基于風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)電網(wǎng)保護(hù)的影響分析

劉世增 李燕雄 羅凱 王建超 劉維

摘 要：本文在闡述的過程中，以風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)電網(wǎng)保護(hù)的影響作為切入點(diǎn)，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行特性、電力系統(tǒng)中電網(wǎng)保護(hù)配備方式等內(nèi)容進(jìn)行簡要的分析，其目的是找到風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)電網(wǎng)保護(hù)的最佳方式，降低在接入的過程中其所蘊(yùn)含的風(fēng)險(xiǎn)，并且切實(shí)地提高了風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)過程中的可靠性和安全性，保障風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的穩(wěn)定性，滿足我國電力企業(yè)在經(jīng)營管理過程中的需求，也能為我國建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)帶來正面影響。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場(chǎng);電網(wǎng)保護(hù);影響分析

縱觀近幾年我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源使用的歷程，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前中國已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)其風(fēng)力發(fā)電發(fā)展速度最快，并且市場(chǎng)規(guī)模最大的國家之一。環(huán)境保護(hù)以及資源節(jié)約型社會(huì)也是當(dāng)前國家最為推崇的社會(huì)建設(shè)，從國家對(duì)市場(chǎng)的整體把控進(jìn)行分析，當(dāng)前我國在不斷加大對(duì)新能源發(fā)展的鼓勵(lì)。特別是在最近幾年，風(fēng)電能源的發(fā)展速度可以說十分的驚人，其在以前所未有的速度向前進(jìn)。根據(jù)大數(shù)據(jù)顯示可得，截至2016年年底，中國已經(jīng)出現(xiàn)了23000MW臺(tái)新增風(fēng)電裝機(jī)，其占據(jù)了全球新增裝機(jī)的40%。

一、風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行特性

（一）風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)性

隨著我國對(duì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)以及社會(huì)發(fā)展的認(rèn)知，目前中國在不斷加進(jìn)對(duì)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，響應(yīng)節(jié)能減排，未來清潔能源的發(fā)展必將上一個(gè)新的臺(tái)階，達(dá)成我國對(duì)節(jié)能減排的需求，并且不斷的將清潔能源推送到一個(gè)全新的臺(tái)階，滿足我國資源節(jié)約型社會(huì)的建設(shè)。風(fēng)電發(fā)展在清潔能源中，其占據(jù)了不可替代的作用，其既能夠節(jié)約能源，同時(shí)也能夠?yàn)楣?jié)能環(huán)保帶來正面影響，風(fēng)力發(fā)電成為了目前我國發(fā)電廠建設(shè)中的重點(diǎn)內(nèi)容。在分析風(fēng)能的特性時(shí)，一定要考慮到風(fēng)力發(fā)電本身具有非常明顯的隨機(jī)性，無論是風(fēng)向和風(fēng)速都經(jīng)常會(huì)發(fā)生變動(dòng)，他對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)自身在使用時(shí)的使用狀態(tài)而言有著非常大的影響。

（二）風(fēng)電場(chǎng)不能向電網(wǎng)系統(tǒng)提供無功功率

在使用風(fēng)力發(fā)電時(shí)，其發(fā)電廠本身無法向電力電網(wǎng)系統(tǒng)提供無功功率，這是由于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展過程中其發(fā)電機(jī)組在制作的過程中選擇的是單機(jī)容量大型化、形式多樣化的內(nèi)容。通過對(duì)目前我國市場(chǎng)中常見的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行分析，可以將其按照風(fēng)輪槳葉分為定槳距型以及變槳距型。所謂定槳距型是指當(dāng)風(fēng)電機(jī)組的葉片安裝好后，其自身不能在出現(xiàn)任何的變槳，也就是說當(dāng)其處在一種高風(fēng)速的狀態(tài)下，想要調(diào)節(jié)自身的功率輸出，其主要依靠的是葉片的失速，定槳距型其自身的額定風(fēng)速較高，但是在進(jìn)行機(jī)械動(dòng)能和電能轉(zhuǎn)換的過程中，其轉(zhuǎn)換的效率則相對(duì)較低。

