关于风电场继电保护合理配置问题

刘鹤

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.07.074

摘 要：随着我国社会经济的高速发展，电力事业也进入了发展快车道。近些年我国发电机组投入逐年增加，容量逐年增大，数量猛增的同时电力质量却出现了问题。随着风电容量所占份额的不断增大，需要供应的短路电流也相应增加，风电场机电保护配置的作用非常突出。该文从风电场与电网实现互联互通后，其对继电保护的影响入手，阐述继电保护的合理配置问题。

关键词：风电场 继电保护 装置

中图分类号：TM77 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）03（a）-0074-02

我国国土面积辽阔，风能资源非常丰富，并且呈现出集中化的特点，风电场与电网多选择集中接入的方式实现互联互通。风电事业发展迅猛，电厂规模和容量也越来越大，集中式接入模式对电能产生了很大影响。假如电网发生短路故障，风电场会供应电流（明显大过电网短路电流），所以在电网建设要高度重视继电保护配置问题。

1 风电场继电保护典型配置

区域保护：图1D区域，即风轮机塔底部，对发电机和电缆进行保护选择690 V的断电器。在图1中C部位，断路器作为变压器对侧电缆进行保护。当有故障发生的时候，低电压端会有微小的故障电流产生，这个时候选择保险丝切除的方法可能不太理想，切断任务可交给分段开关去执行。

有限接地故障保护：对低压绕组和端部的漏电流进行检测。常见的接地故障和和继电保护选择常规方法即可达到保护效果。

如果风电场与330 kV的电网系统连接时，没有设置主变压器，可选择在相同容量环境下与变压器继电保护类似的模式（继电保护运用33 kV/11 kV变压器）。[1]在具体操作过程中，33 kV开关保险丝较少，所以全面保护所有范围内的故障电流难度是很大的，所以要进行全面保护可采用综合方式。

2 风电场并网对电网继电保护的影响

2.1 整体影响

风电具有间隙性，保护方式也与常规配电网不同，有风的时候发电机组与电网相连接的，风速围绕着启动风速变动时会出现机组频繁投切损伤接触器，为了防止这种情况的出现，电机组可以短时间电动机运行。在这个过程中如果对系统潮流的方向加以改变，很容易导致保护装置出现失误动作。

当固定转速异步发电机并网运行的时候，如果发生故障，电机各项电流在瞬间会发生突变，与此同时会发生衰减（依据指数规律），直至为零。普通感应电机（模型中转子支队励磁支路加以考虑）应用于固定转速风电机，所以定子暂态电抗和绕组不规律初值共同决定感应器电流初值，电流分别按照暂态参数与绕组期限参数进行衰减，转子转动速度决定电流频率。单独的励磁单元并不存在于异步发电机，因为电机明显下降的电压，如果电网运行时发生故障，没有励磁就无法向电网传输短路电流。[2]电网发生故障的时候，异步发电机仅仅能持续供应微小电流。（I≈0）。风电机的电压（出口）是0.69 kV，是低压系统，如果折算到35 kV甚至更高侧，阻抗就要与K2=（U35/UO）2两两相乘，所以从与35 kV侧数值相等的电路来讲，风机和电缆（低压）几乎就是两个很大的限制流量的电抗，在这种情况下短路电流明显不能输出。

双馈风机组在并网运行的时候与短路电流（基于常规异步发电机组的定速风电机组）在性能方面差异显著，前者模型当中，转子只关注励磁支路，固定子绕组暂态电抗和其不规律电流初值共同决定了短路电流初值，并且分别根据二者时间参数发生衰减。通常情况下公用电网电源提供着故障电流，风电场在保护方面的障碍在于按照有限的电流去鉴别故障。

2.2 具体影响

（1）对配置方案的影响，根据多年的实践经验，风电与电网系统相连接，如果发生故障，风电场在故障切除完成之前，风电场会供应电流，供应模式与异步机大同小异，即电网与风电场联通后，会在一定程度上对短路故障切除的主保护动作产生影响。风电场继电保护和电网联络保护（高压）在很多方面是存在区别的，后者将风电场作为一个整体，在继电保护过程中需要对与风电场联通之后的影响进行考虑与评估。各个机组之间在型号、地理空间分布上不尽相同，这在电网继电保护过程中必须要考虑到。

