云南電網(wǎng)大規(guī)模風(fēng)電接入繼電保護(hù)探討

李俊鵬

(云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217)

1 前言

大規(guī)模風(fēng)電的接入使傳統(tǒng)的繼電保護(hù)面臨了新的問題。大規(guī)模的風(fēng)電場接入對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，就接入點(diǎn)系統(tǒng)來說，已不能參照早期小型風(fēng)電接入一樣被當(dāng)作普通負(fù)荷終端而被忽略掉，傳統(tǒng)繼電保護(hù)所面臨的是發(fā)生了顯著變化的故障特征，對(duì)接入點(diǎn)系統(tǒng)的繼電保護(hù)提出了新的要求。以下就繼電保護(hù)所面臨的一些問題進(jìn)行初步的探討。

2 風(fēng)電機(jī)組以及風(fēng)電場的故障特征

與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)相比風(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，并且沒有專門的勵(lì)磁裝置，故障特征與同步發(fā)電機(jī)存在顯著的差別。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)稱系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的，是假定在故障發(fā)生之后的電磁暫態(tài)過程中，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)的改變的情況下計(jì)算得到短路電流大小及其衰減特性，并以此作為繼電保護(hù)原理設(shè)計(jì)、整定以及開關(guān)設(shè)備選擇的依據(jù)。而風(fēng)電機(jī)組普遍采用異步發(fā)電機(jī)，短路電流的大小和故障特征發(fā)生了顯著的變化。云南電網(wǎng)內(nèi)目前投產(chǎn)的風(fēng)電機(jī)組主要為鼠籠型異步發(fā)電機(jī)及雙饋型異步發(fā)電機(jī)兩種。兩者的區(qū)別為鼠籠型異步發(fā)電機(jī)其定子直接接入電網(wǎng)，在發(fā)出有功的同時(shí)需要從電網(wǎng)吸收無功來勵(lì)磁。而雙饋風(fēng)電機(jī)組采用繞線式異步電機(jī)，其定子側(cè)直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)采用三相對(duì)稱繞組，經(jīng)背靠背的脈寬調(diào)制(PWM)雙向電壓源變流器與電網(wǎng)相連，為轉(zhuǎn)子側(cè)提供交流勵(lì)磁。基于目前的情況，鼠籠型異步機(jī)組沒有獨(dú)立的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，在電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)系統(tǒng)不能繼續(xù)為風(fēng)電機(jī)組提供勵(lì)磁，故短路電流瞬時(shí)非?？捎^但很快逐漸衰減至零，很難向電網(wǎng)提供持續(xù)的短路電流。雙饋風(fēng)電機(jī)組的短路電流在同等出力、同一故障點(diǎn)同樣故障情況下，短路電流瞬時(shí)值較鼠籠型異步機(jī)組小，并在轉(zhuǎn)子側(cè)外接變流器的作用下，在故障未切除時(shí)會(huì)向系統(tǒng)提供持續(xù)的短路電流，其穩(wěn)態(tài)短路電流值小于穩(wěn)定運(yùn)行的電流。

對(duì)于繼電保護(hù)而言，關(guān)注點(diǎn)不應(yīng)僅局限于故障電流的大小，而更關(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)而引發(fā)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。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題的較好途徑，但會(huì)面臨控制策略方面的技術(shù)障礙。

3 風(fēng)電場內(nèi)集電線路的保護(hù)問題

風(fēng)電場機(jī)群之間采用35 kV電壓等級(jí)組成集電網(wǎng)絡(luò)并通過并網(wǎng)點(diǎn)直接與高壓電網(wǎng)相連接，與傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)具有相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但兩者卻有著明顯的區(qū)別。風(fēng)機(jī)作為分布式電源對(duì)于風(fēng)電廠內(nèi)任一集電線路而言，由于母線兩側(cè)上均有電源分布，為雙端電源系統(tǒng)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，而應(yīng)根據(jù)風(fēng)電場發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式、風(fēng)機(jī)短路電流大小及衰減特性選取合適的保護(hù)配置方式整定原則，從而確保整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的性能。由于風(fēng)電機(jī)群之間主要通過高壓電纜進(jìn)行連接，云南省內(nèi)現(xiàn)行風(fēng)電場內(nèi)集電線路的故障判別主要依賴小電流接地選線裝置，而對(duì)35 kV集電線路沒有配置專門的保護(hù)，這種情況下小電流接地選線裝置的性能就變得非常的關(guān)鍵。當(dāng)前應(yīng)對(duì)現(xiàn)行風(fēng)電場小電流接地選線裝置的應(yīng)用情況進(jìn)行針對(duì)性的研究，以確保滿足要求。

4 風(fēng)電接入系統(tǒng)的繼電保護(hù)問題

由于現(xiàn)階段風(fēng)電接入的繼電保護(hù)問題并沒有大規(guī)模地顯現(xiàn)出來，大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響并沒有得到足夠的重視，隨著風(fēng)電在電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)中所占比例的逐步提升，繼電保護(hù)的適應(yīng)性問題必然將集中體現(xiàn)出來并得到足夠的重視。

