大規(guī)模風(fēng)電接入的繼電保護(hù)問題綜述

標(biāo)簽：風(fēng)電接入電網(wǎng)

摘要：對(duì)國(guó)內(nèi)外大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的繼電保護(hù)問題進(jìn)行了綜述。首先分析了不同類型風(fēng)電機(jī)組短路電流的幅值和衰減特征，以及影響風(fēng)電場(chǎng)短路電流的因素。其次討論了風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)集電線路的故障特征和相應(yīng)的保護(hù)策略。然后針對(duì)高壓輸電系統(tǒng)保護(hù)對(duì)風(fēng)電接入的適應(yīng)性，分析了零序保護(hù)、重合閘和距離III 段的性能以及相應(yīng)對(duì)策。最后，建議應(yīng)當(dāng)從加強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組故障特性研究、組織力量開展保護(hù)用風(fēng)電機(jī)組電磁暫態(tài)通用模型研究、開發(fā)適用于風(fēng)電場(chǎng)集電線路和網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)新原理與新技術(shù)以及加強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)在保護(hù)和控制方面的協(xié)調(diào)配合4 個(gè)方面展開研究工作，解決繼電保護(hù)面對(duì)的問題。

0 引言

繼電保護(hù)是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線，能夠在故障發(fā)生時(shí)快速可靠地識(shí)別并有效地隔離故障，對(duì)遏制系統(tǒng)運(yùn)行狀況的進(jìn)一步惡化，保障電能高效穩(wěn)定的傳輸和利用都具有重要的意義。近年來，隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益突出，風(fēng)電等可再生能源越來越受到社會(huì)的關(guān)注，其大規(guī)模應(yīng)用，必然帶來集中接入、遠(yuǎn)距離傳輸以及風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線路網(wǎng)絡(luò)化等問題，從而改變電力系統(tǒng)的運(yùn)行特征。

大規(guī)模風(fēng)電接入的繼電保護(hù)問題屬于智能電網(wǎng)的兼容性范疇。對(duì)接入點(diǎn)而言，規(guī)?；娘L(fēng)電場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，已不能象早期小型風(fēng)電接入一樣被完全忽略掉，這已不僅僅是風(fēng)電調(diào)度的問題，繼電保護(hù)所面臨的故障特征同樣也發(fā)生了顯著的變化。大型風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的機(jī)組和機(jī)群越來越多地采用35 kV 電壓等級(jí)以網(wǎng)絡(luò)的形式匯集電能，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)保護(hù)原理和裝置能否滿足風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線路的要求，也是眾多業(yè)主和電力系統(tǒng)運(yùn)行部門必須考慮的問題。

為了保證大規(guī)模風(fēng)電接入后的電網(wǎng)安全，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就風(fēng)電接入的繼電保護(hù)問題在以下3 個(gè)層面展開了研究工作：

1)風(fēng)電機(jī)組以及風(fēng)電場(chǎng)的故障特征分析。

風(fēng)電機(jī)組多采用感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和時(shí)間常數(shù)小，并且沒有專門的勵(lì)磁裝置，故障特征與同步發(fā)電機(jī)存在顯著的差別。永磁直驅(qū)機(jī)組雖然為同步發(fā)電機(jī)，但是通過換流器并網(wǎng)，其故障特征和換流器控制特性密切相關(guān)。另外，電力電子設(shè)備自身的保護(hù)策略和低電壓穿越等特殊要求，也附加了額外的控制要求。這些都將增加風(fēng)電機(jī)組電磁暫態(tài)過程的復(fù)雜性，從而影響繼電保護(hù)的性能。

風(fēng)電機(jī)組以及風(fēng)電場(chǎng)的故障特征分析主要包括暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)短路電流的計(jì)算、波形分析、衰減特性分析以及短路阻抗分析等內(nèi)容。

2)風(fēng)電場(chǎng)集電線路及網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)問題。

雖然大型風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線路廣泛采用 35 kV電壓等級(jí)，但卻與傳統(tǒng)配電網(wǎng)輻射狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在明顯的差別。對(duì)于任一集電線路，由于兩側(cè)母線上均有電源分布，在繼電保護(hù)研究中，將被等效為雙端電源元件，傳統(tǒng)輻射狀配電網(wǎng)繼電保護(hù)的配置方式和整定原則將不再適用。

