大唐陜西發(fā)電有限公司新能源分公司 張 鵬

1 引言

在分析風(fēng)電系統(tǒng)繼電保護(hù)的保護(hù)故障時(shí)，應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，以減少故障為首要原則，結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際情況，合理設(shè)置繼電保護(hù)的接線方式。目前，一些新投用的風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)和安裝必須與風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際安裝位置和風(fēng)力條件相結(jié)合。如果系統(tǒng)的安裝沒(méi)有提供接地方式，為了考慮設(shè)備的安全，可以設(shè)置微機(jī)小電流接地選線裝置[1]。如果很難通過(guò)小型微機(jī)接地選線裝置解決系統(tǒng)繼電保護(hù)問(wèn)題，也可采用故障隔離法消除系統(tǒng)故障。此外，還可以利用相功率測(cè)量系統(tǒng)、故障錄波裝置等監(jiān)測(cè)設(shè)備，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中各設(shè)備的運(yùn)行情況。還可以進(jìn)行電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集獲取、分析和處理，作出系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)反饋。如果當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)中出現(xiàn)集群線路問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)母線和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組之間的將會(huì)出現(xiàn)電壓差的大幅度偏差，并且會(huì)隨著故障時(shí)間的推移很難消除故障，最終將對(duì)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的可靠性產(chǎn)生極大地影響，甚至出現(xiàn)了系統(tǒng)大規(guī)模癱瘓。

為了消除隨著時(shí)間的推移這類(lèi)型的故障，有必要通過(guò)繼電保護(hù)準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)并進(jìn)行隔離故障。繼電保護(hù)自動(dòng)化系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，記錄和分析系統(tǒng)中的參數(shù)，診斷系統(tǒng)故障，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障及時(shí)采取隔離和報(bào)警措施。為了考慮大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)繼電保護(hù)的適應(yīng)性等問(wèn)題，需建立多站聯(lián)合控制的連接策略。這樣可以合理地防止由于風(fēng)電場(chǎng)的不穩(wěn)定而導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)癱瘓，從而建立完善合理的繼電保護(hù)系統(tǒng)。為此，本文中大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)繼電保護(hù)的等問(wèn)題進(jìn)行了分析與研究。

2 現(xiàn)狀分析

目前，由于風(fēng)電項(xiàng)目投資和裝機(jī)容量規(guī)模較大，但風(fēng)力發(fā)電輸出的電量不到區(qū)域能耗的1%，在起初設(shè)計(jì)過(guò)程中，風(fēng)力發(fā)電僅用作為輸電線路中單一負(fù)荷使用。但隨著風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的加大，原來(lái)所設(shè)計(jì)的繼電保護(hù)裝置不能滿(mǎn)足現(xiàn)運(yùn)行的要求，所以必須根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行中的實(shí)際情況的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)估：

由于風(fēng)電場(chǎng)在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中的輸出電量與電網(wǎng)的實(shí)際情況有關(guān)。風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中的其電流具有雙向性，可以來(lái)自電網(wǎng)系統(tǒng)也可以來(lái)自生風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生。特別是在風(fēng)電機(jī)組開(kāi)始工作時(shí)，如果在此過(guò)程中電流和電壓的流向發(fā)生變化，很容易引起繼電保護(hù)裝置的反饋誤差，導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)載誤差和風(fēng)電機(jī)組故障。傳統(tǒng)意義上的電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，大多采用三級(jí)電流保護(hù)，在中間段是缺少具有方向的繼電保護(hù)元件。因此，原有設(shè)計(jì)的繼電保護(hù)裝置無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)在大規(guī)模風(fēng)電接入電力系統(tǒng)適應(yīng)性的要求。

大規(guī)模的風(fēng)電接入電力系統(tǒng)對(duì)繼電保護(hù)裝置也產(chǎn)生一定的影響。由于風(fēng)電系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，其系統(tǒng)中的變壓器時(shí)有會(huì)發(fā)生接地故障，導(dǎo)致保護(hù)裝置發(fā)零序保護(hù)動(dòng)作不間歇的作出響應(yīng)，這種長(zhǎng)期響應(yīng)會(huì)對(duì)繼電保護(hù)裝置的靈敏度產(chǎn)生不同程度的影響。

目前，由于各種不可控原因風(fēng)電場(chǎng)在實(shí)際運(yùn)行中的時(shí)有發(fā)生短路現(xiàn)象，若發(fā)生短路故障時(shí)且故障點(diǎn)難于準(zhǔn)確測(cè)距的情況下，其短路電流會(huì)間歇性波動(dòng)。此時(shí)繼電保護(hù)裝置難于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行采取繼電保護(hù)作用，來(lái)避免故障事件的擴(kuò)大。同時(shí)，還難以結(jié)合系統(tǒng)的現(xiàn)狀，采取從整體到局部進(jìn)行分析和解決。

