基于固有频率与特征频率结合的自适应距离保护方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于固有频率与特征频率结合的自适应距离保护方法，根据故障前风力机的转速，将固有频率和特征频率应用到故障时故障特征的分析中，利用固有频率和特征频率来表达故障后电压电流不仅物理意义明确，并且更贴近工程实际应用，本发明提出的固有频率与特征频率结合的自适应距离保护，可提高风电并网继电保护在各种工况下的动作可靠性，对提高风电并网继电保护的正确动作，具有较高的使用价值。
【专利说明】
基于固有频率与特征频率结合的自适应距离保护方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种基于固有频率与特征频率结合的自适应距离保护方法，属于电力 系统自动化技术领域。
【背景技术】
[0002] 近年来风力发电占总发电份额的比例越来越重，风力发电作为典型的新能源发电 形式已成为一种趋势，但是，由于风机本身具有的特点而使得风电并网的继电保护问题成 为了一种难题，其误动引发的相关案例在国内已发生了多起。其中，较为典型的是风电接入 对送出线距离保护的影响，送出线路风电场侧的距离保护需要风电场侧电压、电流信息，其 中，风电场故障电流频率随短路前机组的转速变化，频率变化范围一般为35至65化，不再保 持工频，基于工频相量的保护算法(如傅氏算法)无法准确提取基波相量，依据工频电压、电 流比值的测量阻抗不再准确，因此，基于传统的工频量距离保护将不再适用，如何解决风电 场送出线风场侧的电流频率随短路前发电机转速的变化而变化对距离保护带来的影响，是 当前急需解决的问题。
【发明内容】
[0003] 本发明目的是为了克服风电并网送出线基于传统的工频量距离保护将不再适用 的问题。本发明的基于固有频率与特征频率结合的自适应距离保护方法，将固有频率和特 征频率应用到故障时故障特征的分析中，可提高风电并网继电保护在各种工况下动作的可 靠性，提高风电并网继电保护的正确动作，具有较高的使用价值。
[0004] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0005] -种基于固有频率与特征频率结合的自适应距离保护方法，其特征在于:包括W 下步骤，
[0006] 步骤(A)，确定风电场送出线故障后的固定频率和特征频率；
[0007] (Al)风电场送出线故障后，风机投入化OWbar电路保护来实现故障穿越，此时双馈 风机相当于异步发电机，转子电流为衰减直流，双馈风机机端电压由故障前转速频率的交 流电动势和工频电动势组成，风电场侧故障电流Is,如公式(1)所示，
[000引
（1)
[0009] 其中，^为Crowbar电路投入时的初始相位角;曰1、曰2、曰3为常规系数，其值取决于双 馈风机参数与电压跌落水平；为电网角频率；为转子转速角频率；
S 为定子回路时间常数、为转子回路时间常数；
[0010] (A2)根据公式（1)得到，风电场侧故障电流Is包括稳态交流分量、衰减直流分量和 衰减交流分量，所述衰减交流分量的频率取决于故障前双馈风机的转速，从而，得到故障前 双馈风机转速下的频率为特征频率，电网的50化频率为固有频率；
[0011] 步骤(B)，根据确定的固定频率和特征频率，进行风电并网的自适应距离保护；
[0012] (BI)设风电场送出线故障后，风机侧的母线保护安装处电压、电流如公式(2)、（3) 所示，
[0013] (2)
[0014] (3)
[0015] 其中，分别为固有角频率与特征角频率;f、f'分别为固有频率与特征频率； 4 U、4 / U分别为固有频率与特征频率分量对应的电压初相角；4 i、4 / i分别为固有频率与 特征频率分量对应的电流初相角;A、C分别为固有频率对应的电压、电流幅值;B、D分别为特 征频率对应的电压、电流幅值，其大小与电机参数和电压跌落水平相关;n为故障前双馈风 机的转速，加为双馈风机的额定转速；
[0016] (B2)根据故障前双馈风机的转速，定义混合阻抗Z，如公司(4)所示，
[0017]
(4)
[001引其中，(}、}、（}、/'分别为固有频率与特征频率对应的电压、电流相量;ki、k2为 混合因子，iI i I、I i ' I分别为固有频率与特征频率对应的电流幅 值；
[0019] (B3)通过(B2)可得，在风电场送出线保护安装处测量的混合阻抗，如公式（5)所 示，
[0020]
(5)
[0021] (B4)根据公式(6)，得到阻抗整定值Zset，
[0022]
(6)
[0023] 其中，1为线路保护长度;ri、Li、x汾别为线路单位长度电阻值，电感值与电抗值；
