电铁负序对风电场线路方向元件的影响研究

引言

随着电气化铁路和风力发电的快速发展,两者同区域接入电网的情况越来越多。电铁牵引负荷是随机变化的大功率单相非线性负荷,在移动用电的同时产生负序电流,影响接入系统的电能质量,进而影响同区域风电场的正常运行。本文基于方向元件的工作原理,研究了电铁正常运行产生的负序对风电场集电线路方向元件的影响。

1风电场建模

选用抗干扰能力最强的直驱型机组,构建如图1所示的包含风电场(总容量49.5Mw）、电铁牵引站的仿真模型。

2传统方向元件的工作原理分析

2.1基于相量故障分量的方向元件

基于相量故障分量的方向元件是利用保护安装处各相间或相故障分量电压和电流之间的相位关系来区分正方向和反方向故障,根据这些关系可以表示为:

式(1）表示的是相故障分量的方向元件,其中i=A、B、C:式(2）表示的是相差故障分量的方向元件,其中ii=AB、BC、CA。

本文以相差故障分量方向元件为例,令

可根据对称分量法与短路故障边界条件,推导出相角差A9ii与系统正负序阻抗比有关。由此可知,电铁作为系统单相且随机变化的负荷会影响其正负序阻抗比,进而影响方向元件的适应性。

2.2基于序故障分量的方向元件

基于序故障分量的方向元件是利用保护安装处的序故障分量电压和电流之间的相位关系来区分正方向和反方向故障,根据这些关系可表示为:

其中j=0、1、2,分别表示零序、正序、负序,令

当电铁负荷特性导致其产生的负序电流变化时,根据对称分量法可知其必将影响三序A9j的大小。

3电铁负序对方向元件的影响

本文采用图1所示的直驱风电场集电线A点发生单相接地与两相接地短路故障方案,分析电铁对保护1的方向元件的影响。

仿真案例·风电场集电线A点0.5s时刻发生短路故障,持续时间0.2s,PCC点牵引站牵引变为VV接线方式,单臂供电,0.6s时刻多台电力机车（负荷40Mw）通过牵引站左臂。

案例1·集电线A点发生A相接地短路故障。

图2为保护1处相差故障分量方向元件相角差A9ii波形,根据其判据式（2）可知,其不能正确判断故障方向。

图3为∆θAB波形放大图。

由图3可知,当电铁在0.6s经过时,相角差会受到影响(图中趋势为角度增大,此时电铁接入供电臂左臂）,当负荷接入右臂时,由电气化铁路轮流换相原理可知,相位差将减小,如图4所示。

由图4可知,相差故障分量方向元件可能会受到风电场故障特性与电铁负荷的双重影响而不能正确判断方向。

图5为负序方向元件A92波形（零序的A90波形与此图基本相同）。由图5可知,根据其判据式（3）,故障发生时（电铁接入前）负序方向元件不能正确判断方向,电铁在0.6s通过时对相角差也有影响。风电系统主要对正序分量进行控制,零序分量也仅与线路网络拓扑有关,风电系统的负序和零序阻抗应该较稳定,但其负序回路会因控制的非线性存在一定波动,且故障电流还存在大量谐波,可能影响到方向元件的判断稳定性。

案例2:集电线A点发生AB相接地短路故障。

基于相差故障分量的方向元件相角差A9ii波形如图6所示,根据相差故障分量方向元件的原理式（2）可知,此类方向元件不能正确判断故障方向,电铁对其影响较小。

负序分量方向元件A92波形如图7所示。

零序方向元件A90波形图与图7基本相同,可知根据判据式（3）两者均不能正确判断故障方向,电铁对相角差也有一定影响。

4结语

由上述分析可知,风电场集电线路发生短路故障时,电铁随机变化的大功率负荷特性及其负序对相量故障分量方向元件及序故障分量方向元件影响较大。