大规模风能发电接入电力系统后故障暂态等值仿真与继电保护分析方法研究

The wind power capacity of China has been rapidly developed in recent years. The large-scale wind farm integration has resulted in the incorrect action of the protection relays, making it an urgent need to develop transient fault simulation tools and to ameliorate the methods to analyze the protection behaviors. The project focused on developing an accurate and effective equivalent numerical transient fault procedure (step: 2-5 μs) simulation model of the grid-connected wind generation system, which comprised thousands of wind generators with distinctive operating principles, various types of controllers and converters of different capacities. On basis of this simulation, it was possible to provide the action criterion for protection relays that required distinctions of voltage and current waveforms. Also, the project was to establish the circuit analytical theory of the system with converters in its main circuit after the system fault, and to provide a tool for the relay protection analysis. Finally, the project was to make clear the changing discipline of the transient fault characteristics for large-scale grid-connected wind farms and provide the applicable conditions for the existing protection realys as well as the methods of augmenting the correct operation rate of protection relay.

近年来中国风电装机持续高速发展，大规模的风电接入电力系统已经造成部分继电保护设备不正确动作，迫切需要发展故障暂态仿真工具和继电保护动作行为分析方法。本项目研究解决：真实及高效描述由上千台不同原理风力发电机、不同类别控制器、变流器容量不等的大规模风电集群接入系统后故障暂态过程（步长2－5微秒）等值数值仿真方法及开发仿真平台，从而为依靠电压电流波形特征区分故障的继电保护提供动作依据；建立主电路中带有变流器的电力系统故障后电路分析原理及方法，提供可用的继电保护原理分析的工具；搞清大规模风电接入系统后故障暂态特征的变化规律，给出现有保护的适用条件及提高现有保护正确动作的方法。

风电机组的运行原理与控制方式不同于同步电机，其复杂的故障暂态特性使得大规模风电接入系统的继电保护动作可靠性降低。迫切需要建立有效的大规模风电接入系统故障暂态数值仿真模型、研究含有电力电子设备的风电接入系统故障解析分析方法，为大规模风电并网后的继电保护提供动作依据，给出提高现有保护可靠性的方法。为此，本项目开展工作如下：.在PSCAD、RSCAD软件平台中建立了恒速、双馈、直驱式风机电磁暂态仿真模型，采用录波数据和试验数据验证了模型的正确性；提出了基于出力或转速分群、参数聚合加权的风电场电磁暂态简化等值建模方案。建立了故障后变流器不间断控制下双馈式风机的序网等值电路，给出了基于等值电路的风电接入电力系统故障解析分析方法。.数值仿真、解析分析相结合，研究了大规模风电集群接入电力系统的故障暂态特征。研究表明，集群式接入风电场在故障期间表现出弱电源特性，提供正负序短路电流的能力较弱；投入撬棒保护的双馈式风场送出线路母线电压和电流的频率可能不一致；故障期间低电压穿越策略的多样性影响风电接入系统故障电流特性。.针对风电集群接入输电网的运行方式，分析了风电送出线路及送出变压器的继电保护动作性能。受上述风电接入系统故障特征的影响，基于相电流突变量或序分量的选相元件、基于相故障分量法或正序量的方向元件、基于工频量频域算法的距离保护均可能不正确动作。为克服以上问题，给出了不受风电接入影响的保护优化配置方案。.针对风电分散式接入配电网的运行方式，分析了配电网电流保护的动作性能。研究表明，风电电源提供的短路电流可能使风电接入线路的电流保护I段超范围动作、II段拒动、以及风电接入点相邻馈线电流保护反向误动。提出了不受风电接入及运行方式影响的自适应电流保护方案，基于该方案开发了保护装置APR-01。.综上，本项目提出的风电集群电磁暂态等值仿真建模方案可以有效地描述大规模风电接入系统的故障电磁暂态过程，给出的大规模风电接入系统故障特性及保护适应性结论可为现场保护运行提供参考依据，提出的改进保护配置方案可提高风电接入系统运行的可靠性，开发的自适应电流保护装置通过实际运行检验后可以规模化生产并应用于风电接入配电网的线路保护中。上述成果共发表国际会议及国内核心期刊文章8篇，申请国家发明专利3项，并通过了教育部批准的科技成果鉴定，成果总体达到国际领先水平。