關(guān)于風(fēng)電場適應(yīng)性繼電保護的探討

陳濤

摘要：風(fēng)電場機組容量每年都在增加，大型風(fēng)電接入系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量有很大影響。因風(fēng)能的隨機性及不可控性，風(fēng)電所占系統(tǒng)容量份額增加，提供給系統(tǒng)的短路電流越來越大。因而，風(fēng)電保護配置對電網(wǎng)有著重要的影響。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場;適應(yīng)性;繼電保護

在科技及經(jīng)濟的推動下，用電量逐年增加，能源短缺逐漸顯現(xiàn)。在此背景下，風(fēng)電受到了極大的關(guān)注和有效的發(fā)展，但對風(fēng)電接入繼電保護的影響不容忽視，特別是大規(guī)模風(fēng)電接入。因此，如何保證風(fēng)電繼電保護的應(yīng)用，確保保護動作的有效性主可靠性，提高其穩(wěn)定性，是迫切需要解決的問題。

一、風(fēng)電場繼電保護重點

1、區(qū)域保護。在風(fēng)電場風(fēng)輪機塔底部，690V斷路器用于繼電保護下垂發(fā)電機及電纜。風(fēng)力機變壓器至風(fēng)輪機塔基柜的690V連接電纜，斷路器用作變壓器690V側(cè)電纜保護。35kV/690V變壓器，包括周圍端部區(qū)域，應(yīng)充分考慮變壓器激磁浪涌電流，保證其高靈敏度。35kV負載開關(guān)切除大故障電流。風(fēng)電場低電壓斷，故障時產(chǎn)生的故障電流小，此時保險絲的切除功能不理想，可用分斷開關(guān)將其切斷。

2、有限接地故障保護是檢測低壓繞組及端部區(qū)到地的漏電流。常規(guī)保護方法可有效保護過電流與接地故障。

3、風(fēng)電場接入33kV電網(wǎng)時，無主變壓器，可用類似于同容量公用電網(wǎng)變壓器的繼電保護，使用33kV/11kv變壓器繼電保護。實際上，由于33kV開關(guān)保險絲少，這使得在整個范圍內(nèi)很難完全保護故障電流，尤其對低電壓端單相接地故障的綜合保護，很難達到理想效果，因此可用綜合保護進行全面保護。

二、風(fēng)電場的保護作用

1、風(fēng)電場保護電纜、變壓器與周圍區(qū)域。電力系統(tǒng)中，風(fēng)電場維護主要體現(xiàn)在電纜和變壓器的維護上。①斷路器一般安裝在風(fēng)輪機塔地面，以便于發(fā)電機和下垂電纜的良好維護。②電纜一般用于將風(fēng)力發(fā)電機變壓器和風(fēng)輪機塔機柜的連接，并且斷路器和穩(wěn)定導(dǎo)體用于制造變壓器和維護測試電纜。③維護變壓器及鄰近區(qū)域，對變壓器激磁浪涌電流進行了詳細分析。在變壓器故障檢測中，發(fā)現(xiàn)的問題應(yīng)及時解決處理。④若低壓側(cè)發(fā)生故障，電流將相對較小，此時若無法切除保險絲，則需使用分段開關(guān)切斷。

2、風(fēng)電場能有效接地進行故障保護。風(fēng)電場通常易受資源環(huán)境的限制。因此，風(fēng)電場選址應(yīng)嚴格按實際環(huán)境選擇，盡可能位于有足夠風(fēng)量的開闊區(qū)域。另外，風(fēng)電場接地保護也應(yīng)注意，主要是因空曠風(fēng)電場易受雷擊，因此必須采取有效措施防雷，加強風(fēng)電場的保護。

三、風(fēng)電機組和風(fēng)電場故障特征

一般來說，與傳統(tǒng)發(fā)電機組相比，風(fēng)電機組主要采用異步發(fā)電機，無專門的勵磁裝置，時間常數(shù)和轉(zhuǎn)動慣量小，所以與傳統(tǒng)同步發(fā)電機相比，其故障特性和輸出電流有一定變化。電接入對繼電保護性能有很大影響，從衰退特性和波形分析等方面對風(fēng)電場風(fēng)機故障進行分析研究。由于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多為輻射狀，因此大型風(fēng)電場集電線道與其存在顯著差異，加上所有集電線路兩側(cè)母線均設(shè)電源分布，通常被稱為雙端電源元件，因此風(fēng)電場繼電保護的整定原則和配置有很大不同。電網(wǎng)保護配合關(guān)系和保護配置方式是風(fēng)電場網(wǎng)絡(luò)保護及風(fēng)電線路保護的基本原理。如何實現(xiàn)風(fēng)電大規(guī)模接入電網(wǎng)是當(dāng)前研究重點，繼電保護主要功能是為電網(wǎng)安全運行提供服務(wù)。目前，繼電保護還未大規(guī)模凸顯其不足，隨著調(diào)度等問題的解決，風(fēng)電在電網(wǎng)中所占比例越來越大，因此，風(fēng)電場適應(yīng)性繼電保護越來越受到人們的重視。

