風(fēng)電接入繼電保護問(wèn)題研究

　　公司對國內外大規模風(fēng)電接入電網(wǎng)的繼電保護問(wèn)題進(jìn)行了綜述。首先分析了不同類(lèi)型風(fēng)電機組短路電流的幅值和衰減特征，以及影響風(fēng)電場(chǎng)短路電流的因素。其次討論了風(fēng)電場(chǎng)內集電線(xiàn)路的故障特征和相應的保護策略。然后針對高壓輸電系統保護對風(fēng)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。*后，建議應當從加強風(fēng)電機組故障特性研究、組織力量開(kāi)展保護用風(fēng)電機組電磁暫態(tài)通用模型研究、開(kāi)發(fā)適用于風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路和網(wǎng)絡(luò )保護的網(wǎng)絡(luò )化保護新原理與新技術(shù)以及加強風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)在保護和控制方面的協(xié)調配合4 個(gè)方面展開(kāi)研究工作，解決繼電保護面對的問(wèn)題。
繼電保護是電網(wǎng)**穩定運行的**道防線(xiàn)，能夠在故障發(fā)生時(shí)快速可靠地識別并有效地隔離故障，對遏制系統運行狀況的進(jìn)一步惡化，保障電能高效穩定的傳輸和利用都具有重要的意義。近年來(lái)，隨著(zhù)能源危機和環(huán)境問(wèn)題的日益突出，風(fēng)電等可再生能源越來(lái)越受到社會(huì )的關(guān)注，其大規模應用，必然帶來(lái)集中接入、遠距離傳輸以及風(fēng)電場(chǎng)內部集電線(xiàn)路網(wǎng)絡(luò )化等問(wèn)題，從而改變電力系統的運行特征。
大規模風(fēng)電接入的繼電保護問(wèn)題屬于智能電網(wǎng)的兼容性范疇。對接入點(diǎn)而言，規?；娘L(fēng)電場(chǎng)對系統運行的影響，已不能象早期小型風(fēng)電接入一樣被完全忽略掉，這已不僅僅是風(fēng)電調度的問(wèn)題，繼電保護所面臨的故障特征同樣也發(fā)生了顯著(zhù)的變化。大型風(fēng)電場(chǎng)內部的機組和機群越來(lái)越多地采用35 kV 電壓等級以網(wǎng)絡(luò )的形式匯集電能，傳統的配電網(wǎng)保護原理和裝置能否滿(mǎn)足風(fēng)電場(chǎng)內部集電線(xiàn)路的要求，也是眾多業(yè)主和電力系統運行部門(mén)必須考慮的問(wèn)題。
為了保證大規模風(fēng)電接入后的電網(wǎng)**，國內外學(xué)者就風(fēng)電接入的繼電保護問(wèn)題在以下3 個(gè)層面展開(kāi)了研究工作：
1)風(fēng)電機組以及風(fēng)電場(chǎng)的故障特征分析。
風(fēng)電機組多采用感應式異步發(fā)電機，其轉動(dòng)慣量和時(shí)間常數小，并且沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的勵磁裝置，故障特征與同步發(fā)電機存在顯著(zhù)的差別。永磁直驅機組雖然為同步發(fā)電機，但是通過(guò)換流器并網(wǎng)，其故障特征和換流器控制特性密切相關(guān)。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(fēng)電機組電磁暫態(tài)過(guò)程的復雜性，從而影響繼電保護的性能。
風(fēng)電機組以及風(fēng)電場(chǎng)的故障特征分析主要包括暫態(tài)和穩態(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容。
2)風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路及網(wǎng)絡(luò )的繼電保護問(wèn)題。
雖然大型風(fēng)電場(chǎng)內部集電線(xiàn)路廣泛采用 35 kV電壓等級，但卻與傳統配電網(wǎng)輻射狀網(wǎng)絡(luò )結構存在明顯的差別。對于任一集電線(xiàn)路，由于兩側母線(xiàn)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(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路及網(wǎng)絡(luò )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(guān)系等內容。
3)大規模風(fēng)電接入輸電網(wǎng)的繼電保護問(wèn)題。
在包括中國在內的大多數國家，風(fēng)電的大規模利用必然伴隨著(zhù)電能的遠距離集中傳輸問(wèn)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(fēng)電等隨機電源的故障特征。風(fēng)電的隨機性和波動(dòng)性對并網(wǎng)聯(lián)絡(luò )線(xiàn)保護的影響，繼電保護的適應性及配置配合關(guān)系，性能優(yōu)良的新原理都需要進(jìn)一步深入研究。
