風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響及配置方案

上海能源科技發(fā)展有限公司 孫建鵬

雙碳戰(zhàn)略規(guī)劃在能源生產(chǎn)領(lǐng)域的廣泛推進(jìn)，為我國能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整指明了方向，為緊跟碳達(dá)峰、碳中和政策，全面貫徹節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，政府與能源企業(yè)逐步深化了對(duì)清潔能源的開發(fā)與利用，在大規(guī)模風(fēng)電光伏、太陽能、水電等電力生產(chǎn)項(xiàng)目中投入了更多的支持。在電力供應(yīng)體系中接入風(fēng)電機(jī)組，對(duì)電力生產(chǎn)與供應(yīng)進(jìn)行一體化、智能化的管理與控制，可在優(yōu)化電力資源整體調(diào)配結(jié)構(gòu)的同時(shí)，降低電力生產(chǎn)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的多方面、復(fù)雜性影響。

隨著低碳環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展理念的宣傳與普及，人們逐步對(duì)清潔能源的創(chuàng)新化、多元化開發(fā)項(xiàng)目投入了更多的關(guān)注，百萬千瓦規(guī)模風(fēng)電、風(fēng)-儲(chǔ)聯(lián)合風(fēng)電、海上風(fēng)電等項(xiàng)目的建設(shè)數(shù)量逐年上升。在風(fēng)能開發(fā)領(lǐng)域，由于風(fēng)能發(fā)電的風(fēng)力、風(fēng)速、風(fēng)向等都具有不可控性，為保證電力供應(yīng)的平穩(wěn)性與可靠性，在機(jī)組接入的過程中，應(yīng)合理設(shè)置接入方案、裝設(shè)聯(lián)跳與差動(dòng)保護(hù)設(shè)施、制定合理的升壓控制與管理對(duì)策，并構(gòu)建起電氣運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，嚴(yán)格排查故障風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生異常問題應(yīng)第一時(shí)間啟動(dòng)故障處理方案，全方位、多層次的保障電力系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)維[1]。

為了保證風(fēng)電系統(tǒng)在電網(wǎng)中的穩(wěn)定、安全運(yùn)行，需要相關(guān)技術(shù)管理部門在全面掌握風(fēng)能發(fā)電特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的故障問題表現(xiàn)、裝機(jī)規(guī)模對(duì)繼電保護(hù)的影響等情況進(jìn)行針對(duì)性的分析，科學(xué)制定電網(wǎng)接入配置規(guī)劃，確保裝機(jī)與設(shè)備操作的規(guī)范性，進(jìn)而為電力生產(chǎn)與供應(yīng)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定運(yùn)維奠定基礎(chǔ)。

1 風(fēng)電場(chǎng)和風(fēng)電機(jī)組的故障特性

1.1 風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維常見的故障類型與表現(xiàn)特征

當(dāng)前，風(fēng)電機(jī)組主要采用感應(yīng)式的異步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，與同步發(fā)電系統(tǒng)相比無需另外設(shè)置勵(lì)磁裝置，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與時(shí)間常數(shù)數(shù)值相對(duì)較小，在故障排查與常規(guī)檢修工作中，主要通過對(duì)電流大小的計(jì)算、波形觀測(cè)、暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)短路導(dǎo)致的電流衰減特征分析等方式，判斷故障類型與故障位置。在傳統(tǒng)電力生產(chǎn)系統(tǒng)的繼電保護(hù)措施設(shè)計(jì)與配置工作中，需事先模擬故障發(fā)生狀態(tài)，假設(shè)沒有其他影響因素時(shí)，短路電流的衰減與大小波動(dòng)對(duì)發(fā)電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的影響，計(jì)算對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)后與固定特征電流波動(dòng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，確定設(shè)備下一步操作指令，及時(shí)控制開關(guān)、啟動(dòng)繼電保護(hù)裝置[2]。

該種繼電保護(hù)系統(tǒng)需發(fā)電設(shè)備三相對(duì)稱，且與發(fā)電機(jī)電源處于常規(guī)固定狀態(tài)下，但風(fēng)電機(jī)組中的發(fā)電系統(tǒng)主要以異步結(jié)構(gòu)為主，包括雙饋式發(fā)電系統(tǒng)與鼠籠式發(fā)電系統(tǒng)等。因此當(dāng)風(fēng)機(jī)設(shè)備接入電網(wǎng)后，發(fā)生短路故障時(shí)，鼠籠式異步機(jī)組沒有安裝勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，缺乏提供勵(lì)磁的渠道，短路電流迅速歸零，電網(wǎng)不會(huì)受機(jī)組故障的影響。而雙饋式風(fēng)電異步機(jī)組定子側(cè)屬于三相對(duì)稱繞組結(jié)構(gòu)，可利用變流器對(duì)脈寬進(jìn)行調(diào)制，向轉(zhuǎn)子側(cè)輸送交流勵(lì)磁，使風(fēng)電機(jī)組與接入電網(wǎng)保持單項(xiàng)連接的狀態(tài)，可與電網(wǎng)系統(tǒng)直接連接起來。當(dāng)異步機(jī)組發(fā)生故障異常時(shí)，短路電流經(jīng)由轉(zhuǎn)子側(cè)變流設(shè)備的處理后，保持連續(xù)性、穩(wěn)定性的電流輸出。