[0024] (B5)若2 < Zset，则风电并网继电保护出口动作。
[0025] 前述的基于固有频率与特征频率结合的自适应距离保护方法，其特征在于：（A2) 得到故障前双馈风机转速下的频率为特征频率，所述特征频率在故障后采用prony算法将 故障后电压、电流的特征频率提取出来。
[0026] 本发明的有益效果是:本发明的基于固有频率与特征频率结合的自适应距离保护 方法，根据故障前风力机的转速，将固有频率和特征频率应用到故障时故障特征的分析中， 利用固有频率和特征频率来表达故障后电压电流不仅物理意义明确，并且更贴近工程实际 应用，本发明的提出固有频率与特征频率结合的自适应距离保护，可提高风电并网继电保 护在各种工况下的动作的可靠性，对提高风电并网继电保护的正确动作，具有较高的使用 价值。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明的双馈风机的并网接线图。
[0028] 图2是双馈风机在风电场送出线保护安装处安装阻抗元件的并网接线图。
[0029] 图3是本发明的自适应频率变化的阻抗保护元件的阻抗特性示意图。
【具体实施方式】
[0030] 下面将结合说明书附图，对本发明做进一步说明。W下实施例仅用于更加清楚地 说明本发明的技术方案，而不能W此来限制本发明的保护范围。
[0031] 本发明的基于固有频率与特征频率结合的自适应距离保护方法，包括W下步骤，
[0032] 步骤(A)，确定风电场送出线故障后的固定频率和特征频率；
[0033] (Al)如图1所示，双馈风机的并网接线图，当IlOkV线路发生S相故障时，双馈风机 投入Crowbar电路来保护转子侧变流器，此时双馈风机相当于普通的异步发电机，从而得 到，Crowbar电路保护投入后风电场内的双馈风机相当于异步发电机，转子电流为衰减直 流，双馈风机机端电压由故障前转速频率的交流电动势和工频电动势组成，风电场侧故障 电流Is,如公式（1)所示，
[0034]
( 1)
[0035] 其中，只为化OWbar电路巧入时的初始相位角；日1、日2、日3为帯规《数，其值取决于双 馈风机参数与电压跌落水平；为电网角频率；为转子转速角频率
为定子回路时间常数、为转子回路时间常数；
[0036] (A2)根据公式（1)得到，风电场侧故障电流Is包括稳态交流分量、衰减直流分量和 衰减交流分量，所述衰减交流分量的频率取决于故障前双馈风机的转速，从而，得到故障前 双馈风机转速下的频率为特征频率，电网的50化频率为固有频率，所述特征频率在故障后 采用prony算法将故障后电压、电流的特征频率提取出来，Prony算法是用一组指数项的线 性组合来拟和等间距采样数据的方法，可W从中分析出信号的幅值、相位、阻尼因子、频率 等信息，根据公式（1)可知道故障后故障电流的组成包括稳态交流对应固定频率，衰减交流 对应特征频率，采用prony算法可W将相应的频率成分提取出来；
[0037] 步骤(B)，根据确定的固定频率和特征频率，进行风电并网的自适应距离保护；
[0038] (BI)设风电场送出线故障后，风机侧的母线保护安装处电压、电流如公式(2)、（3) 所示，
[0039]
(2)
[0040]
(3)
[0041] 其中，O、O '分别为固有角频率与特征角频率;f、f'分别为固有频率与特征频率； 4 U、4 / U分别为固有频率与特征频率分量对应的电压初相角；4 i、4 / i分别为固有频率与 特征频率分量对应的电流初相角;A、C分别为固有频率对应的电压、电流幅值;B、D分别为特 征频率对应的电压、电流幅值，其大小与电机参数和电压跌落水平相关;n为故障前双馈风 机的转速，加为双馈风机的额定转速；
[0042] (B2)根据故障前双馈风机的转速，定义混合阻抗Z，如公式(4)所示，
[0043]
(4)
[0044] 其中心、i、护、/分别为固有频率与特征频率对应的电压、电流相量;ki、k2为 混合因子，且
I i I、I i' I分别为固有频率与特征频率对应的电流幅 值；
[0045] (B3)通过(B2)可得，在风电场送出线保护安装处测量的混合阻抗，如公式（5)所 示，
[0046] )
[0047] ,
[004引 （技）
[0049] 其中，1为线路保护长度;ri、Li、xi分别为线路单位长度电阻值，电感值与电抗值；
[0050] (85)若2<236*，则风电并网继电保护出口动作。
[0051] 如图2所示，本发明基于固有频率与特征频率结合的自适应距离保护方法的一具 体应用实例，故障后，风电场送出线保护安装处测量阻抗为：，
[0化2]
当2<23日1；，阻抗元件动作。