3 風(fēng)電系統(tǒng)繼電保護(hù)的特征

由于大規(guī)模風(fēng)電系統(tǒng)接入電力系統(tǒng)，導(dǎo)致原有的繼電保護(hù)裝置在發(fā)生的故障特征響應(yīng)動(dòng)作難于適應(yīng)現(xiàn)有的風(fēng)電系統(tǒng)。而目前現(xiàn)有的大規(guī)模風(fēng)電系統(tǒng)在繼電保護(hù)故障特征有如下特點(diǎn)：

風(fēng)力發(fā)電的弱反饋導(dǎo)致了升流保護(hù)原理的局限性。然而，無(wú)論功率特性發(fā)生什么變化，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)都相對(duì)穩(wěn)定。因此，基于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的保護(hù)原則，用于參數(shù)識(shí)別和模型識(shí)別的原則，仍然可以把風(fēng)能接入電力系統(tǒng)。

由于風(fēng)能具有諧波特性和頻偏特性會(huì)影響工頻采集的準(zhǔn)確性，從而影響頻域保護(hù)的性能。因此，基于頻域保護(hù)的性能原理可能更適合風(fēng)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)。

由于風(fēng)電系統(tǒng)的阻抗具有不穩(wěn)定，導(dǎo)致正、負(fù)序阻抗值不相等，適用于風(fēng)電連接線路的保護(hù)原則應(yīng)基于總故障量的保護(hù)原則[2]。

重合閘的使用不僅會(huì)對(duì)繼電保護(hù)功能產(chǎn)生重大影響，還會(huì)對(duì)風(fēng)能的獲取產(chǎn)生重大影響。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，將極大地影響風(fēng)電接入保護(hù)的效率。因此，及時(shí)處理故障恢復(fù)是非常重要的。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)未能準(zhǔn)確檢測(cè)到繼電保護(hù)裝置的故障時(shí)，即使系統(tǒng)的實(shí)際電壓值非常小，系統(tǒng)也會(huì)因電壓參數(shù)異常而導(dǎo)致重合閘失敗，但LVRT功能保持不變。系統(tǒng)可以使用多個(gè)零電壓穿越，使系統(tǒng)的穿越時(shí)間小于90ms/次。結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行情況，交叉時(shí)間也可設(shè)置為120ms/次。

綜上所述，基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)、時(shí)域和總故障量的保護(hù)原理能夠適應(yīng)風(fēng)電系統(tǒng)的故障特征，可以成為風(fēng)電系統(tǒng)繼電保護(hù)研究的主要方向。

4 風(fēng)電系統(tǒng)接入對(duì)繼電保護(hù)影響分析

風(fēng)電機(jī)組故障電流受電力電子設(shè)備耐受過(guò)流能力和控制策略影響，幅值受限、相角受控，與常規(guī)同步發(fā)電機(jī)存在本質(zhì)區(qū)別，其短路電流受不同控制參數(shù)及控制策略影響，無(wú)法提供持續(xù)且穩(wěn)定的工頻分量，幅值受限且呈現(xiàn)強(qiáng)非線性，同時(shí)風(fēng)電接入配電網(wǎng)，潮流雙向流動(dòng)且變化范圍大，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化復(fù)雜，傳統(tǒng)配電網(wǎng)配置的保護(hù)及整定計(jì)算方法可能存在無(wú)法適用的情況。

4.1 過(guò)流保護(hù)

隨著大規(guī)模風(fēng)電的增多，將對(duì)各級(jí)線路過(guò)流保護(hù)的配合及整定計(jì)算帶來(lái)挑戰(zhàn)。大規(guī)模風(fēng)電接入輻射式配網(wǎng)，下游線路故障時(shí)的電流助增作用可能引起下游過(guò)流保護(hù)誤動(dòng)，外汲電流可能引起上游過(guò)流保護(hù)拒動(dòng)；相鄰線路故障時(shí)，大規(guī)模風(fēng)電向上游保護(hù)提供反向故障電流，可能引起上游過(guò)流保護(hù)誤動(dòng)。

改進(jìn)方案：以環(huán)網(wǎng)為例，階段式電流保護(hù)難以適應(yīng)分布式新能源接入，可考慮自適應(yīng)電流保護(hù)與加速判據(jù)配合。將故障后保護(hù)安裝處的電壓引入判據(jù)，構(gòu)建自適應(yīng)正序電流速斷保護(hù)。同時(shí)，利用對(duì)端保護(hù)先動(dòng)作后，本側(cè)保護(hù)測(cè)得正序電流的變化量進(jìn)行保護(hù)加速，實(shí)現(xiàn)了限時(shí)電流速斷保護(hù)的加速動(dòng)作。

4.2 距離保護(hù)

大規(guī)模風(fēng)電接入導(dǎo)致保護(hù)測(cè)量阻抗變化，尤其當(dāng)故障點(diǎn)過(guò)渡電阻較大時(shí)，可能導(dǎo)致保護(hù)不能正確動(dòng)作。

