流的耐受能力，所述耐受能力即风机最小的耐受时间安全边界；

3)根据获取得到的故障电流范围、耐受能力确定待整定断路器中电流以及动作时间的整定值，通过所述整定值使得风电机组中电流在超出所述故障电流范围时，待整定断路器在所述耐受能力内动作以切断电路。

2.根据权利要求1所述的风电机组断路器的参数整定方法，其特征在于，所述步骤1)中电气系统的等值模型为变压器等值模型、风电场集电线路等值模型、以及箱式变压器到机舱之间的电缆等值模型所组合构成的模型。

3.根据权利要求2所述的风电机组断路器的参数整定方法，其特征在于，所述步骤2)中获取得到风电机组在短路故障时的故障电流范围的具体步骤为：计算所述电气系统的等值模型、发电机的等值模型在短路故障时的短路电流，由发电机的转速、所述发电机的等值模型中crowbar电阻的不同取值计算短路电流，获取得到风电机组在故障时的故障电流范围。

4.根据权利要求3所述的风电机组断路器的参数整定方法，其特征在于，所述步骤3)中获取得到风电机组对故障电流的耐受能力的具体步骤为：分别计算发电机、变流器、变压器在短路故障时对故障电流的耐受时间，取计算得到的各耐受时间中最小耐受时间作为风电机组对故障电流的耐受能力。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的风电机组断路器的参数整定方法，其特征在于：所述步骤3)中确定待整定断路器中电流以及动作时间的整定值的具体步骤为：获取待整定断路器中电流、动作时间分别与风电机组的故障电流、耐受时间的关系，根据获取得到的所述关系以及所述步骤2)获取得到的故障电流范围、耐受能力确定待整定断路器中电流、动作时间的整定值。

6.根据权利要求5所述的风电机组断路器的参数整定方法，其特征在于，所述步骤3)后还包括与实际运行参数进行校核的步骤。

7.根据权利要求1～4中任意一项所述的风电机组断路器的参数整定方法，其特征在于：所述待整定断路器为2段保护断路器时，过载长延时保护中电流整定值的取值范围为

1400～2500A、动作时间整定值的取值范围为1～60s，以及瞬断/速断保护中电流整定值的取值范围为3000～15000A。

8.根据权利要求1～4中任意一项所述的风电机组断路器的参数整定方法，其特征在于：所述待整定断路器为3段式保护断路器时，过载长延时保护中电流整定值的取值范围为

1400～2500A、动作时间整定值的取值范围为1-60s，短路短延时保护中电流整定值的取值范围为1400～7000A、动作时间整定值的取值范围为0.1-0.4s，以及瞬断/速断保护中电流整定值的取值范围为3000～15000A。

9.根据权利要求1～4中任意一项所述的风电机组断路器的参数整定方法，其特征在于：所述待整定断路器为4段式保护断路器时，过载长延时保护中电流整定值的取值范围为

1400～2500A、动作时间整定值的取值范围为1～60s，短路短延时保护中电流整定值的取值范围为1400～7000A、动作时间整定值的取值范围为0.1～0.4s，瞬断/速断保护中电流整定值的取值范围为3000～15000A，以及接地保护中电流整定值的取值范围为200～2000A、动作时间整定值的取值范围为0.1～0.4s。

说明书

一种风电机组断路器的参数整定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及风电机组参数整定的技术方案，尤其涉及一种风电机组断路器的参数整定方法。

背景技术

[0002] 风电机组不可避免的存在大量可燃润滑油脂、可燃的机舱罩和叶片等材料，在电气火源的引燃下很可能会导致火灾，电气短路故障即是导致机组烧毁的主要原因之一。电气火源是由于电气故障引起，则电气故障需要依靠断路器的设定参数实施保护，因而断路器参数的设定直接影响风电机组电气系统的安全性能。

[0003] 目前在风电行业发电机接入电网系统中的断路器并没有统一规范的参数整定方法，大多是基于常规异步电机的方法进行整定，即以普通异步电机等为工作对象，在长期经验的基础上给断路器设定整定值。但是风电机组的真实工况与此类负载有很大的差异，在运行实践中也可以看出采用上述方式得到的整定值不能对风电机组提供完全的保护，风电机组依然存在因电气故障而起火的风险。

