風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)繼電保護(hù)影響分析

王進(jìn)，許建兵

（1.山東電力調(diào)度控制中心，濟(jì)南250001；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南250012）

風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)繼電保護(hù)影響分析

王進(jìn)1，許建兵2

（1.山東電力調(diào)度控制中心，濟(jì)南250001；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南250012）

風(fēng)電并網(wǎng)方式主要分為分布式接入和集中式接入，分別針對(duì)兩種接入方式，研究風(fēng)電接入后對(duì)電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響。分布式接入時(shí)，風(fēng)電接入影響配電網(wǎng)電流保護(hù)的靈敏度、保護(hù)范圍，甚至造成保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)；集中式接入時(shí)，風(fēng)電弱電源特性可能造成風(fēng)場(chǎng)側(cè)繼電保護(hù)故障誤選相及距離保護(hù)拒動(dòng)，并且風(fēng)電故障期間低電壓穿越控制（LVRT）策略使得風(fēng)電機(jī)組故障暫態(tài)特性完全不同于傳統(tǒng)同步機(jī)組，將直接影響各類(lèi)保護(hù)的動(dòng)作行為。

風(fēng)電；繼電保護(hù)；分布式接入；集中式接入

0 引言

傳統(tǒng)的煤炭、石油、天然氣等化石能源污染嚴(yán)重且不可再生，開(kāi)發(fā)利用新能源已成為解決人類(lèi)社會(huì)目前不斷增長(zhǎng)的能源消費(fèi)需求與能源緊缺、能源消費(fèi)與環(huán)境保護(hù)之間矛盾的必然選擇。我國(guó)風(fēng)能資源蘊(yùn)藏量豐富，“十一五”以來(lái)，我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，2010年末我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量已躍居世界第一［1-2］。據(jù)中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2014年我國(guó)風(fēng)電新增裝機(jī)容量23.2 GW，累計(jì)裝機(jī)容量114.6 GW。

正確地分析與評(píng)估風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響是開(kāi)發(fā)和利用風(fēng)能的基礎(chǔ)，是確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提。分析與研究風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響是我國(guó)風(fēng)電制造廠家與電力系統(tǒng)運(yùn)行、管理部門(mén)當(dāng)前共同面臨的亟待解決的課題，對(duì)提高、改善風(fēng)電接入系統(tǒng)繼電保護(hù)動(dòng)作的正確性，保證并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)及電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行具有極其重要的理論與工程意義［3-5］。

1 風(fēng)電并網(wǎng)方式

根據(jù)風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模的大小及接入電網(wǎng)電壓等級(jí)的高低，風(fēng)電并網(wǎng)主要有分布式接入和集中式接入兩種［6］。

1.1 分布式接入

分布式接入為將風(fēng)電機(jī)組就近接入配電網(wǎng)負(fù)荷中心，這種并網(wǎng)方式出現(xiàn)得較早，適合風(fēng)能分布比較分散及風(fēng)電場(chǎng)容量較小的場(chǎng)合。歐洲陸上風(fēng)能資源分布相對(duì)分散，早期陸上風(fēng)電單風(fēng)場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模較小，大多采用就地消納的方式。目前丹麥超過(guò)85%的風(fēng)電通過(guò)20 kV以下配電網(wǎng)接入，德國(guó)分散接入110 kV以下配電網(wǎng)規(guī)模約占風(fēng)電總量的70%。分布式接入方式如圖1所示。

圖1 風(fēng)電分布式接入

1.2 集中式接入

另一種并網(wǎng)方式是將大容量風(fēng)電場(chǎng)，經(jīng)遠(yuǎn)距離高電壓等級(jí)直接接入高壓輸電網(wǎng)。我國(guó)陸上風(fēng)能資源主要集中在甘肅河西走廊、新疆、內(nèi)蒙、華北及青藏高原等偏遠(yuǎn)地區(qū)，風(fēng)能資源與用電負(fù)荷分布不平衡，多數(shù)風(fēng)能資源豐富的區(qū)域電力負(fù)荷較小，消納能力十分有限。需采用“大規(guī)模、高集中、高電壓、遠(yuǎn)距離”的發(fā)展模式，將風(fēng)電基地產(chǎn)生的大規(guī)模風(fēng)能集中接入輸電網(wǎng)遠(yuǎn)距離跨區(qū)輸送。

大型的風(fēng)場(chǎng)一般包含有數(shù)百臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，裝置容量高達(dá)數(shù)百兆瓦。風(fēng)電場(chǎng)在規(guī)劃時(shí)，考慮風(fēng)場(chǎng)內(nèi)部風(fēng)力發(fā)電機(jī)的布局、單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量和地形等因素，將7~8臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成一組，其輸出的電能經(jīng)風(fēng)場(chǎng)匯流線輸送到風(fēng)電場(chǎng)低壓母線，再經(jīng)風(fēng)電場(chǎng)升壓變送入輸電網(wǎng)，如圖2所示。