四、風(fēng)電對電網(wǎng)繼電保護的影響

1、若異步發(fā)電機存在短路問題，則其電流將以指數(shù)規(guī)律降至零。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速決定了感應(yīng)電機短路電流，定子繞組非周期電流的初始值和瞬態(tài)阻抗決定了電流初值，因此，隨著定子繞組和暫態(tài)時間常數(shù)變化，感應(yīng)電機短路電流按指數(shù)規(guī)律下降至零。短路電流將根據(jù)定子繞組時間、暫態(tài)時間常數(shù)和指數(shù)規(guī)律減小到零。風(fēng)電機組采用一步發(fā)電機，無獨立勵磁裝置，

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，發(fā)電機會失去勵磁，加之其兩端電壓大幅下降，因此，很難將短路電流傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，當(dāng)發(fā)電機處于兩相短路時，輸出短路電流最大，三相短路時，輸出短路電流很小且持續(xù)。

2、風(fēng)電不是連續(xù)性，而是間歇性。風(fēng)電場的部分潮流是雙向性，需不同于常規(guī)的風(fēng)電繼電保護。有風(fēng)時風(fēng)機連接到電網(wǎng)，若風(fēng)速變化，為更有效地避免因風(fēng)速變化而損壞接觸器，電動機在風(fēng)機短路時運行，因而當(dāng)系統(tǒng)中潮流方向發(fā)生變化，繼電保護裝置將誤動。

3、并網(wǎng)雙饋風(fēng)電機組的短路電流特性與常規(guī)異步發(fā)電機的定速風(fēng)電機組有很大的不同。當(dāng)發(fā)生短路故障時，電機各相電流迅速發(fā)生，并按指數(shù)規(guī)律逐漸衰減。雙饋電機短路電流初始值取決于定子繞組非周期電流初值和暫態(tài)阻抗，其原因為雙饋電機轉(zhuǎn)子只考慮勵磁支路。在短路情況下，雙饋電機短路電流隨定子繞組及其暫態(tài)時間常數(shù)呈指數(shù)下降。雙饋風(fēng)力發(fā)電機提供的短路電流在兩相短路故障時電流大，在三相短路故障時持久且瞬時。

4、公用電網(wǎng)電源是風(fēng)電場故障電流的主要提供者，只有通過有限的故障電流才能實現(xiàn)有效的故障識別，因此風(fēng)電場的保護有一定難度。

五、風(fēng)電場接入繼電保護措施

1、加強對故障電流波形特征的研究。對大多數(shù)繼電保護裝置來說，短路電流值和衰減特性往往是保護重點，保護效果僅從繼電保護配合和整定角度考慮。一般來說，故障電流波形特征和暫態(tài)濾波算法是影響繼電保護性能的重要因素，所以有必要對線路故障電流波形特性進行全面細致的分析，以此提高繼電保護性能。

2、加強風(fēng)電場控制系統(tǒng)與電網(wǎng)繼電保護裝置的配合。風(fēng)電場繼電保護的定制和繼電保護時限一般應(yīng)與電網(wǎng)保護一致。但在電網(wǎng)風(fēng)電場接入管理中，為防止因定值問題引起的脫網(wǎng)故障，有必要加強風(fēng)電場與電網(wǎng)保護部門間的溝通，并在工作中相互協(xié)調(diào)配合。另外，還需加強電網(wǎng)自動重合閘、后備保護、緊急停機和切斷負荷等保護，同時，不斷加強風(fēng)電場控制工作間的協(xié)調(diào)配合，提高保護動作的有效性及可靠性，穩(wěn)定風(fēng)電場。

3、加強風(fēng)電場集群線路繼電保護方法的開發(fā)。一般情況下，當(dāng)線路發(fā)生故障時，風(fēng)機不會產(chǎn)生短路電流，導(dǎo)致短路電流波形不穩(wěn)定，并可能因其他因素而發(fā)生變化。所以為有效識別故障，必須充分考慮電網(wǎng)及其應(yīng)用產(chǎn)生的短路電流，需對電力系統(tǒng)保護定值、延時配合進行全面考慮分析，其原因為故障排除時間越長，風(fēng)電場系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性越低，因此，有必要分析研究風(fēng)電場線路的故障特征，并加強風(fēng)電場集群線路繼電保護方法的研究。

4、構(gòu)建電磁瞬態(tài)仿真模型。隨著永磁直驅(qū)機組及雙饋風(fēng)電機組在電網(wǎng)中所占比例的不斷增加，其控制策略及系統(tǒng)越來越復(fù)雜，控制策略與故障電流密切相關(guān)，繼電保護不可避免地涉及風(fēng)電機組的控制。因而，應(yīng)加強電磁暫態(tài)仿真模型的開發(fā)構(gòu)建，以輔助分析繼電保護性能和整定。

總之，通過對風(fēng)電場系統(tǒng)各種問題的分析總結(jié)，實現(xiàn)風(fēng)電場的適應(yīng)性保護，有效提高保護動作的效率及可靠性，是提高風(fēng)電場系統(tǒng)與電力系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵，以確保風(fēng)電場穩(wěn)定及風(fēng)電的持續(xù)健康發(fā)展。在分析風(fēng)電機組和風(fēng)電機組故障特點、風(fēng)電對電網(wǎng)繼電保護影響的基礎(chǔ)上，提出了風(fēng)電場接入繼電保護措施。因此，適應(yīng)性繼電保護在風(fēng)電場保護中的應(yīng)用非常重要。

參考文獻：

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