大規模風電接入的繼電保護問題分析

蔣文君

（福建省福能新能源有限責任公司，福建 莆田 351146）

在社會與時代飛速發展下，不可再生資源與能源的壓力與日俱增，生態環境也因此受到了較大破壞，引起了人們高度重視，開始加大對清潔能源的開發與應用。風力發電作為清潔能源之一，具有可再生性，但此種發電方式受地域的限制較大，且具有不可控性，在大規模風電接入時應采取措施，做好繼電保護工作，提高保護可靠性。

1 風電接入對繼電保護的影響

1.1 接入與故障位置

將風電接入配電網中，由于接入位置不同，對整體電網保護的影響也有所區別。當接入配電網饋線非末端母線C段時，將線路個點設為ABCD，保護為1，2，3。如若上游出現故障，則保護1將立即將故障點隔離，在無風電接入時，便將整條線路AD切除。但是，當母線C與發電機連接后，便會連續供電使BD段的電路獨立開來，形成一個閉環，最后，在風力發電中的保護設置，使其退出電網。對此，應在BC段與母線C相近的一段設置保護功能，并安裝正確方向的元件，這樣才可有效避免以上情況的發生。當下游出現故障時，風電接入會加劇3處的故障程度，此時，可將3處的電流進行延長，以此增加保護力度，也可使該處電流與相鄰線路相互獨立。此外，還可有效避免保護2時出現短路情況，當保護2中短路電流削弱時，其所處的保護范圍便會縮小，降低線路的靈活度，如若再次衰減便會阻礙故障切除能力的應用。

1.2 接入容量

部分配電系統電路沒有與風電相連，如若風電容量比值在系統中的占比較小，則該系統的保護力度便不會受到較大影響。當前，許多研究忽視較小容量這一情況，進而影響最終結果準確性。但是，當風電系統與電網相接后，容量方面有時會出現過大或者過小等情況，此時，電路系統便不可忽視這一問題，應重視故障電流對其產生的影響。在故障狀態下，不同位置的保護點可獲得不同的短路電流，因此，輸出容量也勢必發生改變。由此可見，容量不同對風電接入的影響也不盡相同。通過保護1電路的電流，仍然以系統電源為依據進行衡量，與后續風電是否接入的聯系不大，此時，如若對保護2的短路電流進行衡量，則可以風電接入為依據，且二者與容量之間具有正比關系，當限定容量增加到一定程度時，便可使保護2出現誤動。

1.3 線路長度

線路長度在一定程度上會影響配電網保護，如若系統容量由接入容量而決定，則BC線路長度則會發生改變，保護3設定量與短路電流均會發生改變。如若線路長度延長，則保護3的速斷保護值將會降低，經過保護3的電流量會隨之降低。此時，如若BC段長度不斷增加，在此種狀態下，接入故障電流值將固定不變，則保護3設置數值降低很容易導致系統誤動。由此可見，線路越長，其保護誤動程度也會隨之加大。當CD段長度出現改變時，保護3速斷數值也會隨之降低，在故障情況下，風電接入產生的電流反應將被削弱。如若CD段長度不斷延長，則保護3故障電流將會小于切斷故障保護的數值，使線路得到保護，有效避免誤動產生。

2 風電接入后繼電保護的有效方法

為了確保風電接入后，電網能夠穩定安全地運行，相關

部門應從多個角度著手，根據實際情況合理調整規劃，切實做好電網防護的首道防線。

2.1 保護聯跳措施

對于大規模風電接入工作來說，在繼電保護過程中很容易給兩側保護帶來風險，進而導致隔離系統側出現短路，使整體系統運行受到較大阻礙。眾所周知，風電組的穩定性受到不良影響后，很容易出現解列現象，且解列時間受諸多因素影響，如負荷電流大小等，當電流輸入風電場后，在短路電流的影響下使斷路裝置處于閉關狀態。為了避免設備因此受損，則應立即暫停電流輸出，可見大規模風電接入可導致故障概率提升。對此，在電網正式投入運行之前，應做好兩側光差保護工作。在實際工作中，可設置保護上的聯跳措施，在風電短路電流接入繼電保護系統中，一旦出現故障，此時，聯跳上設施便會發生反應，并阻斷電流，對電路進行保護，確保電力系統的正常穩定運行。線路對用戶用電具有直接影響，當發生故障時，應采取切斷電路的方式進行處理，防止短路電流對繼電保護產生不良影響，以免使其他用戶受到危害。

