大規模風(fēng)電接入的繼電保護問(wèn)題綜述

標簽：風(fēng)電接入電網(wǎng)

摘要：對國內外大規模風(fēng)電接入電網(wǎng)的繼電保護問(wèn)題進(jìn)行了綜述。首先分析了不同類(lèi)型風(fēng)電機組短路電流的幅值和衰減特征，以及影響風(fēng)電場(chǎng)短路電流的因素。其次討論了風(fēng)電場(chǎng)內集電線(xiàn)路的故障特征和相應的保護策略。然后針對高壓輸電系統保護對風(fēng)電接入的適應性，分析了零序保護、重合閘和距離III 段的性能以及相應對策。最后，建議應當從加強風(fēng)電機組故障特性研究、組織力量開(kāi)展保護用風(fēng)電機組電磁暫態(tài)通用模型研究、開(kāi)發(fā)適用于風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路和網(wǎng)絡(luò )保護的網(wǎng)絡(luò )化保護新原理與新技術(shù)以及加強風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)在保護和控制方面的協(xié)調配合4 個(gè)方面展開(kāi)研究工作，解決繼電保護面對的問(wèn)題。

0 引言

繼電保護是電網(wǎng)安全穩定運行的第一道防線(xiàn)，能夠在故障發(fā)生時(shí)快速可靠地識別并有效地隔離故障，對遏制系統運行狀況的進(jìn)一步惡化，保障電能高效穩定的傳輸和利用都具有重要的意義。近年來(lái)，隨著(zhù)能源危機和環(huán)境問(wèn)題的日益突出，風(fēng)電等可再生能源越來(lái)越受到社會(huì )的關(guān)注，其大規模應用，必然帶來(lái)集中接入、遠距離傳輸以及風(fēng)電場(chǎng)內部集電線(xiàn)路網(wǎng)絡(luò )化等問(wèn)題，從而改變電力系統的運行特征。

大規模風(fēng)電接入的繼電保護問(wèn)題屬于智能電網(wǎng)的兼容性范疇。對接入點(diǎn)而言，規?；娘L(fēng)電場(chǎng)對系統運行的影響，已不能象早期小型風(fēng)電接入一樣被完全忽略掉，這已不僅僅是風(fēng)電調度的問(wèn)題，繼電保護所面臨的故障特征同樣也發(fā)生了顯著(zhù)的變化。大型風(fēng)電場(chǎng)內部的機組和機群越來(lái)越多地采用35 kV 電壓等級以網(wǎng)絡(luò )的形式匯集電能，傳統的配電網(wǎng)保護原理和裝置能否滿(mǎn)足風(fēng)電場(chǎng)內部集電線(xiàn)路的要求，也是眾多業(yè)主和電力系統運行部門(mén)必須考慮的問(wèn)題。

為了保證大規模風(fēng)電接入后的電網(wǎng)安全，國內外學(xué)者就風(fēng)電接入的繼電保護問(wèn)題在以下3 個(gè)層面展開(kāi)了研究工作：

1)風(fēng)電機組以及風(fēng)電場(chǎng)的故障特征分析。

風(fēng)電機組多采用感應式異步發(fā)電機，其轉動(dòng)慣量和時(shí)間常數小，并且沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的勵磁裝置，故障特征與同步發(fā)電機存在顯著(zhù)的差別。永磁直驅機組雖然為同步發(fā)電機，但是通過(guò)換流器并網(wǎng)，其故障特征和換流器控制特性密切相關(guān)。另外，電力電子設備自身的保護策略和低電壓穿越等特殊要求，也附加了額外的控制要求。這些都將增加風(fēng)電機組電磁暫態(tài)過(guò)程的復雜性，從而影響繼電保護的性能。

風(fēng)電機組以及風(fēng)電場(chǎng)的故障特征分析主要包括暫態(tài)和穩態(tài)短路電流的計算、波形分析、衰減特性分析以及短路阻抗分析等內容。

2)風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路及網(wǎng)絡(luò )的繼電保護問(wèn)題。

雖然大型風(fēng)電場(chǎng)內部集電線(xiàn)路廣泛采用 35 kV電壓等級，但卻與傳統配電網(wǎng)輻射狀網(wǎng)絡(luò )結構存在明顯的差別。對于任一集電線(xiàn)路，由于兩側母線(xiàn)上均有電源分布，在繼電保護研究中，將被等效為雙端電源元件，傳統輻射狀配電網(wǎng)繼電保護的配置方式和整定原則將不再適用。

