雙饋風電場的弱饋性及風電接入對突變量保護元件的影響

何奎 呂飛鵬

摘要：隨著風電領域投資的熱化，大規模的風電基地越來越多，裝機容量漸趨浩大。但相對于傳統電網，風電場有明顯的特殊性，風電的弱饋性對其接入電網的保護控制裝置的要求成為亟需解決的問題，對突變量保護元件的影響的分析也需要引起足夠的關注。文章從雙饋風電場的弱饋性入手，分析了風電接入對突變量保護元件的影響及接入保護控制面臨的問題，驗證了相應控制措施。

關鍵詞：雙饋風電場；弱饋性；電網接入；突變量

風力發電因為其無污染、分布廣泛等優點，已經成為各國努力推動的發電技術和投資熱點。近幾年，我國的風力發電也在跨越式的發展。其中最大的挑戰就是風電基地的并網問題，特別是接入電網帶來的保護控制裝置的影響首當其沖[1]。傳統的配置與新的面臨的問題的相關研究與分析探討還比較少。與傳統的同步發電技術相比，風電基地有著明顯的特殊性，風電的弱饋性對其接入電網的要求，特別是接入的繼電保護，即保護控制裝置的要求具有一定的特殊性，研究風電接入對突變量保護元件的影響已經成為首要問題。

1 雙饋風電場接入對電網繼電保護的影響

目前，雙饋風力發電機已經基本實現變速恒頻發電，但是雙饋風電場接入對既有電網的繼電保護影響還是相當明顯的，主要有以下兩個方面：一是發生故障時，正負序電流分布系數差異較大，不再近似相等，影響常規突變量選相元件和方向元件判斷的正確性；二是由于目前風電基地總容量相對電網系統來說較小，所占比例很低，故障期間的弱饋性會使風電場送出線上的突變量保護元件發生誤判動作[2]。

2 風電基地的弱饋性

風電基地接入電網有分散式和集中式兩種。通常使用的集中式接人就是把多臺風電機匯集到集中外送輸電線路，常用的接線方式是：通過箱式變壓器，將每臺雙饋風電機出口電壓升高；串聯多臺風電機，匯集至中壓匯流線路，經主變壓器升至高電壓，通過送出線路實現并網。隨著風電的發展，各個風電基地的裝機容量在增加，但相對于并入的整個電網系統來說，基地容量偏小，所占比例偏低。當基地送出線路發生故障時，電網系統的正負阻抗小于風電基地正負序等值阻抗，考慮撬棒電路投人，基地側零序電流比重很大，但三相電流幅值近似相等，表現出明顯的弱饋性。

3 風電并網對電網保護控制的影響

3.1 對突變量選相元件產生的影響

突變量選相元件是利用故障時相間電流幅值實現選相。常規條件下，等效系統正負序阻抗相等，這有利于對故障相進行判別；但風電異步電動機的大電阻造成轉差率明顯，導致等效系統正負序阻抗差異，風電基地側短路電流分布系數也出現較大差異，但故障點的正、負、零序電流差異不大，近似相等，導致突變量選相元件誤判。

3.2 對突變量方向元件產生的影響

突變量方向元件是利用電壓和電流突變量的相位關系分析判別故障正反方向的。常規條件下， 系統正負序阻抗相等，方向元件能夠正確判正反向故障；但風電接入后，由于基地側正負序阻抗差異較大，導致故障電壓、電流相位出現差異，較大的相位異動使突變量方向元件產生誤判。

4 實證分析

通過近十幾年相關機構、業界以及學術界對實際風力并網發電相關問題的研究，相關數據分析可以驗證雙饋風電場的弱饋性及突變量選相元件與方向元件對故障判別的影響。

4.1 風電場弱饋性驗證

假定雙饋風力發電機組轉差率不變的情況下，發生不同的送出線路近端接地故障時，由于撬棒電路的投入，風電場的弱饋性將增強。

4.1.1 單相接地故障

發生單相接地故障時，故障電流的正序分量降低幅度較大，但零序分量基本不變，由于風電零序電流占主要成分，故障時三相電流幅值差異不大，相位基本相同。

4.1.2 兩相接地故障

發生兩相接地故障時，故障電流的變化與單相故障相差無幾，正序分量降低幅度較大，負序分量降低幅度較小，零序分量基本不變；故障時三相電流幅值差異不大，相位基本相同。

同時也可以發現，風電并聯機組越多，正負序等值阻抗越小，弱饋性也逐漸降低。

4.2 轉差率對突變量選相元件與方向元件的影響

與常規電網系統相比，雙饋感應發電機的轉差率對雙饋風電場的等值正負阻抗影響差異較大，其中對于正序阻抗的影響幅度比較小，但對負序阻抗影響幅度很大，由于風電場的弱饋性，零序阻抗遠小于正負序阻抗，所以發生接地故障時零序電流所占比例較大。由于正負序阻抗相差較多，保護側正負序電流分配系數的幅值差異較大，這也導致基于相間電流幅值和電壓和電流突變量的相位關系分析來工作的突變量選相元件和方向元件出現誤判。

5 結語

文章基于當前風電場送出線路保護控制裝置的相應配置，分析了雙饋風電場的弱饋性，以及風電接入對電網系統突變量選相元件與方向元件工作的影響，論證了雙饋風電發電機組的轉差率對正序阻抗和負序阻抗的影響，這種阻抗特性又影響了電網系統的正序、負序電流分布系數，進而對基于相間電流幅值和電壓和電流突變量的相位關系分析來工作的突變量選相元件和方向元件的工作狀態。這些分析，初步提出了風力發電機組在實現變速恒頻發電的基礎上，如何有效實現保護控制，科學管理，弱化不利影響，保障風力發電機組安全高效運行，發揮更大社會效益的新命題。

參考文獻：

[1]黃濤，陸于平.適用于雙饋風電場的改進電流突變量選相元件[J].電網技術，2015， 39（10）：29592964.

[2]沈樞，張沛超，方陳，等.雙饋風電場故障序阻抗特征及對選相元件的影響[J].電力系統自動化， 2014，38（15）：8792.

作者簡介：何奎（1990），男，漢族，四川南充人，碩士研究生，研究方向：電力系統繼電保護。