關于風電場適應性繼電保護的探討

陳濤

摘要：風電場機組容量每年都在增加，大型風電接入系統對電力系統的電能質量有很大影響。因風能的隨機性及不可控性，風電所占系統容量份額增加，提供給系統的短路電流越來越大。因而，風電保護配置對電網有著重要的影響。

關鍵詞：風電場;適應性;繼電保護

在科技及經濟的推動下，用電量逐年增加，能源短缺逐漸顯現。在此背景下，風電受到了極大的關注和有效的發展，但對風電接入繼電保護的影響不容忽視，特別是大規模風電接入。因此，如何保證風電繼電保護的應用，確保保護動作的有效性主可靠性，提高其穩定性，是迫切需要解決的問題。

一、風電場繼電保護重點

1、區域保護。在風電場風輪機塔底部，690V斷路器用于繼電保護下垂發電機及電纜。風力機變壓器至風輪機塔基柜的690V連接電纜，斷路器用作變壓器690V側電纜保護。35kV/690V變壓器，包括周圍端部區域，應充分考慮變壓器激磁浪涌電流，保證其高靈敏度。35kV負載開關切除大故障電流。風電場低電壓斷，故障時產生的故障電流小，此時保險絲的切除功能不理想，可用分斷開關將其切斷。

2、有限接地故障保護是檢測低壓繞組及端部區到地的漏電流。常規保護方法可有效保護過電流與接地故障。

3、風電場接入33kV電網時，無主變壓器，可用類似于同容量公用電網變壓器的繼電保護，使用33kV/11kv變壓器繼電保護。實際上，由于33kV開關保險絲少，這使得在整個范圍內很難完全保護故障電流，尤其對低電壓端單相接地故障的綜合保護，很難達到理想效果，因此可用綜合保護進行全面保護。

二、風電場的保護作用

1、風電場保護電纜、變壓器與周圍區域。電力系統中，風電場維護主要體現在電纜和變壓器的維護上。①斷路器一般安裝在風輪機塔地面，以便于發電機和下垂電纜的良好維護。②電纜一般用于將風力發電機變壓器和風輪機塔機柜的連接，并且斷路器和穩定導體用于制造變壓器和維護測試電纜。③維護變壓器及鄰近區域，對變壓器激磁浪涌電流進行了詳細分析。在變壓器故障檢測中，發現的問題應及時解決處理。④若低壓側發生故障，電流將相對較小，此時若無法切除保險絲，則需使用分段開關切斷。

2、風電場能有效接地進行故障保護。風電場通常易受資源環境的限制。因此，風電場選址應嚴格按實際環境選擇，盡可能位于有足夠風量的開闊區域。另外，風電場接地保護也應注意，主要是因空曠風電場易受雷擊，因此必須采取有效措施防雷，加強風電場的保護。

三、風電機組和風電場故障特征

一般來說，與傳統發電機組相比，風電機組主要采用異步發電機，無專門的勵磁裝置，時間常數和轉動慣量小，所以與傳統同步發電機相比，其故障特性和輸出電流有一定變化。電接入對繼電保護性能有很大影響，從衰退特性和波形分析等方面對風電場風機故障進行分析研究。由于傳統配電網的網絡結構多為輻射狀，因此大型風電場集電線道與其存在顯著差異，加上所有集電線路兩側母線均設電源分布，通常被稱為雙端電源元件，因此風電場繼電保護的整定原則和配置有很大不同。電網保護配合關系和保護配置方式是風電場網絡保護及風電線路保護的基本原理。如何實現風電大規模接入電網是當前研究重點，繼電保護主要功能是為電網安全運行提供服務。目前，繼電保護還未大規模凸顯其不足，隨著調度等問題的解決，風電在電網中所占比例越來越大，因此，風電場適應性繼電保護越來越受到人們的重視。

