風電接入對電網繼電保護影響分析

王進，許建兵

（1.山東電力調度控制中心，濟南250001；2.國網山東省電力公司濟南供電公司，濟南250012）

風電接入對電網繼電保護影響分析

王進1，許建兵2

（1.山東電力調度控制中心，濟南250001；2.國網山東省電力公司濟南供電公司，濟南250012）

風電并網方式主要分為分布式接入和集中式接入，分別針對兩種接入方式，研究風電接入后對電網繼電保護的影響。分布式接入時，風電接入影響配電網電流保護的靈敏度、保護范圍，甚至造成保護誤動或拒動；集中式接入時，風電弱電源特性可能造成風場側繼電保護故障誤選相及距離保護拒動，并且風電故障期間低電壓穿越控制（LVRT）策略使得風電機組故障暫態特性完全不同于傳統同步機組，將直接影響各類保護的動作行為。

風電；繼電保護；分布式接入；集中式接入

0 引言

傳統的煤炭、石油、天然氣等化石能源污染嚴重且不可再生，開發利用新能源已成為解決人類社會目前不斷增長的能源消費需求與能源緊缺、能源消費與環境保護之間矛盾的必然選擇。我國風能資源蘊藏量豐富，“十一五”以來，我國風電產業呈現出爆發式增長態勢，2010年末我國風電裝機容量已躍居世界第一［1-2］。據中國風能協會統計，2014年我國風電新增裝機容量23.2 GW，累計裝機容量114.6 GW。

正確地分析與評估風電接入對電力系統的影響是開發和利用風能的基礎，是確保電力系統安全穩定運行的前提。分析與研究風電接入對電力系統繼電保護的影響是我國風電制造廠家與電力系統運行、管理部門當前共同面臨的亟待解決的課題，對提高、改善風電接入系統繼電保護動作的正確性，保證并網風電場及電力系統的安全可靠運行具有極其重要的理論與工程意義［3-5］。

1 風電并網方式

根據風電裝機規模的大小及接入電網電壓等級的高低，風電并網主要有分布式接入和集中式接入兩種［6］。

1.1 分布式接入

分布式接入為將風電機組就近接入配電網負荷中心，這種并網方式出現得較早，適合風能分布比較分散及風電場容量較小的場合。歐洲陸上風能資源分布相對分散，早期陸上風電單風場裝機規模較小，大多采用就地消納的方式。目前丹麥超過85%的風電通過20 kV以下配電網接入，德國分散接入110 kV以下配電網規模約占風電總量的70%。分布式接入方式如圖1所示。

圖1 風電分布式接入

1.2 集中式接入

另一種并網方式是將大容量風電場，經遠距離高電壓等級直接接入高壓輸電網。我國陸上風能資源主要集中在甘肅河西走廊、新疆、內蒙、華北及青藏高原等偏遠地區，風能資源與用電負荷分布不平衡，多數風能資源豐富的區域電力負荷較小，消納能力十分有限。需采用“大規模、高集中、高電壓、遠距離”的發展模式，將風電基地產生的大規模風能集中接入輸電網遠距離跨區輸送。

大型的風場一般包含有數百臺風力發電機，裝置容量高達數百兆瓦。風電場在規劃時，考慮風場內部風力發電機的布局、單臺風力發電機的容量和地形等因素，將7~8臺風力發電機組成一組，其輸出的電能經風場匯流線輸送到風電場低壓母線，再經風電場升壓變送入輸電網，如圖2所示。

圖2 風電集中式接入

2 風電分布式接入對配電網保護影響

當前，分段式電流保護為配電網常用的繼電保護方案。風電接入后，對于原有配電網保護的影響也就局限在電流保護。

風電接入配電網后，傳統的配電網單電源供電網絡可能變成雙電源，甚至多電源供電網絡。由于風電電源的助增或分流，配網電流保護流過的故障電流在大小、方向上均可能發生變化，嚴重影響電流保護的保護范圍以及靈敏度，甚至造成保護的拒動或誤動。