風(fēng)電場(chǎng)集電線路及網(wǎng)絡(luò)保護(hù)研究主要包括保護(hù)原理、保護(hù)配置、整定原則及與電網(wǎng)保護(hù)配合關(guān)系等內(nèi)容。

3)大規(guī)模風(fēng)電接入輸電網(wǎng)的繼電保護(hù)問題。

在包括中國(guó)在內(nèi)的大多數(shù)國(guó)家，風(fēng)電的大規(guī)模利用必然伴隨著電能的遠(yuǎn)距離集中傳輸問題，因此高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)的整定和運(yùn)行管理中，必須考慮風(fēng)電等隨機(jī)電源的故障特征。風(fēng)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性對(duì)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線保護(hù)的影響，繼電保護(hù)的適應(yīng)性及配置配合關(guān)系，性能優(yōu)良的新原理都需要進(jìn)一步深入研究。

規(guī)?；L(fēng)電接入電網(wǎng)的問題是目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的熱點(diǎn)[1]，但是繼電保護(hù)相關(guān)問題卻并沒有得到足夠的重視。筆者認(rèn)為原因之一在于繼電保護(hù)是服務(wù)于電網(wǎng)安全運(yùn)行的，現(xiàn)階段繼電保護(hù)問題并沒有大規(guī)模地顯現(xiàn)出來。隨著調(diào)度、運(yùn)行方式等問題的解決，風(fēng)電在電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)中所占比例必將逐步提升，繼電保護(hù)的適應(yīng)性問題將集中體現(xiàn)出來并需要得到足夠的重視。

本文從風(fēng)電機(jī)組與風(fēng)電場(chǎng)的故障特征、風(fēng)電場(chǎng)集電線路與網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)以及大規(guī)模風(fēng)電接入后高壓電網(wǎng)的繼電保護(hù)3 個(gè)方面，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究成果進(jìn)行了回顧和分析，對(duì)未來研究方向進(jìn)行展望，并提出自己的觀點(diǎn)，以期能夠?qū)窈蟮南嚓P(guān)繼電保護(hù)問題研究有所助益。

1 風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)的故障特征.

1.1 概述

故障分析是繼電保護(hù)的基礎(chǔ)，繼電保護(hù)的新原理設(shè)計(jì)、整定計(jì)算都離不開故障分析。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)理論體系是建立在同步發(fā)電機(jī)電源以及三相對(duì)稱系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的。也就是說，假設(shè)在故障發(fā)生之后的電磁暫態(tài)過程中，同步發(fā)電機(jī)能夠作為一個(gè)理想電源不發(fā)生任何參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)的改變?；诖?，可以計(jì)算得到短路電流及其衰減特性，并作為繼電保護(hù)原理設(shè)計(jì)、整定以及斷路器選擇的依據(jù)。

風(fēng)電機(jī)組廣泛采用異步發(fā)電機(jī)，即使永磁同步發(fā)電機(jī)也采用電力電子設(shè)備并網(wǎng)，顯然其短路電流的大小和故障特征已經(jīng)發(fā)生了顯著的變化。

1.2 風(fēng)電機(jī)組的短路電流計(jì)算

1.2.1 感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)

感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)的短路電流計(jì)算并不是一個(gè)新問題。文獻(xiàn)[2]推導(dǎo)了異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載發(fā)生定子三相短路時(shí)短路電流的解析表達(dá)式，基于感應(yīng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)繞組電阻可以忽略和滑差很小這2 點(diǎn)假設(shè)，得出短路半個(gè)周期之后定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈相差180°的結(jié)論，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出短路電流最大值的解析表達(dá)式和衰減規(guī)律。該文獻(xiàn)得到的短路電流最大值的誤差可達(dá)10%~20%。文獻(xiàn)[3]在相同假設(shè)的基礎(chǔ)上利用空間矢量分析方法推導(dǎo)出鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的短路電流的解析表達(dá)式，值得指出的是，該文獻(xiàn)利用序分量理論分析了不對(duì)稱短路時(shí)感應(yīng)發(fā)電機(jī)的短路電流，該結(jié)果對(duì)繼電保護(hù)性能分析和靈敏度校驗(yàn)具有積極的意義。

