大規(guī)模風(fēng)電接入的繼電保護(hù)問(wèn)題綜述

2 風(fēng)電場(chǎng)集電線路與網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)

大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)機(jī)群之間采用 35kV 電壓等級(jí)組成網(wǎng)絡(luò)并通過(guò)并網(wǎng)點(diǎn)直接與高壓電網(wǎng)相連接，與配電網(wǎng)絡(luò)具有相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但針對(duì)輻射型配電網(wǎng)設(shè)計(jì)的繼電保護(hù)直接應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)絡(luò)保護(hù)時(shí)會(huì)存在適應(yīng)性問(wèn)題。這與近年來(lái)分布式電源接入配電網(wǎng)所帶來(lái)的繼電保護(hù)問(wèn)題相同，綜述如下。

文獻(xiàn)[23-24，28]考慮風(fēng)電場(chǎng)允許短時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的特點(diǎn)以及風(fēng)電機(jī)組短路電流的衰減特性，論述了對(duì)于快速動(dòng)作的保護(hù)必須考慮潮流反向的影響而在必要時(shí)裝設(shè)方向式過(guò)流保護(hù)，在其整定時(shí)也必須考慮風(fēng)電場(chǎng)饋出的短路電流;而當(dāng)保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間超過(guò)5 個(gè)周期之后，則由于風(fēng)電場(chǎng)短路電流的衰減特性，可以不考慮風(fēng)電場(chǎng)的影響。

文獻(xiàn)[29-30]討論了風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)后對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響及對(duì)策。文獻(xiàn)[29]分析了定子故障電流的構(gòu)成以及各分量的衰減規(guī)律，指出風(fēng)電場(chǎng)接入輻射型配電網(wǎng)，會(huì)造成接入母線的下一級(jí)輸電線路電流速斷保護(hù)范圍增大，從而使得保護(hù)造成失去選擇性，同時(shí)也會(huì)造成該母線上一級(jí)輸電線路定時(shí)限電流速斷保護(hù)范圍縮小。針對(duì)輻射型電網(wǎng)風(fēng)電接入后階段式電流保護(hù)的問(wèn)題，提出配置自適應(yīng)電流保護(hù)來(lái)識(shí)別并切除故障，并驗(yàn)證了其有效性。文獻(xiàn)[30]利用繼電保護(hù)測(cè)試設(shè)備和實(shí)際的繼電保護(hù)裝置，通過(guò)仿真研究了過(guò)電流保護(hù)受風(fēng)電場(chǎng)影響的情況。由于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)故障之后僅能提供短時(shí)故障電流，反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)可能因?yàn)楣收想娏鞯乃p而不能夠正確動(dòng)作，從而影響整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的性能。

文獻(xiàn)[31]考慮了配電網(wǎng)各保護(hù)設(shè)備之間的時(shí)間配合問(wèn)題，提出了一種能夠自適應(yīng)故障類型、短路電流水平以及風(fēng)電出力的自適應(yīng)繼電器，通過(guò)自適應(yīng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間來(lái)保證隔離故障以及風(fēng)電場(chǎng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

文獻(xiàn)[32]通過(guò)仿真研究，得出了由于風(fēng)電間歇性的特點(diǎn)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線路和網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)必須采用自適應(yīng)保護(hù)原理的結(jié)論。同時(shí)，文中也指出，由于風(fēng)電機(jī)組故障電流的特點(diǎn)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部短路的電流主要有電網(wǎng)提供，如何利用有限的故障電流檢測(cè)并切除故障是風(fēng)電場(chǎng)集電線保護(hù)的一個(gè)難點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)的規(guī)模化風(fēng)電基地所采用的集電線路和網(wǎng)絡(luò)保護(hù)大多為傳統(tǒng)的35 kV 繼電保護(hù)裝置，通過(guò)對(duì)以上文獻(xiàn)的綜述，不難看出風(fēng)電作為分布式電源與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比具有明顯的不同。文獻(xiàn)中所提及的加裝方向元件，采用自適應(yīng)保護(hù)以及考慮各保護(hù)之間的配合關(guān)系都是解決風(fēng)電場(chǎng)集電線路保護(hù)問(wèn)題的途徑。但是，正如文獻(xiàn)[32]所提到的，風(fēng)電場(chǎng)故障電流持續(xù)時(shí)間短，風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況受自然條件的影響顯著，僅僅基于本地信息的傳統(tǒng)繼電保護(hù)性能可以提升的空間非常有限。能否將現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛認(rèn)可的通信以及智能電網(wǎng)技術(shù)引入風(fēng)電場(chǎng)的保護(hù)中，從而構(gòu)建新的含多電源的集電線路及網(wǎng)絡(luò)保護(hù)體系，值得思考。

