大規(guī)模風(fēng)電接入的繼電保護(hù)問(wèn)題綜述

標(biāo)簽：風(fēng)電接入電網(wǎng)

摘要：對(duì)國(guó)內(nèi)外大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的繼電保護(hù)問(wèn)題進(jìn)行了綜述。首先分析了不同類(lèi)型風(fēng)電機(jī)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(nèi)集電線路的故障特征和相應(yīng)的保護(hù)策略。然后針對(duì)高壓輸電系統(tǒng)保護(hù)對(duì)風(fēng)電接入的適應(yīng)性，分析了零序保護(hù)、重合閘和距離III 段的性能以及相應(yīng)對(duì)策。最后，建議應(yīng)當(dāng)從加強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組故障特性研究、組織力量開(kāi)展保護(hù)用風(fēng)電機(jī)組電磁暫態(tài)通用模型研究、開(kāi)發(fā)適用于風(fēng)電場(chǎng)集電線路和網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)新原理與新技術(shù)以及加強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)在保護(hù)和控制方面的協(xié)調(diào)配合4 個(gè)方面展開(kāi)研究工作，解決繼電保護(hù)面對(duì)的問(wèn)題。

0 引言

繼電保護(hù)是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線，能夠在故障發(fā)生時(shí)快速可靠地識(shí)別并有效地隔離故障，對(duì)遏制系統(tǒng)運(yùn)行狀況的進(jìn)一步惡化，保障電能高效穩(wěn)定的傳輸和利用都具有重要的意義。近年來(lái)，隨著能源危機(jī)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(guī)模應(yīng)用，必然帶來(lái)集中接入、遠(yuǎn)距離傳輸以及風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線路網(wǎng)絡(luò)化等問(wèn)題，從而改變電力系統(tǒng)的運(yùn)行特征。

大規(guī)模風(fēng)電接入的繼電保護(hù)問(wèn)題屬于智能電網(wǎng)的兼容性范疇。對(duì)接入點(diǎn)而言，規(guī)模化的風(fēng)電場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)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(diào)度的問(wèn)題，繼電保護(hù)所面臨的故障特征同樣也發(fā)生了顯著的變化。大型風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的機(jī)組和機(jī)群越來(lái)越多地采用35 kV 電壓等級(jí)以網(wǎng)絡(luò)的形式匯集電能，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)保護(hù)原理和裝置能否滿足風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線路的要求，也是眾多業(yè)主和電力系統(tǒng)運(yùn)行部門(mén)必須考慮的問(wèn)題。

為了保證大規(guī)模風(fēng)電接入后的電網(wǎng)安全，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就風(fēng)電接入的繼電保護(hù)問(wèn)題在以下3 個(gè)層面展開(kāi)了研究工作：

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

風(fēng)電機(jī)組多采用感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和時(shí)間常數(shù)小，并且沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的勵(lì)磁裝置，故障特征與同步發(fā)電機(jī)存在顯著的差別。永磁直驅(qū)機(jī)組雖然為同步發(fā)電機(jī)，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(shè)備自身的保護(hù)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(jī)組電磁暫態(tài)過(guò)程的復(fù)雜性，從而影響繼電保護(hù)的性能。

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

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

雖然大型風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線路廣泛采用 35 kV電壓等級(jí)，但卻與傳統(tǒng)配電網(wǎng)輻射狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在明顯的差別。對(duì)于任一集電線路，由于兩側(cè)母線上均有電源分布，在繼電保護(hù)研究中，將被等效為雙端電源元件，傳統(tǒng)輻射狀配電網(wǎng)繼電保護(hù)的配置方式和整定原則將不再適用。

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

3)大規(guī)模風(fēng)電接入輸電網(wǎng)的繼電保護(hù)問(wèn)題。

在包括中國(guó)在內(nèi)的大多數(shù)國(guó)家，風(fēng)電的大規(guī)模利用必然伴隨著電能的遠(yuǎn)距離集中傳輸問(wèn)題，因此高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)的整定和運(yùn)行管理中，必須考慮風(fēng)電等隨機(jī)電源的故障特征。風(fēng)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性對(duì)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線保護(hù)的影響，繼電保護(hù)的適應(yīng)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(guī)?；L(fēng)電接入電網(wǎng)的問(wèn)題是目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的熱點(diǎn)[1]，但是繼電保護(hù)相關(guān)問(wèn)題卻并沒(méi)有得到足夠的重視。筆者認(rèn)為原因之一在于繼電保護(hù)是服務(wù)于電網(wǎng)安全運(yùn)行的，現(xiàn)階段繼電保護(hù)問(wèn)題并沒(méi)有大規(guī)模地顯現(xiàn)出來(lái)。隨著調(diào)度、運(yùn)行方式等問(wèn)題的解決，風(fēng)電在電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)中所占比例必將逐步提升，繼電保護(hù)的適應(yīng)性問(wèn)題將集中體現(xiàn)出來(lái)并需要得到足夠的重視。