2.2 發揮并網電路重合閘作用

結合電源特點與電網保護措施可知，對于并網電路來說，其開關閘對風電機組具有關鍵影響，因此，應加強該方面的研究力度。對于風電場來說，主要采用220kV或110kV的線路，如若接地方面出現故障，則要結合具體情況尋找原因。例如，當發生單項瞬時接地時，網點的電壓小于20%，此時，繼電保護裝置便可依對故障點進行分析，通常情況下，機組全部跳閘，當發現恢復供電后便可全部進行脫網；當電壓超過20%時，機組此時處于穩定工作狀態，待供電恢復正常后，風電便始終處于并網工作模式下；當發生單項永久接地故障時，發生情況多種多樣，在處理時，如果重力閘無法動作，則應結合實際情況采取相應措施。通過上述論證可知，當機組故障無法明確時，便會出現網點故障電壓不同的現象，電壓不可超過額定值的萬分之一，風電機組即便具有低電壓穿越功能，也很難有效防止徹底跳閘情況發生。對此，在大規模風電接入中，應與故障穿越要求相符合，使零電壓穿越使用，并將時間控制在100ms之間，這樣便可確保風機電壓低于20%，甚至會更低。

2.3 設置限流保護裝置

（1）開關型限流裝置。此類裝置的作用在于當故障發生時能夠快速投入電抗器對短路電流進行控制，如圖1所示。高壓線路L位于系統M與N之間，在M側安裝了限流裝置，圖中虛線部分為限流裝置，即串聯電抗器。在運行過程中，換流器處于閉合狀態時，系統電流只可經過換流器，阻抗和損耗均為0；當出現短路故障時，換流器中的首個半波過零時分離，限流器在15ms之內投入，控制電流，使其降低到原本80%以下，斷路器可靈活開斷限制后的短路電流。

圖1 限流裝置運行原理

（2）風電場保護。在風電場保護中，35kV極點中性點接地的方式，可有效提供電場運行穩定性，此時，電場的功率密度較低，額定功率范圍在15%～45%，與常規應用電壓相比低很多。此時，用電用戶與風場影響力較小。在配電系統中，與用戶供電之間具有緊密關聯，因此，當配電系統發生故障時，將會直接導致用戶被斷電，此時便要采取有效措施，避免故障范圍的進一步延伸，結合實際情況采取有效措施，選擇新的繼電系統與裝置。對于風電場來說，可采取電阻接地的方式，采用單相接地故障保護裝置。但是，如若風電場已經處于運行狀態，則可采用不接地、消弧墊圈接地等方式，在裝置方面可采用小電流接地裝置。當出現單項接地問題時，便可在較短時間內快速做出反應，使故障被消滅在萌芽狀態；如若沒辦法進行消除，則可進行跳閘處理。

（3）重視故障電流波形。對于繼電保護裝置來說，其重點在于短路電流的最大值，當風電接入后，勢必會對繼電保護產生不良影響，主要體現在保護整定與配合等方面。一般情況下，應加強對故障電流波形的重視，一方面，是濾波算法；另一方面，是波形特點，這與工頻電氣量計算結果相關，因此，應加強對電流波形的關注度，使繼電保護效率得到全面提升。

2.4 加強并網運維管理

在風電與并網運行、事故數據采集、分析等工作中，應有效提升電網運行率的促進作用。在控制室中設置先進的監控系統，并發揮配套監控裝置的作用，對事故發生時電氣故障的相關信息進行記錄，如電氣量、開關、保護等。此外，還應對電流波形、電壓、無功補償裝置等控制事件進行分析，對功能投退記錄進行調整等，上述數據信息的積累、分析和挖掘，均可為繼電保護設計與創新提供借鑒，使風電接入系統后，繼電保護運行更加穩定可靠。

3 結語

綜上所述，在環境友好型社會背景下，風力發電行業得到飛速發展，但是，當大規模風電接入后仍會對繼電保護產生不良影響。對此，應積極通過保護聯跳、發揮并網電路重合閘作用、設置限流保護裝置、加強并網運維管理等方式，減少對繼電保護的干擾，還可引進國外先進的電力技術，使此類問題得到妥善解決，促進我國電力行業的飛速發展。