基于風電場接入對電網保護的影響分析

劉世增 李燕雄 羅凱 王建超 劉維

摘 要：本文在闡述的過程中，以風電場接入對電網保護的影響作為切入點，針對風力發電的運行特性、電力系統中電網保護配備方式等內容進行簡要的分析，其目的是找到風電場接入對電網保護的最佳方式，降低在接入的過程中其所蘊含的風險，并且切實地提高了風電場接入電網過程中的可靠性和安全性，保障風電場接入電網的穩定性，滿足我國電力企業在經營管理過程中的需求，也能為我國建設資源節約型社會帶來正面影響。

關鍵詞：風電場;電網保護;影響分析

縱觀近幾年我國的經濟發展、資源使用的歷程，發現當前中國已經成為全球范圍內其風力發電發展速度最快，并且市場規模最大的國家之一。環境保護以及資源節約型社會也是當前國家最為推崇的社會建設，從國家對市場的整體把控進行分析，當前我國在不斷加大對新能源發展的鼓勵。特別是在最近幾年，風電能源的發展速度可以說十分的驚人，其在以前所未有的速度向前進。根據大數據顯示可得，截至2016年年底，中國已經出現了23000MW臺新增風電裝機，其占據了全球新增裝機的40%。

一、風力發電的運行特性

（一）風力發電的隨機性

隨著我國對經濟結構以及社會發展的認知，目前中國在不斷加進對能源結構的調整，響應節能減排，未來清潔能源的發展必將上一個新的臺階，達成我國對節能減排的需求，并且不斷的將清潔能源推送到一個全新的臺階，滿足我國資源節約型社會的建設。風電發展在清潔能源中，其占據了不可替代的作用，其既能夠節約能源，同時也能夠為節能環保帶來正面影響，風力發電成為了目前我國發電廠建設中的重點內容。在分析風能的特性時，一定要考慮到風力發電本身具有非常明顯的隨機性，無論是風向和風速都經常會發生變動，他對風力發電機自身在使用時的使用狀態而言有著非常大的影響。

（二）風電場不能向電網系統提供無功功率

在使用風力發電時，其發電廠本身無法向電力電網系統提供無功功率，這是由于風力發電技術發展過程中其發電機組在制作的過程中選擇的是單機容量大型化、形式多樣化的內容。通過對目前我國市場中常見的風電機組進行分析，可以將其按照風輪槳葉分為定槳距型以及變槳距型。所謂定槳距型是指當風電機組的葉片安裝好后，其自身不能在出現任何的變槳，也就是說當其處在一種高風速的狀態下，想要調節自身的功率輸出，其主要依靠的是葉片的失速，定槳距型其自身的額定風速較高，但是在進行機械動能和電能轉換的過程中，其轉換的效率則相對較低。

風電場接入對電網保護的過程中，需要考慮到其中存在的各種不同風電機組，其中包括了變槳距型風電機組，這是十分常見的一種類型，在使用的過程中能根據其葉片在使用中存在的風速大小區別進行改變，葉片也會根據風速改變轉動的速度，確保在整個轉動的過程中所有的葉片都能保持在一個最佳的角度，該角度能提高葉片在使用時的使用效果，并且提高風輪在轉動過程中的能量轉變，確保機械動能與電能的轉換效率能得到顯著的提升。目前在能量轉換的過程中最常采用的就是雙饋式異步發電機，這是當前市面上最常見的一種技術，也是大多數的風機廠家所選擇使用的。但是在使用雙饋感應發電機的發電機組的過程中，應該清楚的認知到該發電機本身并不具備任何一種調節能力，在使用的過程中難以完全滿足風電場在匯集時的狀態，甚至會出現風電場滿發時送出電路的感性無功損耗。為此，在使用變槳距型風電機組時，其存在的最大問題之一就是風電場本身沒有辦法像電網系統提供無功功率。

二、電力系統中電網保護配備方式

在風電發電的過程中，其本身具有一定的特點包括了：間歇、不可控。為此，將風電接入區域電網的時候，如果是大規模的接入一定要考慮到不同地區其電網本身的調峰能力、電壓控制能力等不同的特性，其對電網自身的電能質量提出了非常大的挑戰，而由于電能質量產生的一系列問題而導致的電場無法正常運行的事例屢見不鮮。目前我國在風電場接入電網后選擇的電網配電系統電流保護方式主要是傳統的三段式保護。三種完全不同的電流保護方式，在使用的過程中能發現其使用的效果能得到顯著的提升，其本身屬于經典的保護方式，使用時通用性非常的強，可以在最短時間內切斷故障，并且起到對電網的良好保護作用。當然而風電場接入電網之后，如果仍舊選擇使用最傳統的電流保護方式，其在保護的過程中，保護的效果不佳，無法完全做到在最短時間內直接切斷故障，判斷故障的使用效果，甚至會給電網在使用中造成非常明顯的隱患。為此，需要在當前提高電網的保護配備方式。

（一）定時限過電流保護

如果使用的是定時限過電流保護法，其和電網中的電流強弱基本沒有關系。定時限過電流保護法在使用中其理念是在固定的時間內，根據不同的動作進行配備，并且找到其中的保護裝置，應該明確該保護裝置本身不存在隨機性，更是固定的保護，能促使電力系統使用的整體效果的大提升，并且完成對整個電網的保護和管理。