1.2 風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)電網(wǎng)運(yùn)維的主要影響

1.2.1 接入與故障位置的影響

不同類型、規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的位置不同，對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行、功能影響也存在差異。在確定風(fēng)電場(chǎng)接入與配置方案時(shí)，會(huì)根據(jù)根據(jù)各項(xiàng)影響因素對(duì)施工設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，按照基本規(guī)定制定電流保護(hù)策略，但實(shí)際接入情況往往會(huì)受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、施工技術(shù)、管理規(guī)范等方面的影響，保護(hù)范圍、保護(hù)形式存在較大的差異，會(huì)對(duì)系統(tǒng)繼電保護(hù)功效產(chǎn)生連帶的影響。

如，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)選擇饋線母線（非末端）處為接入點(diǎn)時(shí)，可將該段饋線劃分為ABCD四段，接入位置在C段，繼電保護(hù)系統(tǒng)需保護(hù)四個(gè)分段，當(dāng)C段出現(xiàn)故障異常時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)斷開該段與其他線路的連接；如果是母線D段出現(xiàn)故障，為控制故障影響范圍需啟動(dòng)繼電保護(hù)裝置保護(hù)C段，并對(duì)D段故障問題進(jìn)行分析與處理，避免D段故障影響相鄰線路，出現(xiàn)失去控制的問題。

1.2.2 線路重合開關(guān)的影響

當(dāng)電力系統(tǒng)電源線路損毀、接觸不良等故障問題發(fā)生時(shí)，會(huì)導(dǎo)致頻繁跳閘的問題，風(fēng)電系統(tǒng)的電壓、功率會(huì)大幅度波動(dòng)，面臨兩方面的風(fēng)險(xiǎn)：一方面會(huì)出現(xiàn)非同期合閘操作、重合操作失敗。在電源無法支持的情況下，電力系統(tǒng)無法與供電網(wǎng)絡(luò)保持同步運(yùn)行的狀態(tài)，電源線路進(jìn)行重合閘的操作時(shí)，系統(tǒng)與電網(wǎng)的相角差拉大。與此同時(shí)，不同期的合閘操作導(dǎo)致系統(tǒng)受到強(qiáng)烈的電流沖擊，引發(fā)保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，無法自動(dòng)進(jìn)行恢復(fù)；另一方面故障位置容易出現(xiàn)電弧重燃的問題，風(fēng)電系統(tǒng)沒有電源的支持，故障點(diǎn)在風(fēng)電支持下會(huì)自動(dòng)消除，但當(dāng)電網(wǎng)重合閘后系統(tǒng)重新獲得電源支持，故障點(diǎn)發(fā)生躍變的可能性增加，發(fā)生重燃問題，甚至?xí)霈F(xiàn)絕緣擊穿的事故，具有較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.3 側(cè)線保護(hù)的影響

接入電網(wǎng)后，當(dāng)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)繼電系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)保護(hù)操作，隔離系統(tǒng)會(huì)直接短路，使系統(tǒng)電源與線路解列。通常情況下風(fēng)電機(jī)組的容量較小，系統(tǒng)電源短路，對(duì)于機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生直接的影響，如果差動(dòng)保護(hù)裝置設(shè)置不合理、功能選擇不匹配，將會(huì)出現(xiàn)側(cè)線保護(hù)失靈的狀況。針對(duì)該種情況，管理部門通常會(huì)選擇強(qiáng)化通道線路保護(hù)力度的方式，對(duì)兩側(cè)線路的配光差進(jìn)行控制，即使后續(xù)出現(xiàn)變負(fù)荷的問題，電網(wǎng)通道受到的影響也不會(huì)降低設(shè)備運(yùn)行效率。

