保障風力發(fā)電系統(tǒng)正常運行的保護方案及措施

牛問濤

(內蒙古能源發(fā)電投資集團新能源有限公司,內蒙古呼和浩特 010010)

保障風力發(fā)電系統(tǒng)正常運行的保護方案及措施

牛問濤

(內蒙古能源發(fā)電投資集團新能源有限公司,內蒙古呼和浩特 010010)

我國早期風力發(fā)電系統(tǒng)應用不是很廣泛,在電力系統(tǒng)中所占的比例也很小,一旦出現(xiàn)問題風力發(fā)電系統(tǒng)就會立即脫網(wǎng)進行自我保護,而在風力發(fā)電日益發(fā)達的今天,風機脫網(wǎng)會導致電網(wǎng)的電壓及頻率極度降低,不但不能自我保護反而增加事故甚至出現(xiàn)崩潰的狀況。本文主要針對當前風力發(fā)電系統(tǒng)正常運行存在的問題提出合理解決方案及對策。

風力發(fā)電 風機脫網(wǎng) 電壓 脫網(wǎng)

隨著風力發(fā)電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，由于風力發(fā)電系統(tǒng)未能正常運營而導致的整個電網(wǎng)安全運行問題的頻頻出現(xiàn)。早起在開展保護電力系統(tǒng)及對應的整定計算時，過于片面，只是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，未考慮在電網(wǎng)出現(xiàn)事故時風電場給與的短路電流，沒有將風電場對電網(wǎng)的影響考慮在內。

1 風力發(fā)電系統(tǒng)中高壓脫網(wǎng)事故的原因分析及應對措施

風力發(fā)電系統(tǒng)中的高壓脫網(wǎng)事故近年來越來越頻繁，2011年4月甘肅酒泉風力發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)大規(guī)模的脫網(wǎng)，是我國最大一起風機脫網(wǎng)事故，它與三年前吉林電網(wǎng)大范圍的脫網(wǎng)故障如出一轍，損失了將近一倍的電量。除了人們熟悉的這場事故外還有2008年4月吉林白城的富裕風電場等4個風電場內所有的風機跳閘，甘肅撿財塘、河南清源風由于受到電鐵、冶金等影響最終導致電壓保護不平衡發(fā)生跳閘停機。

據(jù)相關調查顯示，風電場大規(guī)模脫網(wǎng)事故不斷發(fā)生的誘因是風電場內部接地不當導致風電機組的電壓極度下降造成的，由于不適宜的中性接地方法導致電壓過低，對應的風機沒有能力讓低電壓穿越便會出現(xiàn)電機組脫落。事故在切除之后由于風電場不適宜裝置保護的措施和無功補償設備控制不到位就會導致電壓提升，隨之便出現(xiàn)更多機組電壓脫網(wǎng)事故，整個脫網(wǎng)事故呈現(xiàn)不斷惡化的狀態(tài)。脫網(wǎng)事故的發(fā)生不僅顯示出我國風電場電壓保護定值的不規(guī)范同時也提醒著我們要積極應對風電場繼電保護的特殊性。

我國脫網(wǎng)事故一旦發(fā)生都是大范圍的脫網(wǎng)，發(fā)生的頻率也是相當高的，1/3的總脫網(wǎng)機組量都是由于高壓所導致的脫網(wǎng)機組。為了確保整體的電壓系統(tǒng)下降最后呈現(xiàn)出正常的電壓水平，事故發(fā)生后現(xiàn)場的處理人員要親自進入切除電容器組。有效防止風電機組高壓脫網(wǎng)事故的發(fā)生，需要嚴格的設定電容器組及風電組過電壓的保護數(shù)值，在電壓超過了設定值時確保電容器組及時的斷開，防止風電組高壓脫網(wǎng)有效降低電網(wǎng)內部的無功過剩的量。

