云南電網大規模風電接入繼電保護探討

李俊鵬

(云南電網公司電力研究院，昆明 650217)

1 前言

大規模風電的接入使傳統的繼電保護面臨了新的問題。大規模的風電場接入對系統運行的影響，就接入點系統來說，已不能參照早期小型風電接入一樣被當作普通負荷終端而被忽略掉，傳統繼電保護所面臨的是發生了顯著變化的故障特征，對接入點系統的繼電保護提出了新的要求。以下就繼電保護所面臨的一些問題進行初步的探討。

2 風電機組以及風電場的故障特征

與傳統同步發電機相比風電機組多采用感應式異步發電機，其轉動慣量和時間常數小，并且沒有專門的勵磁裝置，故障特征與同步發電機存在顯著的差別。傳統電力系統的繼電保護理論體系是建立在同步發電機電源以及三相對稱系統的基礎之上的，是假定在故障發生之后的電磁暫態過程中，同步發電機能夠作為一個理想電源不發生任何參數和運行狀態的改變的情況下計算得到短路電流大小及其衰減特性，并以此作為繼電保護原理設計、整定以及開關設備選擇的依據。而風電機組普遍采用異步發電機，短路電流的大小和故障特征發生了顯著的變化。云南電網內目前投產的風電機組主要為鼠籠型異步發電機及雙饋型異步發電機兩種。兩者的區別為鼠籠型異步發電機其定子直接接入電網，在發出有功的同時需要從電網吸收無功來勵磁。而雙饋風電機組采用繞線式異步電機，其定子側直接接入電網，轉子側采用三相對稱繞組，經背靠背的脈寬調制(PWM)雙向電壓源變流器與電網相連，為轉子側提供交流勵磁。基于目前的情況，鼠籠型異步機組沒有獨立的勵磁結構，在電網發生短路故障時系統不能繼續為風電機組提供勵磁，故短路電流瞬時非常可觀但很快逐漸衰減至零，很難向電網提供持續的短路電流。雙饋風電機組的短路電流在同等出力、同一故障點同樣故障情況下，短路電流瞬時值較鼠籠型異步機組小，并在轉子側外接變流器的作用下，在故障未切除時會向系統提供持續的短路電流，其穩態短路電流值小于穩定運行的電流。

對于繼電保護而言，關注點不應僅局限于故障電流的大小，而更關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，進而引發保護的拒動或誤動，對電網的安全運行造成威脅。采用電磁暫態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，但會面臨控制策略方面的技術障礙。

3 風電場內集電線路的保護問題

風電場機群之間采用35 kV電壓等級組成集電網絡并通過并網點直接與高壓電網相連接，與傳統配電網絡具有相同的網絡結構，但兩者卻有著明顯的區別。風機作為分布式電源對于風電廠內任一集電線路而言，由于母線兩側上均有電源分布，為雙端電源系統元件，傳統輻射狀配電網繼電保護的配置方式和整定原則將不再適用，而應根據風電場發電機運行方式、風機短路電流大小及衰減特性選取合適的保護配置方式整定原則，從而確保整個保護系統的性能。由于風電機群之間主要通過高壓電纜進行連接，云南省內現行風電場內集電線路的故障判別主要依賴小電流接地選線裝置，而對35 kV集電線路沒有配置專門的保護，這種情況下小電流接地選線裝置的性能就變得非常的關鍵。當前應對現行風電場小電流接地選線裝置的應用情況進行針對性的研究，以確保滿足要求。

4 風電接入系統的繼電保護問題

由于現階段風電接入的繼電保護問題并沒有大規模地顯現出來，大規模風電接入電網對系統安全穩定運行的影響并沒有得到足夠的重視，隨著風電在電網電源結構中所占比例的逐步提升，繼電保護的適應性問題必然將集中體現出來并得到足夠的重視。

風電場接入后系統保護主要面臨以下幾個方面的問題。一則由于升壓變壓器的接地，系統零序網絡發生變化，系統聯絡線零序保護將受到影響，會造成保護靈敏度的下降;二則系統聯絡線的自動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電電源在并網點具有穩定性，而大規模風電場在聯絡線跳開后風機會進入動態過程，不能保證檢同期成功，從而可能導致重合閘失敗，最終造成風電脫網;三則由于風電場向故障點輸出持續短路電流的能力差，除非裝設專門的弱饋保護，否則并網點聯絡線保護性能差，拒動將成為常態。四則異步發電機對并網聯絡線距離保護動作特性有影響，根據保護安裝處的電壓和電流計算得到的異步發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二象限從而降低了距離保護的動作裕度。

由以上分析可知，作為一種特殊的電源形式，風電對輸電網繼電保護具有一定的負面影響，或者說，傳統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。繼電保護希望得到一個理想電源與系統阻抗的經典串聯模型來等效風電場，以獲取對繼電保護來說最重要的電磁暫態過程。進行專門面向繼電保護的風電場等值研究，將非常有助于繼電保護的整定與配置。

5 結束語

隨著云南電網大規模風電場的不斷接入，需要從以下幾個方面來展開繼電保護的研究工作。

1)故障電流波形特征的研究

就目前看，保護所有的側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。影響保護性能的一個重要因素就是故障暫態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果以及保護判據最終的判別結果，對于故障后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)電磁暫態仿真模型的建立

電網中雙饋型風電機組所占比例比較大。對于這些具有復雜控制系統和控制策略的風電機組，其故障電流與控制策略密切相關，應通過建立通用仿真模型，供繼電保護整定和性能分析使用。

3)加強風電場機群集電線路保護原理的開發

風電機組持續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，若不考慮電網提供的短路電流，故障識別和隔離將異常困難。而利用電網提供的短路電流需要考慮系統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的安全穩定，因此有必要分析風電場機群集電線路的故障特點，開發適用于風電場機群集電線路的新型保護。

4)加強風電場自動控制系統和電網繼電保護與安全自動裝置的配合

風電場繼電保護的定值和時限均需與電網的保護進行配合。現階段，風電場與電網保護的整定分屬于不同的部門，應加強協調配合，避免由于定值問題所造成的意外脫網事故。同時應加強電網自動重合閘、各種后備保護以及緊急狀態下切機切負荷等保護與風電場控制的配合，構建協調的電力系統繼電保護體系。