大規模風電場接入電力電網系統繼電保護問題探討

王志安

摘要：風電場接入電力電網系統，給電力系統的發展帶來了新的契機，但是也給傳統的繼電保護帶來了諸多新的課題。文章闡述了風電場和風電機組的故障特性、大規模風電接入輸電網的繼電保護問題、大規模風電場接入電力電網系統的繼電保護思路及方法。

關鍵詞：大規模風電接入；電力系統；繼電保護；風電機組；電能輸送；電網運行 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM773 文章編號：1009-2374（2016）32-0087-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.32.043

電網的安全運行離不開繼電保護，作為電網安全運行必不可少的要素，可以快速準確地查找到故障所在并將其隔離，從而盡可能地降低對系統運行的危害，最大程度地保證電能的平穩輸送以及應用。風能越來越為廣泛應用，隨之而來的則是風電場對電力系統的極大影響。尤其是風電場的接入不同則繼電保護裝置的故障各有其特性，其復雜化個性化的特點，就使得研究大規模風電場接入的繼電保護問題尤為緊迫與重要，從而確保電網系統的安全運行。

1 風電場和風電機組的故障特性

繼電保護的設計以及計算均是以故障特性為基礎進行的。那么對風電場以及風電機組的故障特性進行分析就是必不可少的。傳統電力系統的繼電保護的基礎是三相對稱系統和同步發電機電源。在這個基礎上建立的繼電保護理論體系存在著自身不足，此理論假設故障出現時，同步發電機是以恒態存在的，也就是故障發生前后，其運行的狀態和參數沒有改變，一如既往，并計算相應的短路電流和其衰減特性，以此作為整定繼電保護原理和選擇開關設備的依據。目前，大多數風電機組使用的發電機都是異步發電機，由于其自身結構的特殊性而形成的故障特征也就具有了特殊性，必須要與傳統的同步發電機的特性進行區分。永磁直驅機組雖然是同步發電機，但是在并網后，不論是在故障特征還是在短路電流上都已經于并網前發生了非常大的改變。當電網出現短路故障時，普通的異步發電機可以提供短暫的、短時間就可以衰減為零的極大電流，缺乏提供持續提供短路電流的能力。雙饋式的發電機在故障發生時，其短路電流要小于前者，但衰減時間比前者長，故可以提供連續的短路電流。

2 大規模風電接入輸電網的繼電保護問題

伴隨著風電在電力電網中的百分比的逐步增加，繼電保護的問題日益凸顯。近年來，國內外學者對這一問題進行了探究，現綜述如下：

風電電源接入后，電力系統的零序網絡要隨著升壓變壓器的接地而發生了與之相對應的變化，結果就是使得零序保護的靈敏度降低；并網聯絡線的自動重合閘在大規模風電場聯絡線跳開后很難重合。之所以出現這個問題是因為我們國家現階段使用的是在電網并網點接入風力電源的檢同期方式，這就要求具有穩定性，來保證供電的平穩進行，但是大規模的風電場在聯絡線跳開后，風機會進入動態過程，檢同期成功與否就存在著不確定的可能，繼而出現自動重合閘無法重合，最終導致風電脫網事故的出現；拒動向常態轉化。缺乏弱饋保護的專門設備將會使得并聯網點聯絡線的保護性能大大降低，從而出現拒動由偶發變為常態。

風電場接入電力電網系統對速斷保護的影響。配電網的主保護是以傳統電流也就是同步發電機提供的短路電流為速斷保護，而風電場是以類似于異步發電機方式提供短路電流，這就使得風電場接入電力電網系統后產生影響速斷保護的問題；距離保護的動作裕度降低。異步發電機的阻抗是正電抗與負電阻的特征，所以阻抗平面軌跡很有可能至第二象限，進而使距離保護動作幅度降低；電磁暫態過程被忽視。由于風電場內機組和機群在現實中的客觀問題，如分布以及型的不同，使得理想化的組合——理想電源與系統抗組組成的經典串聯模型難以得到，自然也就無法通過采用等效風電場的方式來獲得相應的電磁暫態；風電場輸出功率波動性對并網聯絡線距離保護的影響。風電場的大規模的應用必然伴隨并網聯絡線距離保護問題，這與測量所得電流、電壓還有風電隨機電源的個性化的特殊的故障問題密切相關。實質上就是對整定與管理高壓電網的繼電保護工作提出了更高的要求。

3 大規模風電場接入電力電網系統的繼電保護思路及方法

風電場接入電力電網系統的繼電保護問題，國內外學者仁者見仁，智者見智，至今并沒有一個統一的標準，相關的研究工作也只是局部地片面地開展，缺乏系統化的深入研究。本文認為，對于大規模風電場接入電力電網系統的保護問題應從以下方面來展開深入的