2 切實有效保護風電機組的電壓

特別強調對風電機組的電壓進行有效保護，是因為風電機組其本身的耐用水平比其他裝置就要低，要對過電壓保護設備進行專門的配置。風電機組的電壓波動范圍也是非常嚴格的，過電壓的允許范圍不會超過額定電壓的1.2倍。分析其原因主要是發(fā)電機的裝置是旋轉式的，其絕緣能力很弱尤其是在匝中間的線圈部分，與其他的同級別裝置相比對應耐壓水平明顯低很多。相關發(fā)電機組和變頻器直流電容所的耐壓力是限制風電機組耐壓能力的關鍵。根據(jù)相關標準，匝間的絕緣能力一般不會受到破壞，發(fā)電機組如果能承受住3分鐘的1.3倍額度定電壓的。如果電網(wǎng)的電壓高出變頻器的電壓相關的變頻器就會產生反向流動的功率，電流由電網(wǎng)兩側流入變頻器中，在這種情況下直流電的容器電壓升高如果超出了耐受力電容器就會出現(xiàn)損壞。

風電機組廠家通常會把對應電器的動作定值設置好，他們廠家設定值時比較保守，對應設置數(shù)值與標準的風電機組耐壓力低很多，各個廠家對不同風電機組的型號在過電壓保護值的設定上也是不同的。通常在風力發(fā)電機的口端也就是690伏邊側，裝設電壓繼電器以及負荷的開關這樣做的好處是在風力發(fā)電系統(tǒng)產生工頻過電壓時，可以可靠切除對應的風電機組從而保護發(fā)電機以及變頻器。

3 充分考慮發(fā)電系統(tǒng)的出口電壓

要將出口電壓差充分考慮是因為它受到風力發(fā)電機的機端電壓特殊性的影響，因為風力發(fā)電機處對應的就是電源，趨勢是發(fā)電機流向提升變電站的主要變壓器低壓邊側，在對應機組發(fā)電時升壓站的低壓母線電壓通常低于風力發(fā)電機的機端電壓，這里的電壓差就是風電組和集電線路的升壓、變壓器的降壓的總和。

因為綜合的復雜因素出口端電壓會因為風電機組的無功調整能力而減小，面對這樣的情況我國有很多風電機組卻是利用恒定的功率運行，不具備對應的無功調節(jié)功能。這樣會導致35千伏的母線電壓會低于發(fā)電機出口處的電壓值。

4 不同風力發(fā)電系統(tǒng)的繼電保護方案及原則

對于IG機組的繼電保護而言主要是風電場的短路電流對其線路電流充分保護方面。相關線路的速斷電流保護往往受到IG風電場短路電流的影響，在保護設備上對應保護動作所需要的時間比5個周波還要小，從而要將風電場的短路電流對其線路電流保護充分考慮。D-PMSG機組的風電場需要強調的是在其對應的容量接近或者大于220千伏的輸電線路時，就一定要在風電機專線上裝設及時跳閘設備以備不時之需。

對35千伏匯集線路進行保護是應當考慮利用遠后備的原則來進行，在必要時可以利用方向式的器件，或者在對應的體系邊側裝設過流保障設備，這種設備可以裝設成三段式的，它距離適宜。在選線設備上要配備對應較小電流接地事故的選線設備尤其是在中性點經由消弧線圈的基地體系中輸出線路在兩邊重合閘的位置要使用三相重合閘的方法。在接近或大于220千伏以上的風力發(fā)電系統(tǒng)輸出時要注意在輸出線路的兩旁分別配置微機保護設備以用來分相電流差動。如果風電場的容量過大時則需考慮兩側的電源在重合閘的時候。兩側電源對應的成合閘設備要具有同時檢測判定的能力。

針對風力發(fā)電機組的具體檢修策略是必要的。目前切實可行的檢修策略主要包括以下幾種：定期檢查檢修；預防式的檢修；針對性檢修；統(tǒng)一維修。

5 結語

現(xiàn)階段我國風力發(fā)電系統(tǒng)還不夠完善，出現(xiàn)故障也是不可避免的。一旦出現(xiàn)問題對發(fā)電性能會產生嚴重的影響，更為嚴重的是影響到人們的生命財產，為此保證風力發(fā)電系統(tǒng)的正常運行，就要采取合理有效的故障處理辦法和措施及時解決故障將損失降到最低。

[1]趙麗莉.繼電保護與安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)隱性故障研究綜述及展望.電力系統(tǒng)自動化,2014-11-25.

[2]宋強.基于電網(wǎng)安全運行的“雙側”繼電保護技術監(jiān)督.電力安全技術,2014-12-1.