Impact Analyses of Wind Farm on Performances of Transmission Line Relay Protection

A simulation system for power grid with concentrated large-scale wind farm integration is established based on the electro-magnetic transient model of wind turbine equipped with doubly-fed induction generator (DFIG),which is built by real-time digital simulator (RTDS).Using the hardware communication interface of RTDS,a closed-loop testing experiment is accomplished to study the impacts of large-scale wind farms on the existing relay protection devices for wind farm outgoing transmission line.This paper points out problems existing in current relay protection devices as follows:fault phase selector can select unwanted phase due to the changes of fault features caused by special network connection of wind farms;blocking condition for distance protections needs to be re-examined due to the weak power-feed characteristics of wind farms;and power frequency parameter based relay protection devices cannot accurately operate due to the special transient voltage and current characteristics of wind farms during fault period.Results lay the foundation for improving the performances of the existing relay protection device and developing new principle relay protection.

基于改进DDAE的风电场集电线单相接地故障测距

为解决风电场混合接线的集电线短路后难以精确定位的问题,提出基于改进深度去噪自编码网络的故障测距方法。分析集电线故障零序电流可知,暂态电流值、稳态电流幅值、稳态电流相位与故障距离呈现强非线性关系,借助深度学习挖掘这一复杂关系以实现集电线精确定位。在深度自编码框架上添加距离回归输出端口,采用联合训练以提升定位网络的准确性、抗噪性和鲁棒性。其过程为:借助PSCAD/EMTDC搭建集电线模型,将给定时窗内故障零序电流序列和对应距离作为故障样本,仿真不同情况故障生成样本集;在训练集上训练改进深度自编码网络,得到最优网络用于精确测定故障距离。借助各测点零序电流幅值关系可先确定故障区域,将故障信号送入已训练好的网络即可确定故障所在精确位置。文中方法对集电线多分支、混合短线路有着良好的适应能力,定位性能明显优于传统机器学习算法,且受过渡电阻、采样率、噪音、故障相位角影响较小。

基于单机等值与主成分分析法的海上风电场等值建模研究

在借鉴海上风电场实际项目经验的基础上,重点分析了海上风电场集电线路的等效方式以及海上风电场的等值建模。综合目前风电场动态等值中单机等值与多机等值的优缺点,以实际风电场作为参考,提出了单机等值法和多机等值法相结合的双层等效方法。按风机的馈线分布对风电场进行一次单机等值,再以主成分分析法对一次等值后的机组提取主导变量,作为二次多机等值的分群指标并进行机组分群,保证风电场等值的精确度。该等值建模对海上风电场进行二次等效建模,通过仿真验证,将等效后的仿真模型与实际详细模型做对比,验证了该等效方法的可行性。

浅水浮式风电结构非线性波浪荷载及动力响应特性研究

浮式风电结构在浅水海域中承受的波浪荷载及运动响应表现出非线性特征,对浮式风电安全性提出很高要求。本文建立了风机-浮式基础-系泊系统耦合分析模型,对于不同水深、不同波浪荷载计算方法下的频域水动力系数和时域计算结果分别进行了对比,讨论了水深以及波浪荷载计算方法对浮式风电结构响应和系泊张力的影响。结果表明:浮式风电结构的水动力性能和动力响应随水深变化显著。水深较浅时,浮体响应和系泊张力的低频部分明显增大,二阶波浪荷载的影响更加显著。同时,Newman近似方法与全二次传递函数方法相比,在浅水条件下会明显低估二阶波浪荷载效应,进而影响平台响应和系泊张力的分析。

抑制风电场经LCC-HVDC并网系统交流过电压的无功功率分散协同控制方法

针对风电场经基于电网换相换流器的高压直流(LCC-HVDC)并网系统换相失败导致的送端交流过电压问题,提出了无功功率分散协同控制方法。首先,研究了换相失败期间送端交流系统公共连接点(PCC)处电压和盈余无功功率特性。然后,从PCC处电压和无功特性出发,基于无功-电压耦合关系及交流侧潮流方程,分别确定了基于本地功率电压特征的LCC整流站触发角及风电场站无功功率参考值,通过分散控制LCC和风电场实现协同抑制PCC处过电压的目的。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了风电场经LCC-HVDC并网系统模型并进行了仿真研究,结果表明所提出的分散协同控制方法可以有效抑制换相失败后恢复期间的交流过电压水平。

