大規(guī)模風電接入的繼電保護問題綜述

2 風電場集電線路與網(wǎng)絡的繼電保護

大規(guī)模風電場機群之間采用 35kV 電壓等級組成網(wǎng)絡并通過并網(wǎng)點直接與高壓電網(wǎng)相連接，與配電網(wǎng)絡具有相同的網(wǎng)絡結(jié)構。但針對輻射型配電網(wǎng)設計的繼電保護直接應用于風電場集電網(wǎng)絡保護時會存在適應性問題。這與近年來分布式電源接入配電網(wǎng)所帶來的繼電保護問題相同，綜述如下。

文獻[23-24，28]考慮風電場允許短時電動機運行的特點以及風電機組短路電流的衰減特性，論述了對于快速動作的保護必須考慮潮流反向的影響而在必要時裝設方向式過流保護，在其整定時也必須考慮風電場饋出的短路電流;而當保護裝置的動作時間超過5 個周期之后，則由于風電場短路電流的衰減特性，可以不考慮風電場的影響。

文獻[29-30]討論了風電場接入系統(tǒng)后對配電網(wǎng)繼電保護的影響及對策。文獻[29]分析了定子故障電流的構成以及各分量的衰減規(guī)律，指出風電場接入輻射型配電網(wǎng)，會造成接入母線的下一級輸電線路電流速斷保護范圍增大，從而使得保護造成失去選擇性，同時也會造成該母線上一級輸電線路定時限電流速斷保護范圍縮小。針對輻射型電網(wǎng)風電接入后階段式電流保護的問題，提出配置自適應電流保護來識別并切除故障，并驗證了其有效性。文獻[30]利用繼電保護測試設備和實際的繼電保護裝置，通過仿真研究了過電流保護受風電場影響的情況。由于感應電動機故障之后僅能提供短時故障電流，反時限過電流保護可能因為故障電流的衰減而不能夠正確動作，從而影響整個保護系統(tǒng)的性能。

文獻[31]考慮了配電網(wǎng)各保護設備之間的時間配合問題，提出了一種能夠自適應故障類型、短路電流水平以及風電出力的自適應繼電器，通過自適應保護動作時間來保證隔離故障以及風電場的可靠穩(wěn)定運行。

文獻[32]通過仿真研究，得出了由于風電間歇性的特點，風電場內(nèi)部集電線路和網(wǎng)絡的保護必須采用自適應保護原理的結(jié)論。同時，文中也指出，由于風電機組故障電流的特點，風電場內(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并切除故障是風電場集電線保護的一個難點。目前國內(nèi)的規(guī)模化風電基地所采用的集電線路和網(wǎng)絡保護大多為傳統(tǒng)的35 kV 繼電保護裝置，通過對以上文獻的綜述，不難看出風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。文獻中所提及的加裝方向元件，采用自適應保護以及考慮各保護之間的配合關系都是解決風電場集電線路保護問題的途徑。但是，正如文獻[32]所提到的，風電場故障電流持續(xù)時間短，風機運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)被廣泛認可的通信以及智能電網(wǎng)技術引入風電場的保護中，從而構建新的含多電源的集電線路及網(wǎng)絡保護體系，值得思考。

3 大規(guī)模風電接入輸電網(wǎng)的繼電保護問題

隨著風電電源在電網(wǎng)中所占比例的增大，大規(guī)模風電基地通過專用線路長距離輸送風能已經(jīng)成不可改變的現(xiàn)實。對于大容量，具有隨機間歇特征的風電，不可能再忽略其對輸電網(wǎng)繼電保護的影響。近年來，國內(nèi)外也有文獻開始關注并探討這一問題，綜述如下。文獻[33]討論了風電接入后110 kV 電網(wǎng)繼電保護和安全自動裝置所受到的影響：風電電源接入后，由于升壓變壓器的接地，系統(tǒng)零序網(wǎng)絡發(fā)生變化，聯(lián)絡線零序保護的靈敏度下降;并網(wǎng)聯(lián)絡線的自動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電電源在并網(wǎng)點具有穩(wěn)定性，而大規(guī)模風電場在聯(lián)絡線跳開后風機會進入動態(tài)過程，不能保證檢同期成功，從而可能導致重合失敗，最終造成風電脫網(wǎng);由于風電場向電網(wǎng)饋出持續(xù)短路電流的能力差，除非裝設專門的弱饋保護，否則并網(wǎng)點聯(lián)絡線保護性能差，拒動將成為常態(tài)。

