風電、光伏并網保護配置差異化分析

邵 林，張偉偉，岳付昌，張永豐

(1.國網鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224001；2.國網連云港供電公司，江蘇 連云港 222004)

能源技術

風電、光伏并網保護配置差異化分析

邵 林1，張偉偉1，岳付昌2，張永豐1

(1.國網鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224001；2.國網連云港供電公司，江蘇 連云港 222004)

分析了風電、光伏發電單線并網線路近區電網保護配置的差異。根據兩種新能源短路電流的特點，對風電、光伏發電保護及安全自動配置差異形成的原因進行了解釋，尤其對防孤島安穩裝置的配置差異進行剖析。最后結合風光電網近區故障的典型案例，對故障時風光保護及安全自動裝置的動作行為進行了分析。

短路電流；防孤島安穩；低電壓穿越；電能質量

隨著我國清潔能源利用技術的不斷發展，光伏發電、生物質發電的裝機容量逐年增長。江蘇電網的新能源發展一直處于全國前列，截至2016年7月，江蘇電網共計接入風力發電496萬kVA，光伏發電485萬kVA。大規模的風電、光伏發電并網對電網安全穩定運行提出了更高的要求。為了保障電力系統在正常運行方式下全額接納清潔能源，供電企業在電力系統側配備了較為完備的繼電保護及安全自動裝置。大型風電場并網于110 kV及以上電壓等級電網，大型光伏電站均主要并網于35 kV及以上電網。本文主要對大型風電場、光伏電站的電廠側、系統側的保護配置及其差異進行分析。

1 風光短路特性

1.1 風電短路特性

風電是將自然界的風能通過風力發電機轉換為電能的過程。風力發電機作為旋轉設備的一種，其核心機理與常規發電機一致，均采用異步或同步電機的發電原理。目前，中國市場大規模投入使用的風機類型，根據其發電原理的差異，主要有籠型異步發電機、繞線式雙饋異步發電機、直驅式永磁同步發電機等。

雙饋異步發電機，其風機通過齒輪箱連接發電機轉子，定子繞組直連電網，轉子變流器一般通過雙PWM變流器連接至電網[1]，核心電磁轉換部分為異步電機；直驅式永磁同步發電機，該風機直接驅動低速永磁同步發電機發出電能，無升速齒輪箱，為實現工頻電能輸出，其發電機轉子極對數遠超常規同步電機[2]，核心電磁轉換部分為同步電機。

與常規火力發電廠的發電機組相比，風力發電機采用風力機驅動發電機轉子部分，火力發電廠則通過汽輪機驅動發電機轉子部分，驅動力的來源不同，但電能轉換的發電機理相同，均為電機旋轉設備。既然均為電機旋轉設備，旋轉設備的轉動慣性機理則普遍適用。根據《IEC61363短路計算規范》，風機短路電流由周期分量與非周期分量構成，計算公式為

I(t)=(I"kd-I'kd)·e-t/T"d+
(I'kd-Ikd)·e-t/T'd+Ikd

(1)

式中I"kd，I'kd，Ikd——表示超瞬態短路電流、瞬態短路電流、穩態短路電流；T"d，T'd——對應超瞬態、瞬態時間衰減系數。

超瞬態時間范圍一般在30 ms以內，瞬態時間范圍一般在1 500 ms以內。由此可見，對發電旋轉設備而言，在并網點近區發生三相短路故障時，由于旋轉設備的慣性，發電機組可以向短路點提供持續的短路電流[3]，故障瞬間風電機組可提供較大的短路電流[4]。因此在風電的近區電網發生短路故障時，需有線路保護及時動作切除來自風電場的短路電流。

1.2 光伏發電短路特性

光伏發電是將自然界的太陽能通過光伏電池陣列轉化為直流電，匯流后逆變成交流電繼而升壓上網的發電過程。光伏系統建模發展至今已非常成熟[5]，光伏發電區別于常規旋轉發電，光伏發電逆變交流輸出側的短路電流輸出特性，取決于逆變器電流飽和模塊的限值。分析光伏電站對局部電網保護最嚴重的影響時，其短路電流在計算中可以等效為一個電流源。

