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风电场弱馈系统对线路保护的影响分析与策略

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摘要

第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 风电并网的继电保护问题

1.2.2 风电场弱馈特性研究现状

1.3 弱馈系统介绍

1.4 本文主要工作及创新点

第二章 风电场弱馈系统中的线路保护

2.1 引言

2.2 传统弱馈系统的输电线路保护

2.3 风电场弱馈系统中的距离保护

2.4 选相元件在风电场弱馈系统的适应性

2.4.1 选相元件种类及原理

2.4.2 序分量选相元件在风电场弱馈侧的适应性

2.5 本章小结

第三章 风电场的弱馈特性探讨

3.1 引言

3.2 风电场弱馈等值方法

3.2.1 风力发电机的基本理论

3.2.2 双馈感应异步发电机的工作原理

3.2.3 双馈风电场的模型建立

3.3 风电场弱馈系统的故障特性研究

3.3.1 联络线路故障时短路电流特性研究

3.3.2 风电场的弱电源特性分析

3.4 撬棒电路对风电场弱馈特性的影响

3.4.1 撬棒电路保护

3.4.2 撬棒电路对双馈风电机短路电流特性的影响

3.4.3 撬棒电路投入对风电场弱馈特性的影响

3.5 本章小结

第四章 风电接入对距离保护的影响分析

4.1 引言

4.2 距离保护受风电场弱馈特性的影响分析

4.3 风电场弱馈侧的序分量选相元件动作特性分析

4.4 本章小结

第五章 线路保护改进策略研究

5.1 引言

5.2 考虑计算精度的联络线路距离保护改进

5.3 基于电压补偿的改进故障序分量选相

5.4 本章小结

第六章 系统建模与仿真分析

6.1 引言

6.2 弱馈系统风电场模型建立

6.3 风电场弱馈系统故障特性仿真分析

6.4 风电场弱馈侧的保护元件仿真分析

6.4.1 距离阻抗继电器动作特性仿真分析

6.4.2 序分量选相元件动作特性仿真分析

6.5 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 存在的不足与展望

致谢

攻读硕士学位期间的学术成果

参考文献

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摘要

随着风力发电技术的快速发展,风力发电已经成为了能源与电力可持续发展的最佳选择之一。依据国家发展和改革委员会能源研究所的报告,风力发电的总装机容量在2030年以后将有希望超过核能发电,成为我国的第三大电力来源。而我国幅员辽阔,受制于风能资源与电力负荷中心的逆向分布的基本国情,大规模风电并网通常采用集中式接入电网的输电形式。大规模风电集中式并网对联络线路的继电保护的影响日益突出,本文就风电场集中式并入电网时输电线路保护中可能出现的问题,展开了以下的研究。
  首先研究了风电场并入电网时,联络线路上保护的配置。分析了风电场弱馈系统侧的距离保护和选相元件的工作原理。对目前已有文献中的研究,进行总结概括。接着对风电场的等值方法进行研究,并以双馈感应异步发电机(DFIG)为例建立其等效数学模型。经过对双馈风电场故障电流特性的探讨,发现其提供短路电流的能力有限,这一点与传统同步机区别很大。在此基础之上进一步研究集中式并网风力发电系统体现的弱馈特性,并深入分析了撬棒电路保护对故障电流以及弱馈特性的影响。
  其次研究了风电场弱馈系统并入电网对线路保护的影响,主要分析了风电场集中式并网对线路距离保护和选相元件的影响。分析发现由于风电场弱馈特性的影响,全量距离保护会出现测量阻抗不能正确反映故障距离的情况,特别是在发生三相短路和两相接地短路时。而风电场弱馈侧的正、负序电流分配系数不同,又会使得序分量选相元件发生误判。
  最后研究了适应风电场弱馈系统的输电线路保护策略。首先分析了距离保护的改进思路,接着从原理出发提出了基于电压补偿的序分量选相改进方案,即通过引入风电场侧保护安装处的电压测量值和部分线路阻抗信息来自适应风电场侧阻抗和暂态电势的变化。在Matlab/Simulink平台上建立集中式双馈风电场远距离输电模型,并对其进行动态仿真。分别观察距离保护与序分量选相元件在风电场侧的动作情况,接着采用改进后的序分量选相方案观察其动作特性。通过对仿真波形和数据的观察分析,验证了理论推导的正确性以及改进策略的优越性。

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