本文從風(fēng)電機(jī)組與風(fēng)電場(chǎng)的故障特征、風(fēng)電場(chǎng)集電線路與網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)以及大規(guī)模風(fēng)電接入后高壓電網(wǎng)的繼電保護(hù)3 個(gè)方面，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究成果進(jìn)行了回顧和分析，對(duì)未來(lái)研究方向進(jìn)行展望，并提出自己的觀點(diǎn)，以期能夠?qū)窈蟮南嚓P(guān)繼電保護(hù)問(wèn)題研究有所助益。

1 風(fēng)電機(jī)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(hù)的基礎(chǔ)，繼電保護(hù)的新原理設(shè)計(jì)、整定計(jì)算都離不開(kāi)故障分析。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)理論體系是建立在同步發(fā)電機(jī)電源以及三相對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的。也就是說(shuō)，假設(shè)在故障發(fā)生之后的電磁暫態(tài)過(guò)程中，同步發(fā)電機(jī)能夠作為一個(gè)理想電源不發(fā)生任何參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)的改變?；诖?，可以計(jì)算得到短路電流及其衰減特性，并作為繼電保護(hù)原理設(shè)計(jì)、整定以及斷路器選擇的依據(jù)。

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

1.2 風(fēng)電機(jī)組的短路電流計(jì)算

1.2.1 感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)

感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)的短路電流計(jì)算并不是一個(gè)新問(wèn)題。文獻(xiàn)[2]推導(dǎo)了異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載發(fā)生定子三相短路時(shí)短路電流的解析表達(dá)式，基于感應(yīng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)繞組電阻可以忽略和滑差很小這2 點(diǎn)假設(shè)，得出短路半個(gè)周期之后定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈相差180°的結(jié)論，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出短路電流最大值的解析表達(dá)式和衰減規(guī)律。該文獻(xiàn)得到的短路電流最大值的誤差可達(dá)10%~20%。文獻(xiàn)[3]在相同假設(shè)的基礎(chǔ)上利用空間矢量分析方法推導(dǎo)出鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的短路電流的解析表達(dá)式，值得指出的是，該文獻(xiàn)利用序分量理論分析了不對(duì)稱(chēng)短路時(shí)感應(yīng)發(fā)電機(jī)的短路電流，該結(jié)果對(duì)繼電保護(hù)性能分析和靈敏度校驗(yàn)具有積極的意義。

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

文獻(xiàn)[5]在利用電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)RT-Lab軟件包分析感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)短路電流時(shí)考慮了原動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的作用，其結(jié)論并非專(zhuān)門(mén)針對(duì)繼電保護(hù)，但從仿真結(jié)果中仍能夠驗(yàn)證文獻(xiàn)[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(wěn)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(jī)

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)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(yīng)發(fā)電機(jī)的滑差由于轉(zhuǎn)子電流控制而不能再被認(rèn)為是一個(gè)很小的數(shù)值，外部短路時(shí)撬棒(crowbar)電阻的作用使得轉(zhuǎn)子回路的電阻不能被忽略。文獻(xiàn)[2]考慮以上因素，并考慮了短路發(fā)生后定子與轉(zhuǎn)子磁鏈的相位關(guān)系，推導(dǎo)出考慮 crowbar 電阻的雙饋異步發(fā)電機(jī)短路電流計(jì)算公式。文獻(xiàn)[3]基于空間矢量理論和序分量理論推導(dǎo)出考慮不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)的雙饋異步發(fā)電機(jī)短路電流解析表達(dá)式，并分析了crowbar 電阻數(shù)值以及升壓變和聯(lián)絡(luò)線阻抗對(duì)短路電流的影響。文獻(xiàn)[6]以電壓跌落后物理過(guò)程的分析為基礎(chǔ)，根據(jù)磁鏈平衡方程，在轉(zhuǎn)子側(cè)電壓保持不變的假設(shè)下得出了短路電流的解析表達(dá)式。該方法考慮了雙饋發(fā)電機(jī)控制策略和控制參數(shù)的多樣性，通過(guò)考慮轉(zhuǎn)子側(cè)電壓不變和轉(zhuǎn)子側(cè)電壓瞬間調(diào)整2 種極限情況，得出的短路電流計(jì)算公式具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性。文獻(xiàn)[7]采用頻域分析法求解雙饋發(fā)電機(jī)的短路電流，其假設(shè)短路過(guò)程中轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓和頻率均保持不變，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出雙饋發(fā)電機(jī)三相短路時(shí)的故障電流表達(dá)式。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]并未考慮crowbar 保護(hù)電路對(duì)短路電流的影響。

