風電場接入對配電網繼電保護的影響與對策

黃靜 譚佳奇

摘要：隨著經濟的快速發展，國家及地方在能源上的需求也變得日益增多，其中增長最為明顯的就是對電能的需求。但是隨著世界范圍內對環保要求的日漸提升以及能源問題的日益嚴峻，傳統的電能生產方式已經不能滿足當前的市場需求，在這種形勢下，對新能源的規劃開始成為各國能源戰略中的一項不可或缺的重要內容。風能作為一種新型的清潔能源，自其被發現以來已經為我國的電力行業做出了巨大的貢獻，是目前我國電力生產的一項重要組成部分。但是由于風能本身就具有一定的隨機性，并極易受到氣候變化而產生波動，因此當其使用到電場中時會對整個配電網絡的電流都造成影響，并且這種影響力還會隨著風電場規模的增大而不斷增大，從而間接影響到配電網中繼電保護的功能。本文就在對風電場接入對配電網繼電保護的相關問題進行研究的基礎上，總結出其產生的具體影響，并提出相應的解決對策，以期能為我國風力發電的安全生產提供指導。

關鍵詞：風電接入;繼電保護;影響;對策

隨著國家在風電生產上投入的不斷增加，風力發電已經成為我國電力市場中電力供應的一種重要方式。但是因為風力本身就具有較強的波動性，因此風電的生產及輸出過程都會存在一定的間歇。這種間歇性就極大地改變了電力系統的傳統運行方式，并對電力系統的繼電保護提出了新的要求。作為確保電力系統運行安全的第一道防線，繼電保護可以在系統出現故障時做出反應，及時隔離故障問題并避免故障帶來的影響被進一步惡化并威脅到系統的運行安全，從而實現提升電能的高效利用和傳輸。但是隨著風能的不斷被運用，當其被集中接入時一定會對電力系統的電網頻率、電壓以及系統穩定帶來影響，并且隨著風電場規模和容量的不斷擴大，風電場的接入對電力系統的影響會日益明顯。目前我國已經成為世界上風電裝機規模最大的國家，一些風電運行時可能會出現的問題在我國也更容易發生，尤其是近年來在一些大型風電場中，大規模風機脫網的事件頻頻發生都對當前風電場電力系統中的繼電保護的配置提出了質疑，因此為適應風電場電力系統的運行，就必須對其繼電保護進行研究。

1 風力接入后繼電保護性能分析

風電場的構成離不開風電機組，不同規模的風電場其風電機組的數量也會有所不同。但其電能都是在由機組產生后經過集電線路進行匯集后被送至變壓器，之后經變壓處理后再外送至電力傳輸系統中。在此過程中其保護裝置只要由三部分構成：①風電機組本體保護;②風電場內部電網保護;③風電場送出線保護。

1.1風電機組本體保護與集電線路保護

此保護環節主要有機組電壓及頻率的越限保護、兩段式的電流保護以及相間不平衡保護，這些保護都調離了風機出口低壓側斷路器，并促使機組退出系統，停止運行。針對風電場所使用的不同機組，其在配置上也存在一些差異。如直驅型的機組，其在變流器保護上重點會針對直流側進行配置，以保護其電容的卸荷電路;對其箱變高壓側則會配置熔斷器以實現對此側的短路保護，低壓側則會配置電流斷路器用以避免短路及過載等故障現象的發生。而對于集電線路的保護則需要配置主保護與后備保護，通常使用的保護方式為電流速斷與過電流保護。通過這種保護上的組合配置，當遇到風場的發電機組出現運行故障時就可以通過其低壓側斷路器與熔斷器之間的配合以實現排除故障的目的，而此時的集電線路保護就可作為后備的保護措施。