以圖3為例（假定風電接在10 kV母線B處），分析風電接入對配電網電流保護的影響。其中，配網饋線采用電流速斷保護和限時電流速斷保護構成的兩段式電流保護。

圖3 風電分布式接入對保護影響示意

1）故障點在風電接入下游（K1點三相故障）。

保護1：由于風電的分流影響，保護1流經的故障電流將減小，并隨風電容量的增大而減小，電流保護的靈敏度也隨之降低；

保護2：由于風電的助增影響，保護2流經的故障電流將增大，并隨風電容量的增大而增大，甚至可能使得故障電流大于電流速斷保護的定值，電流速斷保護將誤動；

保護3：由于風電的助增影響，保護3流經的故障電流將增大，并隨風電容量的增大而增大，其保護的靈敏度將進一步增大；

保護4：不受風電故障電流的影響，其保護動作行為無影響。

2）故障點在風電接入上游（K2點相間故障）。

保護1：由于風電的分流影響，流過保護1的故障相電流將減小，并隨風電容量的增大而減小，甚至可能造成保護1的限時電流速斷保護拒動；

保護2、保護3、保護4：不受風電故障電流的影響，其保護動作行為無影響。

以上配網電流保護誤動或拒動均受風電容量、保護整定系數、線路長度等因素影響。

3 風電集中式接入對輸電網保護影響

現場的運行數據與學者的研究均表明，大規模風電場并網對繼電保護的影響主要集中在兩個方面：一是風電場的特定的并網方式，且風電場并網容量較小，一般小于并網點系統短路容量的10%，風電場并網系統具有典型弱電源特征；二是多種類型的風電機組廣泛采用變流設備接入電網，并采取不同的故障期間低電壓控制策略，使得風電機組故障暫態特性有別于傳統電網的故障特征。

3.1 風電場弱電源特征影響

由于風電場并網容量較小，一般小于并網點系統短路容量的10%。根據圖2風電場并網方式，在風電送出線上發生接地類型的短路時，風場側的正負序網絡包含輸電線路、升壓變壓器、風場匯流線路、風電箱變及機組本身；而風場側零序網絡只包含輸電線路以及升壓變壓器（一般Yn/d接線）。因此，風場側正負序阻抗遠遠大于零序阻抗，使得風場側接地故障電流的零序分量遠遠大于正負序分量［7］。

圖4為我國西部某省某實際風電場在高壓送出線路上發生A相接地故障時，風場側電壓電流的故障錄波圖（二次值）。

圖4 風場側電壓、電流故障錄波

風電場在高壓送出線路上發生A相瞬時接地故障，線路系統側開關A相跳閘重合成功，線路風場側開關直接三相跳閘不重合，檢查保護報文為風場側縱聯距離保護三跳出口。

對錄波數據進行分析發現，在故障期間，故障相電壓跌落，非故障相電壓基本不變；而風場側故障電流基本為零序分量，約為正序及負序電流的10倍，導致風場側三相故障電流在幅值、相位上幾乎完全一致。由于該故障類別特征的變化，使得基于電流特征選相的風電場線路保護裝置出現了選相錯誤的問題。

風場弱電源特性除導致保護裝置誤選相問題外，還可能造成距離保護拒動等問題。我國西部某省曾發生過風電輸電線路接地故障時，風場側接地距離I段保護拒動的問題。為防止弱饋側在穿越型故障時誤動，接地距離I段設置閉鎖條件：距離保護在保護啟動10 ms后進行計算，之后30 ms內當故障相電壓（二次值）小于10 V，故障相電流小于0.6 IN閉鎖接地距離I段；30 ms外當故障相電壓小于10 V時，故障相電流小于0.4 IN閉鎖接地距離I段。由于風場弱電源特點使故障電流較小，距離保護閉鎖條件滿足使得距離保護拒動。

風電場弱電源特性是并網風電場的典型特征，且與風電機組類型無關，需引起足夠的重視。

3.2 風電機組LVRT暫態特性影響

風電機組廣泛采用變流設備接入電網，并采取不同的故障期間LVRT策略，使得風電機組故障暫態特性有別于傳統電網的故障特征。

圖5為某實際雙饋風電場進行的機組出口三相短路故障試驗中錄取的風電機組電壓、電流波形。

圖5 雙饋式風機短路試驗波形

雙饋式風電機組一般采用故障期間轉子投入Crowbar電路實現LVRT。根據試驗記錄的數據，雙饋風機在故障后4 ms時投入了Crowbar旁路電阻，同時閉鎖了機側和網側變流器。實測數據表明，故障后4ms機組電流波形的趨勢發生了比較明顯的變化，實測數據表明其頻率變為40 Hz。