風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)電網(wǎng)保護(hù)的過程中，需要考慮到其中存在的各種不同風(fēng)電機(jī)組，其中包括了變槳距型風(fēng)電機(jī)組，這是十分常見的一種類型，在使用的過程中能根據(jù)其葉片在使用中存在的風(fēng)速大小區(qū)別進(jìn)行改變，葉片也會(huì)根據(jù)風(fēng)速改變轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，確保在整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中所有的葉片都能保持在一個(gè)最佳的角度，該角度能提高葉片在使用時(shí)的使用效果，并且提高風(fēng)輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的能量轉(zhuǎn)變，確保機(jī)械動(dòng)能與電能的轉(zhuǎn)換效率能得到顯著的提升。目前在能量轉(zhuǎn)換的過程中最常采用的就是雙饋式異步發(fā)電機(jī)，這是當(dāng)前市面上最常見的一種技術(shù)，也是大多數(shù)的風(fēng)機(jī)廠家所選擇使用的。但是在使用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)組的過程中，應(yīng)該清楚的認(rèn)知到該發(fā)電機(jī)本身并不具備任何一種調(diào)節(jié)能力，在使用的過程中難以完全滿足風(fēng)電場(chǎng)在匯集時(shí)的狀態(tài)，甚至?xí)霈F(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)滿發(fā)時(shí)送出電路的感性無功損耗。為此，在使用變槳距型風(fēng)電機(jī)組時(shí)，其存在的最大問題之一就是風(fēng)電場(chǎng)本身沒有辦法像電網(wǎng)系統(tǒng)提供無功功率。

二、電力系統(tǒng)中電網(wǎng)保護(hù)配備方式

在風(fēng)電發(fā)電的過程中，其本身具有一定的特點(diǎn)包括了：間歇、不可控。為此，將風(fēng)電接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)的時(shí)候，如果是大規(guī)模的接入一定要考慮到不同地區(qū)其電網(wǎng)本身的調(diào)峰能力、電壓控制能力等不同的特性，其對(duì)電網(wǎng)自身的電能質(zhì)量提出了非常大的挑戰(zhàn)，而由于電能質(zhì)量產(chǎn)生的一系列問題而導(dǎo)致的電場(chǎng)無法正常運(yùn)行的事例屢見不鮮。目前我國在風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)后選擇的電網(wǎng)配電系統(tǒng)電流保護(hù)方式主要是傳統(tǒng)的三段式保護(hù)。三種完全不同的電流保護(hù)方式，在使用的過程中能發(fā)現(xiàn)其使用的效果能得到顯著的提升，其本身屬于經(jīng)典的保護(hù)方式，使用時(shí)通用性非常的強(qiáng)，可以在最短時(shí)間內(nèi)切斷故障，并且起到對(duì)電網(wǎng)的良好保護(hù)作用。當(dāng)然而風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)之后，如果仍舊選擇使用最傳統(tǒng)的電流保護(hù)方式，其在保護(hù)的過程中，保護(hù)的效果不佳，無法完全做到在最短時(shí)間內(nèi)直接切斷故障，判斷故障的使用效果，甚至?xí)o電網(wǎng)在使用中造成非常明顯的隱患。為此，需要在當(dāng)前提高電網(wǎng)的保護(hù)配備方式。

（一）定時(shí)限過電流保護(hù)

如果使用的是定時(shí)限過電流保護(hù)法，其和電網(wǎng)中的電流強(qiáng)弱基本沒有關(guān)系。定時(shí)限過電流保護(hù)法在使用中其理念是在固定的時(shí)間內(nèi)，根據(jù)不同的動(dòng)作進(jìn)行配備，并且找到其中的保護(hù)裝置，應(yīng)該明確該保護(hù)裝置本身不存在隨機(jī)性，更是固定的保護(hù)，能促使電力系統(tǒng)使用的整體效果的大提升，并且完成對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的保護(hù)和管理。

（二）電流速斷保護(hù)

