大規(guī)模風電接入的繼電保護問題綜述

標簽：風電接入電網(wǎng)

摘要：對國內(nèi)外大規(guī)模風電接入電網(wǎng)的繼電保護問題進行了綜述。首先分析了不同類型風電機組短路電流的幅值和衰減特征，以及影響風電場短路電流的因素。其次討論了風電場內(nèi)集電線路的故障特征和相應的保護策略。然后針對高壓輸電系統(tǒng)保護對風電接入的適應性，分析了零序保護、重合閘和距離III 段的性能以及相應對策。最后，建議應當從加強風電機組故障特性研究、組織力量開展保護用風電機組電磁暫態(tài)通用模型研究、開發(fā)適用于風電場集電線路和網(wǎng)絡保護的網(wǎng)絡化保護新原理與新技術以及加強風電場與電網(wǎng)在保護和控制方面的協(xié)調配合4 個方面展開研究工作，解決繼電保護面對的問題。

0 引言

繼電保護是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的第一道防線，能夠在故障發(fā)生時快速可靠地識別并有效地隔離故障，對遏制系統(tǒng)運行狀況的進一步惡化，保障電能高效穩(wěn)定的傳輸和利用都具有重要的意義。近年來，隨著能源危機和環(huán)境問題的日益突出，風電等可再生能源越來越受到社會的關注，其大規(guī)模應用，必然帶來集中接入、遠距離傳輸以及風電場內(nèi)部集電線路網(wǎng)絡化等問題，從而改變電力系統(tǒng)的運行特征。

大規(guī)模風電接入的繼電保護問題屬于智能電網(wǎng)的兼容性范疇。對接入點而言，規(guī)?；娘L電場對系統(tǒng)運行的影響，已不能象早期小型風電接入一樣被完全忽略掉，這已不僅僅是風電調度的問題，繼電保護所面臨的故障特征同樣也發(fā)生了顯著的變化。大型風電場內(nèi)部的機組和機群越來越多地采用35 kV 電壓等級以網(wǎng)絡的形式匯集電能，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)保護原理和裝置能否滿足風電場內(nèi)部集電線路的要求，也是眾多業(yè)主和電力系統(tǒng)運行部門必須考慮的問題。

為了保證大規(guī)模風電接入后的電網(wǎng)安全，國內(nèi)外學者就風電接入的繼電保護問題在以下3 個層面展開了研究工作：

1)風電機組以及風電場的故障特征分析。

風電機組多采用感應式異步發(fā)電機，其轉動慣量和時間常數(shù)小，并且沒有專門的勵磁裝置，故障特征與同步發(fā)電機存在顯著的差別。永磁直驅機組雖然為同步發(fā)電機，但是通過換流器并網(wǎng)，其故障特征和換流器控制特性密切相關。另外，電力電子設備自身的保護策略和低電壓穿越等特殊要求，也附加了額外的控制要求。這些都將增加風電機組電磁暫態(tài)過程的復雜性，從而影響繼電保護的性能。

風電機組以及風電場的故障特征分析主要包括暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)短路電流的計算、波形分析、衰減特性分析以及短路阻抗分析等內(nèi)容。

2)風電場集電線路及網(wǎng)絡的繼電保護問題。

雖然大型風電場內(nèi)部集電線路廣泛采用 35 kV電壓等級，但卻與傳統(tǒng)配電網(wǎng)輻射狀網(wǎng)絡結構存在明顯的差別。對于任一集電線路，由于兩側母線上均有電源分布，在繼電保護研究中，將被等效為雙端電源元件，傳統(tǒng)輻射狀配電網(wǎng)繼電保護的配置方式和整定原則將不再適用。

風電場集電線路及網(wǎng)絡保護研究主要包括保護原理、保護配置、整定原則及與電網(wǎng)保護配合關系等內(nèi)容。

3)大規(guī)模風電接入輸電網(wǎng)的繼電保護問題。

在包括中國在內(nèi)的大多數(shù)國家，風電的大規(guī)模利用必然伴隨著電能的遠距離集中傳輸問題，因此高壓電網(wǎng)繼電保護的整定和運行管理中，必須考慮風電等隨機電源的故障特征。風電的隨機性和波動性對并網(wǎng)聯(lián)絡線保護的影響，繼電保護的適應性及配置配合關系，性能優(yōu)良的新原理都需要進一步深入研究。

規(guī)?；L電接入電網(wǎng)的問題是目前國內(nèi)外相關研究的熱點[1]，但是繼電保護相關問題卻并沒有得到足夠的重視。筆者認為原因之一在于繼電保護是服務于電網(wǎng)安全運行的，現(xiàn)階段繼電保護問題并沒有大規(guī)模地顯現(xiàn)出來。隨著調度、運行方式等問題的解決，風電在電網(wǎng)電源結構中所占比例必將逐步提升，繼電保護的適應性問題將集中體現(xiàn)出來并需要得到足夠的重視。

本文從風電機組與風電場的故障特征、風電場集電線路與網(wǎng)絡的繼電保護以及大規(guī)模風電接入后高壓電網(wǎng)的繼電保護3 個方面，對目前國內(nèi)外的相關研究成果進行了回顧和分析，對未來研究方向進行展望，并提出自己的觀點，以期能夠對今后的相關繼電保護問題研究有所助益。

1 風電機組和風電場的故障特征.

