大规模风电接入的继电保护问题综述(2)

1.3 风电机组和风电场的故障特征分析

对于继电保护尤其是快速动作的主保护而言，主要关注风电机组提供短路电流的能力。另外，由于距离保护等保护的性能与系统的等效正负序阻抗密切相关，风电机组和风电场的等效正负序阻抗特征也应该得到足够的重视。

文献[23]通过power factory 软件包仿真分析了普通异步风力发电机组的短路电流幅值与衰减特征。其结论是：短路发生后普通异步机组能够提供很大的瞬间短路电流，但却很快衰减，不具备提供持续短路电流的能力。文献[24]采用同样的方法对双馈型风电机组的短路电流进行了分析，双馈型风电机组瞬间短路电流略小于普通异步机组，相对于普通异步机组，其衰减时间也比较长，此种类型的机组具有提供一定的持续短路电流的能力。

文献[25]以新疆达坂城风电场为研究对象，考虑风速变化对风电场提供短路电流的影响，指出阵风和渐变风影响风力发电机有功出力，加大短路电流。

文献[26-27]研究了风电场的等值问题，分析了风电场并网点故障电流的特征以及影响风电场短路故障特征的因素。文献[27]的研究结果显示三相短路时故障电流最大为额定电流的8 倍，并绘制了两相短路和单相短路的故障电流曲线，得出了故障电流幅值不能作为判断故障类型方法的结论。

1.4 总结和建议

对于大规模风电的接入，不同专业的关注点不同。对于继电保护而言，其关注点不仅仅在于故障电流的大小，更关注故障电流的波形特征，以及影响现有保护原理的诸如正负序阻抗等系统特征。

短路电流的波形及暂态谐波含量将影响以傅里叶算法为基础的工频量保护的性能，进而引起保护的拒动或误动，对电网的安全运行造成威胁。

双馈和直驱风电机组的控制策略将直接影响到故障电流的幅值、衰减等故障特征。到目前为止，在故障电流的计算以及故障分析过程中，crowbar保护已得到充分的考虑。由于涉及到具体的控制策略，永磁直驱风电机组的短路电流特征并未得到充分的研究。控制系统被大多数生产制造企业视为技术机密，可以预见，若永磁直驱风电机组成为大规模风电场的主力机型，由于无法充分掌握故障特征，将使得继电保护面临比以往更为困难的局面。

采用电磁暂态仿真手段进行故障电流以及故障特性的研究是解决这一问题的较好途径，但同样面临控制策略方面的技术障碍

。2 风电场集电线路与网络的继电保护

大规模风电场机群之间采用 35kV 电压等级组成网络并通过并网点直接与高压电网相连接，与配电网络具有相同的网络结构。但针对辐射型配电网设计的继电保护直接应用于风电场集电网络保护时会存在适应性问题。这与近年来分布式电源接入配电网所带来的继电保护问题相同，综述如下。

文献[23-24，28]考虑风电场允许短时电动机运行的特点以及风电机组短路电流的衰减特性，论述了对于快速动作的保护必须考虑潮流反向的影响而在必要时装设方向式过流保护，在其整定时也必须考虑风电场馈出的短路电流;而当保护装置的动作时间超过5 个周期之后，则由于风电场短路电流的衰减特性，可以不考虑风电场的影响。

文献[29-30]讨论了风电场接入系统后对配电网继电保护的影响及对策。文献[29]分析了定子故障电流的构成以及各分量的衰减规律，指出风电场接入辐射型配电网，会造成接入母线的下一级输电线路电流速断保护范围增大，从而使得保护造成失去选择性，同时也会造成该母线上一级输电线路定时限电流速断保护范围缩小。针对辐射型电网风电接入后阶段式电流保护的问题，提出配置自适应电流保护来识别并切除故障，并验证了其有效性。文献[30]利用继电保护测试设备和实际的继电保护装置，通过仿真研究了过电流保护受风电场影响的情况。由于感应电动机故障之后仅能提供短时故障电流，反时限过电流保护可能因为故障电流的衰减而不能够正确动作，从而影响整个保护系统的性能。

文献[31]考虑了配电网各保护设备之间的时间配合问题，提出了一种能够自适应故障类型、短路电流水平以及风电出力的自适应继电器，通过自适应保护动作时间来保证隔离故障以及风电场的可靠稳定运行。

文献[32]通过仿真研究，得出了由于风电间歇性的特点，风电场内部集电线路和网络的保护必须采用自适应保护原理的结论。同时，文中也指出，由于风电机组故障电流的特点，风电场内部短路的电流主要有电网提供，如何利用有限的故障电流检测并切除故障是风电场集电线保护的一个难点。目前国内的规模化风电基地所采用的集电线路和网络保护大多为传统的35 kV 继电保护装置，通过对以上文献的综述，不难看出风电作为分布式电源与传统配电网相比具有明显的不同。文献中所提及的加装方向元件，采用自适应保护以及考虑各保护之间的配合关系都是解决风电场集电线路保护问题的途径。但是，正如文献[32]所提到的，风电场故障电流持续时间短，风机运行状况受自然条件的影响显著，仅仅基于本地信息的传统继电保护性能可以提升的空间非常有限。能否将现在已经被广泛认可的通信以及智能电网技术引入风电场的保护中，从而构建新的含多电源的集电线路及网络保护体系，值得思考。