風(fēng)電接入多級(jí)串供線路如圖1所示。當(dāng)DG1電流超前系統(tǒng)側(cè)電流時(shí)，DG1會(huì)使保護(hù)1的測(cè)量阻抗增大；當(dāng)DG1電流滯后系統(tǒng)側(cè)電流的角度大于阻抗角時(shí)，DG1會(huì)使保護(hù)1的測(cè)量阻抗減小。

圖1 風(fēng)電接入多級(jí)串供線路圖

4.3 差動(dòng)保護(hù)

故障期間由于電力電子設(shè)備短路電流幅值受限且相角受控，護(hù)靈敏度降低。當(dāng)分布式新能源占比較高時(shí)帶來(lái)差動(dòng)保護(hù)。

當(dāng)接入強(qiáng)電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)側(cè)提供短路電流遠(yuǎn)大于分布式新能源側(cè)提供短路電流，差動(dòng)保護(hù)靈敏度基本符合標(biāo)準(zhǔn)要求，動(dòng)作性能基本不受影響；當(dāng)接入弱電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)側(cè)和大規(guī)模風(fēng)電側(cè)提供短路電流均有限，差動(dòng)保護(hù)靈敏度降低。

圖3 電流二次諧波含量變化圖

改進(jìn)方案：一般情況下傳統(tǒng)的電流差動(dòng)保護(hù)能夠滿(mǎn)足要求，在一些靈敏度不足的地方為保證快速且具有選擇性的切除故障段，可考慮采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)的差動(dòng)保護(hù)?？衫霉收戏至侩娏鞣堤匦詷?gòu)造自適應(yīng)制動(dòng)系數(shù)，隨系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)制動(dòng)系數(shù)，在保證區(qū)外故障選擇性的同時(shí)，采用更低的制動(dòng)系數(shù)，增大保護(hù)的靈敏性，提升保護(hù)可靠性。

4.4 重合閘

故障時(shí)風(fēng)電將向故障點(diǎn)持續(xù)提供短路電流，造成故障點(diǎn)無(wú)法熄弧，影響重合閘動(dòng)作，同時(shí)新能源機(jī)組孤島運(yùn)行后將失步，為避免重合失敗以及風(fēng)電系統(tǒng)非同期合閘，現(xiàn)階段在重合前切除新能源機(jī)組。

4.5 備自投

風(fēng)電系統(tǒng)的電壓支撐作用，對(duì)故障后備自投動(dòng)作產(chǎn)生影響。如圖2接入風(fēng)電機(jī)組的110kV/10kV終端示意圖中，當(dāng)變壓器T1發(fā)生故障，跳開(kāi)QF4，由于分布式新能源接入10kV I母線，導(dǎo)致母線電壓未跌落至0.2pu以下，QF6備自投將失?。▊渥酝稒z測(cè)母線電壓低于0.2pu時(shí)動(dòng)作）。

圖2 接入風(fēng)電機(jī)組的110kV/10kV終端示意圖

4.6 諧波相關(guān)

隨著風(fēng)電容量逐步提升，交流系統(tǒng)故障后接入電網(wǎng)的風(fēng)電系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量諧波，導(dǎo)致系統(tǒng)中諧波相關(guān)保護(hù)出現(xiàn)拒動(dòng)和誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。變壓器保護(hù)區(qū)內(nèi)故障后二次、三次諧波分量大于20%,造成差動(dòng)保護(hù)誤閉鎖，電流二次諧波含量變化圖如3所示。

綜上所述，在大規(guī)模風(fēng)電接入電力系統(tǒng)后，針對(duì)過(guò)流保護(hù)性能下降、差動(dòng)保護(hù)靈敏度降低等問(wèn)題，需要提升電力系統(tǒng)的安全水平及供電可靠性，其中提高可靠性繼電保護(hù)配置方案如表1所示。

表1 提高可靠性繼電保護(hù)配置方案

5 結(jié)語(yǔ)

大規(guī)模風(fēng)電接入接入電力提系統(tǒng)并高度滲透，配電網(wǎng)功率雙向流動(dòng)，其故障電流分布特點(diǎn)與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比有很大變化，對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)有多方面的影響。其中潮流變化對(duì)保護(hù)的影響表現(xiàn)在：使傳統(tǒng)電流保護(hù)、距離保護(hù)不正確動(dòng)作；影響保護(hù)定值整定策略。短路電流受控對(duì)保護(hù)的影響表現(xiàn)在：短路電流幅值、相位受控，DG接入點(diǎn)、接入容量影響保護(hù)靈敏度。影響安全自動(dòng)裝置表現(xiàn)在：重合閘、備自投等可能動(dòng)作不成功，影響瞬時(shí)性故障恢復(fù)供電能力。