3 大規(guī)模風(fēng)電接入輸電網(wǎng)的繼電保護(hù)問(wèn)題

隨著風(fēng)電電源在電網(wǎng)中所占比例的增大，大規(guī)模風(fēng)電基地通過(guò)專用線路長(zhǎng)距離輸送風(fēng)能已經(jīng)成不可改變的現(xiàn)實(shí)。對(duì)于大容量，具有隨機(jī)間歇特征的風(fēng)電，不可能再忽略其對(duì)輸電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外也有文獻(xiàn)開(kāi)始關(guān)注并探討這一問(wèn)題，綜述如下。文獻(xiàn)[33]討論了風(fēng)電接入后110 kV 電網(wǎng)繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置所受到的影響：風(fēng)電電源接入后，由于升壓變壓器的接地，系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，聯(lián)絡(luò)線零序保護(hù)的靈敏度下降;并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的自動(dòng)重合閘功能將受到挑戰(zhàn)，這主要是由于目前采用的檢同期重合方式需要風(fēng)電電源在并網(wǎng)點(diǎn)具有穩(wěn)定性，而大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)在聯(lián)絡(luò)線跳開(kāi)后風(fēng)機(jī)會(huì)進(jìn)入動(dòng)態(tài)過(guò)程，不能保證檢同期成功，從而可能導(dǎo)致重合失敗，最終造成風(fēng)電脫網(wǎng);由于風(fēng)電場(chǎng)向電網(wǎng)饋出持續(xù)短路電流的能力差，除非裝設(shè)專門(mén)的弱饋保護(hù)，否則并網(wǎng)點(diǎn)聯(lián)絡(luò)線保護(hù)性能差，拒動(dòng)將成為常態(tài)。

文獻(xiàn)[34-38]研究了風(fēng)電場(chǎng)接入高壓電網(wǎng)后的繼電保護(hù)配置方案。文獻(xiàn)[34]通過(guò)對(duì)人工短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，指出在故障切除前，風(fēng)電場(chǎng)以類似于異步電機(jī)的方式提供短路電流，這與前述文獻(xiàn)的結(jié)論一致。因此對(duì)電網(wǎng)也言，風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)快速動(dòng)作的主保護(hù)有影響。文獻(xiàn)[36]分析了異步發(fā)電機(jī)對(duì)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線距離III 段保護(hù)動(dòng)作特性的影響，指出根據(jù)保護(hù)安裝處的電壓和電流計(jì)算得到的異步發(fā)電機(jī)阻抗特性為負(fù)電阻和正電抗特性，由此在阻抗平面上其軌跡可能落入第2 象限從而降低了距離III段保護(hù)的動(dòng)作裕度。文獻(xiàn)[37]針對(duì)我國(guó)西北大規(guī)模風(fēng)電基地輸送采用可控串補(bǔ)和可控電抗器的實(shí)際，提出一種考慮風(fēng)電波動(dòng)性的基于綜合阻抗的輸電線路縱聯(lián)保護(hù)新原理，仿真結(jié)果表明該原理具有較好的性能和對(duì)風(fēng)電送出聯(lián)絡(luò)線保護(hù)的適用性。文獻(xiàn)[38]提出一種大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線距離保護(hù)的自適應(yīng)整定方法，根據(jù)測(cè)量電壓、電流以及風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)機(jī)情況，自適應(yīng)地調(diào)整距離保護(hù)的整定值，從而消除風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的波動(dòng)性對(duì)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線距離保護(hù)的影響。

由以上分析可知，作為一種特殊的電源形式，風(fēng)電對(duì)輸電網(wǎng)繼電保護(hù)具有一定的負(fù)面影響，或者說(shuō)，傳統(tǒng)的繼電保護(hù)原理并非都能夠適應(yīng)風(fēng)電的接入，因此有必要對(duì)風(fēng)電接入后的繼電保護(hù)問(wèn)題進(jìn)行研究。

與風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線保護(hù)不同，作為高壓電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線保護(hù)必須將風(fēng)電場(chǎng)作為一個(gè)整體來(lái)考慮。繼電保護(hù)工作者希望得到一個(gè)理想電源與系統(tǒng)阻抗的經(jīng)典串聯(lián)模型來(lái)等效風(fēng)電場(chǎng)。但是風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組和機(jī)群在空間上的分布性質(zhì)，在類型上的差異，都使得這樣的模型不易獲得。目前對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)的等值，其目的都不是進(jìn)行繼電保護(hù)的整定和性能校驗(yàn)，因此對(duì)繼電保護(hù)來(lái)說(shuō)最重要的電磁暫態(tài)過(guò)程被廣泛忽略，并不能夠直接應(yīng)用于繼電保護(hù)。面向繼電保護(hù)的風(fēng)電場(chǎng)等值，是一個(gè)非常值得研究的方向。