風(fēng)電場接入后系統(tǒng)保護(hù)主要面臨以下幾個(gè)方面的問題。一則由于升壓變壓器的接地，系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線零序保護(hù)將受到影響，會(huì)造成保護(hù)靈敏度的下降;二則系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線的自動(dòng)重合閘功能將受到挑戰(zhàn)，這主要是由于目前采用的檢同期重合方式需要風(fēng)電電源在并網(wǎng)點(diǎn)具有穩(wěn)定性，而大規(guī)模風(fēng)電場在聯(lián)絡(luò)線跳開后風(fēng)機(jī)會(huì)進(jìn)入動(dòng)態(tài)過程，不能保證檢同期成功，從而可能導(dǎo)致重合閘失敗，最終造成風(fēng)電脫網(wǎng);三則由于風(fēng)電場向故障點(diǎn)輸出持續(xù)短路電流的能力差，除非裝設(shè)專門的弱饋保護(hù)，否則并網(wǎng)點(diǎn)聯(lián)絡(luò)線保護(hù)性能差，拒動(dòng)將成為常態(tài)。四則異步發(fā)電機(jī)對(duì)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線距離保護(hù)動(dòng)作特性有影響，根據(jù)保護(hù)安裝處的電壓和電流計(jì)算得到的異步發(fā)電機(jī)阻抗特性為負(fù)電阻和正電抗特性，由此在阻抗平面上其軌跡可能落入第二象限從而降低了距離保護(hù)的動(dòng)作裕度。

由以上分析可知，作為一種特殊的電源形式，風(fēng)電對(duì)輸電網(wǎng)繼電保護(hù)具有一定的負(fù)面影響，或者說，傳統(tǒng)的繼電保護(hù)原理并非都能夠適應(yīng)風(fēng)電的接入，因此有必要對(duì)風(fēng)電接入后的繼電保護(hù)問題進(jìn)行研究。繼電保護(hù)希望得到一個(gè)理想電源與系統(tǒng)阻抗的經(jīng)典串聯(lián)模型來等效風(fēng)電場，以獲取對(duì)繼電保護(hù)來說最重要的電磁暫態(tài)過程。進(jìn)行專門面向繼電保護(hù)的風(fēng)電場等值研究，將非常有助于繼電保護(hù)的整定與配置。

5 結(jié)束語

隨著云南電網(wǎng)大規(guī)模風(fēng)電場的不斷接入，需要從以下幾個(gè)方面來展開繼電保護(hù)的研究工作。

1)故障電流波形特征的研究

就目前看，保護(hù)所有的側(cè)重點(diǎn)都放在了短路電流的最大值及其衰減特性方面，對(duì)于保護(hù)的影響也主要從保護(hù)的配合和整定上面考慮，并未涉及到繼電保護(hù)原理本身。影響保護(hù)性能的一個(gè)重要因素就是故障暫態(tài)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(jì)算結(jié)果以及保護(hù)判據(jù)最終的判別結(jié)果，對(duì)于故障后故障電流波形特征的分析是必要的，將會(huì)影響到保護(hù)性能的分析。

2)電磁暫態(tài)仿真模型的建立

電網(wǎng)中雙饋型風(fēng)電機(jī)組所占比例比較大。對(duì)于這些具有復(fù)雜控制系統(tǒng)和控制策略的風(fēng)電機(jī)組，其故障電流與控制策略密切相關(guān)，應(yīng)通過建立通用仿真模型，供繼電保護(hù)整定和性能分析使用。

3)加強(qiáng)風(fēng)電場機(jī)群集電線路保護(hù)原理的開發(fā)

風(fēng)電機(jī)組持續(xù)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(fù)雜，若不考慮電網(wǎng)提供的短路電流，故障識(shí)別和隔離將異常困難。而利用電網(wǎng)提供的短路電流需要考慮系統(tǒng)保護(hù)定值配合和延時(shí)配合的問題，故障切除時(shí)間長，不利于風(fēng)電場和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，因此有必要分析風(fēng)電場機(jī)群集電線路的故障特點(diǎn)，開發(fā)適用于風(fēng)電場機(jī)群集電線路的新型保護(hù)。

4)加強(qiáng)風(fēng)電場自動(dòng)控制系統(tǒng)和電網(wǎng)繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置的配合

風(fēng)電場繼電保護(hù)的定值和時(shí)限均需與電網(wǎng)的保護(hù)進(jìn)行配合。現(xiàn)階段，風(fēng)電場與電網(wǎng)保護(hù)的整定分屬于不同的部門，應(yīng)加強(qiáng)協(xié)調(diào)配合，避免由于定值問題所造成的意外脫網(wǎng)事故。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)電網(wǎng)自動(dòng)重合閘、各種后備保護(hù)以及緊急狀態(tài)下切機(jī)切負(fù)荷等保護(hù)與風(fēng)電場控制的配合，構(gòu)建協(xié)調(diào)的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)體系。