大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)繼電保護(hù)的影響及措施

譚志皓

摘??要：近年來(lái)，我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步為風(fēng)電裝機(jī)技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了有利的條件。但是，受諸多因素的影響，在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的過(guò)程中，出現(xiàn)了大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故，嚴(yán)重影響了發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，大大降低了我國(guó)風(fēng)電事業(yè)的整體發(fā)展水平，對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生了不利的影響。結(jié)合大規(guī)模風(fēng)電的優(yōu)勢(shì)及其接線特點(diǎn)、繼電保護(hù)配置等，系統(tǒng)地研究了大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故，分析了風(fēng)電出力、故障地點(diǎn)等不確定性因素的特點(diǎn)和各元件所配繼電保護(hù)對(duì)發(fā)電機(jī)組的影響。同時(shí)，總結(jié)了應(yīng)對(duì)故障的相關(guān)措施，大大提高了風(fēng)電發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性和安全性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電發(fā)電機(jī)組;繼電保護(hù);風(fēng)機(jī)脫網(wǎng);風(fēng)電建設(shè)

中圖分類號(hào)：TM614??????????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.090

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前，全國(guó)已安裝的風(fēng)電機(jī)組近50?000臺(tái)，為我國(guó)風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，加快了社會(huì)主義基礎(chǔ)建設(shè)的步伐。雖然我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到了世界第一，但是，在風(fēng)電建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中，缺乏對(duì)重大問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致風(fēng)電建設(shè)的整體質(zhì)量和水平偏低，出現(xiàn)了許多大規(guī)模脫網(wǎng)事故，使風(fēng)電投資效益大打折扣，嚴(yán)重制約了我國(guó)電力事業(yè)的健康發(fā)展。針對(duì)風(fēng)電機(jī)組對(duì)配繼電保護(hù)的影響，提出了相關(guān)的應(yīng)對(duì)措施，以保證風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電安全。

1??風(fēng)電接入對(duì)繼電保護(hù)的影響

1.1??小電流系統(tǒng)故障選線難

多數(shù)35?kV集電系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)，單相接地運(yùn)行時(shí)間為1～2?h。這種接地方式需要借鑒配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。通常情況下，其適用于接地電流較小的架空線路，如果將其應(yīng)用于架空線路和電纜混合發(fā)電系統(tǒng)，這種接線方式顯然不合理。由于配置的小電流選線裝置選線正確率較低，工作人員很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)單相接地隱患，導(dǎo)致故障擴(kuò)大化。為了有效避免故障擴(kuò)大化，可以通過(guò)電流行波等暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行故障選線，打破傳統(tǒng)的思想和方案，有效地降低小電流系統(tǒng)故障選線的難度，提高風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。

1.2??風(fēng)電機(jī)組短路

通常情況下，電壓較高的配置運(yùn)行更加穩(wěn)定。比如，330?kV及以上的主網(wǎng)繼電保護(hù)配置比較完善，事故切除率為100%，一旦主網(wǎng)發(fā)生短路事故，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓會(huì)受到故障性質(zhì)和故障點(diǎn)電氣距離的影響。當(dāng)故障持續(xù)時(shí)間在0.1?s內(nèi)時(shí)，會(huì)在1?s的延遲后重合。如圖1所示，風(fēng)電場(chǎng)短路電流和第一次故障有所不同，具備LVRT能力的風(fēng)電機(jī)組不一定能穿越第二次沖擊。那么，是否具備LVRT能力、風(fēng)機(jī)出力大小、控制策略等與風(fēng)電機(jī)組短路特性密切相關(guān)。

圖1??故障穿越示意圖

1.3??波動(dòng)性能源并網(wǎng)

由于波動(dòng)性能源并網(wǎng)，大量電力電子元件的運(yùn)行方式發(fā)生了較大的變化，大大降低了機(jī)組和系統(tǒng)的靈敏性，為運(yùn)行方式的新原理保護(hù)研究提出了更高的要求。風(fēng)電并網(wǎng)后，受正負(fù)序不等、弱饋、控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)等多方面的影響，使得原本的故障分類提取、疊加原理等分析方法不再適用于該系統(tǒng)中，需要進(jìn)一步研究常規(guī)縱聯(lián)方向和距離等。

2??適應(yīng)大規(guī)模風(fēng)電接入的措施

為了確保大規(guī)模風(fēng)電接入的適應(yīng)性和安全性，應(yīng)全面考慮電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)等階段的要求，遵循風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)接線方式和保護(hù)配置的原則，全面協(xié)調(diào)，配合風(fēng)電機(jī)組保護(hù)和配繼電保護(hù)，將繼電保護(hù)作為大規(guī)模風(fēng)電接入的第一道防線，并予以高度重視。