1.1 概述

故障分析是繼電保護的基礎，繼電保護的新原理設計、整定計算都離不開故障分析。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的繼電保護理論體系是建立在同步發(fā)電機電源以及三相對稱系統(tǒng)的基礎之上的。也就是說，假設在故障發(fā)生之后的電磁暫態(tài)過程中，同步發(fā)電機能夠作為一個理想電源不發(fā)生任何參數(shù)和運行狀態(tài)的改變?；诖?，可以計算得到短路電流及其衰減特性，并作為繼電保護原理設計、整定以及斷路器選擇的依據(jù)。

風電機組廣泛采用異步發(fā)電機，即使永磁同步發(fā)電機也采用電力電子設備并網(wǎng)，顯然其短路電流的大小和故障特征已經(jīng)發(fā)生了顯著的變化。

1.2 風電機組的短路電流計算

1.2.1 感應式異步發(fā)電機

感應式異步發(fā)電機的短路電流計算并不是一個新問題。文獻[2]推導了異步風力發(fā)電機空載發(fā)生定子三相短路時短路電流的解析表達式，基于感應發(fā)電機正常運行時繞組電阻可以忽略和滑差很小這2 點假設，得出短路半個周期之后定子磁鏈和轉子磁鏈相差180°的結論，在此基礎上推導出短路電流最大值的解析表達式和衰減規(guī)律。該文獻得到的短路電流最大值的誤差可達10%~20%。文獻[3]在相同假設的基礎上利用空間矢量分析方法推導出鼠籠式感應發(fā)電機的短路電流的解析表達式，值得指出的是，該文獻利用序分量理論分析了不對稱短路時感應發(fā)電機的短路電流，該結果對繼電保護性能分析和靈敏度校驗具有積極的意義。

文獻[4]利用Power Factory 軟件包仿真分析了感應式異步發(fā)電機的短路電流，其結論與上述文獻[2-3]的結論相同，即故障時感應式異步發(fā)電機向電網(wǎng)注入了可觀的故障電流，隨著故障時間的持續(xù)該電流逐漸衰減，衰減時間與故障類型相關，對于三相故障而言，衰減最為迅速。

文獻[5]在利用電力系統(tǒng)實時仿真平臺RT-Lab軟件包分析感應式異步發(fā)電機短路電流時考慮了原動機及其控制系統(tǒng)的作用，其結論并非專門針對繼電保護，但從仿真結果中仍能夠驗證文獻[3]分析的正確性，即在相間短路時，非故障相的短路電流緩慢增加到穩(wěn)態(tài)值，故障相的短路電流逐漸衰減。

1.2.2 雙饋型異步發(fā)電機

雙饋感應發(fā)電機的短路電流分析是近年來的研究熱點[2-3,6-16]。雙饋感應發(fā)電機的滑差由于轉子電流控制而不能再被認為是一個很小的數(shù)值，外部短路時撬棒(crowbar)電阻的作用使得轉子回路的電阻不能被忽略。文獻[2]考慮以上因素，并考慮了短路發(fā)生后定子與轉子磁鏈的相位關系，推導出考慮 crowbar 電阻的雙饋異步發(fā)電機短路電流計算公式。文獻[3]基于空間矢量理論和序分量理論推導出考慮不對稱故障時的雙饋異步發(fā)電機短路電流解析表達式，并分析了crowbar 電阻數(shù)值以及升壓變和聯(lián)絡線阻抗對短路電流的影響。文獻[6]以電壓跌落后物理過程的分析為基礎，根據(jù)磁鏈平衡方程，在轉子側電壓保持不變的假設下得出了短路電流的解析表達式。該方法考慮了雙饋發(fā)電機控制策略和控制參數(shù)的多樣性，通過考慮轉子側電壓不變和轉子側電壓瞬間調整2 種極限情況，得出的短路電流計算公式具有很強的工程實用性。文獻[7]采用頻域分析法求解雙饋發(fā)電機的短路電流，其假設短路過程中轉速、轉子勵磁電壓和頻率均保持不變，在此基礎上推導出雙饋發(fā)電機三相短路時的故障電流表達式。文獻[6]和文獻[7]并未考慮crowbar 保護電路對短路電流的影響。

值得注意的是，以上關于雙饋發(fā)電機故障電流的分析過程都沒有考慮控制系統(tǒng)的作用，實際上對于快速響應的電力電子設備，控制系統(tǒng)勢必影響異步發(fā)電機電磁暫態(tài)過程，從而對快速動作的主保護產(chǎn)生影響。

文獻[8-11]所關注的問題并不是雙饋風電機組的短路電流，但是低電壓穿越功能的設計以及電壓跌落情況下雙饋發(fā)電機的性能研究對故障特征的分析具有一定的參考作用。