規?；L(fēng)電接入電網(wǎng)的問(wèn)題是目前國內外相關(guān)研究的熱點(diǎn)[1]，但是繼電保護相關(guān)問(wèn)題卻并沒(méi)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(wù)于電網(wǎng)**運行的，現階段繼電保護問(wèn)題并沒(méi)有大規模地顯現出來(lái)。隨著(zhù)調度、運行方式等問(wèn)題的解決，風(fēng)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(wèn)題將集中體現出來(lái)并需要得到足夠的重視。
本文從風(fēng)電機組與風(fēng)電場(chǎng)的故障特征、風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路與網(wǎng)絡(luò )的繼電保護以及大規模風(fēng)電接入后高壓電網(wǎng)的繼電保護3 個(gè)方面，對目前國內外的相關(guān)研究成果進(jìn)行了回顧和分析，對未來(lái)研究方向進(jìn)行展望，并提出自己的觀(guān)點(diǎn)，以期能夠對今后的相關(guān)繼電保護問(wèn)題研究有所助益。
1 風(fēng)電機組和風(fēng)電場(chǎng)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(kāi)故障分析。傳統電力系統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(chēng)系統的基礎之上的。也就是說(shuō)，假設在故障發(fā)生之后的電磁暫態(tài)過(guò)程中，同步發(fā)電機能夠作為一個(gè)理想電源不發(fā)生任何參數和運行狀態(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。
風(fēng)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(zhù)的變化。
1.2 風(fēng)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(gè)新問(wèn)題。文獻[2]推導了異步風(fēng)力發(fā)電機空載發(fā)生定子三相短路時(shí)短路電流的解析表達式，基于感應發(fā)電機正常運行時(shí)繞組電阻可以忽略和滑差很小這2點(diǎn)假設，得出短路半個(gè)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*大值的解析表達式和衰減規律。該文獻得到的短路電流*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(chēng)短路時(shí)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。
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(lái)的研究熱點(diǎn)[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(gè)很小的數值，外部短路時(shí)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(guān)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(chēng)故障時(shí)的雙饋異步發(fā)電機短路電流解析表達式，并分析了crowbar電阻數值以及升壓變和聯(lián)絡(luò )線(xiàn)阻抗對短路電流的影響。文獻[6]以電壓跌落后物理過(guò)程的分析為基礎，根據磁鏈平衡方程，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的多樣性，通過(guò)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(shí)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(guò)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(shí)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(guān)于雙饋發(fā)電機故障電流的分析過(guò)程都沒(méi)有考慮控制系統的作用，實(shí)際上對于快速響應的電力電子設備，控制系統勢必影響異步發(fā)電機電磁暫態(tài)過(guò)程，從而對快速動(dòng)作的主保護產(chǎn)生影響。
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(guò)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(guān)。到目前為止，并沒(méi)有檢索到針對永磁直驅同步發(fā)電機短路電流的相關(guān)研究問(wèn)題，文獻[17-22]在進(jìn)行低電壓穿越控制研究時(shí)分析了永磁直驅同步發(fā)電機的穩態(tài)短路電流特征。
同時(shí)需要說(shuō)明的是，在低電壓穿越的研究中母線(xiàn)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(xiàn)電壓跌落會(huì )嚴重得多，此時(shí)的永磁直驅風(fēng)電機組的故障電流如何，并沒(méi)有引起足夠的關(guān)注。
1.3 風(fēng)電機組和風(fēng)電場(chǎng)的故障特征分析