文獻(xiàn)[4]利用Power Factory 軟件包仿真分析了感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)的短路電流，其結(jié)論與上述文獻(xiàn)[2-3]的結(jié)論相同，即故障時(shí)感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)注入了可觀的故障電流，隨著故障時(shí)間的持續(xù)該電流逐漸衰減，衰減時(shí)間與故障類型相關(guān)，對(duì)于三相故障而言，衰減最為迅速。

文獻(xiàn)[5]在利用電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)RT-Lab軟件包分析感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)短路電流時(shí)考慮了原動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的作用，其結(jié)論并非專門針對(duì)繼電保護(hù)，但從仿真結(jié)果中仍能夠驗(yàn)證文獻(xiàn)[3]分析的正確性，即在相間短路時(shí)，非故障相的短路電流緩慢增加到穩(wěn)態(tài)值，故障相的短路電流逐漸衰減。

1.2.2 雙饋型異步發(fā)電機(jī)

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的短路電流分析是近年來的研究熱點(diǎn)[2-3,6-16]。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的滑差由于轉(zhuǎn)子電流控制而不能再被認(rèn)為是一個(gè)很小的數(shù)值，外部短路時(shí)撬棒(crowbar)電阻的作用使得轉(zhuǎn)子回路的電阻不能被忽略。文獻(xiàn)[2]考慮以上因素，并考慮了短路發(fā)生后定子與轉(zhuǎn)子磁鏈的相位關(guān)系，推導(dǎo)出考慮 crowbar 電阻的雙饋異步發(fā)電機(jī)短路電流計(jì)算公式。文獻(xiàn)[3]基于空間矢量理論和序分量理論推導(dǎo)出考慮不對(duì)稱故障時(shí)的雙饋異步發(fā)電機(jī)短路電流解析表達(dá)式，并分析了crowbar 電阻數(shù)值以及升壓變和聯(lián)絡(luò)線阻抗對(duì)短路電流的影響。文獻(xiàn)[6]以電壓跌落后物理過程的分析為基礎(chǔ)，根據(jù)磁鏈平衡方程，在轉(zhuǎn)子側(cè)電壓保持不變的假設(shè)下得出了短路電流的解析表達(dá)式。該方法考慮了雙饋發(fā)電機(jī)控制策略和控制參數(shù)的多樣性，通過考慮轉(zhuǎn)子側(cè)電壓不變和轉(zhuǎn)子側(cè)電壓瞬間調(diào)整2 種極限情況，得出的短路電流計(jì)算公式具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性。文獻(xiàn)[7]采用頻域分析法求解雙饋發(fā)電機(jī)的短路電流，其假設(shè)短路過程中轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓和頻率均保持不變，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出雙饋發(fā)電機(jī)三相短路時(shí)的故障電流表達(dá)式。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]并未考慮crowbar 保護(hù)電路對(duì)短路電流的影響。

值得注意的是，以上關(guān)于雙饋發(fā)電機(jī)故障電流的分析過程都沒有考慮控制系統(tǒng)的作用，實(shí)際上對(duì)于快速響應(yīng)的電力電子設(shè)備，控制系統(tǒng)勢(shì)必影響異步發(fā)電機(jī)電磁暫態(tài)過程，從而對(duì)快速動(dòng)作的主保護(hù)產(chǎn)生影響。

文獻(xiàn)[8-11]所關(guān)注的問題并不是雙饋風(fēng)電機(jī)組的短路電流，但是低電壓穿越功能的設(shè)計(jì)以及電壓跌落情況下雙饋發(fā)電機(jī)的性能研究對(duì)故障特征的分析具有一定的參考作用。

文獻(xiàn)[12-16]通過電磁暫態(tài)仿真軟件對(duì)雙饋型發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的短路電流進(jìn)行了研究，其結(jié)論與以上理論分析結(jié)果吻合。即crowbar 保護(hù)發(fā)揮作用后，三相短路時(shí)，雙饋異步發(fā)電機(jī)提供短路電流的能力大大降低，同時(shí)轉(zhuǎn)子繞組回路時(shí)間常數(shù)減小，短路電流的強(qiáng)制分量迅速衰減。不對(duì)稱故障時(shí)，非故障相電流的強(qiáng)制分量迅速增大到穩(wěn)態(tài)值，而故障相的短路電流強(qiáng)制分量則迅速衰減。故障電流中的自由分量則受升壓變壓器以及輸電線路等定子回路電阻的影響。

