風電場并網與重合閘配合的探討

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(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2.教育部可再生能源發電與并網控制工程技術研究中心，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引 言

含低電壓穿越(low voltage ride through,LVRT)能力的雙饋風機的風電場在并入電網后，首先是改變了系統的結構，另外，系統故障時，風力發電機也表現了其特有的故障特性，因此，使保護不能可靠動作，大量學者對其進行了探索研究，提出了一些方法。除此之外，實際中應該注意的是，風電場接入后被改變的結構的系統，其原來配置的保護和安穩裝置都將會受到影響。因此，除了對上述保護改善除外，其他還有眾多待處理問題，例如：風機并入電網后對電網的影響；之前電網自身所帶保護與改進后的風電場并網處保護之間的協調配合；具有低電壓穿越能力的風電場接入情況下，系統不同位置故障時不同重合閘方式的動作策略等。只有將這些問題都大致弄清楚的情況下，才能使風電機組在接入電網后更好地實現低電壓穿越并網運行。

1 故障統計

在電網故障中，有很多種原因，表1是某地區110 kV線路在5年內引起故障原因的比例，對這些故障進行分類，即分成永久性故障和瞬時性故障[1]，如表2所示，從表可以看出，在統計的5年內，42起永久性故障，占總故障的25.77%，而瞬時性故障發生121起，占總故障的74.23%，因此，瞬時性故障占到總故障的3/4，因此，自動重合閘應用，可以明顯提高供電系統的供電可靠性[2]。

假設并入電網的風電場含具備LVRT能力的風機，在系統線路發生不同故障下，系統繼電保護、風電機組、重合閘的動作情況以及系統的最終運行情況[3]見表3。當并網點測量電壓小于20%UN時，無論風機是否帶有低電壓穿越功能，所有的機組都會全部跳閘，脫網運行，符合中國對風機的低電壓穿越要求。

表1 故障原因統計

表2 故障性質統計

表3 線路故障時重合閘對風電機組的影響

其中，UFR為風電機組能渡過故障穿越的電壓。為了充分利用重合閘快速切斷系統發生的故障，一般采用前加速重合閘和后加速重合閘與繼電保護來配合著使用。在具有LVRT能力的風電場接入系統饋線模式下，在不同線路位置故障時，會對風電場主饋線與輸電線上的保護引起種種問題，以及不同位置保護與前加速、后加速重合閘的協調運作問題，通過對這些問題解決來增強風機的低電壓穿越能力，是對與具有LVRT能力的風電機組并網與系統繼電保護相配合研究的延伸和有效補充。

2 對重合閘方式的影響

對電源單側供電的系統而言，一般采用三相一次重合閘，由于只有一側電源，所以不用對重合閘重合時檢同期[4]。但是，具有LVRT能力的風電機組接入電網后，系統就變成了雙端供電系統，而雙端供電需要檢同期才能進行重合。而且，還要求在解除故障點前，若風電機組在規定的電壓跌落和低電壓持續運行時間區域內，風電場對電網進行不間斷供電。所以，不論是系統重合閘還是送出線重合閘都將受到極大的挑戰。由于故障時，重合閘前加速和重合閘后加速的重合時間和次序不同，所以受到的影響也不盡相同。下面分別對這兩種方式受到的影響進行分析。

2.1 對重合閘前加速的影響

重合閘前加速是指當線路任意一段發生故障時，如不考慮選擇性的原則，首次都由離電源側最近的保護瞬時動作，繼之保護以重合；若能再次合閘，說明故障時瞬時性故障，電網對旗下用戶恢復供應電能；若于永久性故障情況下重合，保護再逐級按時限配合關系有選擇性地切除故障。一般前加速與幾段輻射線配合使用，而重合閘設備只安排在靠近電源的一段線路上，這樣能夠在瞬時故障情況下快速切除，確保對用戶的供電。然而，當線路采用重合閘前加速時，具有LVRT能力的風電場的接入，會對重合閘帶來一定的影響，現以風電場通過110 kV母線接入系統為例(如圖1所示)，對系統故障時風電場的接入對重合閘前加速的影響進行分析。

圖1 不同故障位置下保護的影響

圖1中，QF1、QF2、QF3、QF4、QF5、QF6、QF7代表斷路器，ARD為自動重合閘裝置(此處采用重合閘前加速)，本線路故障時，離電源最近保護處的QF1跳閘，重合閘重合，但是在重合閘裝置準備重合前，風電場必須與電網斷開，否則即使是瞬時性故障也將無法進行重合。因為風電場繼續并網運行時，將不斷向故障點輸入短路電流，導致電弧不會熄滅。另外，保護1處斷路器跳閘后，風電場與電網失去電氣聯系，無法同步并聯運行，否則，非同期合閘不僅引起很大的沖擊電流，而且會危及機組的安全運行。

相鄰線路k2故障時，風電場會向故障點提供反響故障電流，由于近年來風電場容量的迅速增加，而且在保護1處的保護不具備判別方向的能力，所以可能會導致保護1的誤動，因此需要對1處的保護進行重新整定。所以，只有在保護1處不誤動的情況下，風電場持續向非故障饋線供電，風電機組才能實現LVRT運行，對電網的恢復起到一定的作用。