一般而言，光伏電站向電網輸出的短路電流不超過其額定電流的1.5倍，因此光伏短路的電流啟動定值與線路過負荷電流定值接近，不易于繼保整定，一旦啟用本側距離、零序保護存在保護誤動的可能。同時根據《光伏系統并網技術要求》，在電網發生短路故障時，光伏逆變器的過電流整定值不超過額定電流的1.5倍，并且在0.1 s內能夠可靠切除逆變器交流輸出開關。實際運行逆變器，配置有較為完備的繼電保護，包含電壓保護、頻率保護、防孤島保護及過流保護[6]，均動作于逆變器停機。綜合可見，光伏電站短路電流小，同時逆變器具有較快的故障隔離速度，能夠有效將光伏電站與電網解列。

2 風光的保護配置分析

本文僅分析單線并網的風光電廠的相關保護配置，多線并網其標稱電壓一般不低于220 kV，保護配置采用環網運行配置，與常規環網配置相同，故本文對此不予討論。

2.1 風電、光伏發電并網保護配置

根據實際電網運行經驗，供電企業一般在并網線路配置1～2套線路縱差保護(110 kV及以下單套，220 kV及以上雙套)，兩側均配置有距離、零序保護作為主保護的后備保護。兩側縱差保護均投跳閘，對于風電并網通道兩側距離、零序保護均啟用；對于光伏并網通道，系統側后備保護啟用，光伏側后備保護停用。為防止非同期并網，正常系統側三相重合閘啟用，電廠側重合閘停用。根據電網結構，可以考慮在間接并網通道失去時聯切風電并網線路。風、光并網通道接入的變電站母線需配置母差保護。

2.2 防孤島安穩裝置

2.2.1 光伏發電與防孤島安穩裝置

針對110 kV及以下并網的光伏電站系統側可考慮配置防孤島安穩裝置，防止發生光伏電站帶負荷孤島運行，避免電能質量的局部惡化對配電網人身及設備安全造成威脅。防孤島安穩裝置通過開關狀態及電氣量變化，判斷當前局部電網是否處于孤島狀態，若是則動作于切除所有并網光伏開關。配置安穩裝置原因如下：

(1)根據2012版《光伏發電站接入電力系統規定》，光伏電站并網點電壓跌落至0 V時，能夠不脫網運行0.15 s。根據2011版《風電場接入電力系統技術規定》，僅要求風電場在并網點電壓不低于20%標稱電壓時具備低電壓穿越能力。從上可見，光伏電站低電壓穿越能力的要求高于風電，因此理論上在電網事故發生時光伏電站穿越低電壓形成孤網運行的可能性更高，而光伏電站本身不具備調頻調壓能力，在孤網形成后無法有效維持孤網穩定運行。

(2)根據2012版《光伏發電站接入電力系統規定》，光伏發電站應配置獨立的防孤島保護裝置，動作時間不大于2 s，防孤島保護還應與電網側線路保護相配合。

(3)根據光伏短路特性，光伏逆變器無旋轉部分不具有慣性阻尼，在孤網運行時諧波含量高，將嚴重影響孤網電能質量，對人身及設備安全產生威脅。

綜上考慮，在當前技術條件下，110 kV及以下并網光伏電站系統側不考慮孤網運行方式，為保障對孤網狀態的及時檢測及切除，根據局部電網情況可以配置防孤島安穩裝置[7]。

2.2.2 風電與防孤島安穩裝置

電力系統允許火力發電廠帶負荷孤網運行，原因為在負荷適宜時火力發電廠具備調頻調壓能力，能夠穩住孤立電網，并在合適的并網點重新并入大系統，若不能穩住孤立電網，則電廠側低頻切機保護將動作與系統解列。

大中型風電場具備低電壓穿越能力，在電網事故造成并網點電壓降落時能夠在不切機的同時持續對電網提供功率支援[8]，具備形成孤網的條件，但是不考慮配置防孤島安穩裝置，主要原因分析如下。