有相關文獻研究表明，當機組箱變高壓側發生故障時，機組本體就會自動斷開低壓側的斷路器從而停止運行，但此時也會對其附近的機組運行產生影響，使其機端電壓低于運行范圍，受機組自身保護的影響也中止運行。然而這個過程中因為其集電線路中的短路電流要超出保護段的整定范圍，就會使其保護動作發生在熔斷器的保護工作之前，從而就造成整個線路上所有風機都出現脫網現象，這就使得集電線路與其熔斷保護之間出現了不同步的情況。而當機組某處的集電線路出口發生故障時，無故障的集電線路保護就可能會因為誤判而錯誤切出其線路上的全部運行機組。尤其是當其故障發生的地點距離集電線路母線較近時，就會使故障線路與無故障線路之間的電壓差異較小，從而使風電機組出現保護動作并最終導致電場脫網。而當集電線路單相接地時，在這種故障情況下其電路的電流就會小于其保護整定值，并會導致保護不發生動作，在這種情況下，電網的繼電保護就不能正常運行并及時對故障進行排除或隔離處理，從而使電路中的過電壓發生相間故障，并最終導致電場中出現更加嚴重的事故。

1.2送出變壓器保護

當前我國正在運行的風電場中其使用的變壓器上的保護裝置仍在沿用傳統的常規保護，這種保護方式通過根據其在故障前后頻率不變的原理，利用電流值之間的差動來對故障地點進行判斷。相關研究發現，雙饋異步發電機在發生故障時通過投入crowbar電路以實現其低電壓的穿越，但是此時及集電線風機方向以及出口粗的電流頻率卻會因為故障發生而導致其工況點的位置出現偏移。根據相關規律推算發現，在相量值基礎上的，當動作電流與制動電流以多種頻率波動，且波動范圍較大時，其差動保護會失去一定的準確性。而當投入crowbar電路后再使用相應算法也無法準確提取2次諧波，使相應的被動元件出現閉鎖現象。由此可推斷出傳統的常規變壓器已經不能滿足當前的風電場接入系統。

1.3風電場送出線路保護

當前，我國風電場在生產出電能后多使用遠程超高壓輸送的方式將電力資源送出，且送出時所使用的線路保護裝置也仍采用傳統的保護措施，并未結合風電產生的一些特殊情況。當系統發生故障時，就會影響到風電接入區域電網的一些特性，但這種特性因與常規故障情況有所差異而會使的系統的繼電保護在故障識別上出現問題從而間接影響到其繼電保護的性能。近年來在我國內蒙等地區就已經多次發生因未能準確識別故障而造成送出線路的誤動作現象。相關文獻研究表明，當使用雙饋式發電機的風電場的送出線路出現三相故障時，即使其具備一定的低壓穿越能力，也會造成其內部轉子電流為衰減直流，風機極端交流電動勢衰減加快的現象，而且此時風電場的側阻抗也會很大，測電壓也要由電網工頻電壓支撐。這時的電流也主要為非工頻交流，電壓和電流之間的頻率就會出現不同。在旁瓣效應的作用下，這時的工頻量將不能被準確提取，從而使電壓與電流之間的比較值也出現問題。而只有當線路發生二相故障時機組母線電壓才會與電流同頻，其余故障情況下電場的側短路電壓與電流之間都會出現不同的頻率。在這些故障情況中，常規的選項元件被應用于風電場中都影響其正確性的發揮，并在測方向不能正確進行保護動作。

2 風電接入繼電保護當中的問題

首先，目前我國所運行的風電場中其集電線路全部為不接地裝置，并支持其可單相接地使用時間為1到2個小時，而這種接電方式主要通過借鑒其他電廠中配電系統的設計，并多應用于架空線路中。但是這種僅限于接地電流比較小的接地方式如應用到電纜混合架空線路時就會呈現出不合理的狀態。因為這種接地方式的選線正確率過低，就不能對單相接地隱患進行及時預警，從而就會使得相關故障一旦出現就不能被及時解決，從而使故障帶來的影響被進一步惡化。此外，這種選線設備的動作率也較低，不論是從非故障線路還是故障線路中經過的電流全部都是微弱的電容電流，而且還不能對其采取措施使其進行準確集中，這就會給故障發生時的查找及修復工作帶來一定的難度。