風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路及網(wǎng)絡(luò )保護研究主要包括保護原理、保護配置、整定原則及與電網(wǎng)保護配合關(guān)系等內容。

3)大規模風(fēng)電接入輸電網(wǎng)的繼電保護問(wèn)題。

在包括中國在內的大多數國家，風(fēng)電的大規模利用必然伴隨著(zhù)電能的遠距離集中傳輸問(wèn)題，因此高壓電網(wǎng)繼電保護的整定和運行管理中，必須考慮風(fēng)電等隨機電源的故障特征。風(fēng)電的隨機性和波動(dòng)性對并網(wǎng)聯(lián)絡(luò )線(xiàn)保護的影響，繼電保護的適應性及配置配合關(guān)系，性能優(yōu)良的新原理都需要進(jìn)一步深入研究。

規?；L(fēng)電接入電網(wǎng)的問(wèn)題是目前國內外相關(guān)研究的熱點(diǎn)[1]，但是繼電保護相關(guān)問(wèn)題卻并沒(méi)有得到足夠的重視。筆者認為原因之一在于繼電保護是服務(wù)于電網(wǎng)安全運行的，現階段繼電保護問(wèn)題并沒(méi)有大規模地顯現出來(lái)。隨著(zhù)調度、運行方式等問(wèn)題的解決，風(fēng)電在電網(wǎng)電源結構中所占比例必將逐步提升，繼電保護的適應性問(wèn)題將集中體現出來(lái)并需要得到足夠的重視。

本文從風(fēng)電機組與風(fēng)電場(chǎng)的故障特征、風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路與網(wǎng)絡(luò )的繼電保護以及大規模風(fēng)電接入后高壓電網(wǎng)的繼電保護3 個(gè)方面，對目前國內外的相關(guān)研究成果進(jìn)行了回顧和分析，對未來(lái)研究方向進(jìn)行展望，并提出自己的觀(guān)點(diǎn)，以期能夠對今后的相關(guān)繼電保護問(wèn)題研究有所助益。

1 風(fēng)電機組和風(fēng)電場(chǎng)的故障特征.

1.1 概述

故障分析是繼電保護的基礎，繼電保護的新原理設計、整定計算都離不開(kāi)故障分析。傳統電力系統的繼電保護理論體系是建立在同步發(fā)電機電源以及三相對稱(chēng)系統的基礎之上的。也就是說(shuō)，假設在故障發(fā)生之后的電磁暫態(tài)過(guò)程中，同步發(fā)電機能夠作為一個(gè)理想電源不發(fā)生任何參數和運行狀態(tài)的改變?；诖?，可以計算得到短路電流及其衰減特性，并作為繼電保護原理設計、整定以及斷路器選擇的依據。

風(fēng)電機組廣泛采用異步發(fā)電機，即使永磁同步發(fā)電機也采用電力電子設備并網(wǎng)，顯然其短路電流的大小和故障特征已經(jīng)發(fā)生了顯著(zhù)的變化。

1.2 風(fēng)電機組的短路電流計算

1.2.1 感應式異步發(fā)電機

感應式異步發(fā)電機的短路電流計算并不是一個(gè)新問(wèn)題。文獻[2]推導了異步風(fēng)力發(fā)電機空載發(fā)生定子三相短路時(shí)短路電流的解析表達式，基于感應發(fā)電機正常運行時(shí)繞組電阻可以忽略和滑差很小這2 點(diǎn)假設，得出短路半個(gè)周期之后定子磁鏈和轉子磁鏈相差180°的結論，在此基礎上推導出短路電流最大值的解析表達式和衰減規律。該文獻得到的短路電流最大值的誤差可達10%~20%。文獻[3]在相同假設的基礎上利用空間矢量分析方法推導出鼠籠式感應發(fā)電機的短路電流的解析表達式，值得指出的是，該文獻利用序分量理論分析了不對稱(chēng)短路時(shí)感應發(fā)電機的短路電流，該結果對繼電保護性能分析和靈敏度校驗具有積極的意義。

文獻[4]利用Power Factory 軟件包仿真分析了感應式異步發(fā)電機的短路電流，其結論與上述文獻[2-3]的結論相同，即故障時(shí)感應式異步發(fā)電機向電網(wǎng)注入了可觀(guān)的故障電流，隨著(zhù)故障時(shí)間的持續該電流逐漸衰減，衰減時(shí)間與故障類(lèi)型相關(guān)，對于三相故障而言，衰減最為迅速。