研究：

3.1 故障出現后的電流波形特點的研究

繼電保護的關鍵是要進行短路故障特征的分析，只有分析清楚問題的所在，才能夠著手進行問題的解決。參考相關文獻，發現研究者在對短路電流的最大值以及短路電流衰減特性上進行了大量的深入研究，也有從繼電保護的配合與整定上來對保護的影響展開工作進行研究。這些研究是必要的但是卻不是本質的。繼電保護體系中，主保護作用的重要地位不容質疑，而衡量主保護性能的關鍵的、本質的因素是繼電保護的根本原理——故障暫態的濾波算法以及波形特征。波形特征以及濾波算法的異同，不論是在計算工頻電器量還是在保護判據方面都會產生很大的差別，對于結果的判別也都有著非常大的影響，是繼電保護性能中決定性的因素。這就要求我們在發生故障短路后，必須進行電流波形特征的分析以求加強電網繼電保護自動裝置與風電場操控系統的配合。

3.2 建立電磁暫態仿真模型

在電力電網系統中，永磁直驅機組和雙饋型風電機組所占百分比越來越大，這些風電機組的控制，就成為繼電保護中必須要考慮的、不可忽視的要素。風力發電機組與傳統的三相同步發電機組，不論是從其原理還是從接入方式上都有著很大的改變，這就要求在大規模風電接入電力電網系統時，從電網的可靠、安全以及穩定等方方面面來進行準確的模型建立。又由于對以變速恒頻機組為主的機型的廣泛應用，雖然可控性得到了提高，也使得復雜性大為增長。同時，風力發電系統中耦合了多種物理系統的動態，因此采用仿真方法對其進行動態研究比以往的采用解析方法對其進行研究有著其獨特的優勢。此外，在制造企業不能提供完整控制策略的現實條件下，建立通用仿真模型也是必須的。暫態仿真可以從多方面提供支持與幫助，如在風電場的規劃設計以及各種策略以及控制的驗證方面。

3.3 加強風電場集群的電線路保護機理的開發

風電場集群的電線路短路故障會造成風電機組或機群母線電壓降低，如果在故障切除時不能夠迅速進行，將會給電力系統和風電場的穩定性和安全性帶來負面影響，從而造成大面積脫網事故。在進行故障識別并隔離時，想要保證這項工作的順利完成，就必須考慮到短路電流的問題，因為控制模塊在沒有持續性的短路電流的提供下，已經使得短路電流的波形發生了改變。因此，要全面地分析風電場集群的電線路故障特點，充分利用已有信息，不斷進行技術以及原理的開發與研究。

3.4 重視風電場自動控制系統和電網繼電保護與安全自動裝置的配合

風電場的繼電保護的時限與定值必須與電網的保護進行密切的契合。電網的保護和風電場的整定分別由不同的單位進行管理，如果想要更好地完成風電場接入電網的工作，就必須要加強兩個單位之間的協調配合，只有兩者的成功協作才能避免由于定值問題所造成的意外脫網事故。同時，也不要忽視在加強相應的保護工作和風電場控制工作的相互扶助、相互配合上多下功夫，從而構建協調的電力系統繼電保護體系。

4 結語

隨著我國經濟以及科學技術的良好發展、大規模風力發電基地的大量建立、風電應用和技術的不斷增長與革新以及人們環保意識的日益增強，風電場容量必將越來越大，在不久的將來，我國電力電網系統中，風電電源的占比將會持續上升。在看到風電應用給我們帶來積極的正面的影響時，也不要忽略風電接入給電力電網系統的繼電保護帶來的負面影響，尤其是近年來頻發的風電基地脫網事故。風電系統的安全性不是一個單一的技術問題，而是一個需要多方面協同解決的整體的、系統性的、綜合的問題，要在運行中，進行細致的全面的問題分析，不斷總結并吸取正負兩方面的影響，積極地尋找解決問題的途徑，從而保障風電事業的穩步、良性

發展。

參考文獻

[1] 夏曉東.風電并網對系統繼電保護的影響研究[J].電子制作，2013，（21）.

[2] 尚敏帥，王剛.風電接入對繼電保護的影響風電分散式接入配電網對電流保護影響探究[J].中國新通信，2014，（8）.

[3] 彭東虎，曹娜，于群.風電場對繼電保護選相元件的影響與改進[J].可再生能源，2014，（4）.

[4] 宋新立.具有低電壓穿越能力的風電接入電力系統繼電保護的配合[J].電源技術應用，2013，（9）.

[5] 龐建業，夏曉賓，房牧.分布式發電對配電網繼電保護的影響[J].繼電器，2007，35（11）.

[6] 崔運海，王建勛.風電場接入系統繼電保護配置方案研究[J].吉林電力，2009，37（4）.

[7] 梁玉枝，崔樹平，王冬梅.對風電場接入電網后系統繼電保護配置的探討[J].華北電力技術，2009，（9）.

[8] 李生虎，賈樹森，孫莎莎.風電系統距離III段保護動作特性分析[J].電力系統自動化，2011，35（5）.

（責任編輯：王 波）