對于繼電保護尤其是快速動(dòng)作的主保護而言，主要關(guān)注風(fēng)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的等效正負序阻抗密切相關(guān)，風(fēng)電機組和風(fēng)電場(chǎng)的等效正負序阻抗特征也應該得到足夠的重視。
1.4 總結和建議
對于大規模風(fēng)電的接入，不同專(zhuān)業(yè)的關(guān)注點(diǎn)不同。對于繼電保護而言，其關(guān)注點(diǎn)不僅僅在于故障電流的大小，更關(guān)注故障電流的波形特征，以及影響現有保護原理的諸如正負序阻抗等系統特征。
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(jìn)而引起保護的拒動(dòng)或誤動(dòng)，對電網(wǎng)的**運行造成威脅。
雙饋和直驅風(fēng)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(guò)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(fēng)電機組的短路電流特征并未得到充分的研究?？刂葡到y被大多數生產(chǎn)制造企業(yè)視為技術(shù)機密，可以預見(jiàn)，若永磁直驅風(fēng)電機組成為大規模風(fēng)電場(chǎng)的主力機型，由于無(wú)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(jìn)行故障電流以及故障特性的研究是解決這一問(wèn)題的較好途徑，但同樣面臨控制策略方面的技術(shù)障礙。
2 風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路與網(wǎng)絡(luò )的繼電保護
大規模風(fēng)電場(chǎng)機群之間采用 35kV電壓等級組成網(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 )結構。但針對輻射型配電網(wǎng)設計的繼電保護直接應用于風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)絡(luò )保護時(shí)會(huì )存在適應性問(wèn)題。這與近年來(lái)分布式電源接入配電網(wǎng)所帶來(lái)的繼電保護問(wèn)題相同，綜述如下。
3 大規模風(fēng)電接入輸電網(wǎng)的繼電保護問(wèn)題
隨著(zhù)風(fēng)電電源在電網(wǎng)中所占比例的增大，大規模風(fēng)電基地通過(guò)專(zhuān)用線(xiàn)路長(cháng)距離輸送風(fēng)能已經(jīng)成不可改變的現實(shí)。對于大容量，具有隨機間歇特征的風(fēng)電，不可能再忽略其對輸電網(wǎng)繼電保護的影響。近年來(lái)，國內外也有文獻開(kāi)始關(guān)注并探討這一問(wèn)題，綜述如下。文獻[33]討論了風(fēng)電接入后110 kV電網(wǎng)繼電保護和**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，系統零序網(wǎng)絡(luò )發(fā)生變化，聯(lián)絡(luò )線(xiàn)零序保護的靈敏度下降;并網(wǎng)聯(lián)絡(luò )線(xiàn)的自動(dòng)重合閘功能將受到挑戰，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)具有穩定性，而大規模風(fēng)電場(chǎng)在聯(lián)絡(luò )線(xiàn)跳開(kāi)后風(fēng)機會(huì )進(jìn)入動(dòng)態(tài)過(guò)程，不能保證檢同期成功，從而可能導致重合失敗，*終造成風(fēng)電脫網(wǎng);由于風(fēng)電場(chǎng)向電網(wǎng)饋出持續短路電流的能力差，除非裝設專(zhuān)門(mén)的弱饋保護，否則并網(wǎng)點(diǎn)聯(lián)絡(luò )線(xiàn)保護性能差，拒動(dòng)將成為常態(tài)。
由以上分析可知，作為一種特殊的電源形式，風(fēng)電對輸電網(wǎng)繼電保護具有一定的負面影響，或者說(shuō)，傳統的繼電保護原理并非都能夠適應風(fēng)電的接入，因此有必要對風(fēng)電接入后的繼電保護問(wèn)題進(jìn)行研究。
與風(fēng)電場(chǎng)內部集電線(xiàn)保護不同，作為高壓電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò )線(xiàn)保護必須將風(fēng)電場(chǎng)作為一個(gè)整體來(lái)考慮。繼電保護工作者希望得到一個(gè)理想電源與系統阻抗的經(jīng)典串聯(lián)模型來(lái)等效風(fēng)電場(chǎng)。但是風(fēng)電場(chǎng)內機組和機群在空間上的分布性質(zhì)，在類(lèi)型上的差異，都使得這樣的模型不易獲得。目前對于風(fēng)電場(chǎng)的等值，其目的都不是進(jìn)行繼電保護的整定和性能校驗，因此對繼電保護來(lái)說(shuō)*重要的電磁暫態(tài)過(guò)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(fēng)電場(chǎng)等值，是一個(gè)非常值得研究的方向。