[0004] 短路是电气系统最严重的故障工况，分为金属性短路和电弧短路，而在风力发电机组中，单纯的金属性短路较难发生，通常是电弧短路或电弧短路与金属短路同时发生的短路。通过异步电机整定得到的整定值在整定过程中并没有考虑风机电气特性以及故障工况，因而风电机组中基于智能断路器和熔断器的保护系统来快速切断短路电流进行保护时，如果保护系统设定值(断路器的参数设置)与风电机组短路特性不匹配导致外部电路未能及时切断或没有相应灭弧措施的情况下，由于短路点电压足够高，电弧短路会自持，短路产生的巨大能量使金属部件熔融或直接挥发而引燃周围的可燃物，从而导致机组起火烧毁。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、能够结合风电机组的电气特性以及故障工况进行参数整定且参数安全性能高的风电机组断路器的参数整定方法。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

[0007] 一种风电机组断路器整定值的确定方法，步骤包括：

[0008] 1)建立目标风电机组中电气系统的等值模型以及发电机的等值模型；

[0009] 2)根据建立的所述电气系统的等值模型、发电机的等值模型进行短路计算，获取得到风电机组在短路故障时的故障电流范围；分别计算风电机组中各部件在短路故障时对故障电流的耐受时间，获取得到风电机组对故障电流的耐受能力；

[0010] 3)根据获取得到的故障电流范围、耐受能力确定待整定断路器中电流以及动作时间的整定值，通过所述整定值使得风电机组中电流在超出所述故障电流范围时，待整定断路器在所述耐受能力内动作以切断电路。

[0011] 作为本发明的进一步改进：所述步骤1)中电气系统的等值模型为变压器等值模型、风电场集电线路等值模型、以及箱式变压器到机舱之间的电缆等值模型所组合构成的模型。

[0012] 作为本发明的进一步改进，所述步骤2)中获取得到风电机组在短路故障时的故障电流范围的具体步骤为：计算所述电气系统的等值模型、发电机的等值模型在短路故障时的短路电流，由发电机的转速、所述发电机的等值模型中crowbar电阻的不同取值计算短路电流，获取得到风电机组在故障时的故障电流范围。

[0013] 作为本发明的进一步改进，所述步骤3)中获取得到风电机组对故障电流的耐受能力的具体步骤为：分别计算发电机、变流器、变压器在短路故障时对故障电流的耐受时间，取计算得到的各耐受时间中最小耐受时间作为风电机组对故障电流的耐受能力。

[0014] 作为本发明的进一步改进：所述步骤3)中确定待整定断路器中电流以及动作时间的整定值的具体步骤为：获取待整定断路器中电流、动作时间分别与风电机组的故障电流、耐受时间的关系，根据获取得到的所述关系以及所述步骤2)获取得到的故障电流范围、耐受能力确定待整定断路器中电流、动作时间的整定值。

[0015] 作为本发明的进一步改进：所述步骤3)后还包括与实际运行参数进行校核的步骤。

[0016] 作为本发明的进一步改进：所述待整定断路器为2段保护断路器时，所述过载长延时保护中电流整定值的取值范围为1400～2500A、动作时间整定值的取值范围为1～60s，以及所述瞬断/速断保护中电流整定值的取值范围为3000～15000A。

[0017] 作为本发明的进一步改进：所述待整定断路器为3段式保护断路器时，所述过载长延时保护中电流整定值的取值范围为1400～2500A、动作时间整定值的取值范围为1-60s，所述短路短延时保护中电流整定值的取值范围为1400～7000A、动作时间整定值的取值范围为0.1-0.4s，以及所述瞬断/速断保护中电流整定值的取值范围为3000～15000A。

[0018] 作为本发明的进一步改进：所述待整定断路器为4段式保护断路器时，所述过载长延时保护中电流整定值的取值范围为1400～2500A、动作时间整定值的取值范围为1～60s，所述短路短延时保护中电流整定值的取值范围为1400～7000A、动作时间整定值的取值范围为0.1～0.4s，所述瞬断/速断保护中电流整定值的取值范围为3000～15000A，以及所述接地保护中电流整定值的取值范围为200～2000A、动作时间整定值的取值范围为0.1～0.4s。

[0019] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0020] 1)本发明风电机组断路器的参数整定方法，在分析风电机组短路特性的基础上，结合风电机组的电气特性以及故障工况对风电机组中断路器进行参数整定，通过对电气系统、发电机的等值模型进行短路计算以及故障电流的耐受时间分析，可以得到风电机组的电气安全边界，再基于得到的电气安全边界确定断路器的参数整定值，从而使得断路器的整定值与风电机组电气特性相匹配，当发生危险的电气故障时，断路器能及时在各部件耐受的安全时间内动作以切断电路，断路器整定参数的安全性能高；

[0021] 2)本发明风电机组断路器的参数整定方法，基于电气安全边界确定断路器的参数整定值时，使得断路器的电气范围在安全边界以内，因而在安全边界内断路器不动作，当超出安全边界时，断路器可以在安全的时间内切断电路，保证风电机组的电气安全；