圖2 風(fēng)電集中式接入

2 風(fēng)電分布式接入對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)影響

當(dāng)前，分段式電流保護(hù)為配電網(wǎng)常用的繼電保護(hù)方案。風(fēng)電接入后，對(duì)于原有配電網(wǎng)保護(hù)的影響也就局限在電流保護(hù)。

風(fēng)電接入配電網(wǎng)后，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)單電源供電網(wǎng)絡(luò)可能變成雙電源，甚至多電源供電網(wǎng)絡(luò)。由于風(fēng)電電源的助增或分流，配網(wǎng)電流保護(hù)流過(guò)的故障電流在大小、方向上均可能發(fā)生變化，嚴(yán)重影響電流保護(hù)的保護(hù)范圍以及靈敏度，甚至造成保護(hù)的拒動(dòng)或誤動(dòng)。

以圖3為例（假定風(fēng)電接在10 kV母線B處），分析風(fēng)電接入對(duì)配電網(wǎng)電流保護(hù)的影響。其中，配網(wǎng)饋線采用電流速斷保護(hù)和限時(shí)電流速斷保護(hù)構(gòu)成的兩段式電流保護(hù)。

圖3 風(fēng)電分布式接入對(duì)保護(hù)影響示意

1）故障點(diǎn)在風(fēng)電接入下游（K1點(diǎn)三相故障）。

保護(hù)1：由于風(fēng)電的分流影響，保護(hù)1流經(jīng)的故障電流將減小，并隨風(fēng)電容量的增大而減小，電流保護(hù)的靈敏度也隨之降低；

保護(hù)2：由于風(fēng)電的助增影響，保護(hù)2流經(jīng)的故障電流將增大，并隨風(fēng)電容量的增大而增大，甚至可能使得故障電流大于電流速斷保護(hù)的定值，電流速斷保護(hù)將誤動(dòng)；

保護(hù)3：由于風(fēng)電的助增影響，保護(hù)3流經(jīng)的故障電流將增大，并隨風(fēng)電容量的增大而增大，其保護(hù)的靈敏度將進(jìn)一步增大；

保護(hù)4：不受風(fēng)電故障電流的影響，其保護(hù)動(dòng)作行為無(wú)影響。

2）故障點(diǎn)在風(fēng)電接入上游（K2點(diǎn)相間故障）。

保護(hù)1：由于風(fēng)電的分流影響，流過(guò)保護(hù)1的故障相電流將減小，并隨風(fēng)電容量的增大而減小，甚至可能造成保護(hù)1的限時(shí)電流速斷保護(hù)拒動(dòng)；

保護(hù)2、保護(hù)3、保護(hù)4：不受風(fēng)電故障電流的影響，其保護(hù)動(dòng)作行為無(wú)影響。

以上配網(wǎng)電流保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)均受風(fēng)電容量、保護(hù)整定系數(shù)、線路長(zhǎng)度等因素影響。

3 風(fēng)電集中式接入對(duì)輸電網(wǎng)保護(hù)影響

現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)與學(xué)者的研究均表明，大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)繼電保護(hù)的影響主要集中在兩個(gè)方面：一是風(fēng)電場(chǎng)的特定的并網(wǎng)方式，且風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)容量較小，一般小于并網(wǎng)點(diǎn)系統(tǒng)短路容量的10%，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)具有典型弱電源特征；二是多種類(lèi)型的風(fēng)電機(jī)組廣泛采用變流設(shè)備接入電網(wǎng)，并采取不同的故障期間低電壓控制策略，使得風(fēng)電機(jī)組故障暫態(tài)特性有別于傳統(tǒng)電網(wǎng)的故障特征。

3.1 風(fēng)電場(chǎng)弱電源特征影響

由于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)容量較小，一般小于并網(wǎng)點(diǎn)系統(tǒng)短路容量的10%。根據(jù)圖2風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)方式，在風(fēng)電送出線上發(fā)生接地類(lèi)型的短路時(shí)，風(fēng)場(chǎng)側(cè)的正負(fù)序網(wǎng)絡(luò)包含輸電線路、升壓變壓器、風(fēng)場(chǎng)匯流線路、風(fēng)電箱變及機(jī)組本身；而風(fēng)場(chǎng)側(cè)零序網(wǎng)絡(luò)只包含輸電線路以及升壓變壓器（一般Yn/d接線）。因此，風(fēng)場(chǎng)側(cè)正負(fù)序阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于零序阻抗，使得風(fēng)場(chǎng)側(cè)接地故障電流的零序分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正負(fù)序分量［7］。

