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2019-12-25 閱讀(1823)
近日對國內外大規模風電接入電網的繼電保護問題進行了綜述。首先分析了不同類型風電機組短路電流的幅值和衰減特征，以及影響風電場短路電流的因素。其次討論了風電場內集電線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。后，建議應當從加強風電機組故障特性研究、組織力量開展保護用風電機組電磁暫態通用模型研究、開發適用于風電場集電線路和網絡保護的網絡化保護新原理與新技術以及加強風電場與電網在保護和控制方面的協調配合4 個方面展開研究工作，解決繼電保護面對的問題。
繼電保護是電網安全穩定運行的第yi道防線，能夠在故障發生時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，隨著能源危機和環境問題的日益突出，風電等可再生能源越來越受到社會的關注，其大規模應用，必然帶來集中接入、遠距離傳輸以及風電場內部集電線路網絡化等問題，從而改變電力系統的運行特征。
大規模風電接入的繼電保護問題屬于智能電網的兼容性范疇。對接入點而言，規模化的風電場對系統運行的影響，已不能象早期小型風電接入一樣被*忽略掉，這已不僅僅是風電調度的問題，繼電保護所面臨的故障特征同樣也發生了顯著的變化。大型風電場內部的機組和機群越來越多地采用35 kV 電壓等級以網絡的形式匯集電能，傳統的配電網保護原理和裝置能否滿足風電場內部集電線路的要求，也是眾多業主和電力系統運行部門必須考慮的問題。
為了保證大規模風電接入后的電網安全，國內外學者就風電接入的繼電保護問題在以下3 個層面展開了研究工作：
1)風電機組以及風電場的故障特征分析。
風電機組多采用感應式異步發電機，其轉動慣量和時間常數小，并且沒有專門的勵磁裝置，故障特征與同步發電機存在顯著的差別。永磁直驅機組雖然為同步發電機，但是通過換流器并網，其故障特征和換流器控制特性密切相關。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。這些都將增加風電機組電磁暫態過程的復雜性，從而影響繼電保護的性能。
風電機組以及風電場的故障特征分析主要包括暫態和穩態短路電流的計算、波形分析、衰減特性分析以及短路阻抗分析等內容。
2)風電場集電線路及網絡的繼電保護問題。
雖然大型風電場內部集電線路廣泛采用 35 kV電壓等級，但卻與傳統配電網輻射狀網絡結構存在明顯的差別。對于任一集電線路，由于兩側母線上均有電源分布，在繼電保護研究中，將被等效為雙端電源元件，傳統輻射狀配電網繼電保護的配置方式和整定原則將不再適用。
風電場集電線路及網絡保護研究主要包括保護原理、保護配置、整定原則及與電網保護配合關系等內容。
3)大規模風電接入輸電網的繼電保護問題。
在包括中國在內的大多數國家，風電的大規模利用必然伴隨著電能的遠距離集中傳輸問題，因此高壓電網繼電保護的整定和運行管理中，必須考慮風電等隨機電源的故障特征。風電的隨機性和波動性對并網聯絡線保護的影響，繼電保護的適應性及配置配合關系，性能優良的新原理都需要進一步深入研究。
規?；L電接入電網的問題是目前國內外相關研究的熱點，但是繼電保護相關問題卻并沒有得到足夠的重視。筆者認為原因之一在于繼電保護是服務于電網安全運行的，現階段繼電保護問題并沒有大規模地顯現出來。隨著調度、運行方式等問題的解決，風電在電網電源結構中所占比例必將逐步提升，繼電保護的適應性問題將集中體現出來并需要得到足夠的重視。
本文從風電機組與風電場的故障特征、風電場集電線路與網絡的繼電保護以及大規模風電接入后高壓電網的繼電保護3 個方面，對目前國內外的相關研究成果進行了回顧和分析，對未來研究方向進行展望，并提出自己的觀點，以期能夠對今后的相關繼電保護問題研究有所助益。
1 風電機組和風電場的故障特征.
