大規(guī)模風電接入的繼電保護問題綜述

0 引言

繼電保護是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的第一道防線，能夠在故障發(fā)生時快速可靠地識別并有效地隔離故障，對遏制系統(tǒng)運行狀況的進一步惡化，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，隨著能源危機和環(huán)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(guān)注，其大規(guī)模應用，必然帶來集中接入、遠距離傳輸以及風電場內(nèi)部集電線路網(wǎng)絡化等問題，從而改變電力系統(tǒng)的運行特征。

大規(guī)模風電接入的繼電保護問題屬于智能電網(wǎng)的兼容性范疇。對接入點而言，規(guī)�；�的風電場對系統(tǒng)運行的影響，已不能象早期小型風電接入一樣被完全忽略掉，這已不僅僅是風電調(diào)度的問題，繼電保護所面臨的故障特征同樣也發(fā)生了顯著的變化。大型風電場內(nèi)部的機組和機群越來越多地采用35 kV 電壓等級以網(wǎng)絡的形式匯集電能，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)保護原理和裝置能否滿足風電場內(nèi)部集電線路的要求，也是眾多業(yè)主和電力系統(tǒng)運行部門必須考慮的問題。

為了保證大規(guī)模風電接入后的電網(wǎng)安全，國內(nèi)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(fā)電機，其轉(zhuǎn)動慣量和時間常數(shù)小，并且沒有專門的勵磁裝置，故障特征與同步發(fā)電機存在顯著的差別。永磁直驅(qū)機組雖然為同步發(fā)電機，但是通過換流器并網(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。這些都將增加風電機組電磁暫態(tài)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(tài)和穩(wěn)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(nèi)容。

2)風電場集電線路及網(wǎng)絡的繼電保護問題。

雖然大型風電場內(nèi)部集電線路廣泛采用 35 kV電壓等級，但卻與傳統(tǒng)配電網(wǎng)輻射狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)存在明顯的差別。對于任一集電線路，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)繼電保護的配置方式和整定原則將不再適用。

風電場集電線路及網(wǎng)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(wǎng)保護配合關(guān)系等內(nèi)容。

3)大規(guī)模風電接入輸電網(wǎng)的繼電保護問題。

在包括中國在內(nèi)的大多數(shù)國家，風電的大規(guī)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(wǎng)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(wǎng)聯(lián)絡線保護的影響，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一步深入研究。

規(guī)模化風電接入電網(wǎng)的問題是目前國內(nèi)外相關(guān)研究的熱點[1]，但是繼電保護相關(guān)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(wǎng)安全運行的，現(xiàn)階段繼電保護問題并沒有大規(guī)模地顯現(xiàn)出來。隨著調(diào)度、運行方式等問題的解決，風電在電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)中所占比例必將逐步提升，繼電保護的適應性問題將集中體現(xiàn)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(wǎng)絡的繼電保護以及大規(guī)模風電接入后高壓電網(wǎng)的繼電保護3 個方面，對目前國內(nèi)外的相關(guān)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?qū)�今后的相關(guān)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(tǒng)電力系統(tǒng)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系統(tǒng)的基礎之上的。也就是說，假設在故障發(fā)生之后的電磁暫態(tài)過程中，同步發(fā)電機能夠作為一個理想電源不發(fā)生任何參數(shù)和運行狀態(tài)的改變。基于此，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(jù)。

風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(fā)電機

感應式異步發(fā)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(fā)電機空載發(fā)生定子三相短路時短路電流的解析表達式，基于感應發(fā)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(zhuǎn)子磁鏈相差180°的結(jié)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(guī)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短路時感應發(fā)電機的短路電流，該結(jié)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(jié)論與上述文獻[2-3]的結(jié)論相同，即故障時感應式異步發(fā)電機向電網(wǎng)注入了可觀的故障電流，隨著故障時間的持續(xù)該電流逐漸衰減，衰減時間與故障類型相關(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(tǒng)實時仿真平臺RT-L