圖4為我國(guó)西部某省某實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)在高壓送出線路上發(fā)生A相接地故障時(shí)，風(fēng)場(chǎng)側(cè)電壓電流的故障錄波圖（二次值）。

圖4 風(fēng)場(chǎng)側(cè)電壓、電流故障錄波

風(fēng)電場(chǎng)在高壓送出線路上發(fā)生A相瞬時(shí)接地故障，線路系統(tǒng)側(cè)開(kāi)關(guān)A相跳閘重合成功，線路風(fēng)場(chǎng)側(cè)開(kāi)關(guān)直接三相跳閘不重合，檢查保護(hù)報(bào)文為風(fēng)場(chǎng)側(cè)縱聯(lián)距離保護(hù)三跳出口。

對(duì)錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在故障期間，故障相電壓跌落，非故障相電壓基本不變；而風(fēng)場(chǎng)側(cè)故障電流基本為零序分量，約為正序及負(fù)序電流的10倍，導(dǎo)致風(fēng)場(chǎng)側(cè)三相故障電流在幅值、相位上幾乎完全一致。由于該故障類(lèi)別特征的變化，使得基于電流特征選相的風(fēng)電場(chǎng)線路保護(hù)裝置出現(xiàn)了選相錯(cuò)誤的問(wèn)題。

風(fēng)場(chǎng)弱電源特性除導(dǎo)致保護(hù)裝置誤選相問(wèn)題外，還可能造成距離保護(hù)拒動(dòng)等問(wèn)題。我國(guó)西部某省曾發(fā)生過(guò)風(fēng)電輸電線路接地故障時(shí)，風(fēng)場(chǎng)側(cè)接地距離I段保護(hù)拒動(dòng)的問(wèn)題。為防止弱饋側(cè)在穿越型故障時(shí)誤動(dòng)，接地距離I段設(shè)置閉鎖條件：距離保護(hù)在保護(hù)啟動(dòng)10 ms后進(jìn)行計(jì)算，之后30 ms內(nèi)當(dāng)故障相電壓（二次值）小于10 V，故障相電流小于0.6 IN閉鎖接地距離I段；30 ms外當(dāng)故障相電壓小于10 V時(shí)，故障相電流小于0.4 IN閉鎖接地距離I段。由于風(fēng)場(chǎng)弱電源特點(diǎn)使故障電流較小，距離保護(hù)閉鎖條件滿足使得距離保護(hù)拒動(dòng)。

風(fēng)電場(chǎng)弱電源特性是并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的典型特征，且與風(fēng)電機(jī)組類(lèi)型無(wú)關(guān)，需引起足夠的重視。

3.2 風(fēng)電機(jī)組LVRT暫態(tài)特性影響

風(fēng)電機(jī)組廣泛采用變流設(shè)備接入電網(wǎng)，并采取不同的故障期間LVRT策略，使得風(fēng)電機(jī)組故障暫態(tài)特性有別于傳統(tǒng)電網(wǎng)的故障特征。

圖5為某實(shí)際雙饋風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行的機(jī)組出口三相短路故障試驗(yàn)中錄取的風(fēng)電機(jī)組電壓、電流波形。

圖5 雙饋式風(fēng)機(jī)短路試驗(yàn)波形

雙饋式風(fēng)電機(jī)組一般采用故障期間轉(zhuǎn)子投入Crowbar電路實(shí)現(xiàn)LVRT。根據(jù)試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)，雙饋風(fēng)機(jī)在故障后4 ms時(shí)投入了Crowbar旁路電阻，同時(shí)閉鎖了機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，故障后4ms機(jī)組電流波形的趨勢(shì)發(fā)生了比較明顯的變化，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明其頻率變?yōu)?0 Hz。

雙饋風(fēng)電機(jī)組為變速恒頻機(jī)組，變速范圍0.7~ 1.3 pu。正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子通過(guò)變流器實(shí)現(xiàn)交流勵(lì)磁，定子穩(wěn)定輸出為50 Hz工頻交流電。當(dāng)系統(tǒng)故障使得風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓降低時(shí)，雙饋式風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子投入Crowbar電路，時(shí)間一般為3~5 ms。此時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器被短路，轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流變成了衰減直流，而對(duì)應(yīng)定子則感應(yīng)出故障前轉(zhuǎn)速頻率的交流。因故障前轉(zhuǎn)速為0.7~1.3 pu，則輸出故障電流在35~65 Hz變化。

