一起220kV風電場并網線路接地故障分析

王 進，張 健，苗偉威，喬立同，王 茗，張 超

（1.山東電力調度控制中心，山東 濟南 250001；2.山東科技大學，山東 青島 266590）

0 引言

近年來，我國風電產業呈現出爆發式增長態勢，我國擁有世界1／3 以上的風電裝機容量，已成為世界風電領域的領導者。截至2019 年底，全國并網風電裝機容量210.05 GW，較上年末增長14.0%，占全國總發電裝機容量的比例已超過10%［1］。

由于風力發電在電力系統中的占比逐年增大，其對電網安全運行的影響愈發突出。近幾年風電場的現場運行數據表明，隨著并網風電場容量的增加，以及風電機組區別于傳統同步發電機組的運行及故障特性，風電場大規模并網給旨在確保電網安全穩定運行的繼電保護裝置可靠運行帶來極大挑戰。

近年來，國內外有大量學者開始關注并探討風電接入后的電力系統繼電保護問題，文獻［2］根據實際風場故障數據分析大規模風機脫網事故的原因，提出相應的機組電壓保護、風電無功補償等的改善措施；文獻［3］仿真雙饋式風場接入無窮大系統暫態特征，指出風電保護的動作性能隨故障類型、位置發生變化；文獻［4］研究了異步風電場對輸電線路距離Ⅲ段動作特性的影響；文獻［5］研究了風電場短路電流特征，并給出風電保護整定原則；文獻［6］仿真雙饋風電場短路特性以及對保護整定的影響。大量文獻表明，對于集中式接入的風電場，必須深入研究其對電力系統繼電保護的影響。

以一起220 kV 風電場并網線路實際接地故障為例，詳細分析了風電場故障特征的特殊性，并對故障過程進行仿真分析，對風電場接入電力系統安全穩定運行及繼電保護可靠動作起到有益指導作用。

1 一起220 kV 風場并網線接地故障

某日09∶15∶54，某地區風電場220 kV 并網線路發生B 相接地故障，線路兩端故障電壓、電流的錄波圖分別如圖1 和圖2 所示。

根據故障錄波圖可知，當線路發生B 相接地時，系統端B 相電壓跌落，故障電壓為事故前的30%，非故障相電壓基本不變；B 相電流瞬時增大，一次有效值達18.57 kA，非故障相電流略有增加。

對于風場端，故障相電壓大幅跌落，故障電壓僅為事故前的4%，非故障相電壓基本不變；而故障電流A、B、C 三相幅值、相位幾乎完全一致，電流幅值均在0.75～0.76 kA，零序電流達2.27 kA。

圖1 系統端故障電壓、電流錄波

圖2 風場端故障電壓、電流錄波

可見，風電場并網線路發生接地故障時，系統端電壓、電流特性與傳統線路單相接地故障象征相同，而風場端故障特性與傳統故障象征有較大差別。在我國西北某些地區，已經出現過由于風電故障特殊性導致繼電保護選相錯誤等情形，需要引起足夠重視［7］。

2 故障理論分析

我國并網風電場多采用集中式接入系統方式。風電場在規劃及建設時，考慮風電場地形以及風電機組的布局、單機容量等因素，將7～8 臺風機組成一組，發出的電能經過低壓集電線路匯集到風場低壓母線，經風場主變壓器升壓，最后由高壓并網線路輸送至電力系統［8-10］。集中式風電場接入電力系統如圖3 所示。

當風電場并網線路發生單相接地故障時，利用對稱分量法對其進行故障分析［11］。分別做出正、負、零序等值網絡，如圖4 所示。

圖4 中，XFG1、XXB1、XJD1、XT1、XL1、X′L1、XS1分 別 為風電機組、箱式變壓器、集電線、主變壓器、故障點兩端線路以及所接入系統的正序等效阻抗；XFG2、XXB2、XJD2、XT2、XL2、X′L2、XS2分別為風電機組、箱式變壓器、集電線、主變壓器、故障點兩端線路以及所接入系統的負序等效阻抗；XT0、XL0、X′L0、XS0分別為風場主變壓器、故障點兩端線路以及所接入系統的零序等效阻抗。

圖3 集中式風電場并網

圖4 故障復合序網絡

故障點兩端總等效正、負、零序等效阻抗分別為：

式中：X∑G1、X∑G2、X∑G0分別為風場側正、負、零序等效阻抗；X∑S1、X∑S2、X∑S0分別為系統側正、負、零序等效阻抗。

由于風電場的容量相對所接入系統較小，一般小于接入系統短路容量的5%～10%，可認為風電場端的正、負序等效阻抗遠遠大于系統端的等效阻抗，即X∑G1＞＞X∑S1、X∑G2＞＞X∑S2。由于風電場主變壓器一般為Yn／d 接線（高壓側中性點直接接地），因此并網線路接地故障時，風場端的零序等效阻抗只包含風場主變壓器以及線路的零序阻抗，與系統端零序等效阻抗相差不大，即X∑G0與X∑S0相差不大。

對于并網線路單相接地故障，復合序網為正、負、零序網絡的串聯，所以故障點處正、負、零序電流相同，即圖4 中根據正、負、零序網絡各自的分流效應，流過風場端及系統端正、負、零序電流分別為：

由于X∑G1＞＞X∑S1、X∑G2＞＞X∑S2，X∑G0與X∑S0相差不大，故，即風電場流過的故障電流中正、負序分量遠遠小于零序分量，從而出現風電場端故障電流三相幅值、相位均近乎相同的情況，與圖2 實際故障錄波圖一致。而系統端流過的故障電流中正、負、零序分量大小相當，故經過3 個序分量合成后，三相電流故障象征正常。

3 仿真驗證

對該故障現象進一步仿真驗證，在PSCAD／EMTDC 平臺中建立圖3 所示的風電場接入系統仿真模型。風電場裝機25 臺、單機容量4 MW，總容量100 MW。仿真t=2 s 時，220 kV 風電場并網線上發生B 相接地故障，故障持續50 ms，仿真得到系統端及風場端電壓、電流波形，分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 系統端電壓、電流仿真波形

圖6 風場端電壓、電流仿真波形

由仿真波形看出，220 kV 風場并網線發生B 相接地故障時，系統端故障相電壓跌落，故障相電流劇增，最大瞬時值約25 kA，非故障相電壓、電流變化不大；風場端故障相電壓跌落、非故障相電壓變化不大，而三相電流出現幅值、相位近似一致的情況，與前文理論分析一致。

4 結語

以一起220 kV 風電場送出線路接地故障為例，分析了風電場并網線路接地故障特性，在PSCAD／EMTDC 平臺建立實際風場接入系統模型，對該故障進行了仿真再現。結果表明，風電場側保護因為流過幾乎全部為零序故障電流，從而會出現三相電流幅值、相位均近似一致的情況。該問題為集中式接入風電場的典型問題，與風電機組自身類型無關，需引起足夠重視。