适用于全故障类型的双馈风电场送出线负序电流纵联保护方案

随着双馈风电机组(DFIG)并网容量的增加,给风电场送出线继电保护的整定带来新的挑战,保护动作性能下降甚至会出现拒动和误动的风险。为此,首先分析双馈风电机组负序电流分量特征;然后进一步分析风电场经交、直流并网时交流送出线两侧电流的特征差异,提出一种适用于双馈风电场送出线的负序电流分量纵联保护新方法。该方法利用双馈风电场送出线两侧负序电流的幅值比和相位差构成保护动作判据,同时,利用数据延时在对称故障下构造出负序分量,使其能适用于风电场送出线的各种故障类型,且具有灵敏度高、耐受过渡电阻能力强等优点。最后,在Matlab/Simulink和PSCAD/EMTDC中搭建双馈风电机组电磁暂态仿真模型,仿真分析保护方案在交直流送出线上的适应性。

基于稀疏信息差值的集电线路故障精准定位方法

针对集电线路多分支网络结构故障定位过程时精度易受测点数量和行波波速影响的问题,提出一种基于稀疏信息差值的集电线路故障定位方法。按照集电线路划分故障区域。首先,通过变分模态分解从初始行波信号中提取第一本征模函数信号,并通过Stockwell变换将其进一步分解为S矩阵。然后,通过S矩阵计算其模矩阵Q,并计算所有模矩阵之间的能量相似性,建立区域决策矩阵来识别故障区域。最后,在确定的故障区域内设置虚拟故障点,根据故障区域首末端初始行波到达时间,计算测量行波和虚拟故障点之间的信息差异度,采用离散-连续粒子群实时修正故障分支和故障位置。仿真结果表明,该方法无需集电线路所有分支行波信息,大幅降低监测设备数量,消除波速影响,实现多分支集电线路的精准故障定位。

基于改进模糊C-均值聚类的陆上风电场集电线路回路划分与拓扑结构优化

【目的】在“双碳”目标以及我国能源结构加速转型的双重驱动下,风电产业规模不断快速增长,亟须降本增效以应对平价上网压力。集电线路的造价在投资中占比较大,存在可观的优化空间。为了降低投资成本,提出了一种改进模糊C-均值(fuzzy C-means,FCM)聚类算法。【方法】利用改进FCM聚类算法对陆上风电场集电线路回路进行划分。该算法综合考虑了方位角与欧式距离,以保障回路间线路不交叉,并使相邻机组聚集到同一回路;引入机位到聚类中心距离的修正因子,通过调节其数值限制回路容量。在回路划分的基础上,利用动态Prim算法对各回路进行集电线路优化选线。最后,通过某陆上风电场算例验证方法的有效性。【结果】与只考虑方位角的聚类方法相比,考虑方位角和间距的改进FCM算法优化效果更好,单回、双回连接对应的集电线路总造价分别降低了2.6%和5.4%。【结论】所提算法能够有效降低集电线路的总造价,具有一定的应用价值,可为风电场集电线路设计提供参考。

基于FEEMD-NTEO的风电场送出线路故障定位

针对集合经验模态分解(EEMD)用于双馈风电场送出线路行波故障定位中行波检测精度不高,存在模态混叠、抗噪能力弱及故障定位实时性不好等问题,提出了一种基于快速集合经验模态分解(FEEMD)与改进Teager能量算子(NTEO)结合的行波故障定位方法。该方法利用FEEMD对故障电流行波信号进行分解,分解为平稳的固有模态分量和残差分量,消除噪声成分,保留信号的完整性;然后采用NTEO算法对分解的高频信号再次去噪,增强故障行波突变特征,精确标定行波波头。仿真结果表明,所提方法能够快速将故障行波波头精确标定,且去噪效果好,与FEEMD-TEO、EEMD-NTEO行波检测方法相比,提高了故障定位的精度和速度。