文獻[12-16]通過電磁暫態(tài)仿真軟件對雙饋型發(fā)電機并網(wǎng)的短路電流進行了研究，其結論與以上理論分析結果吻合。即crowbar 保護發(fā)揮作用后，三相短路時，雙饋異步發(fā)電機提供短路電流的能力大大降低，同時轉子繞組回路時間常數(shù)減小，短路電流的強制分量迅速衰減。不對稱故障時，非故障相電流的強制分量迅速增大到穩(wěn)態(tài)值，而故障相的短路電流強制分量則迅速衰減。故障電流中的自由分量則受升壓變壓器以及輸電線路等定子回路電阻的影響。

1.2.3 永磁直驅同步發(fā)電機

永磁直驅同步發(fā)電機通過脈寬調制(pulse widthmodulation，PWM)控制的電力電子設備并網(wǎng)，其短路電流與并網(wǎng)電力電子設備密切相關。到目前為止，并沒有檢索到針對永磁直驅同步發(fā)電機短路電流的相關研究問題，文獻[17-22]在進行低電壓穿越控制研究時分析了永磁直驅同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)短路電流特征。

文獻[17]認為短路電流可以按照不超過并網(wǎng)換流器額定電流來考慮。作者認為，就目前的情形而言，這種方法可以作為工程上進行整定計算的一個依據(jù)。

文獻[18-22]均提出了各自的永磁直驅風電機組的低電壓穿越運行方案，并給出了電網(wǎng)故障時的仿真波形，對于永磁直驅風電機組的短路電流特征分析具有一定的意義。但是，從文獻[18-22]中同樣能夠發(fā)現(xiàn)，電網(wǎng)故障后的短路電流隨著不同風電機組采用不同的控制策略而具有明顯的不同，這也給繼電保護的整定帶來了巨大的障礙。在現(xiàn)有條件下，要求繼電保護工作者熟悉并了解不同制造商提供的風電機組的控制策略，并據(jù)此進行保護整定是不現(xiàn)實的，因此目前對于以永磁直驅機組為電源的電網(wǎng)的整定必然存在一定的不適應性和不合理性。

同時需要說明的是，在低電壓穿越的研究中母線電壓的跌落和故障是不同的，前者的跌落程度顯然要輕微得多，一般情況下繼電保護所面對的近端故障情況母線電壓跌落會嚴重得多，此時的永磁直驅風電機組的故障電流如何，并沒有引起足夠的關注。

1.3 風電機組和風電場的故障特征分析

對于繼電保護尤其是快速動作的主保護而言，主要關注風電機組提供短路電流的能力。另外，由于距離保護等保護的性能與系統(tǒng)的等效正負序阻抗密切相關，風電機組和風電場的等效正負序阻抗特征也應該得到足夠的重視。

文獻[23]通過power factory 軟件包仿真分析了普通異步風力發(fā)電機組的短路電流幅值與衰減特征。其結論是：短路發(fā)生后普通異步機組能夠提供很大的瞬間短路電流，但卻很快衰減，不具備提供持續(xù)短路電流的能力。文獻[24]采用同樣的方法對雙饋型風電機組的短路電流進行了分析，雙饋型風電機組瞬間短路電流略小于普通異步機組，相對于普通異步機組，其衰減時間也比較長，此種類型的機組具有提供一定的持續(xù)短路電流的能力。

文獻[25]以新疆達坂城風電場為研究對象，考慮風速變化對風電場提供短路電流的影響，指出陣風和漸變風影響風力發(fā)電機有功出力，加大短路電流。

文獻[26-27]研究了風電場的等值問題，分析了風電場并網(wǎng)點故障電流的特征以及影響風電場短路故障特征的因素。文獻[27]的研究結果顯示三相短路時故障電流最大為額定電流的8 倍，并繪制了兩相短路和單相短路的故障電流曲線，得出了故障電流幅值不能作為判斷故障類型方法的結論。

1.4 總結和建議

對于大規(guī)模風電的接入，不同專業(yè)的關注點不同。對于繼電保護而言，其關注點不僅僅在于故障電流的大小，更關注故障電流的波形特征，以及影響現(xiàn)有保護原理的諸如正負序阻抗等系統(tǒng)特征。

短路電流的波形及暫態(tài)諧波含量將影響以傅里葉算法為基礎的工頻量保護的性能，進而引起保護的拒動或誤動，對電網(wǎng)的安全運行造成威脅。

雙饋和直驅風電機組的控制策略將直接影響到故障電流的幅值、衰減等故障特征。到目前為止，在故障電流的計算以及故障分析過程中，crowbar保護已得到充分的考慮。由于涉及到具體的控制策略，永磁直驅風電機組的短路電流特征并未得到充分的研究?？刂葡到y(tǒng)被大多數(shù)生產(chǎn)制造企業(yè)視為技術機密，可以預見，若永磁直驅風電機組成為大規(guī)模風電場的主力機型，由于無法充分掌握故障特征，將使得繼電保護面臨比以往更為困難的局面。

采用電磁暫態(tài)仿真手段進行故障電流以及故障特性的研究是解決這一問題的較好途徑，但同樣面臨控制策略方面的技術障礙。