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電機電源以及三相對稱系統的基礎之上的。也就是說，假設在故障發生之后的電磁暫態過程中，同步發電機能夠作為一個理想電源不發生任何參數和運行狀態的改變?；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。
風電機組廣泛采用異步發電機，即使永磁同步發電機也采用電力電子設備并網，顯然其短路電流的大小和故障特征已經發生了顯著的變化。
1.2 風電機組的短路電流計算
1.2.1 感應式異步發電機
感應式異步發電機的短路電流計算并不是一個新問題。文獻[2]推導了異步風力發電機空載發生定子三相短路時短路電流的解析表達式，基于感應發電機正常運行時繞組電阻可以忽略和滑差很小這2點假設，得出短路半個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大值的解析表達式和衰減規律。該文獻得到的短路電流大值的誤差可達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短路時感應發電機的短路電流，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。
1.2.2 雙饋型異步發電機
雙饋感應發電機的短路電流分析是近年來的研究熱點[2-3,6-16]。雙饋感應發電機的滑差由于轉子電流控制而不能再被認為是一個很小的數值，外部短路時撬棒(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，并考慮了短路發生后定子與轉子磁鏈的相位關系，推導出考慮crowbar電阻的雙饋異步發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故障時的雙饋異步發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絡線阻抗對短路電流的影響。文獻[6]以電壓跌落后物理過程的分析為基礎，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電機控制策略和控制參數的多樣性，通過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用性。文獻[7]采用頻域分析法求解雙饋發電機的短路電流，其假設短路過程中轉速、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電機三相短路時的故障電流表達式。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，以上關于雙饋發電機故障電流的分析過程都沒有考慮控制系統的作用，實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電機電磁暫態過程，從而對快速動作的主保護產生影響。
1.2.3 永磁直驅同步發電機
永磁直驅同步發電機通過脈寬調制(pulse widthmodulation，PWM)控制的電力電子設備并網，其短路電流與并網電力電子設備密切相關。到目前為止，并沒有檢索到針對永磁直驅同步發電機短路電流的相關研究問題，文獻[17-22]在進行低電壓穿越控制研究時分析了永磁直驅同步發電機的穩態短路電流特征。
同時需要說明的是，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所面對的近端故障情況母線電壓跌落會嚴重得多，此時的永磁直驅風電機組的故障電流如何，并沒有引起足夠的關注。
1.3 風電機組和風電場的故障特征分析
對于繼電保護尤其是快速動作的主保護而言，主要關注風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，風電機組和風電場的等效正負序阻抗特征也應該得到足夠的重視。
1.4 總結和建議
對于大規模風電的接入，不同專業的關注點不同。對于繼電保護而言，其關注點不僅僅在于故障電流的大小，更關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，進而引起保護的拒動或誤動，對電網的安全運行造成威脅。