1.2.3 永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)

永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)通過脈寬調(diào)制(pulse widthmodulation，PWM)控制的電力電子設(shè)備并網(wǎng)，其短路電流與并網(wǎng)電力電子設(shè)備密切相關(guān)。到目前為止，并沒有檢索到針對(duì)永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)短路電流的相關(guān)研究問題，文獻(xiàn)[17-22]在進(jìn)行低電壓穿越控制研究時(shí)分析了永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)短路電流特征。

文獻(xiàn)[17]認(rèn)為短路電流可以按照不超過并網(wǎng)換流器額定電流來考慮。作者認(rèn)為，就目前的情形而言，這種方法可以作為工程上進(jìn)行整定計(jì)算的一個(gè)依據(jù)。

文獻(xiàn)[18-22]均提出了各自的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越運(yùn)行方案，并給出了電網(wǎng)故障時(shí)的仿真波形，對(duì)于永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的短路電流特征分析具有一定的意義。但是，從文獻(xiàn)[18-22]中同樣能夠發(fā)現(xiàn)，電網(wǎng)故障后的短路電流隨著不同風(fēng)電機(jī)組采用不同的控制策略而具有明顯的不同，這也給繼電保護(hù)的整定帶來了巨大的障礙。在現(xiàn)有條件下，要求繼電保護(hù)工作者熟悉并了解不同制造商提供的風(fēng)電機(jī)組的控制策略，并據(jù)此進(jìn)行保護(hù)整定是不現(xiàn)實(shí)的，因此目前對(duì)于以永磁直驅(qū)機(jī)組為電源的電網(wǎng)的整定必然存在一定的不適應(yīng)性和不合理性。

同時(shí)需要說明的是，在低電壓穿越的研究中母線電壓的跌落和故障是不同的，前者的跌落程度顯然要輕微得多，一般情況下繼電保護(hù)所面對(duì)的近端故障情況母線電壓跌落會(huì)嚴(yán)重得多，此時(shí)的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的故障電流如何，并沒有引起足夠的關(guān)注。

1.3 風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)的故障特征分析

對(duì)于繼電保護(hù)尤其是快速動(dòng)作的主保護(hù)而言，主要關(guān)注風(fēng)電機(jī)組提供短路電流的能力。另外，由于距離保護(hù)等保護(hù)的性能與系統(tǒng)的等效正負(fù)序阻抗密切相關(guān)，風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)的等效正負(fù)序阻抗特征也應(yīng)該得到足夠的重視。

文獻(xiàn)[23]通過power factory 軟件包仿真分析了普通異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的短路電流幅值與衰減特征。其結(jié)論是：短路發(fā)生后普通異步機(jī)組能夠提供很大的瞬間短路電流，但卻很快衰減，不具備提供持續(xù)短路電流的能力。文獻(xiàn)[24]采用同樣的方法對(duì)雙饋型風(fēng)電機(jī)組的短路電流進(jìn)行了分析，雙饋型風(fēng)電機(jī)組瞬間短路電流略小于普通異步機(jī)組，相對(duì)于普通異步機(jī)組，其衰減時(shí)間也比較長(zhǎng)，此種類型的機(jī)組具有提供一定的持續(xù)短路電流的能力。

文獻(xiàn)[25]以新疆達(dá)坂城風(fēng)電場(chǎng)為研究對(duì)象，考慮風(fēng)速變化對(duì)風(fēng)電場(chǎng)提供短路電流的影響，指出陣風(fēng)和漸變風(fēng)影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)有功出力，加大短路電流。

文獻(xiàn)[26-27]研究了風(fēng)電場(chǎng)的等值問題，分析了風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)故障電流的特征以及影響風(fēng)電場(chǎng)短路故障特征的因素。文獻(xiàn)[27]的研究結(jié)果顯示三相短路時(shí)故障電流最大為額定電流的8 倍，并繪制了兩相短路和單相短路的故障電流曲線，得出了故障電流幅值不能作為判斷故障類型方法的結(jié)論。

1.4 總結(jié)和建議

對(duì)于大規(guī)模風(fēng)電的接入，不同專業(yè)的關(guān)注點(diǎn)不同。對(duì)于繼電保護(hù)而言，其關(guān)注點(diǎn)不僅僅在于故障電流的大小，更關(guān)注故障電流的波形特征，以及影響現(xiàn)有保護(hù)原理的諸如正負(fù)序阻抗等系統(tǒng)特征。

