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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)，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(xiàn)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)?；娘L(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(mǎn)足風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)路，由于兩側(cè)母線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(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(hù)所面對(duì)的近端故障情況母線(xiàn)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(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(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。