傳統(tǒng)繼電保護(hù)算法，如傅里葉算法，均基于工頻量進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)故障電流頻率發(fā)生大范圍變化時(shí)，傳統(tǒng)繼電保護(hù)算法計(jì)算得到的故障電流幅值、相位將有產(chǎn)生極大誤差。同時(shí)，由于故障電壓仍保持工頻，此時(shí)電壓、電流不再同頻率，對(duì)基于電壓、電流向量相位關(guān)系的繼電保護(hù)元件，如比相元件、方向元件以及阻抗元件的動(dòng)作行為產(chǎn)生極大影響，亟待開(kāi)發(fā)適應(yīng)于風(fēng)電的繼電保護(hù)元件。理論及仿真研究證明，基于解微分方程算法的繼電保護(hù)元件可以有效解決該問(wèn)題，可以應(yīng)用于含風(fēng)電的繼電保護(hù)［8］。

風(fēng)電機(jī)組LVRT暫態(tài)特性對(duì)電流差動(dòng)保護(hù)影響較小，主要由于風(fēng)電場(chǎng)容量相比系統(tǒng)較小，風(fēng)場(chǎng)側(cè)提供的故障電流遠(yuǎn)小于系統(tǒng)側(cè)故障電流。此時(shí)，風(fēng)電機(jī)組LVRT暫態(tài)特性會(huì)影響電流差動(dòng)動(dòng)作的靈敏度。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)的兩種主要方式—分布式接入及集中式接入，分別研究了風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響。

風(fēng)電分布式接入時(shí)，故障點(diǎn)在風(fēng)電下游時(shí)，可能使得故障點(diǎn)所在饋線的相鄰上級(jí)饋線作電流速斷保護(hù)越級(jí)誤動(dòng)；故障點(diǎn)在風(fēng)電上游時(shí)，可能導(dǎo)致故障點(diǎn)所在饋線限時(shí)電流速斷保護(hù)拒動(dòng)，保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)均受風(fēng)電容量、保護(hù)整定系數(shù)、線路長(zhǎng)度等因素影響。

風(fēng)電集中式接入時(shí)，風(fēng)電弱電源特性影響電網(wǎng)繼電保護(hù)的故障選相，并可能造成距離保護(hù)的拒動(dòng)。風(fēng)電機(jī)組LVRT暫態(tài)特性將顯著影響基于電壓電流相位關(guān)系的方向元件、比相元件，以及基于電壓電流相量除法的距離保護(hù)元件，對(duì)電流差動(dòng)保護(hù)也影響其靈敏度。

［1］中國(guó)電力科學(xué)研究院．風(fēng)電并網(wǎng)研究成果匯編［M］．北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2010．

［2］撖奧洋，張哲，尹項(xiàng)根，等．雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障特性及保護(hù)方案構(gòu)建［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（4）：233-239．

［3］李建林，許洪華．風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓運(yùn)行技術(shù)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

［4］文玉玲，晁勤，吐?tīng)栠d·依不拉音，等．關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)適應(yīng)性繼電保護(hù)的探討［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（5）：47-51．

［5］蘇常勝，李鳳婷，武宇平．雙饋風(fēng)電機(jī)組短路特性及對(duì)保護(hù)整定的影響［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35（6）：86-91．

［6］姚興佳，宋?。L(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理與應(yīng)用［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011．

［7］張保會(huì)，王進(jìn)，李光輝，等．風(fēng)力發(fā)電機(jī)集團(tuán)式接入電力系統(tǒng)的故障特征分析［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（7）：176-183．

［8］張保會(huì)，王進(jìn)，原博，等．風(fēng)電接入對(duì)繼電保護(hù)的影響（四）—風(fēng)電場(chǎng)送出線路保護(hù)性能分析［J］．電力自動(dòng)化設(shè)備，2013，33（4）：1-6．

Influence of Wind Power Integration on Power System Protection

WANG Jin1，XU Jianbing2
（1.Shandong Electric Power Dispatching and Control Center，Jinan 250001，China；2.State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

Wind power connects to grid system in two main ways，distributed integration and centralized integration.The influence of the two wind power integration way on power system protection is analyzed respectively.For distributed integration，wind power connection will affect sensitivity and protection range of distribution network current protection，and even will cause protection mal-operation or non-operation.For centralized integration，wind farm weak power characteristics will affect fault phase selection of relay protection and cause distance protection non-operation.Besides，because of lowvoltage ride-through（LVRT）control methods for wind turbine，wind turbine fault transient characteristics are completely different from traditional synchronous generator，which will directly affect the performance of all kinds of protection action.

wind power；relay protection；distributed integration；centralized integration

TM614；TM77

A

1007－9904（2016）12－0008－04

2016-07-02

王進(jìn)（1988），男，主要從事電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行及新能源發(fā)電研究工作。