大规模风电场接入电力电网系统继电保护问题探讨

摘要：风电场接入电力电网系统，给电力系统的发展带来了新的契机，但是也给传统的继电保护带来了诸多新的课题。文章阐述了风电场和风电机组的故障特性、大规模风电接入输电网的继电保护问题、大规模风电场接入电力电网系统的继电保护思路及方法。

关键词：大规模风电接入；电力系统；继电保护；风电机组；电能输送；电网运行 文献标识码：A

中图分类号：TM773 文章编号：1009-2374（2016）32-0087-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.32.043

电网的安全运行离不开继电保护，作为电网安全运行必不可少的要素，可以快速准确地查找到故障所在并将其隔离，从而尽可能地降低对系统运行的危害，最大程度地保证电能的平稳输送以及应用。风能越来越为广泛应用，随之而来的则是风电场对电力系统的极大影响。尤其是风电场的接入不同则继电保护装置的故障各有其特性，其复杂化个性化的特点，就使得研究大规模风电场接入的继电保护问题尤为紧迫与重要，从而确保电网系统的安全运行。

1 风电场和风电机组的故障特性

继电保护的设计以及计算均是以故障特性为基础进行的。那么对风电场以及风电机组的故障特性进行分析就是必不可少的。传统电力系统的继电保护的基础是三相对称系统和同步发电机电源。在这个基础上建立的继电保护理论体系存在着自身不足，此理论假设故障出现时，同步发电机是以恒态存在的，也就是故障发生前后，其运行的状态和参数没有改变，一如既往，并计算相应的短路电流和其衰减特性，以此作为整定继电保护原理和选择开关设备的依据。目前，大多数风电机组使用的发电机都是异步发电机，由于其自身结构的特殊性而形成的故障特征也就具有了特殊性，必须要与传统的同步发电机的特性进行区分。永磁直驱机组虽然是同步发电机，但是在并网后，不论是在故障特征还是在短路电流上都已经于并网前发生了非常大的改变。当电网出现短路故障时，普通的异步发电机可以提供短暂的、短时间就可以衰减为零的极大电流，缺乏提供持续提供短路电流的能力。双馈式的发电机在故障发生时，其短路电流要小于前者，但衰减时间比前者长，故可以提供连续的短路电流。

2 大规模风电接入输电网的继电保护问题

伴随着风电在电力电网中的百分比的逐步增加，继电保护的问题日益凸显。近年来，国内外学者对这一问题进行了探究，现综述如下：

风电电源接入后，电力系统的零序网络要随着升压变压器的接地而发生了与之相对应的变化，结果就是使得零序保护的灵敏度降低；并网联络线的自动重合闸在大规模风电场联络线跳开后很难重合。之所以出现这个问题是因为我们国家现阶段使用的是在电网并网点接入风力电源的检同期方式，这就要求具有稳定性，来保证供电的平稳进行，但是大规模的风电场在联络线跳开后，风机会进入动态过程，检同期成功与否就存在着不确定的可能，继而出现自动重合闸无法重合，最终导致风电脱网事故的出现；拒动向常态转化。缺乏弱馈保护的专门设备将会使得并联网点联络线的保护性能大大降低，从而出现拒动由偶发变为常态。

风电场接入电力电网系统对速断保护的影响。配电网的主保护是以传统电流也就是同步发电机提供的短路电流为速断保护，而风电场是以类似于异步发电机方式提供短路电流，这就使得风电场接入电力电网系统后产生影响速断保护的问题；距离保护的动作裕度降低。异步发电机的阻抗是正电抗与负电阻的特征，所以阻抗平面轨迹很有可能至第二象限，进而使距离保护动作幅度降低；电磁暂态过程被忽视。由于风电场内机组和机群在现实中的客观问题，如分布以及型的不同，使得理想化的组合――理想电源与系统抗组组成的经典串联模型难以得到，自然也就无法通过采用等效风电场的方式来获得相应的电磁暂态；风电场输出功率波动性对并网联络线距离保护的影响。风电场的大规模的应用必然伴随并网联络线距离保护问题，这与测量所得电流、电压还有风电随机电源的个性化的特殊的故障问题密切相关。实质上就是对整定与管理高压电网的继电保护工作提出了更高的要求。

3 大规模风电场接入电力电网系统的继电保护思路及方法

风电场接入电力电网系统的继电保护问题，国内外学者仁者见仁，智者见智，至今并没有一个统一的标准，相关的研究工作也只是局部地片面地开展，缺乏系统化的深入研究。本文认为，对于大规模风电场接入电力电网系统的保护问题应从以下方面来展开深入的

研究：

3.1 故障出现后的电流波形特点的研究

继电保护的关键是要进行短路故障特征的分析，只有分析清楚问题的所在，才能够着手进行问题的解决。参考相关文献，发现研究者在对短路电流的最大值以及短路电流衰减特性上进行了大量的深入研究，也有从继电保护的配合与整定上来对保护的影响展开工作进行研究。这些研究是必要的但是却不是本质的。继电保护体系中，主保护作用的重要地位不容质疑，而衡量主保护性能的关键的、本质的因素是继电保护的根本原理――故障暂态的滤波算法以及波形特征。波形特征以及滤波算法的异同，不论是在计算工频电器量还是在保护判据方面都会产生很大的差别，对于结果的判别也都有着非常大的影响，是继电保护性能中决定性的因素。这就要求我们在发生故障短路后，必须进行电流波形特征的分析以求加强电网继电保护自动装置与风电场操控系统的配合。

3.2 建立电磁暂态仿真模型

在电力电网系统中，永磁直驱机组和双馈型风电机组所占百分比越来越大，这些风电机组的控制，就成为继电保护中必须要考虑的、不可忽视的要素。风力发电机组与传统的三相同步发电机组，不论是从其原理还是从接入方式上都有着很大的改变，这就要求在大规模风电接入电力电网系统时，从电网的可靠、安全以及稳定等方方面面来进行准确的模型建立。又由于对以变速恒频机组为主的机型的广泛应用，虽然可控性得到了提高，也使得复杂性大为增长。同时，风力发电系统中耦合了多种物理系统的动态，因此采用仿真方法对其进行动态研究比以往的采用解析方法对其进行研究有着其独特的优势。此外，在制造企业不能提供完整控制策略的现实条件下，建立通用仿真模型也是必须的。暂态仿真可以从多方面提供支持与帮助，如在风电场的规划设计以及各种策略以及控制的验证方面。