(1)風電機組作為旋轉設備其本身具備一定調頻調壓能力，可以提供系統慣量[9]，理論上，風電機組傳動系統能夠在同等風速下提供短時的超發能力，從旋轉慣性角度可以視同火電機組；

(2)風電場側一般配置有主動式防孤島保護裝置，主動檢測并網點的頻率、電壓質量，當接近運行臨界值時具備主動切機的能力，避免孤網電能質量的惡化；

(3)風電場形成孤島后，由于風電的出力與系統內負荷無法保持穩定匹配，因此不具備長期運行的能力，考慮風電場具備可靠自切除能力，且孤網期間的電能質量相對穩定，無需在系統側配置防孤島安穩裝置。

根據分析，風電場與火電廠類似，都具備一定的維持孤網穩定的能力，且均能在電能質量持續惡化前及時動作切機。綜上所述，風電場并網系統側不考慮配置防孤島安穩裝置。

2.3 保護配置差異化分析

風電、光伏發電并網通道均配置有縱聯差動保護，可以在并網線路范圍內故障時可靠動作于兩側開關切除。在配置主保護的同時，依據繼電保護配置原則，需配置后備保護，確保故障點可靠切除。雖然系統側及電廠側均配置有后備保護，但后備保護的啟停狀態則存在較大的不同。

由于風光發電特性的差異，在近區電網短路故障發生后，風電可以向故障點瞬時提供較大的短路電流，因此需將線路近后備保護啟用，及時切除故障；而光伏發電提供的短路電流較小且衰減較快，繼電保護不易整定，易導致開關保護誤動跳閘，且光伏電站側逆變器能迅速動作于交流側斷開，因此不考慮啟用光伏電站側距離、零序保護。在實際光伏廠站運行中，逆變器的防孤島保護在實質上承擔了后備保護的作用，因此光伏電站側線路近后備保護正常停用。

3 近區故障動作行為分析

為了說明光伏發電、風電的近區故障保護動作特性，結合圖1典型近區電網結構進行案例分析。圖1中，電廠C通過BC864線路并網于110 kV B站母線，110 kV B站的主供電源線路為來自220 kV的A站AB863線路。其中，保護配置如下：AB863線路兩側均配置光纖差動保護，兩側光差保護均啟用，A站側AB863開關距離、零序保護啟用，檢無壓重合閘啟用，B站側距離、零序保護(風電啟用，光伏停用)，檢母線無壓重合閘啟用；BC864線路兩側配置光纖差動保護且均啟用，B站側BC864開關距離、零序保護及檢無壓重合閘啟用，電廠側BC864開關距離、零序保護(風電廠啟用，光伏停用)，重合閘停用。

圖1 典型近區電網結構示意圖

3.1 風電近區電網故障分析

C電廠為風電并網電廠，為防止非同期合閘，可選擇在B站安裝自動聯切裝置，其動作邏輯為AB863開關分閘則同時出口跳開BC864開關，保護動作行為分析如下。

若永久性故障點位于D1點，則AB863線路兩側光纖差動保護出口跳開兩側開關，B站側同時跳開BC864開關，A站AB863開關重合閘動作不成再次跳開AB863開關，B站AB863開關檢母線無壓重合閘動作成功，合上線路開關。

若D1點為瞬時性故障點，則AB863線路兩側光纖差動保護出口跳開兩側開關，B站側同時跳開BC864開關，A站AB863開關重合閘動作成功，B站AB863開關重合閘動作成功。僅B站風電并網BC864開關被斷開。

若在B站未安裝自動聯切裝置，則在D1點故障時，110 kV B站AB863開關重合閘檢母線無壓啟動延時，在延時整定時間內，若風電側防孤島保護已動作切除風電機組使B站母線滿足無壓條件，則重合閘動作出口，合AB863開關；若重合閘啟動延時范圍內，重合閘未動作，則可判定此時風電場形成B站、C電廠的局部孤島，B站母線未失壓，此時可以考慮在具備檢同期并網能力的斷路器(如B站AB863開關)處選擇重新并網，若未配置檢同期斷路器，則應盡速破壞孤網條件，在風電解列后盡快對損失負荷恢復供電。