基于图神经网络的海上风电场集电线路故障区段定位方法

海上风电场由于风机或线路的投退会引起集电线路拓扑变化,现有基于人工智能算法的集电线路故障区段定位方法,在拓扑变化后定位性能会下降。为此,基于图采样聚合算法构建海上风电场集电线路故障区段定位模型,把线路区段映射为边图模型的节点,各区段故障前后的电流有效值作为节点特征,将故障区段定位问题转化为图节点分类问题。仿真结果表明,所提定位方法充分挖掘了集电线路的拓扑结构特征和电流数值特征,定位准确率高,抗干扰能力强,且有效提高了定位模型对拓扑变化的适应能力。

基于双层负序差值与负序测距的风电场集电线不对称故障定位

针对风电场集电线上复杂电源密集接入使得现有定位方法应用困难的问题,提出一种基于双层负序差值与负序测距的风电场集电线故障定位方案。首先,深入分析风机故障电流特性,从负序分量出发实现风机建模,同时计及风电场结构特点对其负序网络实施等效。然后,引入故障模拟策略,通过负序电压差值表征模拟故障与实际故障的差异以识别故障区域第一节点,进一步探究从实际故障场景到特定模拟故障场景的负序电压变化趋势,并定义负序电压比消除故障点电流影响,由此提出负序电压比差值判据以实现故障区域第二节点识别。最后,针对故障区域利用双端负序量推导测距公式确定故障位置。PSCAD/EMTDC验证表明,所提方案能够以较少测点计及含线路分支集电线的适用性准确定位集电线各类不对称故障,且定位效果不受故障位置、过渡电阻、风机、风速分布及相量不同步等因素影响。

针对海上风电场汇集线路单相接地故障的柔直侧新型距离保护方案

海上风电场汇集线路发生单相接地故障时,线路两侧短路电流分别由风电机组换流器和柔直换流器提供,由于正序、负序与零序网络串联,在传统大电网存在场景下不受控制影响的零序电流也将像正序和负序电流一样呈现幅值受限、相位受控特性,柔直侧距离保护无法正确识别单相接地故障。该文建立海上风电场汇集线路单相接地故障时的复合序网,分析汇集线路两侧故障特性,在不借助线路双端通信的前提下,利用柔直侧负序和零序电流准确求取风机侧零序电流。基于此,构建关于故障距离的方程,提出柔直侧新型距离保护方案,解决了双端均为逆变型电源的线路中零序电流受控导致距离保护性能下降的问题。此外,所提保护方案受风电场无功支撑策略、过渡电阻大小及性质影响小。测试结果表明,该保护方案可以准确识别海上风电场汇集线路区内外单相接地故障。

山区风电场道路及集电线路协同优化设计

以某山区风电场为研究对象,基于最短路径Dijkstra算法,以风电场场内新建道路路径和电缆长度最短为优化目标,建立了满足山区风电场的道路纵坡坡度、最小转弯半径、敏感区、边界、桩距等约束条件的选线算法,该算法的特点一是采用规则三角网格和对角距启发式函数来搜寻六个方向,满足最小转弯半径的要求,大大提高了算法便捷性。二是算法分两步进行,第一步针对主线道路服务,仅输入需要优化的道路的起止点,即可获得两点的最短路径;第二步针对支线道路服务,以第一步得到的主线道路为已有道路,只需要输入支线道路抹点(机位点坐标)坐标,即可自动寻索到该点距离主线道路的最短路径。研究结果可为实际的风电场建设前期工作提供重要的过程指导。

自动电压控制系统影响的分布式风电场线损优化方法

根据风电场的内部结构,建立风电场电气模型,给出其最低线损目标函数,以风电场自动电压控制的无功为控制变量,实现了风电场线损最优控制的目标,可以适应电压、有功变化,直接应用到风电场的运行中,能有效降低风电场在站内传输过程中的线损,提升风电场的经济效益,具有较好的推广价值。

