基于風電機組的繼電保護方案探索

陳 茜

（廣東電網公司江門供電局，廣東 江門 529000）

基于風電機組的繼電保護方案探索

陳 茜

（廣東電網公司江門供電局，廣東 江門 529000）

隨著我國大容量風電機組的不斷發展，電力體系中風力發電所占比例也逐年上升，風力發電與系統正常運行及穩定性能有著密切關系。早期的風電發電容量在電力系統中所占的比例很小，在電網出現事故時，對應的風電機組會出于自我保護而立即脫網。對于風力發電的大容量裝機體系，風機脫網將會導致電網的電壓及頻率極度降低，致使事故增加，甚至造成電網崩潰的現象出現。本文對風電機組的應用進行了詳細的分析，并提出了對應的繼電保護方案。

風電機組；繼電保護；保護方案

0 前言

近年來，風力發電技術不斷地革新發展，風電場對電網的安全運行問題也頻頻出現。但傳統中在展開電力體系保護配置及對應的整定計算時，卻并未將風電場對電網的影響考慮在內，只是對其按一定程度簡化成不計衰減式恒定電流源或是終端負值負荷，卻不考慮接入電網出現事故時風電場給予的短路電流。

1 風電機組高電壓脫網概論

（1）風電場大規模脫網事故不斷出現，相關的調查研究顯示，該事故誘因大多都是風電場的內部接地，因為中性點的接地方法不適宜而引起風電機組電壓極度下降，導致沒有低電壓穿越能力的對應風電機組出現脫落現象。因為風電場的無功補償設備控制及保護裝置不適宜，致使該事故在切除之后電壓會提升，出現更多的機組電壓脫網狀況，將脫網故障不斷惡化。脫網故障提醒著我們風電場繼電保護的整定具有一定的特殊性，其也與我國的風電場電壓的保護定值不規范有著很大關系。

（2）如圖所示，風電機組出現高電壓脫網故障過程。A時刻的風電場出現了內部接地性事故，因為風電場集電體系是中性點非有效性的接地體系，接地故障不能即刻的處理；B時刻風電場對應的動態無功補償設備則會給電網注進無功功率，來確保母線的電壓，整個系統的電壓保持回升狀態；C時刻則存在著接地事故線路切除現象。在A時刻前期風電場是發電狀態，相應電容器組通常是處在非常投入的狀態，來確保風電場的并網點電壓，A至C之間很多沒有低電壓穿越能力風電機組出現了脫網狀況，在C時刻事故清楚之后，電容器組卻沒有停止對應的無功傳送，整個系統的電壓就在瞬間上升。由于電容器無功輸出以及對應電網的電壓成正比例關系，所以電網的電壓持續上升。發電機處的電壓超出了發電機的過電壓保護值時，則會導致一些風電機組出現脫網的現象，也就是高電壓穿越失敗。風電場的內部事故以及風電場出線路產生接地事故，也極有可能導致對應風電機組出現大范圍的脫網，該故障過程以及原理和內部事故造成的故障極為相同。

風電機組高電壓脫網故障中電壓時間曲線簡圖

（3）我國多次大范圍的脫網故障中，高電壓所導致的脫網機組可超過1/3的總脫網機組量。該事故末期的現場人員必須親自動手進行電容器組的切除，確保整體系統電壓下降以呈現正常電壓水平。所以，要合理有效的對電容器組及風電機組過電壓的保護值進行嚴格設定，以確保電容器組可以在相關電壓超出了設定值時即刻斷開，以便于降低電網內部無功過剩量，有效的防止風電機組高電壓脫網故障。

2 風電機組過電壓保護

（1）風電機組對應的耐壓水平比普通裝置較低，所以應該專項配置過電壓保護設備。風電機組耐壓能力的關鍵是受限于相關發電機繞組和變頻器直流電容所呈現的耐壓力。發電機是旋轉式的裝置，其匝間的絕緣能力很弱，對應耐壓水平也是比其余同級別裝置低很多。雙饋發電機組依據相關的標準要求，發電機組要能夠承受住3分鐘1.3倍額定電壓，匝間的絕緣能力仍不會受到損壞。其實，對于相關的變頻器來講電網的電壓高出變頻器的逆變電壓，就會產生功率的反向流動，也就是電流會經由電網邊側流進變頻器中。以造成變頻器的直流電容電壓提升，在電壓超出了對應耐受力就會造成直流電容器出現損壞的狀況。總而言之，風電機組所允許的電壓波動非常嚴格，對應工頻的過電壓允許范圍通常不會高過1.2倍額定電壓。