若故障點位于D2點，則屬于常規并網線路故障，兩側開關分閘，系統側B站BC864開關重合閘動作，若為永久性故障則重合不成，若為瞬時性故障則重合成功，電廠側重合閘停用。

3.2 光伏發電近區電網故障分析

3.2.1 未配置防孤島安穩裝置

若110 kV B站、220 kV A站未配置防孤島安穩裝置，則當故障點位于D1點時，若是永久性故障則AB863線路兩側光纖差動保護出口跳開兩側開關，A站AB863開關重合閘動作不成再次跳開AB863開關，B站AB863開關檢母線無壓重合閘動作成功，合上線路開關。在此過程中，110 kV B站中BC864并網開關無需動作，光伏電站側逆變器斷開交流側開關時間一般在0.1 s，遠小于110 kV B站AB863開關重合閘的實際整定時間(一般為1.1 s)，因此不會對系統側保護及自動裝置的動作行為產生影響。

若D1點為瞬時性故障，則AB863線路兩側光纖差動保護出口跳開兩側開關，A站AB863開關重合閘動作成功，B站AB863開關重合閘動作成功。光伏電站C內逆變器在短暫解列后，檢測站內低壓側并網點電壓恢復則自動重新并網發電。若D2點故障，其整體動作行為與風電相同。

3.2.2 配置防孤島安穩裝置

若110 kV B站、220 kV A站配置有防孤島安穩裝置。若D1點為永久性故障點，B站光伏并網BC864開關由防孤島安穩裝置檢測孤島條件成立后判定出口，切除并網BC864開關，A站AB863開關重合不成，B站AB863開關重合成功。若D1點為瞬時性故障點，則整體動作行為與永久性故障相同，差別僅A站AB863開關重合成功。

若D2點故障，其整體動作行為與風電相同。

4 結語

根據分析，一般的風光單線并網在近區的保護及安自配置可按照本文中的典型案例進行配置，并根據電網特點，可以考慮在光伏并網近區電網安裝防孤島安穩裝置，及風電近區變電站安裝聯切裝置等，如此可以進一步提高風電、光伏防孤島形成的能力，對電網與設備安全形成二次保障。當前的電網發展階段，從電能質量角度考量，在正常運行方式下不考慮風電、光伏孤島運行方式，及孤島后與系統再次并列的可能。

本文從風電、光伏發電兩種電源短路特性的差異著手，分析了這種差異性對繼保整定、電能質量、保護配置、自動裝置等所產生的影響，并結合風光局部電網近區故障，詳細分析了保護及安自配置不同所導致的保護動作行為差異。由此可見，完善風光并網的保護及安自配置工作是保障新能源不斷發展的系統側主要措施，更是大規模接納新能源的重要技術要求。

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(本文編輯：嚴 加)

Analysis of Differentiation Between Grid-Connected Photovoltaic and Wind Power on Relay Protection Configuration

SHAO Lin1，ZHANG Weiwei1, YUE Fuchang2，ZHANG Yongfeng1

(1. State Grid Yancheng Power Supply Company，Yancheng 224001，China；2. State Grid Lianyungang Power Supply Company，Lianyungang 222004，China)

This paper analyzes the protection configuration difference between wind power and PV with single-line connected to the power grid. Based on the characteristics of two kinds of new energy short-circuit current, the causes of the difference of wind power, photovoltaic protection and A/D configuration are explained, especially the configuration difference of anti-islanding security and stability control device. Combined with the typical cases of the near-region fault of the wind or PV power grid, the action of the relay protection and the automatic stability are analyzed.

short-circuit current; anti-islanding security and stability; low voltage crossing; power quality

10.11973/dlyny201703016

邵 林(1987—)，男，碩士，工程師，從事電力系統調控運行工作。

TM614

B

2095-1256(2017)03-0289-05

2017-03-15