2.1??增加故障穿越持續(xù)時(shí)間

分析了電源特點(diǎn)和輸電網(wǎng)保護(hù)配置后發(fā)現(xiàn)，并網(wǎng)線路重合閘對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響較大，而傳統(tǒng)的重合閘方案已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代化風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展，需要重新研究出瞬時(shí)或永久故障的重合閘新原理。如果電場(chǎng)并網(wǎng)中的330?kV線路發(fā)生故障，假定所帶風(fēng)電場(chǎng)具有LVRT功能，則不同故障及其故障電阻的故障電壓不同。當(dāng)電壓小于20%的額定電壓時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的相關(guān)設(shè)備會(huì)全部跳閘。針對(duì)我國(guó)大規(guī)模風(fēng)電并入超高壓電網(wǎng)的發(fā)展情況，通過(guò)多次零電壓的超越，且相鄰2次故障穿越持續(xù)時(shí)間應(yīng)小于100?ms。考慮到系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和持續(xù)的時(shí)間，可將其持續(xù)的時(shí)間增大至125?ms左右，對(duì)風(fēng)機(jī)的考驗(yàn)應(yīng)小于20%的額定電壓的持續(xù)時(shí)間為625?ms。

2.2??采用集電系統(tǒng)接地方式

在風(fēng)電場(chǎng)35?kV運(yùn)行線路中，集電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的安全運(yùn)行有著重要的影響。風(fēng)電場(chǎng)功率密度相對(duì)較低，且風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電出力時(shí)間為額定功率的20%左右。比如，在酒泉大型風(fēng)電場(chǎng)中，1條35?kV集電線路的有功潮流往往小于10?MW。這不僅不會(huì)對(duì)使用用戶造成影響，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行造成影響，還彌補(bǔ)了傳統(tǒng)配電系統(tǒng)中“切除線路、用戶停電”的不足。為了盡可能地避免故障被擴(kuò)大，在新建的風(fēng)電場(chǎng)中，可以采用集電系統(tǒng)接地方式，配備繼電保護(hù)裝置，并在適當(dāng)?shù)奈恢门渲脦в刑l能力的小電流接地選線裝置，以便在單相接地后可以及時(shí)切除故障，確保風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和靈敏性。

2.3??配置完善的監(jiān)控系統(tǒng)

風(fēng)電場(chǎng)控制室往往配有完善的監(jiān)控系統(tǒng)。風(fēng)電場(chǎng)升壓站和變電站中配置的故障錄波裝置、相量測(cè)量裝置和質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，可以記錄事故全過(guò)程的相關(guān)信息。根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組的廠家、型號(hào)、低電壓穿越功能投退狀態(tài)等，分析事故數(shù)據(jù)，整定、計(jì)

算和設(shè)計(jì)繼電保護(hù)裝置等，大幅提高風(fēng)電接入系統(tǒng)后繼電保護(hù)運(yùn)行的可靠性，進(jìn)一步研究新型繼電保護(hù)原理，這對(duì)確保整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要的意義。

3??總結(jié)

要從全面規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)等方面考慮風(fēng)電場(chǎng)的整體運(yùn)營(yíng)，制訂切實(shí)可行的實(shí)施方案，提高風(fēng)電接入的靈敏性和可靠性。針對(duì)風(fēng)電事故的特點(diǎn)，尤其是對(duì)繼電保護(hù)方面的出現(xiàn)問(wèn)題，提出應(yīng)對(duì)措施，全面協(xié)調(diào)，配合風(fēng)電機(jī)組保護(hù)和配繼電保護(hù)的實(shí)際情況，確保風(fēng)電機(jī)組的順利運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕

Large?Scale?Wind?Effects?on?Relay?Protection?and?Measures

Tan?Zhihao

Abstract：?In?recent?years，?created?favorable?conditions?for?the?continuous?progress?of?science?and?technology?in?China?for?the?development?of?wind?power?installed?technology.?However，?affected?by?many?factors，?in?the?process?of?wind?turbine?operation，?the?emergence?of?large-scale?wind?turbine?off?network?accident，?seriously?affected?the?normal?operation?of?the?generator，?greatly?reducing?China's?wind?power?industry?overall?level?of?development，?produced?a?negative?impact?on?the?development?of?China's?national?economy.?Combined?with?the?large-scale?wind?power?advantage?and?connection?characteristics，?relay?protection?configuration，?a?systematic?study?of?a?massive?fan?off?network?accident，?analyzed?the?characteristics?of?wind?power，?fault?location?uncertainties?and?each?element?with?relay?protection?effect?on?the?generation?unit.?At?the?same?time，?summed?up?the?relevant?measures?to?deal?with?the?fault，?greatly?improving?the?stability?and?security?of?the?wind?power?generator?set.

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