1.2.4 電壓穩(wěn)定的影響

風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)接入規(guī)劃配置時(shí)，需要綜合考慮電場(chǎng)規(guī)模對(duì)電力系統(tǒng)電壓的影響，如果其風(fēng)電場(chǎng)本身處于大規(guī)模的電場(chǎng)，其無功功率的需求較高，很容易出現(xiàn)電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定性的情況。因此，為保證電力整體生產(chǎn)與運(yùn)維管理系統(tǒng)的有效、安全運(yùn)行，需全面考慮電場(chǎng)具體規(guī)模、容量，合理設(shè)置無功功率的控制方案。重點(diǎn)分析兩方面的影響因素：一是風(fēng)電場(chǎng)電力生產(chǎn)過程中的有功輸出。有功輸出可增加風(fēng)電機(jī)組的負(fù)荷特性，有功極限功率能保證靜態(tài)電壓維持在穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)合理增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行效率；二是風(fēng)電場(chǎng)無功需求情況[3]。如果電場(chǎng)無功需求過高，將會(huì)導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行的負(fù)荷特性、極限功率大幅度降低，影響系統(tǒng)靜態(tài)電壓的可靠性與穩(wěn)定性。

2 風(fēng)電接入工程繼電保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化配置方法

2.1 合理規(guī)劃電網(wǎng)接入方案

一體化、自動(dòng)化電力生產(chǎn)控制系統(tǒng)的建設(shè)包括大量設(shè)備的安裝與管理，長期處于高效運(yùn)行狀態(tài)的各類設(shè)備需要不同的執(zhí)行管理規(guī)劃，才能保證系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性與協(xié)調(diào)性。當(dāng)電網(wǎng)接入風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，應(yīng)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的設(shè)備配置進(jìn)行綜合性、全面性的考量，確保風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備與電力系統(tǒng)設(shè)備之間運(yùn)行控制能夠有效配合。現(xiàn)階段，人工智能、分布式光伏、大數(shù)據(jù)等技術(shù)在電力領(lǐng)域的多元化應(yīng)用，使得電力生產(chǎn)的形式不斷優(yōu)化改革，電網(wǎng)鋪設(shè)的范圍逐步擴(kuò)大，電場(chǎng)的建設(shè)也呈現(xiàn)出規(guī)模化、集成化的特點(diǎn)，因此，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)故障問題，很有可能會(huì)導(dǎo)致電力網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)供應(yīng)延遲、暫停運(yùn)行等情況，嚴(yán)重情況下還會(huì)引發(fā)安全事故。

為此，當(dāng)技術(shù)人員對(duì)接入方案進(jìn)行實(shí)際規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，需全面掌握風(fēng)電系統(tǒng)常見故障類型、表現(xiàn)、原因，制定針對(duì)性的故障風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)與排除對(duì)策，并根據(jù)電網(wǎng)的整體運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一體化、智能化的操作系統(tǒng)，最大限度的降低風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行操作的影響，配置科學(xué)、合理的繼電保護(hù)裝置與操作系統(tǒng)。與此同時(shí)，在實(shí)際安裝工程中應(yīng)做好設(shè)計(jì)交底，并派遣較為專業(yè)的管理人員對(duì)接入過程進(jìn)行全程把控，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案對(duì)選擇、安裝相應(yīng)設(shè)備，確保各個(gè)施工環(huán)節(jié)的有效銜接，保證各類設(shè)備安裝的規(guī)范性，并在設(shè)備使用前進(jìn)行狀態(tài)調(diào)試，檢測(cè)繼電保護(hù)系統(tǒng)操作的靈敏性與可靠性[4]。

2.2 科學(xué)配置安裝聯(lián)跳保護(hù)裝置，及時(shí)排查故障問題

聯(lián)跳裝置的配置。針對(duì)風(fēng)電大規(guī)模接入電網(wǎng)對(duì)電路保護(hù)系統(tǒng)的影響，技術(shù)部門往往會(huì)選擇安裝聯(lián)跳裝置控制故障影響。在風(fēng)電機(jī)運(yùn)行前，將保護(hù)聯(lián)跳裝置安裝在風(fēng)電機(jī)的兩側(cè)，安裝期間應(yīng)綜合連接繼電保護(hù)和短路電流，使電網(wǎng)系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)設(shè)備的控制保持一致性，一旦發(fā)生故障情況，可通過繼電裝置的自動(dòng)控制操作截?cái)嚯娏鳌Ｂ?lián)跳保護(hù)裝置作為繼電保護(hù)系統(tǒng)的重要構(gòu)成，能保證即使電機(jī)出現(xiàn)短路或跳閘情況時(shí)，也可利用智能化、一體化的控制系統(tǒng)降低故障影響，保證電網(wǎng)保持平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)。

強(qiáng)化檢修管理，全面排查故障異常。在構(gòu)建現(xiàn)代智能電網(wǎng)體系時(shí)，為保證電力生產(chǎn)與供應(yīng)系統(tǒng)的有效融合，需相關(guān)管理單位全面了解各種故障發(fā)生的表現(xiàn)特征與實(shí)際影響，針對(duì)性的對(duì)風(fēng)電接入過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析，制定靈活性、科學(xué)性的檢修方案，通過計(jì)劃檢修、狀態(tài)檢修、故障檢修結(jié)合的模式，全面性、動(dòng)態(tài)化的對(duì)故障風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行排查，建立起以事前嚴(yán)格預(yù)防、事中強(qiáng)化控制、事后快速處理的管理機(jī)制，為電力系統(tǒng)的高效、有序、順暢運(yùn)行夯實(shí)基礎(chǔ)。

