肖彥江（大唐新能源山東公司，山東省青島市266400）

風電場適應性繼電保護的探討

肖彥江（大唐新能源山東公司，山東省青島市266400）

在科技水平與經濟水平的共同推動下，電能的消耗量逐年上升，電能資源匱乏問題慢慢凸現出來。在此背景下，風力發(fā)電得到了重視及有效開發(fā)，然而風電接入尤其是大規(guī)模風電接入對繼電保護產生的影響是不可忽視的。如何實現風電繼電保護的應用，以確保保護動作的有效性及可靠性，提高其穩(wěn)定性，是目前亟待解決的問題。

繼電保護；風電場；風電接入

引言

電能的質量及其穩(wěn)定性與風電場電力系統(tǒng)有著直接的影響作用，假如風電場的電網出現故障，那么其電容量就會發(fā)生變化，這時風電場的輸出電流就有可能會超出系統(tǒng)所要求的最大短路電流。所以，以下就電網故障情況下，風電機組的保護及短路電流的分析探討具有重要意義，對風電場適應性繼電保護的采用具有有效地幫助。

1 風電機組及風電場的故障特征分析

一般情況下，風電機組與傳統(tǒng)發(fā)電機組相比較而言，所采用的發(fā)電機多是異步的，其不包含專門的勵磁裝置，且時間常數與轉動慣量比較小，因此，與傳統(tǒng)同步發(fā)電機組相比較言，它發(fā)生的故障特點以及輸出電流的大小都發(fā)生了一定程度的改變。風電接入對繼電保護的性能具有很大的影響，主要從衰退特性、波形分析等幾個方面來對風電場的風電機組所產生的故障進行分析研究。因為傳統(tǒng)的配電網所使用的網絡結構大多都是輻射狀的，而大型風電場集電線路與之存在著顯著的區(qū)別，加之所有的集電線路兩側母線上都有電源分布，通常稱其為雙端電源元件，所以風電場繼電保護的整定原則與配置方式也發(fā)生了較大差別。電網保護配合關系、保護的配置方式等均是風電場網絡保護與風電線路保護的主要依據原理。如何實現電網中大規(guī)模風電的接入是現階段世界范圍內研究的重點，繼電保護的主要作用在于為電網的安全運行提供服務。當前還沒有大規(guī)模的凸顯出繼電保護的不足，隨著調度等相關問題的解決，在電網供電結構中風電所占的比例越來越大，隨之風電場適應性繼電保護必將會越來越受到重視。

2 風電對電網繼電保護的影響

（1）如果異步發(fā)電機出現短路問題，那么其各項電流就會迅速按照指數規(guī)律逐步的衰減，直到減小到零為止。因為轉子的轉速決定著感應電機的短路電流，而定子繞組其非周期的電流初值以及暫態(tài)阻抗決定著其電流的初值，所以，感應電機短路電流會隨著定子繞組以及暫態(tài)的時間常數按照指數規(guī)律逐步的衰減到零。短路電流會根據定子繞組時間及暫態(tài)時間常數并按照指數規(guī)律衰減到零。風電機組所采用的一步發(fā)電機不存在獨立的勵磁裝置，如果電網出現短路故障，那么發(fā)電機將會失去勵磁，再加上發(fā)電機兩端電壓急劇降低，因此，短路電流很難向電網輸送，在發(fā)電機兩相短路的情況下此時輸出的短路電流最大，在三相短路時所送出的短路電流是極小的、持續(xù)的。

（2）風電并非是連續(xù)性的，而是間隙性的，在風電場中通過的潮流有一部分屬于雙向性的，這就要求風電繼電保護與常規(guī)的有所差異。在有風期間，風電機組都是與電網相連接的，如果風速發(fā)生改變，那么為了更有效避免因風速變化而傷害接觸器，則風電機組短路時電動機運行，這樣如果系統(tǒng)當中的潮流方向發(fā)生了改變，那么就會造成繼電保護裝置發(fā)生誤動。

