風(fēng)電場接入對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響與對策

黃靜 譚佳奇

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國家及地方在能源上的需求也變得日益增多，其中增長最為明顯的就是對電能的需求。但是隨著世界范圍內(nèi)對環(huán)保要求的日漸提升以及能源問題的日益嚴(yán)峻，傳統(tǒng)的電能生產(chǎn)方式已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的市場需求，在這種形勢下，對新能源的規(guī)劃開始成為各國能源戰(zhàn)略中的一項(xiàng)不可或缺的重要內(nèi)容。風(fēng)能作為一種新型的清潔能源，自其被發(fā)現(xiàn)以來已經(jīng)為我國的電力行業(yè)做出了巨大的貢獻(xiàn)，是目前我國電力生產(chǎn)的一項(xiàng)重要組成部分。但是由于風(fēng)能本身就具有一定的隨機(jī)性，并極易受到氣候變化而產(chǎn)生波動，因此當(dāng)其使用到電場中時會對整個配電網(wǎng)絡(luò)的電流都造成影響，并且這種影響力還會隨著風(fēng)電場規(guī)模的增大而不斷增大，從而間接影響到配電網(wǎng)中繼電保護(hù)的功能。本文就在對風(fēng)電場接入對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的相關(guān)問題進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)出其產(chǎn)生的具體影響，并提出相應(yīng)的解決對策，以期能為我國風(fēng)力發(fā)電的安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電接入;繼電保護(hù);影響;對策

隨著國家在風(fēng)電生產(chǎn)上投入的不斷增加，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為我國電力市場中電力供應(yīng)的一種重要方式。但是因?yàn)轱L(fēng)力本身就具有較強(qiáng)的波動性，因此風(fēng)電的生產(chǎn)及輸出過程都會存在一定的間歇。這種間歇性就極大地改變了電力系統(tǒng)的傳統(tǒng)運(yùn)行方式，并對電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)提出了新的要求。作為確保電力系統(tǒng)運(yùn)行安全的第一道防線，繼電保護(hù)可以在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時做出反應(yīng)，及時隔離故障問題并避免故障帶來的影響被進(jìn)一步惡化并威脅到系統(tǒng)的運(yùn)行安全，從而實(shí)現(xiàn)提升電能的高效利用和傳輸。但是隨著風(fēng)能的不斷被運(yùn)用，當(dāng)其被集中接入時一定會對電力系統(tǒng)的電網(wǎng)頻率、電壓以及系統(tǒng)穩(wěn)定帶來影響，并且隨著風(fēng)電場規(guī)模和容量的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電場的接入對電力系統(tǒng)的影響會日益明顯。目前我國已經(jīng)成為世界上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模最大的國家，一些風(fēng)電運(yùn)行時可能會出現(xiàn)的問題在我國也更容易發(fā)生，尤其是近年來在一些大型風(fēng)電場中，大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)的事件頻頻發(fā)生都對當(dāng)前風(fēng)電場電力系統(tǒng)中的繼電保護(hù)的配置提出了質(zhì)疑，因此為適應(yīng)風(fēng)電場電力系統(tǒng)的運(yùn)行，就必須對其繼電保護(hù)進(jìn)行研究。

1 風(fēng)力接入后繼電保護(hù)性能分析

風(fēng)電場的構(gòu)成離不開風(fēng)電機(jī)組，不同規(guī)模的風(fēng)電場其風(fēng)電機(jī)組的數(shù)量也會有所不同。但其電能都是在由機(jī)組產(chǎn)生后經(jīng)過集電線路進(jìn)行匯集后被送至變壓器，之后經(jīng)變壓處理后再外送至電力傳輸系統(tǒng)中。在此過程中其保護(hù)裝置只要由三部分構(gòu)成：①風(fēng)電機(jī)組本體保護(hù);②風(fēng)電場內(nèi)部電網(wǎng)保護(hù);③風(fēng)電場送出線保護(hù)。

1.1風(fēng)電機(jī)組本體保護(hù)與集電線路保護(hù)

