基于風(fēng)電機(jī)組的繼電保護(hù)方案探索

陳 茜

（廣東電網(wǎng)公司江門供電局，廣東 江門 529000）

基于風(fēng)電機(jī)組的繼電保護(hù)方案探索

陳 茜

（廣東電網(wǎng)公司江門供電局，廣東 江門 529000）

隨著我國大容量風(fēng)電機(jī)組的不斷發(fā)展，電力體系中風(fēng)力發(fā)電所占比例也逐年上升，風(fēng)力發(fā)電與系統(tǒng)正常運(yùn)行及穩(wěn)定性能有著密切關(guān)系。早期的風(fēng)電發(fā)電容量在電力系統(tǒng)中所占的比例很小，在電網(wǎng)出現(xiàn)事故時(shí)，對(duì)應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組會(huì)出于自我保護(hù)而立即脫網(wǎng)。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電的大容量裝機(jī)體系，風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)將會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓及頻率極度降低，致使事故增加，甚至造成電網(wǎng)崩潰的現(xiàn)象出現(xiàn)。本文對(duì)風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并提出了對(duì)應(yīng)的繼電保護(hù)方案。

風(fēng)電機(jī)組；繼電保護(hù)；保護(hù)方案

0 前言

近年來，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不斷地革新發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行問題也頻頻出現(xiàn)。但傳統(tǒng)中在展開電力體系保護(hù)配置及對(duì)應(yīng)的整定計(jì)算時(shí)，卻并未將風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響考慮在內(nèi)，只是對(duì)其按一定程度簡化成不計(jì)衰減式恒定電流源或是終端負(fù)值負(fù)荷，卻不考慮接入電網(wǎng)出現(xiàn)事故時(shí)風(fēng)電場(chǎng)給予的短路電流。

1 風(fēng)電機(jī)組高電壓脫網(wǎng)概論

（1）風(fēng)電場(chǎng)大規(guī)模脫網(wǎng)事故不斷出現(xiàn)，相關(guān)的調(diào)查研究顯示，該事故誘因大多都是風(fēng)電場(chǎng)的內(nèi)部接地，因?yàn)橹行渣c(diǎn)的接地方法不適宜而引起風(fēng)電機(jī)組電壓極度下降，導(dǎo)致沒有低電壓穿越能力的對(duì)應(yīng)風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)的無功補(bǔ)償設(shè)備控制及保護(hù)裝置不適宜，致使該事故在切除之后電壓會(huì)提升，出現(xiàn)更多的機(jī)組電壓脫網(wǎng)狀況，將脫網(wǎng)故障不斷惡化。脫網(wǎng)故障提醒著我們風(fēng)電場(chǎng)繼電保護(hù)的整定具有一定的特殊性，其也與我國的風(fēng)電場(chǎng)電壓的保護(hù)定值不規(guī)范有著很大關(guān)系。

（2）如圖所示，風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)高電壓脫網(wǎng)故障過程。A時(shí)刻的風(fēng)電場(chǎng)出現(xiàn)了內(nèi)部接地性事故，因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)集電體系是中性點(diǎn)非有效性的接地體系，接地故障不能即刻的處理；B時(shí)刻風(fēng)電場(chǎng)對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備則會(huì)給電網(wǎng)注進(jìn)無功功率，來確保母線的電壓，整個(gè)系統(tǒng)的電壓保持回升狀態(tài)；C時(shí)刻則存在著接地事故線路切除現(xiàn)象。在A時(shí)刻前期風(fēng)電場(chǎng)是發(fā)電狀態(tài)，相應(yīng)電容器組通常是處在非常投入的狀態(tài)，來確保風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)點(diǎn)電壓，A至C之間很多沒有低電壓穿越能力風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)了脫網(wǎng)狀況，在C時(shí)刻事故清楚之后，電容器組卻沒有停止對(duì)應(yīng)的無功傳送，整個(gè)系統(tǒng)的電壓就在瞬間上升。由于電容器無功輸出以及對(duì)應(yīng)電網(wǎng)的電壓成正比例關(guān)系，所以電網(wǎng)的電壓持續(xù)上升。發(fā)電機(jī)處的電壓超出了發(fā)電機(jī)的過電壓保護(hù)值時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致一些風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)脫網(wǎng)的現(xiàn)象，也就是高電壓穿越失敗。風(fēng)電場(chǎng)的內(nèi)部事故以及風(fēng)電場(chǎng)出線路產(chǎn)生接地事故，也極有可能導(dǎo)致對(duì)應(yīng)風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)大范圍的脫網(wǎng)，該故障過程以及原理和內(nèi)部事故造成的故障極為相同。