（二）電流速斷保護

這是一種十分常見的保護裝置，其主要應用在當電網本身發生短路故障的時候，電流會在瞬間超過原裝置設置的最大電流即能夠觸發電網的自動保護動作，切除故障電流速斷保護是一種不帶任何時間限制的保護，該保護方式不會因為時間而發生任何的改變，不具有時間性。在使用這一種保護裝置時，其動作非常的迅速，能夠在第一時間內直接將故障切除。但是在使用電流速斷保護裝置時也存在一個問題，就是其會產生一定的保護死角，無法完整地保護整個電網的所有線路。為此，需要解決這一問題，在電流速斷保護中裝置中加入一定的時間繼電器，其目的是為了保證整個電網在使用時的安全性。

（三）限時電流速斷保護

限時電流速斷保護裝置這一種裝置也是目前常見的保護裝置之一，其本身就有一定的延時功能。在任何情況下使用限時電流速斷保護裝置都能夠短時間切斷電流的故障，并且確保整個電網的線路長度并不會受到任何的影響，其整個電網都是相對安全的，能夠提高保護的整體質量，同時也不會影響到其他保護裝置在使用時的使用效果。

三、風電場接入地點和障礙位置對電力系統電網繼電保護的影響

當風電場接入到電力系統的電網中，一定要考慮到對電力系統電網的繼電保護。由于風電網在接入時最開始會有一定的操作設計，其中包括了對電流保護裝置的基本規定，但是基本規定所影響的電網系統中范圍不一樣。為此，在整個電力系統中，電網的繼電保護在面對不同的故障時，其所保護的范圍也存在著一定的區別。比如，當風電場接入電網的位置時，其位置在于電網的饋線非末端母線的c段，則可以將線路假定為ABCD四個不同的點。電網繼電則分別需要保護（1）（2）（3）如果在c段上發生了部分故障時，那么電網保護一則會在最短的時間內斷開故障位置并且提高電網的保護效果，而如果是母線c段的下半部分發生故障，則保護（3）處會對故障進行處理，但是也會存在一個問題，就是故障被不斷的擴大化，這種如果故障過于擴大化，很有可能會引起保護（3）和相鄰線路有著傾向性，導致線路直接失去聯系。為此，一定要了解到在整個保護的過程中，如果發生在下部分并且故障擴大，其很有可能會引發類似的問題，比如說保護（1）和保護（2）也存在著線路相鄰而出現傾向性失去聯系的問題，甚至還有可能會導致保護（2）的短路電流不斷減小，直接降低了線路在保護過程中的靈敏度，如果電流小到一定程度時，會導致電流速斷出現了繼電保護失靈的現象。

四、風電場接入裝機大小對電網的影響

（一）對電力系統繼電保護的影響

根據目前我國的風電場接入電網的狀態來說，一定要考慮到其接入后裝機容量大小是否發生了變化。其中分為兩個不同的情況，第一種風電場自身的容量相對較小，那么當風電場出現了故障或者說風電場的運行效果不佳，其很有可能會出現電網自身被造成的影響較小，不會給電網的穩定運行帶來負面影響。第二種當風電場自身的容量較大時，則需要考慮到其是否會給電場造成較大的影響，一定要確保在故障沒有出現之前對故障進行解決，防止由于故障的存在導致各個不同的部位之間其難以滿足電網穩定運行的需求。為此，應該分析其中可能存在哪些問題，并且對問題進行逐一的解決，確保在故障出現之前能對故障進行預判，防止故障出現的頻率在一次次的提高，甚至給電力企業發展帶來負面影響。

（二）對電網電壓穩定性的影響

當風電場接入電力系統時，如果其風電場本身處于大規模的電場則需要考慮到風電場中的無功功率，其無功功率的需求較高，很容易出現電網電壓不穩定性的情況，為此一定要考慮到其電壓的穩定性，避免由于風電場容量過大，而導致的無功功率控制能力在不斷下降。考慮到其影響的過程中一定要明確：第一，風電場是否存在著有功輸出，有功輸出能促使風電場自身的負荷特性在增大，特別是其中的極限功率，可以達到靜態電壓穩定這一目的，并且提高風電場的應用效率;第二，大部分的風電場，其自身存在著較為明顯的無功需求，而大量的無功需求會導致風電場自身的負荷特性其自身的極限功率在不斷地減少，這種情況的出現也直接降低了靜態電壓的穩定性。應該明確風電場自身的負荷對電網電壓所帶來的不同影響，提高電網的穩定性。

五、結語

綜上所述，近幾年風力發電的速度十分迅猛，其占據我國整體發電的比例越來越高，如何將風電與電網結合使用，提高電網的穩定性也成為了很多電力企業需要思考的問題。風電對電網的影響可以說是越來越大，風電相比于傳統的中國發電方式，比如說火電、核電而言，其電力系統的穩定性相對較差這是由于風力發電受到風速的影響，其本身具有隨機性以及不穩定性，而電網電力系統的穩定性對社會中各行各業的發展而言，有著非常巨大的影響，如果電網本身是不穩定的，就會導致在日常的工作中人們出現擔驚受怕的狀況，甚至會導致我國的其他行業發展速度逐漸變緩。為此，做好繼電保護，確保電網在整體運行中的安全性和穩定性同樣也是目前在經營管理中十分重要的一部分，風電場接入電網時應考慮到其自身的容量以及對電網安全穩定性的作用，確保風電場接入電網能提高其整體的使用質量，滿足我國對于風力發電的需求。

參考文獻：

[1]安建輝.大規模風電接入的繼電保護問題綜述[J].產業與科技論壇，2018，17（24）：46-47.

[2]肖彥江.風電場適應性繼電保護的探討[J].低碳世界，2016（36）：21-22.

作者簡介：劉世增（1988— ），男，漢族，云南大理人，本科，工程師，研究方向：風電場并網。