4 結(jié)論及展望

隨著大規(guī)模風(fēng)電基地在我國(guó)東北、華北以及西北的建設(shè)，未來(lái)的中國(guó)電網(wǎng)中風(fēng)電電源的比例將會(huì)進(jìn)一步上升。從目前的研究現(xiàn)狀看，對(duì)于大規(guī)模風(fēng)電對(duì)繼電保護(hù)的影響在國(guó)內(nèi)外并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的看法，相關(guān)的研究工作也未系統(tǒng)地展開(kāi)。筆者認(rèn)為，需要從以下幾個(gè)方面來(lái)展開(kāi)研究工作。

1)故障后故障電流波形特征的研究。

故障特征分析是繼電保護(hù)的基礎(chǔ)，就現(xiàn)狀看，所有的側(cè)重點(diǎn)都放在了短路電流的最大值及其衰減特性方面，對(duì)于保護(hù)的影響也主要從保護(hù)的配合和整定上面考慮，并未涉及到繼電保護(hù)原理本身。在繼電保護(hù)體系中，主保護(hù)的作用毋庸置疑，影響主保護(hù)性能的一個(gè)重要因素就是故障暫態(tài)過(guò)程的波形特征及濾波算法，這將直接影響到工頻電氣量的計(jì)算結(jié)果以及保護(hù)判據(jù)最終的判別結(jié)果。對(duì)于故障發(fā)生后主保護(hù)動(dòng)作時(shí)限內(nèi)(一般為0.30 ms)故障電流波形特征的分析是必要的，將會(huì)影響到保護(hù)性能的分析。

2)電磁暫態(tài)仿真模型的建立。

電網(wǎng)中雙饋型風(fēng)電機(jī)組和永磁直驅(qū)機(jī)組所占比例逐步增加。對(duì)于這些具有復(fù)雜控制系統(tǒng)和控制策略的風(fēng)電機(jī)組，其故障電流與控制策略密切相關(guān)，繼電保護(hù)中不可避免地要涉及機(jī)組的控制。在制造企業(yè)不能提供完整控制策略的現(xiàn)實(shí)條件下，應(yīng)組織力量加強(qiáng)合作，建立通用仿真模型，供繼電保護(hù)整定和性能分析使用。

3)加強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)集電線路保護(hù)原理的開(kāi)發(fā)。

風(fēng)電場(chǎng)集電線路短路故障會(huì)造成風(fēng)電機(jī)組或機(jī)群母線電壓降低，對(duì)于快速響應(yīng)的現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組而言，故障若不能迅速切除，必將造成大面積脫網(wǎng)事故。風(fēng)電機(jī)組持續(xù)提供短路電流的能力差，短路電流的波形受各種控制模塊的影響而變得更加復(fù)雜，若不考慮電網(wǎng)提供的短路電流，故障識(shí)別和隔離將異常困難。利用電網(wǎng)提供的短路電流需要考慮保護(hù)定值配合和延時(shí)配合的問(wèn)題，故障切除時(shí)間長(zhǎng)，不利于風(fēng)電場(chǎng)和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，因此有必要分析風(fēng)電場(chǎng)集電線路的故障特點(diǎn)，綜合利用風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的廣域信息，開(kāi)發(fā)性能優(yōu)良的集電線路及網(wǎng)絡(luò)保護(hù)新原理。

4)重視風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)和電網(wǎng)繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置的配合。

風(fēng)電場(chǎng)的低電壓穿越控制、風(fēng)電場(chǎng)繼電保護(hù)的定值和時(shí)限均需與電網(wǎng)的保護(hù)進(jìn)行配合。現(xiàn)階段，風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)保護(hù)的整定分屬于不同的部門(mén)，應(yīng)加強(qiáng)協(xié)調(diào)配合，避免由于定值問(wèn)題所造成的意外脫網(wǎng)事故。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)電網(wǎng)自動(dòng)重合閘、各種后備繼電器以及緊急狀態(tài)下切機(jī)切負(fù)荷等繼電器與風(fēng)電場(chǎng)控制的配合，構(gòu)建協(xié)調(diào)的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)體系。