這是一種十分常見的保護(hù)裝置，其主要應(yīng)用在當(dāng)電網(wǎng)本身發(fā)生短路故障的時(shí)候，電流會(huì)在瞬間超過原裝置設(shè)置的最大電流即能夠觸發(fā)電網(wǎng)的自動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，切除故障電流速斷保護(hù)是一種不帶任何時(shí)間限制的保護(hù)，該保護(hù)方式不會(huì)因?yàn)闀r(shí)間而發(fā)生任何的改變，不具有時(shí)間性。在使用這一種保護(hù)裝置時(shí)，其動(dòng)作非常的迅速，能夠在第一時(shí)間內(nèi)直接將故障切除。但是在使用電流速斷保護(hù)裝置時(shí)也存在一個(gè)問題，就是其會(huì)產(chǎn)生一定的保護(hù)死角，無法完整地保護(hù)整個(gè)電網(wǎng)的所有線路。為此，需要解決這一問題，在電流速斷保護(hù)中裝置中加入一定的時(shí)間繼電器，其目的是為了保證整個(gè)電網(wǎng)在使用時(shí)的安全性。

（三）限時(shí)電流速斷保護(hù)

限時(shí)電流速斷保護(hù)裝置這一種裝置也是目前常見的保護(hù)裝置之一，其本身就有一定的延時(shí)功能。在任何情況下使用限時(shí)電流速斷保護(hù)裝置都能夠短時(shí)間切斷電流的故障，并且確保整個(gè)電網(wǎng)的線路長度并不會(huì)受到任何的影響，其整個(gè)電網(wǎng)都是相對(duì)安全的，能夠提高保護(hù)的整體質(zhì)量，同時(shí)也不會(huì)影響到其他保護(hù)裝置在使用時(shí)的使用效果。

三、風(fēng)電場(chǎng)接入地點(diǎn)和障礙位置對(duì)電力系統(tǒng)電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響

當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)接入到電力系統(tǒng)的電網(wǎng)中，一定要考慮到對(duì)電力系統(tǒng)電網(wǎng)的繼電保護(hù)。由于風(fēng)電網(wǎng)在接入時(shí)最開始會(huì)有一定的操作設(shè)計(jì)，其中包括了對(duì)電流保護(hù)裝置的基本規(guī)定，但是基本規(guī)定所影響的電網(wǎng)系統(tǒng)中范圍不一樣。為此，在整個(gè)電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)的繼電保護(hù)在面對(duì)不同的故障時(shí)，其所保護(hù)的范圍也存在著一定的區(qū)別。比如，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的位置時(shí)，其位置在于電網(wǎng)的饋線非末端母線的c段，則可以將線路假定為ABCD四個(gè)不同的點(diǎn)。電網(wǎng)繼電則分別需要保護(hù)（1）（2）（3）如果在c段上發(fā)生了部分故障時(shí)，那么電網(wǎng)保護(hù)一則會(huì)在最短的時(shí)間內(nèi)斷開故障位置并且提高電網(wǎng)的保護(hù)效果，而如果是母線c段的下半部分發(fā)生故障，則保護(hù)（3）處會(huì)對(duì)故障進(jìn)行處理，但是也會(huì)存在一個(gè)問題，就是故障被不斷的擴(kuò)大化，這種如果故障過于擴(kuò)大化，很有可能會(huì)引起保護(hù)（3）和相鄰線路有著傾向性，導(dǎo)致線路直接失去聯(lián)系。為此，一定要了解到在整個(gè)保護(hù)的過程中，如果發(fā)生在下部分并且故障擴(kuò)大，其很有可能會(huì)引發(fā)類似的問題，比如說保護(hù)（1）和保護(hù)（2）也存在著線路相鄰而出現(xiàn)傾向性失去聯(lián)系的問題，甚至還有可能會(huì)導(dǎo)致保護(hù)（2）的短路電流不斷減小，直接降低了線路在保護(hù)過程中的靈敏度，如果電流小到一定程度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電流速斷出現(xiàn)了繼電保護(hù)失靈的現(xiàn)象。