（2）对电网继电保护和安全自动装置的影响，电网中接通风电场电源和变压器接地之后，系统整个零序网络将会发生变化，系统联络线灵敏性会有所下降，自动重合闸作用和功能不能正常发挥，风电场的规模越来越大，联络线如果跳开，会导致风电机组进入变动状态，检同期成功率无法保障，甚至重合闸重合功能会失效，导致脱网故障。[3]在这种情况下，短路电流无法成功馈出，联络线保护功能大大降低，误动或者拒动的情况在保护装置中频繁发生。针对这个问题，为了提升性能和灵敏性，可设置双馈保护。

（3）对线路零序电路保护的影响，机组变压器通常选择Yn/△的接线方式，如果有接地故障发生，零序电路保护会做出保护动作，迅速跳闸防止电流通过。在对两段零序电流进行保护的过程中I环节为了切出故障迅速跳闸，II环节在故障发生时会迅速报警。

与电网的联通会使风电场零序电流的灵敏度降低。风电场在零发时，灵敏度不会受到影响，但是如果满发时，灵敏度会出现明显降低，尤其是在线路支路，灵敏度的高低与线路距离的远近成正比。

（4）对线路距离保护的影响，与电网联通之后，多方面因素共同作用于风电场距离保护，距离保护要想稳定安全运行，必须从以下几方面着手：①对气动元件配置保护装置。 ②配置距离原件，目的在于监测与计算装置和故障位置之间的距离。[4]一旦有短路故障发生，首先判断短路故障的对称性，按照判断结论启动距离保护功能。

3 举例分析风电场对电网继电保护配置的影响问题

文章以相间保护来举例，分析风电场（并网）对继电保护潜在的影响。

如图2所示，电线、限时电流速断和过电流保护共同组成相间保护。环节1至环节6是系统保护装置。速断保护负责全部线路的70%～80%，整定则通过避开线路末端故障来进行。限时电流速断保护装置负责本线路范围之外的故障切断工作，保障在任何情况下线路的全长完整，同时选择性和灵活性不能丧失。[5]按照避开最大电流原则，过电流保护装置进行整定。假定整个风电场是一个负荷，那么它不能供应等于零的短路电流，这种假设明显与事实不符。当系统出现短路故障的时候，风电场会给故障点供应相应短路电流。如果故障发生在K1环节，I≠0，因为K1点与系统联络线的保护装置2非常接近，所以其短路电流值与K2发生短路故障时的电流值相当，加入IK2比系统联络线保护装置2的动作电流大，则装置2会迅速动作，也就是说风电场导致装置2的误动作。

从整体上来讲，风电场对继电保护动作会有影响，在系统配置和整定的过程中，计算风电场供应的短路电流大小的时候，要遵守以下规则：（1）假如系统联络线保护装置动作迅速（低于5个周波），短路电流对保护装置施加的影响则必须要考虑分析。（2）假如系统联络线保护动作相对缓慢（高于5个周波），对短路电流对保护装置所产生的影响可不予考虑，因为其极高的衰减率使得保护装置在时间上避免了故障威胁。

随着我国近年来电力事业的迅猛发展，很多区域都实现了风电场电网系统与风电场的互联互通。在继电保护配置方面，风电场有很大影响，因此要对风电场对继电保护配置影响方面进行深入透彻地分析研究，为风电场的稳定运行提供良好的保障。

参考文献

[1] 许清.关于风电场继电保护合理配置问题[J].科技与企业，2015（9）：201-202.

[2] 范娟.风电场集电系统接地方式及相关保护策略研究[D].华北电力大学，2013.

[3] 文玉玲.风电场短路特性及对电网继电保护影响的研究[D].新疆大学，2009.

[4] 吴旭.基于N-k故障的电力系统运行风险及脆弱性评估[D].华北电力大学，2013.

[5] 董傲杨.密山风力发电站接入对鸡西220 kV电网继电保护的影响研究[D].华北电力大学，2014.