雙饋風電機組為變速恒頻機組，變速范圍0.7~ 1.3 pu。正常運行時，轉子通過變流器實現交流勵磁，定子穩定輸出為50 Hz工頻交流電。當系統故障使得風電場并網點電壓降低時，雙饋式風電機組轉子投入Crowbar電路，時間一般為3~5 ms。此時，轉子側變流器被短路，轉子的勵磁電流變成了衰減直流，而對應定子則感應出故障前轉速頻率的交流。因故障前轉速為0.7~1.3 pu，則輸出故障電流在35~65 Hz變化。

傳統繼電保護算法，如傅里葉算法，均基于工頻量進行計算。當故障電流頻率發生大范圍變化時，傳統繼電保護算法計算得到的故障電流幅值、相位將有產生極大誤差。同時，由于故障電壓仍保持工頻，此時電壓、電流不再同頻率，對基于電壓、電流向量相位關系的繼電保護元件，如比相元件、方向元件以及阻抗元件的動作行為產生極大影響，亟待開發適應于風電的繼電保護元件。理論及仿真研究證明，基于解微分方程算法的繼電保護元件可以有效解決該問題，可以應用于含風電的繼電保護［8］。

風電機組LVRT暫態特性對電流差動保護影響較小，主要由于風電場容量相比系統較小，風場側提供的故障電流遠小于系統側故障電流。此時，風電機組LVRT暫態特性會影響電流差動動作的靈敏度。

4 結語

針對風力發電接入電網的兩種主要方式—分布式接入及集中式接入，分別研究了風電接入對電網繼電保護的影響。

風電分布式接入時，故障點在風電下游時，可能使得故障點所在饋線的相鄰上級饋線作電流速斷保護越級誤動；故障點在風電上游時，可能導致故障點所在饋線限時電流速斷保護拒動，保護誤動或拒動均受風電容量、保護整定系數、線路長度等因素影響。

風電集中式接入時，風電弱電源特性影響電網繼電保護的故障選相，并可能造成距離保護的拒動。風電機組LVRT暫態特性將顯著影響基于電壓電流相位關系的方向元件、比相元件，以及基于電壓電流相量除法的距離保護元件，對電流差動保護也影響其靈敏度。

［1］中國電力科學研究院．風電并網研究成果匯編［M］．北京：中國環境科學出版社，2010．

［2］撖奧洋，張哲，尹項根，等．雙饋風力發電系統故障特性及保護方案構建［J］．電工技術學報，2012，27（4）：233-239．

［3］李建林，許洪華．風力發電系統低電壓運行技術［M］．北京：機械工業出版社，2008．

［4］文玉玲，晁勤，吐爾遜·依不拉音，等．關于風電場適應性繼電保護的探討［J］．電力系統保護與控制，2009，37（5）：47-51．

［5］蘇常勝，李鳳婷，武宇平．雙饋風電機組短路特性及對保護整定的影響［J］．電力系統自動化，2011，35（6）：86-91．

［6］姚興佳，宋俊．風力發電機組原理與應用［M］．北京：機械工業出版社，2011．

［7］張保會，王進，李光輝，等．風力發電機集團式接入電力系統的故障特征分析［J］．電網技術，2012，36（7）：176-183．

［8］張保會，王進，原博，等．風電接入對繼電保護的影響（四）—風電場送出線路保護性能分析［J］．電力自動化設備，2013，33（4）：1-6．

Influence of Wind Power Integration on Power System Protection

WANG Jin1，XU Jianbing2
（1.Shandong Electric Power Dispatching and Control Center，Jinan 250001，China；2.State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

Wind power connects to grid system in two main ways，distributed integration and centralized integration.The influence of the two wind power integration way on power system protection is analyzed respectively.For distributed integration，wind power connection will affect sensitivity and protection range of distribution network current protection，and even will cause protection mal-operation or non-operation.For centralized integration，wind farm weak power characteristics will affect fault phase selection of relay protection and cause distance protection non-operation.Besides，because of lowvoltage ride-through（LVRT）control methods for wind turbine，wind turbine fault transient characteristics are completely different from traditional synchronous generator，which will directly affect the performance of all kinds of protection action.

wind power；relay protection；distributed integration；centralized integration

TM614；TM77

A

1007－9904（2016）12－0008－04

2016-07-02

王進（1988），男，主要從事電網調控運行及新能源發電研究工作。