風(fēng)電機(jī)組高電壓脫網(wǎng)故障中電壓時(shí)間曲線簡圖

（3）我國多次大范圍的脫網(wǎng)故障中，高電壓所導(dǎo)致的脫網(wǎng)機(jī)組可超過1/3的總脫網(wǎng)機(jī)組量。該事故末期的現(xiàn)場(chǎng)人員必須親自動(dòng)手進(jìn)行電容器組的切除，確保整體系統(tǒng)電壓下降以呈現(xiàn)正常電壓水平。所以，要合理有效的對(duì)電容器組及風(fēng)電機(jī)組過電壓的保護(hù)值進(jìn)行嚴(yán)格設(shè)定，以確保電容器組可以在相關(guān)電壓超出了設(shè)定值時(shí)即刻斷開，以便于降低電網(wǎng)內(nèi)部無功過剩量，有效的防止風(fēng)電機(jī)組高電壓脫網(wǎng)故障。

2 風(fēng)電機(jī)組過電壓保護(hù)

（1）風(fēng)電機(jī)組對(duì)應(yīng)的耐壓水平比普通裝置較低，所以應(yīng)該專項(xiàng)配置過電壓保護(hù)設(shè)備。風(fēng)電機(jī)組耐壓能力的關(guān)鍵是受限于相關(guān)發(fā)電機(jī)繞組和變頻器直流電容所呈現(xiàn)的耐壓力。發(fā)電機(jī)是旋轉(zhuǎn)式的裝置，其匝間的絕緣能力很弱，對(duì)應(yīng)耐壓水平也是比其余同級(jí)別裝置低很多。雙饋發(fā)電機(jī)組依據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求，發(fā)電機(jī)組要能夠承受住3分鐘1.3倍額定電壓，匝間的絕緣能力仍不會(huì)受到損壞。其實(shí)，對(duì)于相關(guān)的變頻器來講電網(wǎng)的電壓高出變頻器的逆變電壓，就會(huì)產(chǎn)生功率的反向流動(dòng)，也就是電流會(huì)經(jīng)由電網(wǎng)邊側(cè)流進(jìn)變頻器中。以造成變頻器的直流電容電壓提升，在電壓超出了對(duì)應(yīng)耐受力就會(huì)造成直流電容器出現(xiàn)損壞的狀況?？偠灾?，風(fēng)電機(jī)組所允許的電壓波動(dòng)非常嚴(yán)格，對(duì)應(yīng)工頻的過電壓允許范圍通常不會(huì)高過1.2倍額定電壓。

（2）在確保該系統(tǒng)產(chǎn)生工頻過電壓時(shí)，把對(duì)應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組可靠切除以保護(hù)發(fā)電機(jī)及變頻器，通常是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出口端，690伏邊側(cè)裝設(shè)電壓繼電器以及負(fù)荷開關(guān)。對(duì)應(yīng)繼電器的動(dòng)作定值通常是風(fēng)電機(jī)組廠家來進(jìn)行設(shè)置的，風(fēng)電機(jī)組的廠家設(shè)定整定值是較為保守的。其不同的風(fēng)電機(jī)組型號(hào)過電壓保護(hù)值是不盡相同的，并且對(duì)應(yīng)設(shè)置值應(yīng)較于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)電機(jī)組耐壓力低很多。

3 風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)出口電壓計(jì)算

（1）因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)處是對(duì)應(yīng)電源，趨向是發(fā)電機(jī)流向壓力提升變電站的主要變壓器低壓邊側(cè)。所以，在對(duì)應(yīng)機(jī)組處在發(fā)電的狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓通常較高于升壓站的低壓母線電壓，其相應(yīng)電壓差是集電線路以及風(fēng)電機(jī)組的升壓變壓器的降壓和，風(fēng)電機(jī)組以及電容器組過電壓整定值要將該電壓差充分考慮。