文獻[5]在利用電力系統實(shí)時(shí)仿真平臺RT-Lab軟件包分析感應式異步發(fā)電機短路電流時(shí)考慮了原動(dòng)機及其控制系統的作用，其結論并非專(zhuān)門(mén)針對繼電保護，但從仿真結果中仍能夠驗證文獻[3]分析的正確性，即在相間短路時(shí)，非故障相的短路電流緩慢增加到穩態(tài)值，故障相的短路電流逐漸衰減。

1.2.2 雙饋型異步發(fā)電機

雙饋感應發(fā)電機的短路電流分析是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[2-3,6-16]。雙饋感應發(fā)電機的滑差由于轉子電流控制而不能再被認為是一個(gè)很小的數值，外部短路時(shí)撬棒(crowbar)電阻的作用使得轉子回路的電阻不能被忽略。文獻[2]考慮以上因素，并考慮了短路發(fā)生后定子與轉子磁鏈的相位關(guān)系，推導出考慮 crowbar 電阻的雙饋異步發(fā)電機短路電流計算公式。文獻[3]基于空間矢量理論和序分量理論推導出考慮不對稱(chēng)故障時(shí)的雙饋異步發(fā)電機短路電流解析表達式，并分析了crowbar 電阻數值以及升壓變和聯(lián)絡(luò )線(xiàn)阻抗對短路電流的影響。文獻[6]以電壓跌落后物理過(guò)程的分析為基礎，根據磁鏈平衡方程，在轉子側電壓保持不變的假設下得出了短路電流的解析表達式。該方法考慮了雙饋發(fā)電機控制策略和控制參數的多樣性，通過(guò)考慮轉子側電壓不變和轉子側電壓瞬間調整2 種極限情況，得出的短路電流計算公式具有很強的工程實(shí)用性。文獻[7]采用頻域分析法求解雙饋發(fā)電機的短路電流，其假設短路過(guò)程中轉速、轉子勵磁電壓和頻率均保持不變，在此基礎上推導出雙饋發(fā)電機三相短路時(shí)的故障電流表達式。文獻[6]和文獻[7]并未考慮crowbar 保護電路對短路電流的影響。

值得注意的是，以上關(guān)于雙饋發(fā)電機故障電流的分析過(guò)程都沒(méi)有考慮控制系統的作用，實(shí)際上對于快速響應的電力電子設備，控制系統勢必影響異步發(fā)電機電磁暫態(tài)過(guò)程，從而對快速動(dòng)作的主保護產(chǎn)生影響。

文獻[8-11]所關(guān)注的問(wèn)題并不是雙饋風(fēng)電機組的短路電流，但是低電壓穿越功能的設計以及電壓跌落情況下雙饋發(fā)電機的性能研究對故障特征的分析具有一定的參考作用。

文獻[12-16]通過(guò)電磁暫態(tài)仿真軟件對雙饋型發(fā)電機并網(wǎng)的短路電流進(jìn)行了研究，其結論與以上理論分析結果吻合。即crowbar 保護發(fā)揮作用后，三相短路時(shí)，雙饋異步發(fā)電機提供短路電流的能力大大降低，同時(shí)轉子繞組回路時(shí)間常數減小，短路電流的強制分量迅速衰減。不對稱(chēng)故障時(shí)，非故障相電流的強制分量迅速增大到穩態(tài)值，而故障相的短路電流強制分量則迅速衰減。故障電流中的自由分量則受升壓變壓器以及輸電線(xiàn)路等定子回路電阻的影響。

1.2.3 永磁直驅同步發(fā)電機

永磁直驅同步發(fā)電機通過(guò)脈寬調制(pulse widthmodulation，PWM)控制的電力電子設備并網(wǎng)，其短路電流與并網(wǎng)電力電子設備密切相關(guān)。到目前為止，并沒(méi)有檢索到針對永磁直驅同步發(fā)電機短路電流的相關(guān)研究問(wèn)題，文獻[17-22]在進(jìn)行低電壓穿越控制研究時(shí)分析了永磁直驅同步發(fā)電機的穩態(tài)短路電流特征。

文獻[17]認為短路電流可以按照不超過(guò)并網(wǎng)換流器額定電流來(lái)考慮。作者認為，就目前的情形而言，這種方法可以作為工程上進(jìn)行整定計算的一個(gè)依據。