文獻[34-38]研究了風電場接入高壓電網(wǎng)后的繼電保護配置方案。文獻[34]通過對人工短路試驗數(shù)據(jù)的分析，指出在故障切除前，風電場以類似于異步電機的方式提供短路電流，這與前述文獻的結(jié)論一致。因此對電網(wǎng)也言，風電場接入對快速動作的主保護有影響。文獻[36]分析了異步發(fā)電機對并網(wǎng)聯(lián)絡線距離III 段保護動作特性的影響，指出根據(jù)保護安裝處的電壓和電流計算得到的異步發(fā)電機阻抗特性為負電阻和正電抗特性，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段保護的動作裕度。文獻[37]針對我國西北大規(guī)模風電基地輸送采用可控串補和可控電抗器的實際，提出一種考慮風電波動性的基于綜合阻抗的輸電線路縱聯(lián)保護新原理，仿真結(jié)果表明該原理具有較好的性能和對風電送出聯(lián)絡線保護的適用性。文獻[38]提出一種大規(guī)模風電場并網(wǎng)聯(lián)絡線距離保護的自適應整定方法，根據(jù)測量電壓、電流以及風電場開機情況，自適應地調(diào)整距離保護的整定值，從而消除風電場輸出功率的波動性對并網(wǎng)聯(lián)絡線距離保護的影響。

由以上分析可知，作為一種特殊的電源形式，風電對輸電網(wǎng)繼電保護具有一定的負面影響，或者說，傳統(tǒng)的繼電保護原理并非都能夠適應風電的接入，因此有必要對風電接入后的繼電保護問題進行研究。

與風電場內(nèi)部集電線保護不同，作為高壓電網(wǎng)的聯(lián)絡線保護必須將風電場作為一個整體來考慮。繼電保護工作者希望得到一個理想電源與系統(tǒng)阻抗的經(jīng)典串聯(lián)模型來等效風電場。但是風電場內(nèi)機組和機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。目前對于風電場的等值，其目的都不是進行繼電保護的整定和性能校驗，因此對繼電保護來說最重要的電磁暫態(tài)過程被廣泛忽略，并不能夠直接應用于繼電保護。面向繼電保護的風電場等值，是一個非常值得研究的方向。

4 結(jié)論及展望

隨著大規(guī)模風電基地在我國東北、華北以及西北的建設，未來的中國電網(wǎng)中風電電源的比例將會進一步上升。從目前的研究現(xiàn)狀看，對于大規(guī)模風電對繼電保護的影響在國內(nèi)外并沒有一個統(tǒng)一的看法，相關的研究工作也未系統(tǒng)地展開。筆者認為，需要從以下幾個方面來展開研究工作。

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的基礎，就現(xiàn)狀看，所有的側(cè)重點都放在了短路電流的最大值及其衰減特性方面，對于保護的影響也主要從保護的配合和整定上面考慮，并未涉及到繼電保護原理本身。在繼電保護體系中，主保護的作用毋庸置疑，影響主保護性能的一個重要因素就是故障暫態(tài)過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算結(jié)果以及保護判據(jù)最終的判別結(jié)果。對于故障發(fā)生后主保護動作時限內(nèi)(一般為0.30 ms)故障電流波形特征的分析是必要的，將會影響到保護性能的分析。

2)電磁暫態(tài)仿真模型的建立。

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

3)加強風電場集電線路保護原理的開發(fā)。

風電場集電線路短路故障會造成風電機組或機群母線電壓降低，對于快速響應的現(xiàn)代風電機組而言，故障若不能迅速切除，必將造成大面積脫網(wǎng)事故。風電機組持續(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雜，若不考慮電網(wǎng)提供的短路電流，故障識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定值配合和延時配合的問題，故障切除時間長，不利于風電場和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，因此有必要分析風電場集電線路的故障特點，綜合利用風電場內(nèi)的廣域信息，開發(fā)性能優(yōu)良的集電線路及網(wǎng)絡保護新原理。

4)重視風電場自動控制系統(tǒng)和電網(wǎng)繼電保護與安全自動裝置的配合。

風電場的低電壓穿越控制、風電場繼電保護的定值和時限均需與電網(wǎng)的保護進行配合。現(xiàn)階段，風電場與電網(wǎng)保護的整定分屬于不同的部門，應加強協(xié)調(diào)配合，避免由于定值問題所造成的意外脫網(wǎng)事故。同時應加強電網(wǎng)自動重合閘、各種后備繼電器以及緊急狀態(tài)下切機切負荷等繼電器與風電場控制的配合，構建協(xié)調(diào)的電力系統(tǒng)繼電保護體系。