短路電流的波形及暫態(tài)諧波含量將影響以傅里葉算法為基礎(chǔ)的工頻量保護(hù)的性能，進(jìn)而引起保護(hù)的拒動(dòng)或誤動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成威脅。

雙饋和直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的控制策略將直接影響到故障電流的幅值、衰減等故障特征。到目前為止，在故障電流的計(jì)算以及故障分析過程中，crowbar保護(hù)已得到充分的考慮。由于涉及到具體的控制策略，永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的短路電流特征并未得到充分的研究?？刂葡到y(tǒng)被大多數(shù)生產(chǎn)制造企業(yè)視為技術(shù)機(jī)密，可以預(yù)見，若永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組成為大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的主力機(jī)型，由于無法充分掌握故障特征，將使得繼電保護(hù)面臨比以往更為困難的局面。

采用電磁暫態(tài)仿真手段進(jìn)行故障電流以及故障特性的研究是解決這一問題的較好途徑，但同樣面臨控制策略方面的技術(shù)障礙。

2 風(fēng)電場(chǎng)集電線路與網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)

大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)機(jī)群之間采用 35kV 電壓等級(jí)組成網(wǎng)絡(luò)并通過并網(wǎng)點(diǎn)直接與高壓電網(wǎng)相連接，與配電網(wǎng)絡(luò)具有相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但針對(duì)輻射型配電網(wǎng)設(shè)計(jì)的繼電保護(hù)直接應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)絡(luò)保護(hù)時(shí)會(huì)存在適應(yīng)性問題。這與近年來分布式電源接入配電網(wǎng)所帶來的繼電保護(hù)問題相同，綜述如下。

文獻(xiàn)[23-24，28]考慮風(fēng)電場(chǎng)允許短時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的特點(diǎn)以及風(fēng)電機(jī)組短路電流的衰減特性，論述了對(duì)于快速動(dòng)作的保護(hù)必須考慮潮流反向的影響而在必要時(shí)裝設(shè)方向式過流保護(hù)，在其整定時(shí)也必須考慮風(fēng)電場(chǎng)饋出的短路電流;而當(dāng)保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間超過5 個(gè)周期之后，則由于風(fēng)電場(chǎng)短路電流的衰減特性，可以不考慮風(fēng)電場(chǎng)的影響。

文獻(xiàn)[29-30]討論了風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)后對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響及對(duì)策。文獻(xiàn)[29]分析了定子故障電流的構(gòu)成以及各分量的衰減規(guī)律，指出風(fēng)電場(chǎng)接入輻射型配電網(wǎng)，會(huì)造成接入母線的下一級(jí)輸電線路電流速斷保護(hù)范圍增大，從而使得保護(hù)造成失去選擇性，同時(shí)也會(huì)造成該母線上一級(jí)輸電線路定時(shí)限電流速斷保護(hù)范圍縮小。針對(duì)輻射型電網(wǎng)風(fēng)電接入后階段式電流保護(hù)的問題，提出配置自適應(yīng)電流保護(hù)來識(shí)別并切除故障，并驗(yàn)證了其有效性。文獻(xiàn)[30]利用繼電保護(hù)測(cè)試設(shè)備和實(shí)際的繼電保護(hù)裝置，通過仿真研究了過電流保護(hù)受風(fēng)電場(chǎng)影響的情況。由于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)故障之后僅能提供短時(shí)故障電流，反時(shí)限過電流保護(hù)可能因?yàn)楣收想娏鞯乃p而不能夠正確動(dòng)作，從而影響整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的性能。

文獻(xiàn)[31]考慮了配電網(wǎng)各保護(hù)設(shè)備之間的時(shí)間配合問題，提出了一種能夠自適應(yīng)故障類型、短路電流水平以及風(fēng)電出力的自適應(yīng)繼電器，通過自適應(yīng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間來保證隔離故障以及風(fēng)電場(chǎng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