（3）與常規(guī)異步發(fā)電機的定速風電機組相比較而言，并網運行的雙饋風電機組的短路電流特性存在著較大的差異。當系統(tǒng)出現短路故障，電機各相電流就會迅速產生按照指數的規(guī)律逐步衰減。雙饋電機短路電流的初值主要取決于定子繞組非周期電流初值及暫態(tài)阻抗，原因在于雙饋電機轉子僅僅對勵磁支路進行考慮。當線路發(fā)生短路時，雙饋電機短路電流根據定子繞組及其暫態(tài)時間常數按照指數的規(guī)律迅速衰減。雙饋風力發(fā)電機所提供短路電流，在發(fā)生兩相短路故障時電流會很大，而在發(fā)生三相故障時僅僅是持續(xù)性的、瞬間性的。

（4）公用電網電源是風電場故障電流最主要的提供者，而僅僅通過有限的故障電流來實現對故障發(fā)生的有效識別，從而對風電場進行保護尚且存在著一定的困難。

3 風電場接入繼電保護的有效措施

（1）加強故障電流波形特點的研究。對于大部分繼電保護裝置而言，其保護的重點往往是短路電流值及其衰減特征等方面，對保護影響的考慮也只是從幾繼電保護配合與整定的角度出發(fā)。通常情況下，故障電流的波形特點及暫態(tài)的濾波算法是影響繼電保護性能的非常重要的因素，因此，對線路故障電流的波形特征進行分析，并以此為基礎仔細、全面地分析繼電保護性能是非常有必要的。

（2）強化風電場控制系統(tǒng)與電網繼電保護裝置的配合。通常情況下，風電場繼電保護定制及其繼電保護時限必須與電網保護相配合。然而，在進行電網中風電場接入管理工作的過程中，為了防止出現因定值問題造成脫網故障，需要風電場及電網保護這兩個部門之間加強交流與溝通，同時在工作過程中相互協(xié)調與配合。此外，還應該加強電網自動重合閘、后備保護以及緊急情況發(fā)生時切斷機器、切斷負荷等保護工作，同時還要不斷加強風電場控制工作間的相互配合與協(xié)調，從而實現保護動作有效性和可靠性的提高，風電場的穩(wěn)定。

（3）加強風電場集群的線路繼電保護方法的開發(fā)。一般而言，線路發(fā)生故障時，風電機組無法輸出短路電流，致使短路電流波形不穩(wěn)定，很容易受到其它因素的影響而發(fā)生一定的變化，因此，想要有效地識別出故障就需要充分地考慮電網帶來的短路電流情況。由于電網的應用而產生短路電流，就必須全面地考慮及分析電力系統(tǒng)保護的定值配合問題以及延時配合問題，主要原因在于故障排除時間越長，風電場系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性就會越低，因此，全面地分析和研究風力場線路故障的特征是非常有必要的，同時要不斷加強風電場集群的線路繼電保護方法的開發(fā)。

（4）電磁暫態(tài)仿真模型的構建。電網中永磁直驅機組與雙饋風電機組所占比例的增加，這些風電機組的控制策略與控制系統(tǒng)較為復雜，其控制策略與故障電流之間緊密相連，而風電機組的控制是繼電保護中不可避免地要涉及到的。因此，應該加強電磁暫態(tài)仿真模型的開發(fā)與構建，從而為繼電保護性能與整定分析提供幫助。

4 結語

總而言之，堅定不移地發(fā)展風電是保護能源、節(jié)約資源、發(fā)展低碳經濟的必然選擇。風電場系統(tǒng)及電力系統(tǒng)可靠性的提高的關鍵在于全方面地分析存在的問題，不斷總結經驗，從而確保電場保護采用適應性保護，使保護動作的有效性及可靠性得到有效提升，實現風電場穩(wěn)定，風電的可持續(xù)健康發(fā)展。通過對風電機組及風電場的故障特征及風電對電網繼電保護影響的分析，從而提出了風電場接入繼電保護的有效措施，對風電場保護采用適應性繼電保護起到了拋磚引玉的作用。

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2095-2066（2016）36-0021-02

2016-12-13