此保護(hù)環(huán)節(jié)主要有機(jī)組電壓及頻率的越限保護(hù)、兩段式的電流保護(hù)以及相間不平衡保護(hù)，這些保護(hù)都調(diào)離了風(fēng)機(jī)出口低壓側(cè)斷路器，并促使機(jī)組退出系統(tǒng)，停止運(yùn)行。針對風(fēng)電場所使用的不同機(jī)組，其在配置上也存在一些差異。如直驅(qū)型的機(jī)組，其在變流器保護(hù)上重點(diǎn)會針對直流側(cè)進(jìn)行配置，以保護(hù)其電容的卸荷電路;對其箱變高壓側(cè)則會配置熔斷器以實(shí)現(xiàn)對此側(cè)的短路保護(hù)，低壓側(cè)則會配置電流斷路器用以避免短路及過載等故障現(xiàn)象的發(fā)生。而對于集電線路的保護(hù)則需要配置主保護(hù)與后備保護(hù)，通常使用的保護(hù)方式為電流速斷與過電流保護(hù)。通過這種保護(hù)上的組合配置，當(dāng)遇到風(fēng)場的發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)運(yùn)行故障時就可以通過其低壓側(cè)斷路器與熔斷器之間的配合以實(shí)現(xiàn)排除故障的目的，而此時的集電線路保護(hù)就可作為后備的保護(hù)措施。

有相關(guān)文獻(xiàn)研究表明，當(dāng)機(jī)組箱變高壓側(cè)發(fā)生故障時，機(jī)組本體就會自動斷開低壓側(cè)的斷路器從而停止運(yùn)行，但此時也會對其附近的機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生影響，使其機(jī)端電壓低于運(yùn)行范圍，受機(jī)組自身保護(hù)的影響也中止運(yùn)行。然而這個過程中因?yàn)槠浼娋€路中的短路電流要超出保護(hù)段的整定范圍，就會使其保護(hù)動作發(fā)生在熔斷器的保護(hù)工作之前，從而就造成整個線路上所有風(fēng)機(jī)都出現(xiàn)脫網(wǎng)現(xiàn)象，這就使得集電線路與其熔斷保護(hù)之間出現(xiàn)了不同步的情況。而當(dāng)機(jī)組某處的集電線路出口發(fā)生故障時，無故障的集電線路保護(hù)就可能會因?yàn)檎`判而錯誤切出其線路上的全部運(yùn)行機(jī)組。尤其是當(dāng)其故障發(fā)生的地點(diǎn)距離集電線路母線較近時，就會使故障線路與無故障線路之間的電壓差異較小，從而使風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)保護(hù)動作并最終導(dǎo)致電場脫網(wǎng)。而當(dāng)集電線路單相接地時，在這種故障情況下其電路的電流就會小于其保護(hù)整定值，并會導(dǎo)致保護(hù)不發(fā)生動作，在這種情況下，電網(wǎng)的繼電保護(hù)就不能正常運(yùn)行并及時對故障進(jìn)行排除或隔離處理，從而使電路中的過電壓發(fā)生相間故障，并最終導(dǎo)致電場中出現(xiàn)更加嚴(yán)重的事故。

1.2送出變壓器保護(hù)

當(dāng)前我國正在運(yùn)行的風(fēng)電場中其使用的變壓器上的保護(hù)裝置仍在沿用傳統(tǒng)的常規(guī)保護(hù)，這種保護(hù)方式通過根據(jù)其在故障前后頻率不變的原理，利用電流值之間的差動來對故障地點(diǎn)進(jìn)行判斷。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，雙饋異步發(fā)電機(jī)在發(fā)生故障時通過投入crowbar電路以實(shí)現(xiàn)其低電壓的穿越，但是此時及集電線風(fēng)機(jī)方向以及出口粗的電流頻率卻會因?yàn)楣收习l(fā)生而導(dǎo)致其工況點(diǎn)的位置出現(xiàn)偏移。根據(jù)相關(guān)規(guī)律推算發(fā)現(xiàn)，在相量值基礎(chǔ)上的，當(dāng)動作電流與制動電流以多種頻率波動，且波動范圍較大時，其差動保護(hù)會失去一定的準(zhǔn)確性。而當(dāng)投入crowbar電路后再使用相應(yīng)算法也無法準(zhǔn)確提取2次諧波，使相應(yīng)的被動元件出現(xiàn)閉鎖現(xiàn)象。由此可推斷出傳統(tǒng)的常規(guī)變壓器已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的風(fēng)電場接入系統(tǒng)。

1.3風(fēng)電場送出線路保護(hù)