文獻(xiàn)[32]通過仿真研究，得出了由于風(fēng)電間歇性的特點(diǎn)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線路和網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)必須采用自適應(yīng)保護(hù)原理的結(jié)論。同時(shí)，文中也指出，由于風(fēng)電機(jī)組故障電流的特點(diǎn)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部短路的電流主要有電網(wǎng)提供，如何利用有限的故障電流檢測(cè)并切除故障是風(fēng)電場(chǎng)集電線保護(hù)的一個(gè)難點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)的規(guī)模化風(fēng)電基地所采用的集電線路和網(wǎng)絡(luò)保護(hù)大多為傳統(tǒng)的35 kV 繼電保護(hù)裝置，通過對(duì)以上文獻(xiàn)的綜述，不難看出風(fēng)電作為分布式電源與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比具有明顯的不同。文獻(xiàn)中所提及的加裝方向元件，采用自適應(yīng)保護(hù)以及考慮各保護(hù)之間的配合關(guān)系都是解決風(fēng)電場(chǎng)集電線路保護(hù)問題的途徑。但是，正如文獻(xiàn)[32]所提到的，風(fēng)電場(chǎng)故障電流持續(xù)時(shí)間短，風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況受自然條件的影響顯著，僅僅基于本地信息的傳統(tǒng)繼電保護(hù)性能可以提升的空間非常有限。能否將現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛認(rèn)可的通信以及智能電網(wǎng)技術(shù)引入風(fēng)電場(chǎng)的保護(hù)中，從而構(gòu)建新的含多電源的集電線路及網(wǎng)絡(luò)保護(hù)體系，值得思考。

3 大規(guī)模風(fēng)電接入輸電網(wǎng)的繼電保護(hù)問題

隨著風(fēng)電電源在電網(wǎng)中所占比例的增大，大規(guī)模風(fēng)電基地通過專用線路長(zhǎng)距離輸送風(fēng)能已經(jīng)成不可改變的現(xiàn)實(shí)。對(duì)于大容量，具有隨機(jī)間歇特征的風(fēng)電，不可能再忽略其對(duì)輸電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響。近年來，國(guó)內(nèi)外也有文獻(xiàn)開始關(guān)注并探討這一問題，綜述如下。文獻(xiàn)[33]討論了風(fēng)電接入后110 kV 電網(wǎng)繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置所受到的影響：風(fēng)電電源接入后，由于升壓變壓器的接地，系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，聯(lián)絡(luò)線零序保護(hù)的靈敏度下降;并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的自動(dòng)重合閘功能將受到挑戰(zhàn)，這主要是由于目前采用的檢同期重合方式需要風(fēng)電電源在并網(wǎng)點(diǎn)具有穩(wěn)定性，而大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)在聯(lián)絡(luò)線跳開后風(fēng)機(jī)會(huì)進(jìn)入動(dòng)態(tài)過程，不能保證檢同期成功，從而可能導(dǎo)致重合失敗，最終造成風(fēng)電脫網(wǎng);由于風(fēng)電場(chǎng)向電網(wǎng)饋出持續(xù)短路電流的能力差，除非裝設(shè)專門的弱饋保護(hù)，否則并網(wǎng)點(diǎn)聯(lián)絡(luò)線保護(hù)性能差，拒動(dòng)將成為常態(tài)。

文獻(xiàn)[34-38]研究了風(fēng)電場(chǎng)接入高壓電網(wǎng)后的繼電保護(hù)配置方案。文獻(xiàn)[34]通過對(duì)人工短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，指出在故障切除前，風(fēng)電場(chǎng)以類似于異步電機(jī)的方式提供短路電流，這與前述文獻(xiàn)的結(jié)論一致。因此對(duì)電網(wǎng)也言，風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)快速動(dòng)作的主保護(hù)有影響。文獻(xiàn)[36]分析了異步發(fā)電機(jī)對(duì)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線距離III 段保護(hù)動(dòng)作特性的影響，指出根據(jù)保護(hù)安裝處的電壓和電流計(jì)算得到的異步發(fā)電機(jī)阻抗特性為負(fù)電阻和正電抗特性，由此在阻抗平面上其軌跡可能落入第2 象限從而降低了距離III段保護(hù)的動(dòng)作裕度。文獻(xiàn)[37]針對(duì)我國(guó)西北大規(guī)模風(fēng)電基地輸送采用可控串補(bǔ)和可控電抗器的實(shí)際，提出一種考慮風(fēng)電波動(dòng)性的基于綜合阻抗的輸電線路縱聯(lián)保護(hù)新原理，仿真結(jié)果表明該原理具有較好的性能和對(duì)風(fēng)電送出聯(lián)絡(luò)線保護(hù)的適用性。文獻(xiàn)[38]提出一種大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線距離保護(hù)的自適應(yīng)整定方法，根據(jù)測(cè)量電壓、電流以及風(fēng)電場(chǎng)開機(jī)情況，自適應(yīng)地調(diào)整距離保護(hù)的整定值，從而消除風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的波動(dòng)性對(duì)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線距離保護(hù)的影響。