四、風(fēng)電場(chǎng)接入裝機(jī)大小對(duì)電網(wǎng)的影響

（一）對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響

根據(jù)目前我國的風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的狀態(tài)來說，一定要考慮到其接入后裝機(jī)容量大小是否發(fā)生了變化。其中分為兩個(gè)不同的情況，第一種風(fēng)電場(chǎng)自身的容量相對(duì)較小，那么當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)出現(xiàn)了故障或者說風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行效果不佳，其很有可能會(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)自身被造成的影響較小，不會(huì)給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來負(fù)面影響。第二種當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)自身的容量較大時(shí)，則需要考慮到其是否會(huì)給電場(chǎng)造成較大的影響，一定要確保在故障沒有出現(xiàn)之前對(duì)故障進(jìn)行解決，防止由于故障的存在導(dǎo)致各個(gè)不同的部位之間其難以滿足電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的需求。為此，應(yīng)該分析其中可能存在哪些問題，并且對(duì)問題進(jìn)行逐一的解決，確保在故障出現(xiàn)之前能對(duì)故障進(jìn)行預(yù)判，防止故障出現(xiàn)的頻率在一次次的提高，甚至給電力企業(yè)發(fā)展帶來負(fù)面影響。

（二）對(duì)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響

當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)時(shí)，如果其風(fēng)電場(chǎng)本身處于大規(guī)模的電場(chǎng)則需要考慮到風(fēng)電場(chǎng)中的無功功率，其無功功率的需求較高，很容易出現(xiàn)電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定性的情況，為此一定要考慮到其電壓的穩(wěn)定性，避免由于風(fēng)電場(chǎng)容量過大，而導(dǎo)致的無功功率控制能力在不斷下降?？紤]到其影響的過程中一定要明確：第一，風(fēng)電場(chǎng)是否存在著有功輸出，有功輸出能促使風(fēng)電場(chǎng)自身的負(fù)荷特性在增大，特別是其中的極限功率，可以達(dá)到靜態(tài)電壓穩(wěn)定這一目的，并且提高風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用效率;第二，大部分的風(fēng)電場(chǎng)，其自身存在著較為明顯的無功需求，而大量的無功需求會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)自身的負(fù)荷特性其自身的極限功率在不斷地減少，這種情況的出現(xiàn)也直接降低了靜態(tài)電壓的穩(wěn)定性。應(yīng)該明確風(fēng)電場(chǎng)自身的負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)電壓所帶來的不同影響，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

五、結(jié)語

綜上所述，近幾年風(fēng)力發(fā)電的速度十分迅猛，其占據(jù)我國整體發(fā)電的比例越來越高，如何將風(fēng)電與電網(wǎng)結(jié)合使用，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性也成為了很多電力企業(yè)需要思考的問題。風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)的影響可以說是越來越大，風(fēng)電相比于傳統(tǒng)的中國發(fā)電方式，比如說火電、核電而言，其電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性相對(duì)較差這是由于風(fēng)力發(fā)電受到風(fēng)速的影響，其本身具有隨機(jī)性以及不穩(wěn)定性，而電網(wǎng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)社會(huì)中各行各業(yè)的發(fā)展而言，有著非常巨大的影響，如果電網(wǎng)本身是不穩(wěn)定的，就會(huì)導(dǎo)致在日常的工作中人們出現(xiàn)擔(dān)驚受怕的狀況，甚至?xí)?dǎo)致我國的其他行業(yè)發(fā)展速度逐漸變緩。為此，做好繼電保護(hù)，確保電網(wǎng)在整體運(yùn)行中的安全性和穩(wěn)定性同樣也是目前在經(jīng)營管理中十分重要的一部分，風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)時(shí)應(yīng)考慮到其自身的容量以及對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的作用，確保風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)能提高其整體的使用質(zhì)量，滿足我國對(duì)于風(fēng)力發(fā)電的需求。

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作者簡介：劉世增（1988— ），男，漢族，云南大理人，本科，工程師，研究方向：風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)。