（2）在確保該系統產生工頻過電壓時，把對應的風電機組可靠切除以保護發電機及變頻器，通常是在風力發電機的出口端，690伏邊側裝設電壓繼電器以及負荷開關。對應繼電器的動作定值通常是風電機組廠家來進行設置的，風電機組的廠家設定整定值是較為保守的。其不同的風電機組型號過電壓保護值是不盡相同的，并且對應設置值應較于規定的標準風電機組耐壓力低很多。

3 風電機組發電機出口電壓計算

（1）因為風力發電機處是對應電源，趨向是發電機流向壓力提升變電站的主要變壓器低壓邊側。所以，在對應機組處在發電的狀態，風力發電機的機端電壓通常較高于升壓站的低壓母線電壓，其相應電壓差是集電線路以及風電機組的升壓變壓器的降壓和，風電機組以及電容器組過電壓整定值要將該電壓差充分考慮。

（2）集電線路和發電機組的機端電壓值是經過對應潮流計算所得。計算過程中以35千伏的母線處作為平衡節點，對應電壓是1.15＜p.u，其余的節點都是以PQ為節點。發電機是滿發時，充分的考慮到cos這兩類情況。利用相關軟件計算這兩類情況之下潮流及風電機的出口端電壓值。相關計算結果顯示，距離升壓站較遠時發電機的機端電壓就會越高。在發電機設置為恒定的功率系數運作是，在集電線路末端風電機組的電壓對應值可達1.202p.u；在發電機設置是變動功率系數運作時，全部的風電機組無功輸出均可達到極限狀態，那么末端的電機組電壓可以與35千伏母線處的電壓相持平。

（3）所以風電機組的無功調整能力會減小發電機出口端電壓，在我國很多的風電機組卻不具有其對應的無功調節功能，卻是利用恒定的功率系數所運行方式。該狀態之下的發電機出口處電壓標幺值會高出35千伏母線電壓標幺值很多。

4 不同風電機組繼電保護配置方案及原則

（1）IG機組的風電場短路電流僅僅會對相關線路的電流速斷保護具有一定的影響，在對應保護設備動作的時間比5個周波小，就應將風電場的短路電流對其線路電流保護充分的考慮。在D-PMSG機組風電場對應容量的大于接近220千伏的輸電線路時，就務必要給風電場專線之上的裝設遠方類跳閘設備。

（2）利用遠后備的原則來對35千伏匯集線路進行保護，在對應體系邊側裝設三段式的過流保障設備，或是在必要時可以設立方向式的器件，最適宜三段式之間的距離保護。中性點經由消弧線圈的接地體系要配設對應較小電流接地事故的選線設備，風電場輸出線路的兩邊重合閘要使用三相重合閘方法。接近220千伏與之上系統風電場輸出線路兩邊要配置分相電流差動的微機保護設備。在風電場的容量大時要充分的考慮到雙側電源，雙側電源的線路要呈現重合閘的時候，對應重合閘設備要具有同時檢測判定的能力。

5 結論

風電場的無功補償對應電容器過電壓保護值要和相關發電機組的過電壓保護值進行合理有效的配合，還應綜合性地考慮到箱變系數以及集電線路系數和機組動態無功能力、對應電容器組及各機組的耐壓能力等。風力發電機組的對應過電壓保護值原則是要較大于相關電容器組的過電壓保護值，卻不能超出機組自身耐受電壓值；集電線路很長的風電場末處風電機組過電壓保護值可做一定提升；電容器組過電壓保護值整定要進行綜合性的考慮斷路器開端次數及頻率和對應電容器自身耐壓力來與風電機的過電壓保護值有效配合；風電機組的高電壓穿越和對應電容器組的動作間差值不能小于箱變及集電線路電壓和。

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