其次就是對于330KV以及其以上的主網來說，其繼電保護設備已經趨于完善，通常情況下可以實現對故障的全部快速切出。但是一旦其主網的繼電系統出現問題，就必須要對問題進行深入的分析。然而一般情況下可用于分析的時間并不寬裕，通常要小于0.1秒，因為一旦問題發生的時間超過0.1秒就會對發電裝置造成二次傷害。而且這兩次傷害所呈現出的電力問題在性質上還會存在差異，這些都與機組中電流的短路問題有些密切聯系。

最后就是一些常規的保護元件。因為風能發電具有較強的波動性，當這種能源并網后會使原有的電力元件的運行發生很大的變化，并且會影響到其元件的靈敏度，使其失去原有的靈敏性，因此就需要對其進行新的研究。此外風電并網后原有的正負順序也會受到影響，使對控制系統的調節能力變差，同時原有的分析方法也都會失去其價值，不能再繼續使用，再加上風電并網還會對選項元件也會產生影響，因此對其性能進行深入的研究和探討就顯得更加必要。

3 風電接入繼電保護的相應對策

隨著國家新能源戰略規劃的不斷推進，風電場的規模及容量都在逐漸增大。越來越多的大規模風電場被接入到電力系統的運行中。而為保障這種大規模電網及風電場的運行安全，應該對其影響其運行的各個環節都進行考慮。如設備的配置、系統接線方式的選取、保護措施的制定等等，不論是電網還是風電場的接入，其安全運行都要涉及到多個方面，都不能僅依賴于繼電保護來進行。但是作為電網系統的第一道防線，繼電保護應是保障其安全運行的重點環節。因此針對風電場接入后的幾點保護工作，可從如下幾點入手。

3.1開發新型電網元件

應針對現在正在運行使用的電網系統，創新研制出新型的電網元件，并替代原有的元件設備，對電網系統進行元件升級，以實現繼電保護形式上的創新。同時在元件的選相上一定要與電網的實際運行情況相結合，確保當將新元件應用于系統中后不會對系統設備的運行造成影響，并要保證設備的負荷量在合理的范圍。其次就是在并網融合時，應尤為注意要對電網設備的整體數據都進行分析，從而可在有問題發生時及時查找出問題的誘因。

3.2選擇系統接地方式

針對不同的故障類型應按照相應原則針對性選擇系統的接地方式，在一些新的風電場中，應主要使用電阻接地，并根據實際的外界環境配備相應的故障保護裝置;而當風電場集電線路不接地時，應配備小電流的接地裝置，并要確保其具備相跳閘功能以便其能及時對單相接地故障進行切除。若采取上述方式都不能解決單相接地的問題，則需要使用隔離故障法以降低故障帶來的影響。

3.3運行維護與故障管理要求

在風電場中應配備相應的監控系統，如對故障錄波裝置及想能測量系統上都應進行監控以便可以準確記錄相關的數據，并明確電網的實際保護動作等。此外，風電場在管理時還應具體結合其機組內的全部型號及穿越功能參數等，并要確保系統可以及時獲取繼電保護工作的各種狀態，只有這樣才能為之后的繼電保護提供更多的數據支持。

結束語

此外，在風電場中還可以采用保護聯跳措施以減少風電接入的影響，以及通過重新設計發電系統以適應風電的接入。因為隨著風電接入規模的不斷增大，各種安全問題都會更加明顯凸顯出來。只有不斷采取措施減少風電接入后對繼電保護的影響，才能確保電力系統的運行安全。因此這就要求相關部門必須要制定出相應的解決對策以保障風力發電的進一步發展，并為社會創造更大的經濟效益與社會價值。

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（作者單位：國華（諸城）風力發電有限公司）