大规模风电接入对继电保护的影响与对策

李兴磊，文 成

1.中国三峡新能源利通区五里坡发电有限公司，甘肃 庆阳 745000

2.国网西藏电力建设有限公司，四川 成都 610000

0 引言

随着科学技术的进步和社会经济的不断发展，社会生产生活中的科技产品越来越多，这些科技产品用途各异，极大地丰富了人们的生活，但在使用过程中也无形中增加了电力的消耗，聚少成多，我国目前的年用电量逐年剧增，部分地区甚至出现了需大于供的情况[1]。风力发电作为目前使用最广的清洁能源在解决我国用电量大方面做出了较为显著的功效，但也有诸多的因素制约着风电行业的发展。为了进一步促进我国风电的发展，科学有效地应用继电保护装置能够减少风力发电的诸多问题，极大地提高了我国风电行业的能效。

1 风电场和风电机组的故障特性

与传统的同步发电机对比，风电机组大多使用感应式异步发电机，不需要励磁装置且转动惯量和转动时间常数相对较小，计算电流大小、分析波形、分析暂态短路电流衰减特征以及稳态短路电流衰减特征是风电机组以及风电场故障特性的主要表现，因此风电机组的故障特征与同步发电机有非常大的不同。不过，永磁直驱机组在类别上虽然也属于同步发电机，但由于广泛使用换流器并网，导致其故障特点与换流器有着直接关系。除此之外，传统的电力系统继电保护一般都是首先假设故障发生时，同步发电机的运行参数和运行状态不受任何影响的情况下，对短路电流大小和电流衰减特征进行计算，然后借助固定特征去选择开关设备以及整定继电保护原理，其主要是在发电机电源和三相对称系统的固定前提下进行的。但现行的风电机组中的异步发电机大多是由双馈式的异步电机和鼠笼式的异步电机构成。当电网发生短路故障时，由于鼠笼式的异步机组缺乏专门的励磁结构，因此系统不会继续给机组提供励磁，这就导致系统中的短路电流会迅速降低直至为零，电网也不会持续受到鼠笼式的异步机组的短路电流[2]。同时，由于双馈式的异步电机的定子侧是三相对称的绕组，能够借助脉宽调制变流器给转子侧输出交流励磁从而与电网单项连接，因此，双馈式的风电机组也能够与电网直接连接。一旦双馈式的风电机组发生故障，也会因为转子侧变流器的功效，从而向系统保持连续短路电流

2 大规模风电接入对继电保护的影响

2.1 继电保护的配置

在大规模风力发电接入电力系统时，需要使用升压变压器对其进行相应的调整，并且变电器要交汇接地，这样的做法能够保持电力系统的稳定性，但也会改变联络线的零序，导致继电保护器的灵敏度下降。最稳妥的办法是加装弱馈装置，从而使电力系统能够平稳有效地运行，避免出现较大的浮动。但对于大多数风电企业来说，弱馈装置无论是设备造价还是安装费用，所花费的资金比较多，使得弱馈装置并没有广泛地普及，因此，风力发电接入电力系统导致电力系统无法正常工作的情况时有发生[3]。

2.2 电力系统的设计

由于电力系统包含了大量的设备设施，且处于长期运行状态，会存在各种各样的执行方案，因此当大规模风电接入电力系统（见图1），需要对电力系统的整体设计进行综合考虑，确保风电接入不会对电力系统的运行造成较大的影响。一旦风电的某些设备接入不合适的系统，必然会对电力系统的运行造成或大或小的影响，甚至会影响整个电力系统的正常运行。目前，我国的电力系统无论是体量还是规模就相对比较庞大，所以在风电介入过程发生故障问题导致系统运行出现较大的浮动时，极有可能对整个电网造成不可弥补的损失[4]。为了最大程度上杜绝此类问题的发生，在大规模风电接入电力系统的执行方案设计阶段，就需要从电力系统的整体运行状态上综合分析，让设备设施能够与操作方案相匹配。但就目前而言，我国大部分地区的配电网保护，依旧采用较为传统的防护设施，利用变压器进行升压工作，然后在变电器和变压器之间利用电力传输的方式进行连接。这种较为传统的连接方式，会使配电网故障频发，还在一定程度上增加了跳闸率。

图1 电力系统运行图

2.3 电力运行的状态

与传统的发电机相比，风力发电一般都使用异步发电机。异步发电机会在电力系统运行过程中，不断吸收电力系统逸散出来的无用功率，使电网系统的运行状态发生波动，进而影响整个电力系统的正常运行。同时，由于风电机组的主要能源是风能，环境中的风力大小是不可控因素，从而导致电力传输时刻处于不稳定状态，进而对整个电力系统的运行状态造成较大的影响[5]。

3 大规模风电接入对继电保护的完善措施

3.1 针对性设计

传统的风电系统在接入大规模风电之后，会在一定程度上对其原有的稳定运行造成影响。因此，工作人员在进行接入方案设计时，需要深入了解原有电网系统在运行中的问题，了解整体电网运行的过程，然后针对电网的运行状态，运用其特有的特点和运行过程中已有的问题设计具有针对性的方案，使用相适应的操作方案将电网运行中的设备设施安装完成，从而最大程度上减低大规模风电接入对继电保护装置的影响，从而提高电网运行的安全性和平稳性[6]。除此之外，相关人员在进行风电接入电力系统设计时，需要尽可能地全面思考，将风电接入过程的所有环节都要探讨清楚，并派遣较为专业的管理人员对介入过程进行全程把控，确保每一环节都能够顺序开展、正常运行，及时发现潜在危险，避免危险事故的发生。

3.2 了解故障点

在大规模风电接入电网系统时，需要全面了解各种故障发生的具体缘由，才能对风电接入过程中出现的故障问题充分了解，进而设计出具有针对性的解决措施，从而最大化地保障整个电力系统的顺畅运行。因此，相关工作人员在大规模风电接入电网系统时，需要对过程中的种种问题进行一一列举，明确其中的各类问题，然后针对问题制订相对合适的解决方案，准备充足的防护措施[6]。

3.3 安装保护联跳装置

在大规模风电接入电网系统工作过程中发生了跳闸情况，一般使用联跳措施来解决。在风电机运行之前，将保护联跳装置安装在风电机的两侧。需要注意的是，安装期间需要将继电保护和短路电流进行综合连接。这样的安全策略能够在电路发生故障问题时，能自动截断电流，从而最大程度上保护电路。安装保护联跳装置能够极大地保护电力系统，即使发生跳闸、短路的情况，也能够确保将继电保护所受影响降到最小，使电力系统稳定地运行。

3.4 继电保护与风电场操作系统

一般情况下，在大规模风电接入电力系统时，要将继电保护和风电场操作系统二者配合使用。二者虽然不属于同一部门，但可以降低风电接入对继电保护产生的影响。同时，二者的综合联动能够在电力系统运行过程中构建较有利的电力继电保护系统，从而提高电力系统运行的稳定性。除此之外，在接入过程，需要注重电网的保护系统和电场的操作系统的契合程度，杜绝脱网故障发生概率。

4 结束语

综上所述，风力发电虽然在应用过程中存在着诸多影响因素，但依然不能掩盖其在我国电力系统中的现实作用。因此，未来风电的主要探索方向，将是继续加强对风力发电的研究力度，不断解决和优化现有问题与不足，并对其在使用、应用以及技术创新方面继续深耕，从而不断提高我国风电的发展水准。