值得注意的是，以上關(guān)于雙饋發(fā)電機(jī)故障電流的分析過(guò)程都沒(méi)有考慮控制系統(tǒng)的作用，實(shí)際上對(duì)于快速響應(yīng)的電力電子設(shè)備，控制系統(tǒng)勢(shì)必影響異步發(fā)電機(jī)電磁暫態(tài)過(guò)程，從而對(duì)快速動(dòng)作的主保護(hù)產(chǎn)生影響。

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

文獻(xiàn)[12-16]通過(guò)電磁暫態(tài)仿真軟件對(duì)雙饋型發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的短路電流進(jìn)行了研究，其結(jié)論與以上理論分析結(jié)果吻合。即crowbar 保護(hù)發(fā)揮作用后，三相短路時(shí)，雙饋異步發(fā)電機(jī)提供短路電流的能力大大降低，同時(shí)轉(zhuǎn)子繞組回路時(shí)間常數(shù)減小，短路電流的強(qiáng)制分量迅速衰減。不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)，非故障相電流的強(qiáng)制分量迅速增大到穩(wěn)態(tài)值，而故障相的短路電流強(qiáng)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路等定子回路電阻的影響。

1.2.3 永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)

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

文獻(xiàn)[17]認(rèn)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(rèn)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(jì)算的一個(gè)依據(jù)。

文獻(xiàn)[18-22]均提出了各自的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越運(yùn)行方案，并給出了電網(wǎng)故障時(shí)的仿真波形，對(duì)于永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的短路電流特征分析具有一定的意義。但是，從文獻(xiàn)[18-22]中同樣能夠發(fā)現(xiàn)，電網(wǎng)故障后的短路電流隨著不同風(fēng)電機(jī)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(hù)的整定帶來(lái)了巨大的障礙。在現(xiàn)有條件下，要求繼電保護(hù)工作者熟悉并了解不同制造商提供的風(fēng)電機(jī)組的控制策略，并據(jù)此進(jìn)行保護(hù)整定是不現(xiàn)實(shí)的，因此目前對(duì)于以永磁直驅(qū)機(jī)組為電源的電網(wǎng)的整定必然存在一定的不適應(yīng)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(hù)所面對(duì)的近端故障情況母線電壓跌落會(huì)嚴(yán)重得多，此時(shí)的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)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(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)的故障特征分析

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

文獻(xiàn)[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(jī)組的短路電流幅值與衰減特征。其結(jié)論是：短路發(fā)生后普通異步機(jī)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(xù)短路電流的能力。文獻(xiàn)[24]采用同樣的方法對(duì)雙饋型風(fēng)電機(jī)組的短路電流進(jìn)行了分析，雙饋型風(fēng)電機(jī)組瞬間短路電流略小于普通異步機(jī)組，相對(duì)于普通異步機(jī)組，其衰減時(shí)間也比較長(zhǎng)，此種類(lèi)型的機(jī)組具有提供一定的持續(xù)短路電流的能力。

文獻(xiàn)[25]以新疆達(dá)坂城風(fēng)電場(chǎng)為研究對(duì)象，考慮風(fēng)速變化對(duì)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(jī)有功出力，加大短路電流。

文獻(xiàn)[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(xiàn)[27]的研究結(jié)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，得出了故障電流幅值不能作為判斷故障類(lèi)型方法的結(jié)論。

1.4 總結(jié)和建議

對(duì)于大規(guī)模風(fēng)電的接入，不同專(zhuān)業(yè)的關(guān)注點(diǎn)不同。對(duì)于繼電保護(hù)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(xiàn)有保護(hù)原理的諸如正負(fù)序阻抗等系統(tǒng)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(chǔ)的工頻量保護(hù)的性能，進(jìn)而引起保護(hù)的拒動(dòng)或誤動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成威脅。

雙饋和直驅(qū)風(fēng)電機(jī)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(jì)算以及故障分析過(guò)程中，crowbar保護(hù)已得到充分的考慮。由于涉及到具體的控制策略，永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的短路電流特征并未得到充分的研究?？刂葡到y(tǒng)被大多數(shù)生產(chǎn)制造企業(yè)視為技術(shù)機(jī)密，可以預(yù)見(jiàn)，若永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組成為大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的主力機(jī)型，由于無(wú)法充分掌握故障特征，將使得繼電保護(hù)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。