雙饋和直驅風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被大多數供應提供企業視為技術機密，可以預見，若永磁直驅風電機組成為大規模風電場的主力機型，由于無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fang真手段進行故障電流以及故障特性的研究是解決這一問題的較好途徑，但同樣面臨控制策略方面的技術障礙。
2 風電場集電線路與網絡的繼電保護
大規模風電場機群之間采用 35kV電壓等級組成網絡并通過并網點直接與高壓電網相連接，與配電網絡具有相同的網絡結構。但針對輻射型配電網設計的繼電保護直接應用于風電場集電網絡保護時會存在適應性問題。這與近年來分布式電源接入配電網所帶來的繼電保護問題相同，綜述如下。
3 大規模風電接入輸電網的繼電保護問題
隨著風電電源在電網中所占比例的增大，大規模風電基地通過線路長距離輸送風能已經成不可改變的現實。對于大容量，具有隨機間歇特征的風電，不可能再忽略其對輸電網繼電保護的影響。近年來，國內外也有文獻開始關注并探討這一問題，綜述如下。文獻[33]討論了風電接入后110 kV電網繼電保護和安全自動裝置所受到的影響：風電電源接入后，由于升壓變壓器的接地，系統零序網絡發生變化，聯絡線零序保護的靈敏度下降;并網聯絡線的自動重合閘功能將受到挑戰，這主要是由于目前采用的檢同期重合方式需要風電電源在并網點具有穩定性，而大規模風電場在聯絡線跳開后風機會進入動態過程，不能保證檢同期成功，從而可能導致重合失敗，終造成風電脫網;由于風電場向電網饋出持續短路電流的能力差，除非裝設專門的弱饋保護，否則并網點聯絡線保護性能差，拒動將成為常態。
由以上分析可知，作為一種特殊的電源形式，風電對輸電網繼電保護具有一定的負面影響，或者說，傳統的繼電保護原理并非都能夠適應風電的接入，因此有必要對風電接入后的繼電保護問題進行研究。
與風電場內部集電線保護不同，作為高壓電網的聯絡線保護必須將風電場作為一個整體來考慮。繼電保護工作者希望得到一個理想電源與系統阻抗的經典串聯模型來等效風電場。但是風電場內機組和機群在空間上的分布性質，在類型上的差異，都使得這樣的模型不易獲得。目前對于風電場的等值，其目的都不是進行繼電保護的整定和性能校驗，因此對繼電保護來說重要的電磁暫態過程被廣泛忽略，并不能夠直接應用于繼電保護。面向繼電保護的風電場等值，是一個非常值得研究的方向。
4 結論及展望
隨著大規模風電基地在我國東北、華北以及西北的建設，未來的中國電網中風電電源的比例將會進一步上升。從目前的研究現狀看，對于大規模風電對繼電保護的影響在國內外并沒有一個統一的看法，相關的研究工作也未系統地展開。筆者認為，需要從以下幾個方面來展開研究工作。
1)故障后故障電流波形特征的研究。
故障特征分析是繼電保護的基礎，就現狀看，所有的側重點都放在了短路電流的大值及其衰減特性方面，對于保護的影響也主要從保護的配合和整定上面考慮，并未涉及到繼電保護原理本身。在繼電保護體系中，主保護的作用毋庸置疑，影響主保護性能的一個重要因素就是故障暫態過程的波形特征及濾波算法，這將直接影響到工頻電氣量的計算結果以及保護判據終的判別結果。對于故障發生后主保護動作時限內(一般為0.30 ms)故障電流波形特征的分析是必要的，將會影響到保護性能的分析。
2)電磁暫態fang真模型的建立。
電網中雙饋型風電機組和永磁直驅機組所占比例逐步增加。對于這些具有復雜控制系統和控制策略的風電機組，其故障電流與控制策略密切相關，繼電保護中不可避免地要涉及機組的控制。在提供企業不能提供完整控制策略的現實條件下，應組織力量加強合作，建立通用fang真模型，供繼電保護整定和性能分析使用。
3)加強風電場集電線路保護原理的開發。
風電場集電線路短路故障會造成風電機組或機群母線電壓降低，對于快速響應的現代風電機組而言，故障若不能迅速切除，必將造成大面積脫網事故。風電機組持續提供短路電流的能力差，短路電流的波形受各種控制模塊的影響而變得更加復雜，若不考慮電網提供的短路電流，故障識別和隔離將異常困難。利用電網提供的短路電流需要考慮保護定值配合和延時配合的問題，故障切除時間長，不利于風電場和電力系統的安全穩定，因此有必要分析風電場集電線路的故障特點，綜合利用風電場內的廣域信息，開發性能優良的集電線路及網絡保護新原理。
4)重視風電場自動控制系統和電網繼電保護與安全自動裝置的配合。
風電場的低電壓穿越控制、風電場繼電保護的定值和時限均需與電網的保護進行配合?，F階段，風電場與電網保護的整定分屬于不同的部門，應加強協調配合，避免由于定值問題所造成的意外脫網事故。同時應加強電網自動重合閘、各種后備繼電器以及緊急狀態下切機切負荷等繼電器與風電場控制的配合，構建協調的電力系統繼電保護體系。