文獻[18-22]均提出了各自的永磁直驅風(fēng)電機組的低電壓穿越運行方案，并給出了電網(wǎng)故障時(shí)的仿真波形，對于永磁直驅風(fēng)電機組的短路電流特征分析具有一定的意義。但是，從文獻[18-22]中同樣能夠發(fā)現，電網(wǎng)故障后的短路電流隨著(zhù)不同風(fēng)電機組采用不同的控制策略而具有明顯的不同，這也給繼電保護的整定帶來(lái)了巨大的障礙。在現有條件下，要求繼電保護工作者熟悉并了解不同制造商提供的風(fēng)電機組的控制策略，并據此進(jìn)行保護整定是不現實(shí)的，因此目前對于以永磁直驅機組為電源的電網(wǎng)的整定必然存在一定的不適應性和不合理性。

同時(shí)需要說(shuō)明的是，在低電壓穿越的研究中母線(xiàn)電壓的跌落和故障是不同的，前者的跌落程度顯然要輕微得多，一般情況下繼電保護所面對的近端故障情況母線(xiàn)電壓跌落會(huì )嚴重得多，此時(shí)的永磁直驅風(fēng)電機組的故障電流如何，并沒(méi)有引起足夠的關(guān)注。

1.3 風(fēng)電機組和風(fēng)電場(chǎng)的故障特征分析

對于繼電保護尤其是快速動(dòng)作的主保護而言，主要關(guān)注風(fēng)電機組提供短路電流的能力。另外，由于距離保護等保護的性能與系統的等效正負序阻抗密切相關(guān)，風(fēng)電機組和風(fēng)電場(chǎng)的等效正負序阻抗特征也應該得到足夠的重視。

文獻[23]通過(guò)power factory 軟件包仿真分析了普通異步風(fēng)力發(fā)電機組的短路電流幅值與衰減特征。其結論是：短路發(fā)生后普通異步機組能夠提供很大的瞬間短路電流，但卻很快衰減，不具備提供持續短路電流的能力。文獻[24]采用同樣的方法對雙饋型風(fēng)電機組的短路電流進(jìn)行了分析，雙饋型風(fēng)電機組瞬間短路電流略小于普通異步機組，相對于普通異步機組，其衰減時(shí)間也比較長(cháng)，此種類(lèi)型的機組具有提供一定的持續短路電流的能力。

文獻[25]以新疆達坂城風(fēng)電場(chǎng)為研究對象，考慮風(fēng)速變化對風(fēng)電場(chǎng)提供短路電流的影響，指出陣風(fēng)和漸變風(fēng)影響風(fēng)力發(fā)電機有功出力，加大短路電流。

文獻[26-27]研究了風(fēng)電場(chǎng)的等值問(wèn)題，分析了風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)故障電流的特征以及影響風(fēng)電場(chǎng)短路故障特征的因素。文獻[27]的研究結果顯示三相短路時(shí)故障電流最大為額定電流的8 倍，并繪制了兩相短路和單相短路的故障電流曲線(xiàn)，得出了故障電流幅值不能作為判斷故障類(lèi)型方法的結論。

1.4 總結和建議

對于大規模風(fēng)電的接入，不同專(zhuān)業(yè)的關(guān)注點(diǎn)不同。對于繼電保護而言，其關(guān)注點(diǎn)不僅僅在于故障電流的大小，更關(guān)注故障電流的波形特征，以及影響現有保護原理的諸如正負序阻抗等系統特征。

短路電流的波形及暫態(tài)諧波含量將影響以傅里葉算法為基礎的工頻量保護的性能，進(jìn)而引起保護的拒動(dòng)或誤動(dòng)，對電網(wǎng)的安全運行造成威脅。

雙饋和直驅風(fēng)電機組的控制策略將直接影響到故障電流的幅值、衰減等故障特征。到目前為止，在故障電流的計算以及故障分析過(guò)程中，crowbar保護已得到充分的考慮。由于涉及到具體的控制策略，永磁直驅風(fēng)電機組的短路電流特征并未得到充分的研究?？刂葡到y被大多數生產(chǎn)制造企業(yè)視為技術(shù)機密，可以預見(jiàn)，若永磁直驅風(fēng)電機組成為大規模風(fēng)電場(chǎng)的主力機型，由于無(wú)法充分掌握故障特征，將使得繼電保護面臨比以往更為困難的局面。

采用電磁暫態(tài)仿真手段進(jìn)行故障電流以及故障特性的研究是解決這一問(wèn)題的較好途徑，但同樣面臨控制策略方面的技術(shù)障礙。