當(dāng)前，我國風(fēng)電場在生產(chǎn)出電能后多使用遠(yuǎn)程超高壓輸送的方式將電力資源送出，且送出時所使用的線路保護(hù)裝置也仍采用傳統(tǒng)的保護(hù)措施，并未結(jié)合風(fēng)電產(chǎn)生的一些特殊情況。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，就會影響到風(fēng)電接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)的一些特性，但這種特性因與常規(guī)故障情況有所差異而會使的系統(tǒng)的繼電保護(hù)在故障識別上出現(xiàn)問題從而間接影響到其繼電保護(hù)的性能。近年來在我國內(nèi)蒙等地區(qū)就已經(jīng)多次發(fā)生因未能準(zhǔn)確識別故障而造成送出線路的誤動作現(xiàn)象。相關(guān)文獻(xiàn)研究表明，當(dāng)使用雙饋式發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場的送出線路出現(xiàn)三相故障時，即使其具備一定的低壓穿越能力，也會造成其內(nèi)部轉(zhuǎn)子電流為衰減直流，風(fēng)機(jī)極端交流電動勢衰減加快的現(xiàn)象，而且此時風(fēng)電場的側(cè)阻抗也會很大，測電壓也要由電網(wǎng)工頻電壓支撐。這時的電流也主要為非工頻交流，電壓和電流之間的頻率就會出現(xiàn)不同。在旁瓣效應(yīng)的作用下，這時的工頻量將不能被準(zhǔn)確提取，從而使電壓與電流之間的比較值也出現(xiàn)問題。而只有當(dāng)線路發(fā)生二相故障時機(jī)組母線電壓才會與電流同頻，其余故障情況下電場的側(cè)短路電壓與電流之間都會出現(xiàn)不同的頻率。在這些故障情況中，常規(guī)的選項(xiàng)元件被應(yīng)用于風(fēng)電場中都影響其正確性的發(fā)揮，并在測方向不能正確進(jìn)行保護(hù)動作。

2 風(fēng)電接入繼電保護(hù)當(dāng)中的問題

首先，目前我國所運(yùn)行的風(fēng)電場中其集電線路全部為不接地裝置，并支持其可單相接地使用時間為1到2個小時，而這種接電方式主要通過借鑒其他電廠中配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并多應(yīng)用于架空線路中。但是這種僅限于接地電流比較小的接地方式如應(yīng)用到電纜混合架空線路時就會呈現(xiàn)出不合理的狀態(tài)。因?yàn)檫@種接地方式的選線正確率過低，就不能對單相接地隱患進(jìn)行及時預(yù)警，從而就會使得相關(guān)故障一旦出現(xiàn)就不能被及時解決，從而使故障帶來的影響被進(jìn)一步惡化。此外，這種選線設(shè)備的動作率也較低，不論是從非故障線路還是故障線路中經(jīng)過的電流全部都是微弱的電容電流，而且還不能對其采取措施使其進(jìn)行準(zhǔn)確集中，這就會給故障發(fā)生時的查找及修復(fù)工作帶來一定的難度。

其次就是對于330KV以及其以上的主網(wǎng)來說，其繼電保護(hù)設(shè)備已經(jīng)趨于完善，通常情況下可以實(shí)現(xiàn)對故障的全部快速切出。但是一旦其主網(wǎng)的繼電系統(tǒng)出現(xiàn)問題，就必須要對問題進(jìn)行深入的分析。然而一般情況下可用于分析的時間并不寬裕，通常要小于0.1秒，因?yàn)橐坏﹩栴}發(fā)生的時間超過0.1秒就會對發(fā)電裝置造成二次傷害。而且這兩次傷害所呈現(xiàn)出的電力問題在性質(zhì)上還會存在差異，這些都與機(jī)組中電流的短路問題有些密切聯(lián)系。

最后就是一些常規(guī)的保護(hù)元件。因?yàn)轱L(fēng)能發(fā)電具有較強(qiáng)的波動性，當(dāng)這種能源并網(wǎng)后會使原有的電力元件的運(yùn)行發(fā)生很大的變化，并且會影響到其元件的靈敏度，使其失去原有的靈敏性，因此就需要對其進(jìn)行新的研究。此外風(fēng)電并網(wǎng)后原有的正負(fù)順序也會受到影響，使對控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力變差，同時原有的分析方法也都會失去其價(jià)值，不能再繼續(xù)使用，再加上風(fēng)電并網(wǎng)還會對選項(xiàng)元件也會產(chǎn)生影響，因此對其性能進(jìn)行深入的研究和探討就顯得更加必要。