2.3 操作系統(tǒng)的配合建設(shè)與使用

在風(fēng)電接入電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)，為了確保電力生產(chǎn)環(huán)節(jié)與供應(yīng)系統(tǒng)的有效配合運(yùn)維，需設(shè)置集成化的操作控制系統(tǒng)，在保證二者操作獨(dú)立性的同時(shí)確保各控制模塊間的協(xié)同性，基于綜合管控與聯(lián)動(dòng)需求建立起全面覆蓋的電網(wǎng)繼電保護(hù)機(jī)制，使電網(wǎng)操作系統(tǒng)與保護(hù)系統(tǒng)相互契合，避免由于操作控制指令無法實(shí)時(shí)傳達(dá)、脫網(wǎng)故障、系統(tǒng)不兼容等情況的發(fā)生。

2.3.1 升壓保護(hù)系統(tǒng)

風(fēng)電場(chǎng)的變電裝置是系統(tǒng)運(yùn)維管理的核心，其保護(hù)系統(tǒng)按照運(yùn)行方式的不同可分為主保護(hù)系統(tǒng)與后備保護(hù)系統(tǒng)，電網(wǎng)接入風(fēng)電系統(tǒng)后，變電站升壓過程中會(huì)對(duì)高壓與低壓側(cè)母線產(chǎn)生不同的影響，需結(jié)合實(shí)際情況安裝對(duì)應(yīng)的母差保護(hù)裝置。通常情況下低壓側(cè)母線無需安裝母差保護(hù)，斷路器主要安裝在變壓器低壓側(cè)位置，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)斷路器切除母線、匯流線的故障。

與此同時(shí)，百萬級(jí)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)數(shù)量的不斷提升，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的電容、控制系統(tǒng)、功率等方面的要求逐步提高，當(dāng)無功功率無法達(dá)到平衡時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致工頻過電壓風(fēng)險(xiǎn)的提高，在風(fēng)電場(chǎng)電壓控制與保護(hù)系統(tǒng)中合理設(shè)置無功補(bǔ)償，能夠通過無功就地補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)電壓、過電壓進(jìn)行控制。如，在海上風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)中，無功補(bǔ)償方案中可采用高壓電抗器、低壓電抗器和動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置（SVG）的配置方案，來保證電網(wǎng)電壓的平穩(wěn)。

2.3.2 差動(dòng)保護(hù)配置

在風(fēng)電接入電網(wǎng)中，差動(dòng)保護(hù)裝置的配置需根據(jù)電網(wǎng)的電壓等級(jí)不同進(jìn)行分類設(shè)計(jì)。以山西垣曲20萬千瓦風(fēng)電并網(wǎng)項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)安裝100臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，裝機(jī)規(guī)模達(dá)到200MW，在繼電保護(hù)系統(tǒng)中，配置了對(duì)應(yīng)的差動(dòng)保護(hù)與速斷保護(hù)裝置，安裝在送出電線的兩側(cè)位置，差動(dòng)系統(tǒng)的差電流選相裝置可在故障發(fā)生時(shí)進(jìn)行自動(dòng)選相，配合線路重合閘單相操作系統(tǒng)可降低單相故障的影響，避免高壓風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)差動(dòng)誤動(dòng)作。在220kV以下的電力系統(tǒng)中，由于裝機(jī)容量相對(duì)較低，送出線路可不設(shè)置差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，配置三相重合閘保護(hù)系統(tǒng)即可。

3 結(jié)語

風(fēng)電作為清潔性、環(huán)保性的綠色能源，作為相較于水力發(fā)電、火力發(fā)電形式具有穩(wěn)定性差、能源轉(zhuǎn)化效率不高的局限性，在接入電網(wǎng)時(shí)，需相關(guān)工程管理部門在全面、動(dòng)態(tài)分析風(fēng)電系統(tǒng)故障表現(xiàn)特點(diǎn)、對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行多方影響的基礎(chǔ)上，優(yōu)化電網(wǎng)接入工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，合理安裝聯(lián)跳、差動(dòng)等保護(hù)裝置，加強(qiáng)日常檢修與養(yǎng)護(hù)管理，制定針對(duì)性的升壓保護(hù)對(duì)策，強(qiáng)化安全風(fēng)險(xiǎn)控制，嚴(yán)格排查故障異常，全方位的為風(fēng)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)、高效運(yùn)行保駕護(hù)航。