關于風電場繼電保護合理配置問題

劉鶴

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.07.074

摘 要：隨著我國社會經濟的高速發展，電力事業也進入了發展快車道。近些年我國發電機組投入逐年增加，容量逐年增大，數量猛增的同時電力質量卻出現了問題。隨著風電容量所占份額的不斷增大，需要供應的短路電流也相應增加，風電場機電保護配置的作用非常突出。該文從風電場與電網實現互聯互通后，其對繼電保護的影響入手，闡述繼電保護的合理配置問題。

關鍵詞：風電場 繼電保護 裝置

中圖分類號：TM77 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（a）-0074-02

我國國土面積遼闊，風能資源非常豐富，并且呈現出集中化的特點，風電場與電網多選擇集中接入的方式實現互聯互通。風電事業發展迅猛，電廠規模和容量也越來越大，集中式接入模式對電能產生了很大影響。假如電網發生短路故障，風電場會供應電流（明顯大過電網短路電流），所以在電網建設要高度重視繼電保護配置問題。

1 風電場繼電保護典型配置

區域保護：圖1D區域，即風輪機塔底部，對發電機和電纜進行保護選擇690 V的斷電器。在圖1中C部位，斷路器作為變壓器對側電纜進行保護。當有故障發生的時候，低電壓端會有微小的故障電流產生，這個時候選擇保險絲切除的方法可能不太理想，切斷任務可交給分段開關去執行。

有限接地故障保護：對低壓繞組和端部的漏電流進行檢測。常見的接地故障和和繼電保護選擇常規方法即可達到保護效果。

如果風電場與330 kV的電網系統連接時，沒有設置主變壓器，可選擇在相同容量環境下與變壓器繼電保護類似的模式（繼電保護運用33 kV/11 kV變壓器）。[1]在具體操作過程中，33 kV開關保險絲較少，所以全面保護所有范圍內的故障電流難度是很大的，所以要進行全面保護可采用綜合方式。

2 風電場并網對電網繼電保護的影響

2.1 整體影響

風電具有間隙性，保護方式也與常規配電網不同，有風的時候發電機組與電網相連接的，風速圍繞著啟動風速變動時會出現機組頻繁投切損傷接觸器，為了防止這種情況的出現，電機組可以短時間電動機運行。在這個過程中如果對系統潮流的方向加以改變，很容易導致保護裝置出現失誤動作。

當固定轉速異步發電機并網運行的時候，如果發生故障，電機各項電流在瞬間會發生突變，與此同時會發生衰減（依據指數規律），直至為零。普通感應電機（模型中轉子支隊勵磁支路加以考慮）應用于固定轉速風電機，所以定子暫態電抗和繞組不規律初值共同決定感應器電流初值，電流分別按照暫態參數與繞組期限參數進行衰減，轉子轉動速度決定電流頻率。單獨的勵磁單元并不存在于異步發電機，因為電機明顯下降的電壓，如果電網運行時發生故障，沒有勵磁就無法向電網傳輸短路電流。[2]電網發生故障的時候，異步發電機僅僅能持續供應微小電流。（I≈0）。風電機的電壓（出口）是0.69 kV，是低壓系統，如果折算到35 kV甚至更高側，阻抗就要與K2=（U35/UO）2兩兩相乘，所以從與35 kV側數值相等的電路來講，風機和電纜（低壓）幾乎就是兩個很大的限制流量的電抗，在這種情況下短路電流明顯不能輸出。

雙饋風機組在并網運行的時候與短路電流（基于常規異步發電機組的定速風電機組）在性能方面差異顯著，前者模型當中，轉子只關注勵磁支路，固定子繞組暫態電抗和其不規律電流初值共同決定了短路電流初值，并且分別根據二者時間參數發生衰減。通常情況下公用電網電源提供著故障電流，風電場在保護方面的障礙在于按照有限的電流去鑒別故障。

2.2 具體影響

（1）對配置方案的影響，根據多年的實踐經驗，風電與電網系統相連接，如果發生故障，風電場在故障切除完成之前，風電場會供應電流，供應模式與異步機大同小異，即電網與風電場聯通后，會在一定程度上對短路故障切除的主保護動作產生影響。風電場繼電保護和電網聯絡保護（高壓）在很多方面是存在區別的，后者將風電場作為一個整體，在繼電保護過程中需要對與風電場聯通之后的影響進行考慮與評估。各個機組之間在型號、地理空間分布上不盡相同，這在電網繼電保護過程中必須要考慮到。