3 大规模风电接入输电网的继电保护问题

随着风电电源在电网中所占比例的增大，大规模风电基地通过专用线路长距离输送风能已经成不可改变的现实。对于大容量，具有随机间歇特征的风电，不可能再忽略其对输电网继电保护的影响。近年来，国内外也有文献开始关注并探讨这一问题，综述如下。文献[33]讨论了风电接入后110 kV 电网继电保护和安全自动装置所受到的影响：风电电源接入后，由于升压变压器的接地，系统零序网络发生变化，联络线零序保护的灵敏度下降;并网联络线的自动重合闸功能将受到挑战，这主要是由于目前采用的检同期重合方式需要风电电源在并网点具有稳定性，而大规模风电场在联络线跳开后风机会进入动态过程，不能保证检同期成功，从而可能导致重合失败，最终造成风电脱网;由于风电场向电网馈出持续短路电流的能力差，除非装设专门的弱馈保护，否则并网点联络线保护性能差，拒动将成为常态。

文献[34-38]研究了风电场接入高压电网后的继电保护配置方案。文献[34]通过对人工短路试验数据的分析，指出在故障切除前，风电场以类似于异步电机的方式提供短路电流，这与前述文献的结论一致。因此对电网也言，风电场接入对快速动作的主保护有影响。文献[36]分析了异步发电机对并网联络线距离III 段保护动作特性的影响，指出根据保护安装处的电压和电流计算得到的异步发电机阻抗特性为负电阻和正电抗特性，由此在阻抗平面上其轨迹可能落入第2 象限从而降低了距离III段保护的动作裕度。文献[37]针对我国西北大规模风电基地输送采用可控串补和可控电抗器的实际，提出一种考虑风电波动性的基于综合阻抗的输电线路纵联保护新原理，仿真结果表明该原理具有较好的性能和对风电送出联络线保护的适用性。文献[38]提出一种大规模风电场并网联络线距离保护的自适应整定方法，根据测量电压、电流以及风电场开机情况，自适应地调整距离保护的整定值，从而消除风电场输出功率的波动性对并网联络线距离保护的影响。

由以上分析可知，作为一种特殊的电源形式，风电对输电网继电保护具有一定的负面影响，或者说，传统的继电保护原理并非都能够适应风电的接入，因此有必要对风电接入后的继电保护问题进行研究。

与风电场内部集电线保护不同，作为高压电网的联络线保护必须将风电场作为一个整体来考虑。继电保护工作者希望得到一个理想电源与系统阻抗的经典串联模型来等效风电场。但是风电场内机组和机群在空间上的分布性质，在类型上的差异，都使得这样的模型不易获得。目前对于风电场的等值，其目的都不是进行继电保护的整定和性能校验，因此对继电保护来说最重要的电磁暂态过程被广泛忽略，并不能够直接应用于继电保护。面向继电保护的风电场等值，是一个非常值得研究的方向。

4 结论及展望

随着大规模风电基地在我国东北、华北以及西北的建设，未来的中国电网中风电电源的比例将会进一步上升。从目前的研究现状看，对于大规模风电对继电保护的影响在国内外并没有一个统一的看法，相关的研究工作也未系统地展开。笔者认为，需要从以下几个方面来展开研究工作。

1)故障后故障电流波形特征的研究。

故障特征分析是继电保护的基础，就现状看，所有的侧重点都放在了短路电流的最大值及其衰减特性方面，对于保护的影响也主要从保护的配合和整定上面考虑，并未涉及到继电保护原理本身。在继电保护体系中，主保护的作用毋庸置疑，影响主保护性能的一个重要因素就是故障暂态过程的波形特征及滤波算法，这将直接影响到工频电气量的计算结果以及保护判据最终的判别结果。对于故障发生后主保护动作时限内(一般为0.30 ms)故障电流波形特征的分析是必要的，将会影响到保护性能的分析。

2)电磁暂态仿真模型的建立。

电网中双馈型风电机组和永磁直驱机组所占比例逐步增加。对于这些具有复杂控制系统和控制策略的风电机组，其故障电流与控制策略密切相关，继电保护中不可避免地要涉及机组的控制。在制造企业不能提供完整控制策略的现实条件下，应组织力量加强合作，建立通用仿真模型，供继电保护整定和性能分析使用。

3)加强风电场集电线路保护原理的开发。

风电场集电线路短路故障会造成风电机组或机群母线电压降低，对于快速响应的现代风电机组而言，故障若不能迅速切除，必将造成大面积脱网事故。风电机组持续提供短路电流的能力差，短路电流的波形受各种控制模块的影响而变得更加复杂，若不考虑电网提供的短路电流，故障识别和隔离将异常困难。利用电网提供的短路电流需要考虑保护定值配合和延时配合的问题，故障切除时间长，不利于风电场和电力系统的安全稳定，因此有必要分析风电场集电线路的故障特点，综合利用风电场内的广域信息，开发性能优良的集电线路及网络保护新原理。

4)重视风电场自动控制系统和电网继电保护与安全自动装置的配合。

风电场的低电压穿越控制、风电场继电保护的定值和时限均需与电网的保护进行配合。现阶段，风电场与电网保护的整定分属于不同的部门，应加强协调配合，避免由于定值问题所造成的意外脱网事故。同时应加强电网自动重合闸、各种后备继电器以及紧急状态下切机切负荷等继电器与风电场控制的配合，构建协调的电力系统继电保护体系。