最后，當風電場在離變電站近的位置接入時，如圖2所示，此時，當故障時，斷路器QF1檢測到系統流過的短路電流，迅速跳閘，繼之重合閘前加速重合。當風電場接入后，使斷路器QF1檢測到的短路電流變小了，降低了保護動作的靈敏度，嚴重的時候還可能導致保護拒動。

圖2 靈敏度分析圖

由此可得，風電機組并不是在所有的電網內故障時都能夠進行低電壓穿越運行。對于放射結構下的重合閘前加速方式，只有發生在本主饋線以外的線路下的故障，風電機組才能實現低電壓穿越運行。而當本饋線支路故障時，風電機組必須盡快斷網。另外還會使保護的靈敏度降低。

2.2 對重合閘后加速的影響

重合閘后加速是指當線路第一次故障時保護有選擇地動作，然后進行重合[5]。永久性故障時，斷路器閉合后再加速跳閘切除故障，與首次時限無關。

當相鄰線路故障時，如圖3所示，根據重合閘后加速動作原理，斷路器QF2的動作時間有可能比QF1的時間長，斷路器QF1可能在風電場提供的反向電流下誤動，使正常線路的保護誤動作。

圖3 上游保護誤動圖

另外，當風電場接入線路的下游時，如圖4所示，在重合閘后加速方式下，當上游故障時，風電場提供的短路電流通過斷路器QF4，當電流達到QF4的整定電流時，就會導致其誤動。

圖4 下游保護誤動圖

因此，當電網故障時，若風電機組的電壓下降和低壓運行時間在故障穿越范圍內，則風電機組在故障被切除前仍可持續向電網供電。所以，同重合閘前加速類似，采用重合閘后加速方式時，必須要保證在本主饋線保護在相鄰饋線故障(例如故障點k2)時不誤動，才能實現風電場的LVRT運行。

3 重合閘合理配合改進方式

通過上述分析，當具有LVRT能力的風機并入電網后，會不同程度的對重合閘前加速和重合閘后加速產生影響，其中主要影響有：線路故障時，風電場接入的線路上游斷路器誤動或者拒動以及下游斷路器的誤動。

首先應先判斷離電源最近的斷路器是否閉合、如何讓上游保護不誤動。另外，對于重合閘后加速而言，由于重合閘是在保護動作之后再進行重合，所以有助于提高風電機組的故障穿越能力。這里從增加硬件和改變整定值兩個思路對上述影響進行改進，具體如下。

首先是檢測離電源最近的斷路器是否閉合的方法，見圖5。

圖5 檢測斷路器是否閉合圖

檢測方法如圖5所示，在風電場接入處的上級線路末端加一個電流互感器TA，系統故障發生后，若TA無電流，則說明保護1處斷路器斷開，則風電場聯絡線保護(斷路器5和7)應快速跳閘，風電場立即與電網斷開。如果電流互感器TA一直有電流，并小于風電場接入饋線首端短路電流，說明故障并非在本饋線，此時風電場聯絡線保護可不動作，持續向系統供電，以實現故障穿越運行。

(1)增加硬件法

在接入風電場的線路末端增加斷路器，如圖6所示，在斷路器QF1的末端增加斷路器QF8。當主饋線上游發生故障后，QF1和QF8都跳閘，此時風電場與下游構成微網，繼續運行。

圖6 增加斷路器圖

(2)改變整定值法

當故障在相鄰線路上時，本線路上流過的故障電流會引起本饋線上游保護誤動的問題(如圖1和3)，增加“本饋線上游保護的整定值大于風電場供給的短路電流”這一條件，即Iset1>Ik。然后和前面的復合多段式電壓電流保護綜合考慮，這樣就不會導致上游保護誤動作。

所以，根據風電場的接入位置的不同，導致不同的斷路器誤動，此時應根據不同的情況來進行相應的整定。

4 結 論

通過具有LVRT能力的風機并入電網后，分別討論了重合閘前加速和重合閘后加速受風電場的影響，另外根據風電場接入位置的不同，會導致不同的斷路器無法可靠動作。針對不同的問題，前面給出兩種不同的改進措施，增加硬件的方法和改變整定值的方法。利用上述方法，不僅可以保證風電場和電網的安全運行，而且還提高了風電場的低電壓穿越能力。

[1] 趙躍宇，甄文波，白延博，等. 110 kV架空輸電線路故障原因分析及建議[C]．2011年輸配電及電力系統論文集, 2011,153(8):61-63.

[2] 芮小剛. 淺析直流牽引供電系統自動重合閘原理[J].科技信息, 2012(30):430.

[3] 何世恩，姚 旭，徐善飛. 大規模風電接入對繼電保護的影響與對策[J]. 電力系統保護與控制, 2013,41(1):21-27.

[4] 馬同遠. 中小電源系統中重合閘的改進[J]．電力系統自動化, 2000,24(1):69-70.

[5] 王體奎，郭建強，高曉蓉，等. 自適應自動重合閘與繼電保護的組合研究[J]．現代電子技術, 2011,34(16):126-130.