（2）集電線路和發(fā)電機(jī)組的機(jī)端電壓值是經(jīng)過對(duì)應(yīng)潮流計(jì)算所得。計(jì)算過程中以35千伏的母線處作為平衡節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)電壓是1.15＜p.u，其余的節(jié)點(diǎn)都是以PQ為節(jié)點(diǎn)。發(fā)電機(jī)是滿發(fā)時(shí)，充分的考慮到cos這兩類情況。利用相關(guān)軟件計(jì)算這兩類情況之下潮流及風(fēng)電機(jī)的出口端電壓值。相關(guān)計(jì)算結(jié)果顯示，距離升壓站較遠(yuǎn)時(shí)發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓就會(huì)越高。在發(fā)電機(jī)設(shè)置為恒定的功率系數(shù)運(yùn)作是，在集電線路末端風(fēng)電機(jī)組的電壓對(duì)應(yīng)值可達(dá)1.202p.u；在發(fā)電機(jī)設(shè)置是變動(dòng)功率系數(shù)運(yùn)作時(shí)，全部的風(fēng)電機(jī)組無功輸出均可達(dá)到極限狀態(tài)，那么末端的電機(jī)組電壓可以與35千伏母線處的電壓相持平。

（3）所以風(fēng)電機(jī)組的無功調(diào)整能力會(huì)減小發(fā)電機(jī)出口端電壓，在我國很多的風(fēng)電機(jī)組卻不具有其對(duì)應(yīng)的無功調(diào)節(jié)功能，卻是利用恒定的功率系數(shù)所運(yùn)行方式。該狀態(tài)之下的發(fā)電機(jī)出口處電壓標(biāo)幺值會(huì)高出35千伏母線電壓標(biāo)幺值很多。

4 不同風(fēng)電機(jī)組繼電保護(hù)配置方案及原則

（1）IG機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)短路電流僅僅會(huì)對(duì)相關(guān)線路的電流速斷保護(hù)具有一定的影響，在對(duì)應(yīng)保護(hù)設(shè)備動(dòng)作的時(shí)間比5個(gè)周波小，就應(yīng)將風(fēng)電場(chǎng)的短路電流對(duì)其線路電流保護(hù)充分的考慮。在D-PMSG機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)對(duì)應(yīng)容量的大于接近220千伏的輸電線路時(shí)，就務(wù)必要給風(fēng)電場(chǎng)專線之上的裝設(shè)遠(yuǎn)方類跳閘設(shè)備。

（2）利用遠(yuǎn)后備的原則來對(duì)35千伏匯集線路進(jìn)行保護(hù)，在對(duì)應(yīng)體系邊側(cè)裝設(shè)三段式的過流保障設(shè)備，或是在必要時(shí)可以設(shè)立方向式的器件，最適宜三段式之間的距離保護(hù)。中性點(diǎn)經(jīng)由消弧線圈的接地體系要配設(shè)對(duì)應(yīng)較小電流接地事故的選線設(shè)備，風(fēng)電場(chǎng)輸出線路的兩邊重合閘要使用三相重合閘方法。接近220千伏與之上系統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)輸出線路兩邊要配置分相電流差動(dòng)的微機(jī)保護(hù)設(shè)備。在風(fēng)電場(chǎng)的容量大時(shí)要充分的考慮到雙側(cè)電源，雙側(cè)電源的線路要呈現(xiàn)重合閘的時(shí)候，對(duì)應(yīng)重合閘設(shè)備要具有同時(shí)檢測(cè)判定的能力。

5 結(jié)論

風(fēng)電場(chǎng)的無功補(bǔ)償對(duì)應(yīng)電容器過電壓保護(hù)值要和相關(guān)發(fā)電機(jī)組的過電壓保護(hù)值進(jìn)行合理有效的配合，還應(yīng)綜合性地考慮到箱變系數(shù)以及集電線路系數(shù)和機(jī)組動(dòng)態(tài)無功能力、對(duì)應(yīng)電容器組及各機(jī)組的耐壓能力等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的對(duì)應(yīng)過電壓保護(hù)值原則是要較大于相關(guān)電容器組的過電壓保護(hù)值，卻不能超出機(jī)組自身耐受電壓值；集電線路很長的風(fēng)電場(chǎng)末處風(fēng)電機(jī)組過電壓保護(hù)值可做一定提升；電容器組過電壓保護(hù)值整定要進(jìn)行綜合性的考慮斷路器開端次數(shù)及頻率和對(duì)應(yīng)電容器自身耐壓力來與風(fēng)電機(jī)的過電壓保護(hù)值有效配合；風(fēng)電機(jī)組的高電壓穿越和對(duì)應(yīng)電容器組的動(dòng)作間差值不能小于箱變及集電線路電壓和。

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