[0053] 其中，Zset为阻抗保护定值，其值根据频率变化自适应调整：
[0054] Zset = krel*lZl
[0055] =krei*l(n+jxi)
[0056] =krei*l[ri+j(ki ? Li+k2? 止I)]
[0057] 其中，I为线路保护长度;分别为线路单位长度电阻，电感与电抗值。
[005引图3所示为自适应频率变化的阻抗保护元件的阻抗特性示意图，曲线1、2、3分别为 采用特征频率、固有频率与混合频率时的圆阻抗特性，正常运行的系统其阻抗特性为2曲 线，当故障后频率仅含特征频率时，阻抗圆特性变为1曲线，当故障后频率同时含有固有频 率与特征频率时，阻抗圆变为3曲线，在此过程中，电阻的整定值始终不变，故阻抗圆的圆屯、 始终在直线AB上移动。
[0059] 综上所述，本发明的基于固有频率与特征频率结合的自适应距离保护方法，根据 故障前风力机的转速，将固有频率和特征频率应用到故障时故障特征的分析中，利用固有 频率和特征频率来表达故障后电压电流不仅物理意义明确，并且更贴近工程实际应用，本 发明的提出固有频率与特征频率结合的自适应距离保护，可提高风电并网继电保护在各种 工况下的动作的可靠性，对提高风电并网继电保护的正确动作，具有较高的使用价值。
[0060] W上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该 了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原 理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，运些变化和改进 都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界 定。
【主权项】
1.基于固有频率与特征频率结合的自适应距离保护方法，其特征在于:包括W下步骤， 步骤(A)，确定风电场送出线故障后的固定频率和特征频率； (A1)风电场送出线故障后，风机会投入Crowbar电路保护来实现故障穿越，此时双馈风 机相当于异步发电机，转子电流为衰减直流，双馈风机机端电压由故障前转速频率的交流 电动势和工频电动势组成，风电场侧故障电流Is,如公式(1)所示，其中，释为Crowbar电路投入时的初始相位角；ai、a2、ii3为常规系数，其值取决于双馈风 机参数与电压跌落水平；ωι为电网角频率；Or为转子转速角频率；为 定子回路时间常数、为转子回路时间常数；(A2)根据公式（1)得到，风电场侧故障电流Is包括稳态交流分量、衰减直流分量和衰减 交流分量，所述衰减交流分量的频率取决于故障前双馈风机的转速，从而，得到故障前双馈 风机转速下的频率为特征频率，电网的50化频率为固有频率； 步骤(B)，根据确定的固定频率和特征频率，进行风电并网的自适应距离保护； (B1)设风电场送出线故障后，风机侧的母线保护安装处电压、电流如公式（2)、（3)所 示，其中，ω、ω '分别为固有角频率与特征角频率;f、f'分别为固有频率与特征频率；φυ、 Φ U '分别为固有频率与特征频率分量对应的电压初相角；Φ i、Φ i '分别为固有频率与特征 频率分量对应的电流初相角;A、C分别为固有频率对应的电压、电流幅值;B、D分别为特征频 率对应的电压、电流幅值，其大小与电机参数和电压跌落水平相关;η为故障前双馈风机的 转速，ΠΝ为双馈风机的额定转速； (Β2)根据故障前双馈风机的转速，定义混合阻抗Ζ，如公司(4)所示，(4) 其中，心、/、J、/'分别为固有频率与特征频率对应的电压、电流相量;ki、k2为混合 因子，卫I i I、I i' I分别为固有频率与特征频率对应的电流幅值； (B3)通过(B2)可得，在风电场送出线保护安装处测量的混合阻抗，如公式巧)所示，(5) (B4)根据公式(6)，得到阻抗整定值Zset，其中，1为线路保护长度;ri、b、xi分别为线路单位长度电阻值，电感值与电抗值； (B5 )若2 < Zset，则风电并网继电保护出口动作。2.根据权利要求1所述的基于固有频率与特征频率结合的自适应距离保护方法，其特 征在于：（A2)得到故障前双馈风机转速下的频率为特征频率，所述特征频率在故障后采用 prony算法将故障后电压、电流的特征频率提取出来。
【文档编号】H02J3/38GK105846459SQ201610224516
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月12日
【发明人】王玉婷, 陈福锋, 姚亮, 焦在滨, 金吉良
【申请人】南京国电南自电网自动化有限公司