四、風電對電網繼電保護的影響

1、若異步發電機存在短路問題，則其電流將以指數規律降至零。由于轉子轉速決定了感應電機短路電流，定子繞組非周期電流的初始值和瞬態阻抗決定了電流初值，因此，隨著定子繞組和暫態時間常數變化，感應電機短路電流按指數規律下降至零。短路電流將根據定子繞組時間、暫態時間常數和指數規律減小到零。風電機組采用一步發電機，無獨立勵磁裝置，

當電網發生短路故障時，發電機會失去勵磁，加之其兩端電壓大幅下降，因此，很難將短路電流傳輸到電網，當發電機處于兩相短路時，輸出短路電流最大，三相短路時，輸出短路電流很小且持續。

2、風電不是連續性，而是間歇性。風電場的部分潮流是雙向性，需不同于常規的風電繼電保護。有風時風機連接到電網，若風速變化，為更有效地避免因風速變化而損壞接觸器，電動機在風機短路時運行，因而當系統中潮流方向發生變化，繼電保護裝置將誤動。

3、并網雙饋風電機組的短路電流特性與常規異步發電機的定速風電機組有很大的不同。當發生短路故障時，電機各相電流迅速發生，并按指數規律逐漸衰減。雙饋電機短路電流初始值取決于定子繞組非周期電流初值和暫態阻抗，其原因為雙饋電機轉子只考慮勵磁支路。在短路情況下，雙饋電機短路電流隨定子繞組及其暫態時間常數呈指數下降。雙饋風力發電機提供的短路電流在兩相短路故障時電流大，在三相短路故障時持久且瞬時。

4、公用電網電源是風電場故障電流的主要提供者，只有通過有限的故障電流才能實現有效的故障識別，因此風電場的保護有一定難度。

五、風電場接入繼電保護措施

1、加強對故障電流波形特征的研究。對大多數繼電保護裝置來說，短路電流值和衰減特性往往是保護重點，保護效果僅從繼電保護配合和整定角度考慮。一般來說，故障電流波形特征和暫態濾波算法是影響繼電保護性能的重要因素，所以有必要對線路故障電流波形特性進行全面細致的分析，以此提高繼電保護性能。

2、加強風電場控制系統與電網繼電保護裝置的配合。風電場繼電保護的定制和繼電保護時限一般應與電網保護一致。但在電網風電場接入管理中，為防止因定值問題引起的脫網故障，有必要加強風電場與電網保護部門間的溝通，并在工作中相互協調配合。另外，還需加強電網自動重合閘、后備保護、緊急停機和切斷負荷等保護，同時，不斷加強風電場控制工作間的協調配合，提高保護動作的有效性及可靠性，穩定風電場。

3、加強風電場集群線路繼電保護方法的開發。一般情況下，當線路發生故障時，風機不會產生短路電流，導致短路電流波形不穩定，并可能因其他因素而發生變化。所以為有效識別故障，必須充分考慮電網及其應用產生的短路電流，需對電力系統保護定值、延時配合進行全面考慮分析，其原因為故障排除時間越長，風電場系統和電力系統的穩定性越低，因此，有必要分析研究風電場線路的故障特征，并加強風電場集群線路繼電保護方法的研究。

4、構建電磁瞬態仿真模型。隨著永磁直驅機組及雙饋風電機組在電網中所占比例的不斷增加，其控制策略及系統越來越復雜，控制策略與故障電流密切相關，繼電保護不可避免地涉及風電機組的控制。因而，應加強電磁暫態仿真模型的開發構建，以輔助分析繼電保護性能和整定。

總之，通過對風電場系統各種問題的分析總結，實現風電場的適應性保護，有效提高保護動作的效率及可靠性，是提高風電場系統與電力系統可靠性的關鍵，以確保風電場穩定及風電的持續健康發展。在分析風電機組和風電機組故障特點、風電對電網繼電保護影響的基礎上，提出了風電場接入繼電保護措施。因此，適應性繼電保護在風電場保護中的應用非常重要。

參考文獻：

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

[2]文玉玲.關于風電場適應性繼電保護的探討[J].電力系統保護與控制，2015（05）.