双馈集群汇集站主变故障特性分析及保护的研究

作     者：张宏鹏 

作者单位：东北电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：金恩淑

授予年度：2024年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：变压器 差动保护 全相位快速傅里叶变换 间谐波 CT饱和 励磁涌流 

摘      要：风能作为可再生清洁能源,是能源战略布局中重要的一部分,而双馈感应发电机(doubly-fed induction generation,DFIG)是目前应用最广泛的风电机组类型,其通常配备撬棒(Crowbar)保护电路以实现低电压穿越。双馈集群汇集站主变作为传输电能的枢纽具有十分重要的作用,其保护能够正确区分变压器励磁涌流与内部故障并且可靠动作是双馈集群风电接入系统安全稳定运行的基础。目前双馈集群汇集站主变通常采用基于二次谐波制动原理的差动保护。但双馈风电场与常规电源不同,当双馈集群汇集站主变发生内部故障,DFIG机端电压跌落,转子侧电流超过Crowbar保护电路阈值时,Crowbar保护电路投入使得风电场侧输出的短路电流出现偏频特性,这将导致以傅里叶工频算法为基础的变压器差动保护无法准确提取差动电流中的二次谐波含量,从而造成差动保护动作延时长甚至拒动;而且电流互感器(CT)发生饱和时,电流波形发生畸变会导致变压器区外故障时继电保护装置误动。因此,基于二次谐波制动原理的差动保护已经不能适用于双馈集群汇集站主变,有必要研究一种能够适用于双馈集群汇集站主变的保护方法。 首先,本文介绍了双馈集群风电接入系统的主要设备,给出了主要设备的参数,阐述了DFIG的控制原理,并在PSCAD中对双馈集群风电接入系统进行模型的搭建。为研究双馈集群汇集站主变的特性和差动保护的动作性能提供了基础。 其次,阐述了励磁涌流的产生机理,研究了不同工况下变压器励磁涌流特性与故障特性;对汇集站主变在不同工况下传统差动保护的适应性进行分析,研究发现,汇集站主变发生励磁涌流时,传统差动保护能够可靠不动作,而内部故障时,传统差动保护动作延时过长。同时,对变压器差动电流进行频谱分析,发现励磁涌流时,差动电流几乎不含有非整次谐波即间谐波;而内部故障时,差动电流中存在大量间谐波。根据上述特征提出了一种基于全相位快速傅里叶变换(ap FFT)的双馈集群汇集站主变差动保护新方法。实验结果表明,新方法不仅能够正确识别励磁涌流,而且显著提高了内部故障时差动保护的速动性。 最后,对双馈集群汇集站主变考虑CT饱和的情况进行分析,发现在考虑CT饱和情况下变压器发生区外故障时,传统差动保护和差动保护新方法均会造成保护误动。根据不同工况下的区外故障伴随CT饱和时,差动电流中的直流分量绝对值远小于内部故障时的差动电流直流分量绝对值这一特征,在差动保护新方法的基础上增加基于差动电流直流分量绝对值的判据,对区外故障伴随CT饱和这一情况进行判别。实验结果表明,改进方法可以在区外故障伴随CT饱和情况下不误动,提高了差动保护的可靠性。