西北电网330 kV尖樊线人工短路试验中接地距离保护适应性分析

以风电为代表的新能源场站的故障特征对传统距离保护的附加阻抗产生了新的影响,导致保护性能降低。而现有距离保护适应性研究缺乏对单相接地故障场景的分析。为此,结合西北电网于尖樊线进行的2次人工短路试验数据,基于多种控制策略下的风电场故障特征,分析单相接地故障下接地距离保护附加阻抗系数,进而判断保护适应性。研究发现网侧保护附加阻抗系数较小,两侧电源故障电流对保护影响较小;而风电场侧保护附加阻抗系数较大,两侧电源故障电流对保护影响较大,导致保护拒动。

高比例风电并网系统线路过载问题研究

以风电为代表的可再生能源电源会增加电力系统的不确定性。为了实现高比例可再生能源电力系统的状态估计和风险评估,提出一种基于典型场景聚类的高比例风电并网系统线路过载安全风险评估方法。利用K-means算法构建系统典型场景,结合风险理论对线路过载这一风险指标进行评估,表征线路潮流波动和系统状态的变化。IEEE39节点系统验证了所提方法的有效性。结果表明,系统典型场景的变化直接影响到电力系统的运行情况和风险指标。其中,在风电水平较高和负荷水平较低的场景下,系统的风险指标较高。

面向风电场线路运维的无人机智能巡检系统

风电场线路的运维是保障风电场安全、稳定运行的关键环节。针对现有无人机巡检系统续航能力差、智能化水平不足等问题,提出一种面向风电场线路运维的无人机智能巡检系统。首先,构建巡检系统的巡检设备层、通信层和应用服务层架构;其次,设计无人机避障路径,对故障进行识别,提高无人机巡检的自主飞行和智能化水平;最后,构建面向风电场线路运维的无人机智能巡检系统,主要包括无人机及其搭载设备、机巢以及通信方案的设计。

不同材质共享缆绳对浮式风电场系泊响应的影响

[目的]旨在合理设计浮式风电场的共享系泊系统,探究不同材质共享缆绳对浮式风电场动力响应的影响。[方法]首先,对浮式风电场设计共享系泊和传统(无共享缆绳)系泊方案,比较两种系泊方案的动力响应和经济成本,验证设计方案的可行性。其次,探究两类共享系泊系统对浮式风电场系泊响应的影响。最后,分析环境载荷的施加方向和缆绳材质对共享缆绳平均张力的影响。[结果]采用不同材质共享系泊系统的浮式风电场,其叶片张力近乎相同;两类共享系泊系统对风机位移和系缆平均张力的影响存在差别。此外,环境载荷施加角度和系缆材质也对风机位移和共享缆绳受力产生影响。[结论]该研究可为系泊系统中共享缆绳选型提供参考。

计及风电出力波动的风电场导线经济截面选择

由于风电出力具有随机性,风电场线路电能损耗的计算与传统火电厂不同。电能损耗的准确计算决定了导线经济截面的选择,不恰当的导线截面会使风电场面临巨大的经济损失。文中提出一种考虑线路功率波动的电能损耗计算方法,可指导风电场选择导线经济截面。利用两参数韦伯分布模型对历史风速数据进行分析,结合风机出力曲线,建立考虑风速随机性的风机出力概率分布模型,得到未建风电场线路的电能损耗,并以导线全寿命周期内总费用最小为原则,为风电场选择经济的导线截面。基于实际风电场线路参数和出力数据的仿真结果,所提方法能够准确计算线路电能损耗,为风电场导线经济截面的选择提供依据和参考。

山地风电场35 kV集电线路耐雷水平分析

以某风电场集电线路雷电绕击杆塔为研究对象,采用ATP-EMTP软件建立集电线路雷击电磁暂态分析模型,对杆塔遭受雷击下集电线路耐雷水平进行分析,分别对未安装避雷器及杆塔底部安装避雷器的两种情况进行分析。结果表明,对于未安装避雷器的杆塔,其绕击耐雷水平较低,大幅值雷电流易引起三相同跳问题;对于安装有避雷器的杆塔,避雷器在一定程度上能提高导线绕击耐雷水平,同时给出相应的防护措施建议,为雷电发多地带风电场防雷保护提供技术参考。