風電接入對電網(wǎng)繼電保護的影響分析

林汝東

（廣東電網(wǎng)有限責任公司湛江供電局，廣東 湛江 524000）

0 引 言

隨著我國新能源技術的不斷發(fā)展，風電已成為現(xiàn)階段我國清潔可再生能源的代表，推動了我國環(huán)保事業(yè)的發(fā)展。相較于其他發(fā)電措施，風力發(fā)電的使用不受地形等因素的影響，僅需安裝在風力充足的地帶。風力發(fā)電因其工期短、見效快等特點，在我國得到了廣泛應用，風電輸入供電電網(wǎng)中的電能量也逐步提升。風力發(fā)電的過程中主要使用大量風輪發(fā)電機發(fā)電，通過風力發(fā)電產(chǎn)生可再生能源以外，也會對電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為風力發(fā)電會對電網(wǎng)電能質(zhì)量與繼電保護的影響。本文針對風力發(fā)電對電網(wǎng)繼電保護產(chǎn)生的影響進行分析研究。

1 故障特性及繼電保護

1.1 故障特性

繼電保護是基于系統(tǒng)故障特征分析與設計得來的。風電機組與風電場的故障分析是其中的重要環(huán)節(jié)，同步發(fā)電機電源與三項對稱系統(tǒng)是傳統(tǒng)意義上繼電保護的基礎內(nèi)容。傳統(tǒng)意義上的繼電保護系統(tǒng)存在一定的缺點，系統(tǒng)發(fā)生問題前后，同步發(fā)電機的運行數(shù)據(jù)與狀態(tài)并不會發(fā)生變化。而現(xiàn)階段使用的異步發(fā)電機由風電機組組成，相較于傳統(tǒng)意義上的同步發(fā)電機，系統(tǒng)故障的出現(xiàn)是由于自身結(jié)構(gòu)引起的。當系統(tǒng)中出現(xiàn)短路時，傳統(tǒng)的異步發(fā)電機短時間內(nèi)會出現(xiàn)大電流，然后迅速衰減為零，該過程持續(xù)時間較短，并不能為系統(tǒng)提供短路電流。雙饋式發(fā)電機相較于傳統(tǒng)的異步發(fā)電機，可為短路系統(tǒng)提供短路電流，同時其電流衰減時間較長。

1.2 繼電保護

（1）勵磁結(jié)構(gòu)的缺失。現(xiàn)階段，大多數(shù)風力發(fā)電廠常用的機型為鼠籠型異步電機，該電機無勵磁結(jié)構(gòu)，當系統(tǒng)出現(xiàn)短路時，電流衰減較快，無法為短路系統(tǒng)提供短路電流。

（2）選項裝置電流小動作率較低。不接地系統(tǒng)不易保障系統(tǒng)安全，當系統(tǒng)出現(xiàn)安全故障時，不利于故障的解除。不接地故障線路與電路電容電流較小，很大程度上會導致風電場系統(tǒng)故障難以排除[1]。

（3）波動性并網(wǎng)靈敏度較低。由于受到控制系統(tǒng)等多種因素的影響，風電網(wǎng)絡系統(tǒng)并網(wǎng)后，難以滿足電力系統(tǒng)中對靈敏度的要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中選項單元與距離受到影響，進而產(chǎn)生繼電保護問題。當系統(tǒng)接入風電后，升壓變壓器由于接地產(chǎn)生變化，進而使零序網(wǎng)絡隨之變化，最終降低零序網(wǎng)絡的靈敏度。

（4）當風電場并網(wǎng)聯(lián)絡線斷開后，其中的自動重合閘難以閉合?，F(xiàn)階段，我國普遍使用的檢同期方式對系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高，網(wǎng)絡線斷開，很大程度上會影響風機的轉(zhuǎn)動，進而影響檢同期的成功率，使得重合閘無法閉合，進而產(chǎn)生風機脫網(wǎng)的故障。

（5）劇動常態(tài)化。由于設備缺少弱饋保護，進而很大程度上減弱了并聯(lián)網(wǎng)點聯(lián)絡線的保護性，使系統(tǒng)出現(xiàn)部分劇動。

2 風力發(fā)電對繼電保護影響

在風電場建設的初期，由于風電項目投資較大且風電場規(guī)模較大，而風力發(fā)電產(chǎn)生的電力容量不足區(qū)域用電的1%，因此在初期設計過程中將風力發(fā)電僅作為電路中的簡單負荷。隨著風力發(fā)電規(guī)模的不斷擴大（現(xiàn)階段風力發(fā)電規(guī)模已達區(qū)域性電網(wǎng)15%以上），所使用的繼電保護裝置與傳統(tǒng)的繼電保護裝置不同，需根據(jù)風電場運行中電負荷的實際情況進行判斷。

（1）和傳統(tǒng)意義上的通過單一用戶供電方式不同，風力發(fā)電組在有風的過程發(fā)電均與電網(wǎng)的實際情況有關，風力發(fā)電中產(chǎn)生的電流是雙向的，該電流有可能來源于電網(wǎng)系統(tǒng)，也有可能來源于風力發(fā)電廠。尤其是風力發(fā)電機組在開始運行時，該過程中若變化電流與電壓的流向，極易引起繼電保護裝置反饋錯誤，進而使得系統(tǒng)負荷錯誤，導致風力發(fā)電機故障。傳統(tǒng)意義上電網(wǎng)繼電保護裝置設計簡單，大多使用三段式電流保護，中間缺少方向保護元件，故傳統(tǒng)意義上的繼電保護裝置無法滿足風力發(fā)電廠對風電場容量提升的要求。

