雙饋風電場的弱饋性及風電接入對突變量保護元件的影響

何奎 呂飛鵬

摘要：隨著風電領(lǐng)域投資的熱化，大規(guī)模的風電基地越來越多，裝機容量漸趨浩大。但相對于傳統(tǒng)電網(wǎng)，風電場有明顯的特殊性，風電的弱饋性對其接入電網(wǎng)的保護控制裝置的要求成為亟需解決的問題，對突變量保護元件的影響的分析也需要引起足夠的關(guān)注。文章從雙饋風電場的弱饋性入手，分析了風電接入對突變量保護元件的影響及接入保護控制面臨的問題，驗證了相應控制措施。

關(guān)鍵詞：雙饋風電場；弱饋性；電網(wǎng)接入；突變量

風力發(fā)電因為其無污染、分布廣泛等優(yōu)點，已經(jīng)成為各國努力推動的發(fā)電技術(shù)和投資熱點。近幾年，我國的風力發(fā)電也在跨越式的發(fā)展。其中最大的挑戰(zhàn)就是風電基地的并網(wǎng)問題，特別是接入電網(wǎng)帶來的保護控制裝置的影響首當其沖[1]。傳統(tǒng)的配置與新的面臨的問題的相關(guān)研究與分析探討還比較少。與傳統(tǒng)的同步發(fā)電技術(shù)相比，風電基地有著明顯的特殊性，風電的弱饋性對其接入電網(wǎng)的要求，特別是接入的繼電保護，即保護控制裝置的要求具有一定的特殊性，研究風電接入對突變量保護元件的影響已經(jīng)成為首要問題。

1 雙饋風電場接入對電網(wǎng)繼電保護的影響

目前，雙饋風力發(fā)電機已經(jīng)基本實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，但是雙饋風電場接入對既有電網(wǎng)的繼電保護影響還是相當明顯的，主要有以下兩個方面：一是發(fā)生故障時，正負序電流分布系數(shù)差異較大，不再近似相等，影響常規(guī)突變量選相元件和方向元件判斷的正確性；二是由于目前風電基地總?cè)萘肯鄬﹄娋W(wǎng)系統(tǒng)來說較小，所占比例很低，故障期間的弱饋性會使風電場送出線上的突變量保護元件發(fā)生誤判動作[2]。

2 風電基地的弱饋性

風電基地接入電網(wǎng)有分散式和集中式兩種。通常使用的集中式接人就是把多臺風電機匯集到集中外送輸電線路，常用的接線方式是：通過箱式變壓器，將每臺雙饋風電機出口電壓升高；串聯(lián)多臺風電機，匯集至中壓匯流線路，經(jīng)主變壓器升至高電壓，通過送出線路實現(xiàn)并網(wǎng)。隨著風電的發(fā)展，各個風電基地的裝機容量在增加，但相對于并入的整個電網(wǎng)系統(tǒng)來說，基地容量偏小，所占比例偏低。當基地送出線路發(fā)生故障時，電網(wǎng)系統(tǒng)的正負阻抗小于風電基地正負序等值阻抗，考慮撬棒電路投人，基地側(cè)零序電流比重很大，但三相電流幅值近似相等，表現(xiàn)出明顯的弱饋性。

3 風電并網(wǎng)對電網(wǎng)保護控制的影響

3.1 對突變量選相元件產(chǎn)生的影響

突變量選相元件是利用故障時相間電流幅值實現(xiàn)選相。常規(guī)條件下，等效系統(tǒng)正負序阻抗相等，這有利于對故障相進行判別；但風電異步電動機的大電阻造成轉(zhuǎn)差率明顯，導致等效系統(tǒng)正負序阻抗差異，風電基地側(cè)短路電流分布系數(shù)也出現(xiàn)較大差異，但故障點的正、負、零序電流差異不大，近似相等，導致突變量選相元件誤判。

3.2 對突變量方向元件產(chǎn)生的影響

突變量方向元件是利用電壓和電流突變量的相位關(guān)系分析判別故障正反方向的。常規(guī)條件下， 系統(tǒng)正負序阻抗相等，方向元件能夠正確判正反向故障；但風電接入后，由于基地側(cè)正負序阻抗差異較大，導致故障電壓、電流相位出現(xiàn)差異，較大的相位異動使突變量方向元件產(chǎn)生誤判。

4 實證分析

通過近十幾年相關(guān)機構(gòu)、業(yè)界以及學術(shù)界對實際風力并網(wǎng)發(fā)電相關(guān)問題的研究，相關(guān)數(shù)據(jù)分析可以驗證雙饋風電場的弱饋性及突變量選相元件與方向元件對故障判別的影響。

4.1 風電場弱饋性驗證

假定雙饋風力發(fā)電機組轉(zhuǎn)差率不變的情況下，發(fā)生不同的送出線路近端接地故障時，由于撬棒電路的投入，風電場的弱饋性將增強。

4.1.1 單相接地故障

發(fā)生單相接地故障時，故障電流的正序分量降低幅度較大，但零序分量基本不變，由于風電零序電流占主要成分，故障時三相電流幅值差異不大，相位基本相同。

4.1.2 兩相接地故障

發(fā)生兩相接地故障時，故障電流的變化與單相故障相差無幾，正序分量降低幅度較大，負序分量降低幅度較小，零序分量基本不變；故障時三相電流幅值差異不大，相位基本相同。

同時也可以發(fā)現(xiàn)，風電并聯(lián)機組越多，正負序等值阻抗越小，弱饋性也逐漸降低。

4.2 轉(zhuǎn)差率對突變量選相元件與方向元件的影響

與常規(guī)電網(wǎng)系統(tǒng)相比，雙饋感應發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率對雙饋風電場的等值正負阻抗影響差異較大，其中對于正序阻抗的影響幅度比較小，但對負序阻抗影響幅度很大，由于風電場的弱饋性，零序阻抗遠小于正負序阻抗，所以發(fā)生接地故障時零序電流所占比例較大。由于正負序阻抗相差較多，保護側(cè)正負序電流分配系數(shù)的幅值差異較大，這也導致基于相間電流幅值和電壓和電流突變量的相位關(guān)系分析來工作的突變量選相元件和方向元件出現(xiàn)誤判。

5 結(jié)語

文章基于當前風電場送出線路保護控制裝置的相應配置，分析了雙饋風電場的弱饋性，以及風電接入對電網(wǎng)系統(tǒng)突變量選相元件與方向元件工作的影響，論證了雙饋風電發(fā)電機組的轉(zhuǎn)差率對正序阻抗和負序阻抗的影響，這種阻抗特性又影響了電網(wǎng)系統(tǒng)的正序、負序電流分布系數(shù)，進而對基于相間電流幅值和電壓和電流突變量的相位關(guān)系分析來工作的突變量選相元件和方向元件的工作狀態(tài)。這些分析，初步提出了風力發(fā)電機組在實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電的基礎(chǔ)上，如何有效實現(xiàn)保護控制，科學管理，弱化不利影響，保障風力發(fā)電機組安全高效運行，發(fā)揮更大社會效益的新命題。

參考文獻：

[1]黃濤，陸于平.適用于雙饋風電場的改進電流突變量選相元件[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015， 39（10）：29592964.

[2]沈樞，張沛超，方陳，等.雙饋風電場故障序阻抗特征及對選相元件的影響[J].電力系統(tǒng)自動化， 2014，38（15）：8792.

作者簡介：何奎（1990），男，漢族，四川南充人，碩士研究生，研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護。