[0022] 3)本发明风电机组断路器的参数整定方法，进一步通过断路器的电流、动作时间与风电机组的故障电流、耐受时间的关系来确定整定值，使得在安全电气范围内结合断路器的保护特性得到准确、可靠的整定值，进一步提高整定值的安全性能；

[0023] 4)本发明参数整定方法进一步针对2段、3段、4段保护的断路器得到一组整定参数值，该组整定参数值充分考虑了风电机组的短路电气特性以及断路器的保护特性，因而在风电机组发生故障时能够实现及时、快速的保护，最大限度的降低电气故障、减少风机电气起火的发生。

附图说明

[0024] 图1是本实施例风电机组断路器的参数整定方法的实现流程示意图。

[0025] 图2是本实施例建立的电气系统的等值模型结构示意图。

[0026] 图3是本实施例建立的发电机的等值模型结构示意图。

具体实施方式

[0027] 以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

[0028] 如图1所示，一种风电机组断路器的参数整定方法，步骤包括：

[0029] 1)建立目标风电机组中电气系统的等值模型以及发电机的等值模型；

[0030] 2)根据建立的电气系统的等值模型、发电机的等值模型进行短路计算，获取得到风电机组在短路故障时的故障电流范围；分别计算风电机组中各部件在短路故障时对故障电流的耐受时间，获取得到风电机组对故障电流的耐受能力；

[0031] 3)根据获取得到的故障电流范围、耐受能力确定待整定断路器中电流以及动作时间的整定值，通过整定值使得风电机组中电流在超出故障电流范围时，待整定断路器在耐受能力内动作以切断电路。

[0032] 本实施例在分析风电机组短路特性的基础上，结合风电机组的电气特性以及故障工况对风电机组中断路器进行参数整定，通过对电气系统、发电机的等值模型进行短路计算以及故障电流的耐受时间分析，可以得到风电机组的电气安全边界，再基于得到的电气安全边界确定断路器的参数整定值，从而使得断路器的整定值与风电机组电气特性相匹配，当发生危险的电气故障时，断路器能及时在各部件耐受的安全时间内动作以切断电路，断路器整定参数的安全性能高。

[0033] 本实施例基于电气安全边界确定断路器的参数整定值时，使得断路器的电气范围在安全边界以内，因而在安全边界内断路器不动作，当超出安全边界时，断路器可以在安全的时间内切断电路，保证风电机组的电气安全。

[0034] 本实施例首先通过对风电机组实际运行数据的分析，得到风机正常工作的电气范围；然后通过对建立的电气系统的等值模型、发电机的等值模型进行短路计算，得到风机的电气边界；再由各部件的耐受时间得到风电机组的耐受能力，即风机最小的耐受时间安全边界，具体可基于短路危害与持续时间的分析计算得到。

[0035] 如图2所示，本实施例步骤1)中电气系统的等值模型为变压器等值模型、风电场集电线路等值模型、以及箱式变压器到机舱之间的电缆等值模型所组合构成的模型，按照电路原理将各等值模型组合即得到风电机组的电气系统等值模型。如图3所示为本实施例所建立的发电机等值模型，其中将crowbar电阻、转子阻抗以及转子漏感抗折算到定子侧。

[0036] 本实施例中，步骤2)中获取得到风电机组在短路故障时的故障电流范围的具体步骤为：计算电气系统的等值模型、发电机的等值模型在短路故障时的短路电流，由发电机的转速、发电机的等值模型中crowbar电阻的不同取值计算短路电流，获取得到风电机组在故障时的故障电流范围。由于发电机转速、crowbar电阻取值可不同，因而可以得到故障的短路电流范围。本实施例结合风电机组电气系统具体的空间布局，在短路分析计算的基础上进行危害分析计算、安全电气保护区域划分，从而对风电机组各处的可燃材料的短路耐受性进行分析计算，即可得出可燃材料的电气安全曲线。

[0037] 本实施例中，步骤3)中获取得到风电机组对故障电流的耐受能力的具体步骤为：分别计算发电机、变流器、变压器在短路故障时对故障电流的耐受时间，取计算得到的各耐受时间中最小耐受时间作为风电机组对故障电流的耐受能力，由最小耐受时间即可确定断路器的动作时间。

