基于大規模風電接入的繼電保護問題的分析與研究

大唐陜西發電有限公司新能源分公司 張 鵬

1 引言

在分析風電系統繼電保護的保護故障時，應結合系統的實際運行情況，以減少故障為首要原則，結合系統的實際情況，合理設置繼電保護的接線方式。目前，一些新投用的風電場的設計和安裝必須與風電場的實際安裝位置和風力條件相結合。如果系統的安裝沒有提供接地方式，為了考慮設備的安全，可以設置微機小電流接地選線裝置[1]。如果很難通過小型微機接地選線裝置解決系統繼電保護問題，也可采用故障隔離法消除系統故障。此外，還可以利用相功率測量系統、故障錄波裝置等監測設備，可以實時監測風力發電系統中各設備的運行情況。還可以進行電力系統的數據收集獲取、分析和處理，作出系統和設備的運行狀態反饋。如果當風電場中出現集群線路問題時，系統母線和風力發電機組之間的將會出現電壓差的大幅度偏差，并且會隨著故障時間的推移很難消除故障，最終將對風電場實際運行的可靠性產生極大地影響，甚至出現了系統大規模癱瘓。

為了消除隨著時間的推移這類型的故障，有必要通過繼電保護準確定位故障點并進行隔離故障。繼電保護自動化系統可以實時監測電網的實際運行情況，記錄和分析系統中的參數，診斷系統故障，發現系統故障及時采取隔離和報警措施。為了考慮大規模風電接入對繼電保護的適應性等問題，需建立多站聯合控制的連接策略。這樣可以合理地防止由于風電場的不穩定而導致電網系統癱瘓，從而建立完善合理的繼電保護系統。為此，本文中大規模風電接入對繼電保護的等問題進行了分析與研究。

2 現狀分析

目前，由于風電項目投資和裝機容量規模較大，但風力發電輸出的電量不到區域能耗的1%，在起初設計過程中，風力發電僅用作為輸電線路中單一負荷使用。但隨著風力發電裝機容量的加大，原來所設計的繼電保護裝置不能滿足現運行的要求，所以必須根據風電場運行中的實際情況的適應性進行評估：

由于風電場在風力發電過程中的輸出電量與電網的實際情況有關。風力發電過程中的其電流具有雙向性，可以來自電網系統也可以來自生風電場產生。特別是在風電機組開始工作時，如果在此過程中電流和電壓的流向發生變化，很容易引起繼電保護裝置的反饋誤差，導致系統負載誤差和風電機組故障。傳統意義上的電網繼電保護裝置設計簡單，大多采用三級電流保護，在中間段是缺少具有方向的繼電保護元件。因此，原有設計的繼電保護裝置無法滿足現在大規模風電接入電力系統適應性的要求。

大規模的風電接入電力系統對繼電保護裝置也產生一定的影響。由于風電系統在實際運行過程中，其系統中的變壓器時有會發生接地故障，導致保護裝置發零序保護動作不間歇的作出響應，這種長期響應會對繼電保護裝置的靈敏度產生不同程度的影響。

目前，由于各種不可控原因風電場在實際運行中的時有發生短路現象，若發生短路故障時且故障點難于準確測距的情況下，其短路電流會間歇性波動。此時繼電保護裝置難于對整個系統進行采取繼電保護作用，來避免故障事件的擴大。同時，還難以結合系統的現狀，采取從整體到局部進行分析和解決。

3 風電系統繼電保護的特征

由于大規模風電系統接入電力系統，導致原有的繼電保護裝置在發生的故障特征響應動作難于適應現有的風電系統。而目前現有的大規模風電系統在繼電保護故障特征有如下特點：

風力發電的弱反饋導致了升流保護原理的局限性。然而，無論功率特性發生什么變化，系統網絡參數都相對穩定。因此，基于系統網絡參數的保護原則，用于參數識別和模型識別的原則，仍然可以把風能接入電力系統。

由于風能具有諧波特性和頻偏特性會影響工頻采集的準確性，從而影響頻域保護的性能。因此，基于頻域保護的性能原理可能更適合風電系統接入電網。

由于風電系統的阻抗具有不穩定，導致正、負序阻抗值不相等，適用于風電連接線路的保護原則應基于總故障量的保護原則[2]。

重合閘的使用不僅會對繼電保護功能產生重大影響，還會對風能的獲取產生重大影響。當故障發生時，將極大地影響風電接入保護的效率。因此，及時處理故障恢復是非常重要的。當風電場未能準確檢測到繼電保護裝置的故障時，即使系統的實際電壓值非常小，系統也會因電壓參數異常而導致重合閘失敗，但LVRT功能保持不變。系統可以使用多個零電壓穿越，使系統的穿越時間小于90ms/次。結合系統運行情況，交叉時間也可設置為120ms/次。