（2）影響繼電保護的裝置。在風力發(fā)電廠電網(wǎng)系統(tǒng)的實際運行過程中，系統(tǒng)將場內(nèi)升壓變壓器進行接地處理，引發(fā)零序保護裝置變化，最終使繼電保護裝置的靈敏度下降[2]。

（3）通過對現(xiàn)階段風力發(fā)電廠實際運行過程中的短路現(xiàn)象進行分析得出，系統(tǒng)在發(fā)生短路時，故障電流是斷續(xù)的，且無法準確地定位故障點。因此，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，需根據(jù)系統(tǒng)發(fā)生故障的實際情況從整體與局部出發(fā)準確定位故障點，進行故障隔離，避免故障事故擴大。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可對整個系統(tǒng)進行繼電保護，同時結(jié)合系統(tǒng)實際情況，從整體到局部分析問題解決問題。

3 應對措施

3.1 加強重合閘管理

重合閘的使用會對繼電保護的功能產(chǎn)生重要影響，同時也會對風電接入產(chǎn)生影響。當重合閘出現(xiàn)故障時，會極大地影響風電接入保護效率，因此對重合閘故障的及時處理是十分重要的[3]。當風電場無法準確定位繼電保護裝置故障時，即使系統(tǒng)的實際電壓值較小，系統(tǒng)也會因電壓參數(shù)異常導致重合閘跳閘，但仍保持LVRT功能不變。系統(tǒng)可通過使用多次零電壓穿越，使系統(tǒng)穿越時間低于100 ms/次，結(jié)合系統(tǒng)運行的狀況，穿越時間也可設置為125 ms/次。

3.2 調(diào)整運行方式

風力發(fā)電廠故障的產(chǎn)生原因是解決系統(tǒng)故障的首要任務，分析系統(tǒng)的繼電保護故障要結(jié)合系統(tǒng)的實際運行情況，優(yōu)先保護，合理安排。以減小故障為首要原則，結(jié)合系統(tǒng)實際情況合理安裝繼電接線方式[4]。新建設的風力發(fā)電廠需結(jié)合風力發(fā)電廠安裝的實際位置與風力情況進行設計安裝。若系統(tǒng)安裝不屬于接地方式，需考慮設備安全，使用小電流具備跳閘功能的接地裝置。若系統(tǒng)繼電保護問題通過這些措施難以解決，可采取故障隔離方法，用以排除系統(tǒng)故障。

3.3 強化風電并網(wǎng)運行、維修以及故障管理工作

可通過使用相能測量系統(tǒng)、故障錄波裝置等監(jiān)控裝置，對風力發(fā)電系統(tǒng)中各設備的運行情況進行實時監(jiān)控。通過數(shù)據(jù)的采集、分析與處理，確保繼電保護裝置與風力發(fā)電系統(tǒng)的運行[5]。

3.4 建立電磁暫態(tài)仿真模型

現(xiàn)階段，雙饋型風力發(fā)電機與永磁直驅(qū)機組電力系統(tǒng)發(fā)展越來越快，在電力系統(tǒng)中得到廣泛應用。因此，繼電保護需將其考慮在內(nèi)。異步發(fā)電機組與傳統(tǒng)意義上的同步發(fā)電機組存在很大的不同。因此，風力發(fā)電系統(tǒng)系統(tǒng)的分析與處理需結(jié)合其設計原理與功能，建立準確的模型。對風力發(fā)電系統(tǒng)的實際情況進行分析，暫態(tài)仿真模型可對系統(tǒng)的實際運行進行動態(tài)模擬，為風電廠的分析處理提供技術支持[6]。

3.5 加強開發(fā)集群電線路保護機理

當風電場產(chǎn)生集群電路問題時，將在很大程度上降低集群母線與風電機組的電壓。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障且故障難以及時解除時，將在很大程度上對風電場的實際運行的可靠性產(chǎn)生影響，進而導致系統(tǒng)大面積脫網(wǎng)。若想及時解除故障，需準確定位故障點，對故障進行隔離處理。結(jié)合現(xiàn)階段掌握的系統(tǒng)信息全面分析，對系統(tǒng)進行不斷完善。

3.6 應用繼電保護自動化系統(tǒng)

繼電保護自動化系統(tǒng)可實時監(jiān)控電網(wǎng)的實際運行，對系統(tǒng)中各參數(shù)記錄分析，實時監(jiān)控電網(wǎng)系統(tǒng)中各參數(shù)，診斷系統(tǒng)問題，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時及時采取保護措施發(fā)出警報。

3.7 重視配合自動控制系統(tǒng)與安全自動裝置

繼電保護裝置的定值和時限需與電網(wǎng)運行保護相連，風力發(fā)電場的電網(wǎng)保護通過不同系統(tǒng)管理，為避免系統(tǒng)發(fā)生脫網(wǎng)問題，在實際安裝過程中需考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性等因素，建立多站點聯(lián)控的連接策略。這樣就可合理防范供電廠不穩(wěn)定導致電網(wǎng)系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象，進而建立完善合理的繼電保護系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

隨著我國經(jīng)濟的不斷繁榮發(fā)展，人們環(huán)保意識逐漸增強，而風力發(fā)電可在一定程度上滿足社會對清潔能源的需求。但由于風力發(fā)電過程中，受到較多不定因素的影響，風力發(fā)電系統(tǒng)仍需不斷改善，以滿足社會對風電系統(tǒng)故障控制的要求。