[0038] 本实施例中，步骤3)中确定待整定断路器中电流以及动作时间的整定值的具体步骤为：获取待整定断路器中电流、动作时间分别与风电机组的故障电流、耐受时间的关系，根据获取得到的关系以及步骤2)获取得到的故障电流范围、耐受能力确定待整定断路器中电流、动作时间的整定值，具体即在满足故障电流的耐受时间范围内，根据断路器的具体算法计算得到整定电流值和时间参数。由步骤1)、2)确定的电气安全边界对断路器进行整定，则可以使得在电气安全边界范围以内断路器不动作，当超出电气安全边界时，断路器则在安全的时间内切断电路，及时保护风电机组的电气安全。待整定断路器中电流、动作时间分别与风电机组的故障电流、耐受时间的关系即为断路器的保护特性，因而通过在安全电气范围内结合断路器的保护特性可以得到准确、可靠的整定值，进一步提高整定值的安全性能。

[0039] 本实施例待整定断路器为2段保护断路器时采用上述参数整定方法，过载长延时保护中电流整定值的取值范围为1400～2500A、动作时间整定值的取值范围为1～60s，以及瞬断/速断保护中电流整定值的取值范围为3000～15000A。

[0040] 本实施例待整定断路器为3段式保护断路器时采用上述参数整定方法，过载长延时保护中电流整定值的取值范围为1400～2500A、动作时间整定值的取值范围为1～60s，短路短延时保护中电流整定值的取值范围为1400～7000A、动作时间整定值的取值范围为0.1～0.4s，以及瞬断/速断保护中电流整定值的取值范围为3000～15000A。

[0041] 本实施例待整定断路器为4段式保护断路器时采用上述参数整定方法，过载长延时保护中电流整定值的取值范围为1400～2500A、动作时间整定值的取值范围为1～60s，短路短延时保护中电流整定值的取值范围为1400～7000A、动作时间整定值的取值范围为0.1～0.4s，瞬断/速断保护中电流整定值的取值范围为3000～15000A，以及接地保护中电流整定值的取值范围为200～2000A、动作时间整定值的取值范围为0.1～0.4s。

[0042] 采用本实施例参数整定方法得到的上述整定值，充分考虑了风电机组的短路电气特性以及断路器的保护特性，因而在风电机组发生故障时能够实现及时、快速的保护，最大限度的降低电气故障、减少风机电气起火的发生。

[0043] 本实施例按照上述方法得到的整定值，在具体实施例中可采用设置拨码开关、旋钮等方式进行选取设定。

[0044] 为验证上述参数整定方法的有效性，本实施例在ETAP仿真平台上搭建电气模型，代入按照上述方法整定得到的各参数进行仿真验证，由仿真验证结果验证本实施例采用上述参数整定方法得到的整定值。

[0045] 本实施例中，所述步骤3)后还包括与实际运行参数进行校核的步骤。风电机组实际运行中记录了很多正常运行和故障状态下的波形，本实施例通过分析计算当前大型并网风电机组的短路特性，由电气系统记录的运行和故障数据、短路时记录的数据，对本实施例采用上述参数整定方法得到的整定值进行校核，以确保电路计算的正确性、可信性。

[0046] 本实施例在工程实施中，再依据实际结果对本实施例采用上述参数整定方法得到的整定值进行校核，可以进一步确保电气保护的有效性。

[0047] 以下以具体实施例中针对1.5MW风电机组、S保护(短路短延迟)时参数整定方法为例对本发明进行进一步说明。

[0048] 步骤1：

[0049] 建立电气系统等值模型、发电机等值模型，建立的电气系统等值模型如图2所示、发电机等值模型如图3所示。

[0050] 步骤2：

[0051] 在建立的电气系统等值模型、发电机等值模型的基础上计算短路电流，计算得到故障时短路电流的范围为2200～6000A。

[0052] 分析发电机、变流器的故障电流的耐受时间，本实施例短路故障取典型类型的短路故障故障，其中：

[0053] 短路故障下，电缆的耐受时间： 其中k为导体材料特性，s为导体截面积，I为故障电流；；

[0054] 发电机在短路故障下的耐受时间：≥100s；

[0055] 变流器在短路故障下的耐受时间：≥10；

[0056] 变压器在故障下的耐受时间：≥30s；

[0057] 取上述最小耐受时间10s作为断路器的动作时间。

[0058] 步骤3：

[0059] 断路器S段保护算法如下式所示：

[0060]

[0061] 其中，Tsd为跳闸时间，IR为短延时电流整定值，tsd为短延时时间整定值，I为故障电流。

[0062] 将步骤2)得到的最小耐受时间、故障电流范围代入式(1)中，得到断路器的整定值范围：电流整定值范围为2200～6000A，动作时间整定值范围为：0.1～0.4s；对该整定值范围再进行可靠性扩展，即得到电流的整定值范围为：1400～7000A，动作时间的整定范围为：0.1～0.4s。

[0063] 上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。