綜上所述，基于網絡拓撲參數、時域和總故障量的保護原理能夠適應風電系統的故障特征，可以成為風電系統繼電保護研究的主要方向。

4 風電系統接入對繼電保護影響分析

風電機組故障電流受電力電子設備耐受過流能力和控制策略影響，幅值受限、相角受控，與常規同步發電機存在本質區別，其短路電流受不同控制參數及控制策略影響，無法提供持續且穩定的工頻分量，幅值受限且呈現強非線性，同時風電接入配電網，潮流雙向流動且變化范圍大，拓撲結構變化復雜，傳統配電網配置的保護及整定計算方法可能存在無法適用的情況。

4.1 過流保護

隨著大規模風電的增多，將對各級線路過流保護的配合及整定計算帶來挑戰。大規模風電接入輻射式配網，下游線路故障時的電流助增作用可能引起下游過流保護誤動，外汲電流可能引起上游過流保護拒動；相鄰線路故障時，大規模風電向上游保護提供反向故障電流，可能引起上游過流保護誤動。

改進方案：以環網為例，階段式電流保護難以適應分布式新能源接入，可考慮自適應電流保護與加速判據配合。將故障后保護安裝處的電壓引入判據，構建自適應正序電流速斷保護。同時，利用對端保護先動作后，本側保護測得正序電流的變化量進行保護加速，實現了限時電流速斷保護的加速動作。

4.2 距離保護

大規模風電接入導致保護測量阻抗變化，尤其當故障點過渡電阻較大時，可能導致保護不能正確動作。

風電接入多級串供線路如圖1所示。當DG1電流超前系統側電流時，DG1會使保護1的測量阻抗增大；當DG1電流滯后系統側電流的角度大于阻抗角時，DG1會使保護1的測量阻抗減小。

圖1 風電接入多級串供線路圖

4.3 差動保護

故障期間由于電力電子設備短路電流幅值受限且相角受控，護靈敏度降低。當分布式新能源占比較高時帶來差動保護。

當接入強電網時，電網側提供短路電流遠大于分布式新能源側提供短路電流，差動保護靈敏度基本符合標準要求，動作性能基本不受影響；當接入弱電網時，電網側和大規模風電側提供短路電流均有限，差動保護靈敏度降低。

圖3 電流二次諧波含量變化圖

改進方案：一般情況下傳統的電流差動保護能夠滿足要求，在一些靈敏度不足的地方為保證快速且具有選擇性的切除故障段，可考慮采用自適應調節的差動保護。可利用故障分量電流幅值特性構造自適應制動系數，隨系統運行狀態自適應調節制動系數，在保證區外故障選擇性的同時，采用更低的制動系數，增大保護的靈敏性，提升保護可靠性。

4.4 重合閘

故障時風電將向故障點持續提供短路電流，造成故障點無法熄弧，影響重合閘動作，同時新能源機組孤島運行后將失步，為避免重合失敗以及風電系統非同期合閘，現階段在重合前切除新能源機組。

4.5 備自投

風電系統的電壓支撐作用，對故障后備自投動作產生影響。如圖2接入風電機組的110kV/10kV終端示意圖中，當變壓器T1發生故障，跳開QF4，由于分布式新能源接入10kV I母線，導致母線電壓未跌落至0.2pu以下，QF6備自投將失敗（備自投檢測母線電壓低于0.2pu時動作）。

圖2 接入風電機組的110kV/10kV終端示意圖

4.6 諧波相關

隨著風電容量逐步提升，交流系統故障后接入電網的風電系統會產生大量諧波，導致系統中諧波相關保護出現拒動和誤動風險。變壓器保護區內故障后二次、三次諧波分量大于20%,造成差動保護誤閉鎖，電流二次諧波含量變化圖如3所示。

綜上所述，在大規模風電接入電力系統后，針對過流保護性能下降、差動保護靈敏度降低等問題，需要提升電力系統的安全水平及供電可靠性，其中提高可靠性繼電保護配置方案如表1所示。

表1 提高可靠性繼電保護配置方案

5 結語

大規模風電接入接入電力提系統并高度滲透，配電網功率雙向流動，其故障電流分布特點與傳統配電網相比有很大變化，對配電網繼電保護有多方面的影響。其中潮流變化對保護的影響表現在：使傳統電流保護、距離保護不正確動作；影響保護定值整定策略。短路電流受控對保護的影響表現在：短路電流幅值、相位受控，DG接入點、接入容量影響保護靈敏度。影響安全自動裝置表現在：重合閘、備自投等可能動作不成功，影響瞬時性故障恢復供電能力。