3 風(fēng)電接入繼電保護(hù)的相應(yīng)對策

隨著國家新能源戰(zhàn)略規(guī)劃的不斷推進(jìn)，風(fēng)電場的規(guī)模及容量都在逐漸增大。越來越多的大規(guī)模風(fēng)電場被接入到電力系統(tǒng)的運(yùn)行中。而為保障這種大規(guī)模電網(wǎng)及風(fēng)電場的運(yùn)行安全，應(yīng)該對其影響其運(yùn)行的各個環(huán)節(jié)都進(jìn)行考慮。如設(shè)備的配置、系統(tǒng)接線方式的選取、保護(hù)措施的制定等等，不論是電網(wǎng)還是風(fēng)電場的接入，其安全運(yùn)行都要涉及到多個方面，都不能僅依賴于繼電保護(hù)來進(jìn)行。但是作為電網(wǎng)系統(tǒng)的第一道防線，繼電保護(hù)應(yīng)是保障其安全運(yùn)行的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。因此針對風(fēng)電場接入后的幾點(diǎn)保護(hù)工作，可從如下幾點(diǎn)入手。

3.1開發(fā)新型電網(wǎng)元件

應(yīng)針對現(xiàn)在正在運(yùn)行使用的電網(wǎng)系統(tǒng)，創(chuàng)新研制出新型的電網(wǎng)元件，并替代原有的元件設(shè)備，對電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行元件升級，以實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)形式上的創(chuàng)新。同時在元件的選相上一定要與電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況相結(jié)合，確保當(dāng)將新元件應(yīng)用于系統(tǒng)中后不會對系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行造成影響，并要保證設(shè)備的負(fù)荷量在合理的范圍。其次就是在并網(wǎng)融合時，應(yīng)尤為注意要對電網(wǎng)設(shè)備的整體數(shù)據(jù)都進(jìn)行分析，從而可在有問題發(fā)生時及時查找出問題的誘因。

3.2選擇系統(tǒng)接地方式

針對不同的故障類型應(yīng)按照相應(yīng)原則針對性選擇系統(tǒng)的接地方式，在一些新的風(fēng)電場中，應(yīng)主要使用電阻接地，并根據(jù)實(shí)際的外界環(huán)境配備相應(yīng)的故障保護(hù)裝置;而當(dāng)風(fēng)電場集電線路不接地時，應(yīng)配備小電流的接地裝置，并要確保其具備相跳閘功能以便其能及時對單相接地故障進(jìn)行切除。若采取上述方式都不能解決單相接地的問題，則需要使用隔離故障法以降低故障帶來的影響。

3.3運(yùn)行維護(hù)與故障管理要求

在風(fēng)電場中應(yīng)配備相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)，如對故障錄波裝置及想能測量系統(tǒng)上都應(yīng)進(jìn)行監(jiān)控以便可以準(zhǔn)確記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)，并明確電網(wǎng)的實(shí)際保護(hù)動作等。此外，風(fēng)電場在管理時還應(yīng)具體結(jié)合其機(jī)組內(nèi)的全部型號及穿越功能參數(shù)等，并要確保系統(tǒng)可以及時獲取繼電保護(hù)工作的各種狀態(tài)，只有這樣才能為之后的繼電保護(hù)提供更多的數(shù)據(jù)支持。

結(jié)束語

此外，在風(fēng)電場中還可以采用保護(hù)聯(lián)跳措施以減少風(fēng)電接入的影響，以及通過重新設(shè)計(jì)發(fā)電系統(tǒng)以適應(yīng)風(fēng)電的接入。因?yàn)殡S著風(fēng)電接入規(guī)模的不斷增大，各種安全問題都會更加明顯凸顯出來。只有不斷采取措施減少風(fēng)電接入后對繼電保護(hù)的影響，才能確保電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全。因此這就要求相關(guān)部門必須要制定出相應(yīng)的解決對策以保障風(fēng)力發(fā)電的進(jìn)一步發(fā)展，并為社會創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益與社會價(jià)值。

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（作者單位：國華（諸城）風(fēng)力發(fā)電有限公司）