（2）對電網繼電保護和安全自動裝置的影響，電網中接通風電場電源和變壓器接地之后，系統整個零序網絡將會發生變化，系統聯絡線靈敏性會有所下降，自動重合閘作用和功能不能正常發揮，風電場的規模越來越大，聯絡線如果跳開，會導致風電機組進入變動狀態，檢同期成功率無法保障，甚至重合閘重合功能會失效，導致脫網故障。[3]在這種情況下，短路電流無法成功饋出，聯絡線保護功能大大降低，誤動或者拒動的情況在保護裝置中頻繁發生。針對這個問題，為了提升性能和靈敏性，可設置雙饋保護。

（3）對線路零序電路保護的影響，機組變壓器通常選擇Yn/△的接線方式，如果有接地故障發生，零序電路保護會做出保護動作，迅速跳閘防止電流通過。在對兩段零序電流進行保護的過程中I環節為了切出故障迅速跳閘，II環節在故障發生時會迅速報警。

與電網的聯通會使風電場零序電流的靈敏度降低。風電場在零發時，靈敏度不會受到影響，但是如果滿發時，靈敏度會出現明顯降低，尤其是在線路支路，靈敏度的高低與線路距離的遠近成正比。

（4）對線路距離保護的影響，與電網聯通之后，多方面因素共同作用于風電場距離保護，距離保護要想穩定安全運行，必須從以下幾方面著手：①對氣動元件配置保護裝置。 ②配置距離原件，目的在于監測與計算裝置和故障位置之間的距離。[4]一旦有短路故障發生，首先判斷短路故障的對稱性，按照判斷結論啟動距離保護功能。

3 舉例分析風電場對電網繼電保護配置的影響問題

文章以相間保護來舉例，分析風電場（并網）對繼電保護潛在的影響。

如圖2所示，電線、限時電流速斷和過電流保護共同組成相間保護。環節1至環節6是系統保護裝置。速斷保護負責全部線路的70%～80%，整定則通過避開線路末端故障來進行。限時電流速斷保護裝置負責本線路范圍之外的故障切斷工作，保障在任何情況下線路的全長完整，同時選擇性和靈活性不能喪失。[5]按照避開最大電流原則，過電流保護裝置進行整定。假定整個風電場是一個負荷，那么它不能供應等于零的短路電流，這種假設明顯與事實不符。當系統出現短路故障的時候，風電場會給故障點供應相應短路電流。如果故障發生在K1環節，I≠0，因為K1點與系統聯絡線的保護裝置2非常接近，所以其短路電流值與K2發生短路故障時的電流值相當，加入IK2比系統聯絡線保護裝置2的動作電流大，則裝置2會迅速動作，也就是說風電場導致裝置2的誤動作。

從整體上來講，風電場對繼電保護動作會有影響，在系統配置和整定的過程中，計算風電場供應的短路電流大小的時候，要遵守以下規則：（1）假如系統聯絡線保護裝置動作迅速（低于5個周波），短路電流對保護裝置施加的影響則必須要考慮分析。（2）假如系統聯絡線保護動作相對緩慢（高于5個周波），對短路電流對保護裝置所產生的影響可不予考慮，因為其極高的衰減率使得保護裝置在時間上避免了故障威脅。

隨著我國近年來電力事業的迅猛發展，很多區域都實現了風電場電網系統與風電場的互聯互通。在繼電保護配置方面，風電場有很大影響，因此要對風電場對繼電保護配置影響方面進行深入透徹地分析研究，為風電場的穩定運行提供良好的保障。

參考文獻

[1] 許清.關于風電場繼電保護合理配置問題[J].科技與企業，2015（9）：201-202.

[2] 范娟.風電場集電系統接地方式及相關保護策略研究[D].華北電力大學，2013.

[3] 文玉玲.風電場短路特性及對電網繼電保護影響的研究[D].新疆大學，2009.

[4] 吳旭.基于N-k故障的電力系統運行風險及脆弱性評估[D].華北電力大學，2013.

[5] 董傲楊.密山風力發電站接入對雞西220 kV電網繼電保護的影響研究[D].華北電力大學，2014.