由以上分析可知，作為一種特殊的電源形式，風(fēng)電對(duì)輸電網(wǎng)繼電保護(hù)具有一定的負(fù)面影響，或者說，傳統(tǒng)的繼電保護(hù)原理并非都能夠適應(yīng)風(fēng)電的接入，因此有必要對(duì)風(fēng)電接入后的繼電保護(hù)問題進(jìn)行研究。

與風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線保護(hù)不同，作為高壓電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線保護(hù)必須將風(fēng)電場(chǎng)作為一個(gè)整體來考慮。繼電保護(hù)工作者希望得到一個(gè)理想電源與系統(tǒng)阻抗的經(jīng)典串聯(lián)模型來等效風(fēng)電場(chǎng)。但是風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組和機(jī)群在空間上的分布性質(zhì)，在類型上的差異，都使得這樣的模型不易獲得。目前對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)的等值，其目的都不是進(jìn)行繼電保護(hù)的整定和性能校驗(yàn)，因此對(duì)繼電保護(hù)來說最重要的電磁暫態(tài)過程被廣泛忽略，并不能夠直接應(yīng)用于繼電保護(hù)。面向繼電保護(hù)的風(fēng)電場(chǎng)等值，是一個(gè)非常值得研究的方向。

4 結(jié)論及展望

隨著大規(guī)模風(fēng)電基地在我國(guó)東北、華北以及西北的建設(shè)，未來的中國(guó)電網(wǎng)中風(fēng)電電源的比例將會(huì)進(jìn)一步上升。從目前的研究現(xiàn)狀看，對(duì)于大規(guī)模風(fēng)電對(duì)繼電保護(hù)的影響在國(guó)內(nèi)外并沒有一個(gè)統(tǒng)一的看法，相關(guān)的研究工作也未系統(tǒng)地展開。筆者認(rèn)為，需要從以下幾個(gè)方面來展開研究工作。

1)故障后故障電流波形特征的研究。

故障特征分析是繼電保護(hù)的基礎(chǔ)，就現(xiàn)狀看，所有的側(cè)重點(diǎn)都放在了短路電流的最大值及其衰減特性方面，對(duì)于保護(hù)的影響也主要從保護(hù)的配合和整定上面考慮，并未涉及到繼電保護(hù)原理本身。在繼電保護(hù)體系中，主保護(hù)的作用毋庸置疑，影響主保護(hù)性能的一個(gè)重要因素就是故障暫態(tài)過程的波形特征及濾波算法，這將直接影響到工頻電氣量的計(jì)算結(jié)果以及保護(hù)判據(jù)最終的判別結(jié)果。對(duì)于故障發(fā)生后主保護(hù)動(dòng)作時(shí)限內(nèi)(一般為0.30 ms)故障電流波形特征的分析是必要的，將會(huì)影響到保護(hù)性能的分析。

2)電磁暫態(tài)仿真模型的建立。

電網(wǎng)中雙饋型風(fēng)電機(jī)組和永磁直驅(qū)機(jī)組所占比例逐步增加。對(duì)于這些具有復(fù)雜控制系統(tǒng)和控制策略的風(fēng)電機(jī)組，其故障電流與控制策略密切相關(guān)，繼電保護(hù)中不可避免地要涉及機(jī)組的控制。在制造企業(yè)不能提供完整控制策略的現(xiàn)實(shí)條件下，應(yīng)組織力量加強(qiáng)合作，建立通用仿真模型，供繼電保護(hù)整定和性能分析使用。

3)加強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)集電線路保護(hù)原理的開發(fā)。

風(fēng)電場(chǎng)集電線路短路故障會(huì)造成風(fēng)電機(jī)組或機(jī)群母線電壓降低，對(duì)于快速響應(yīng)的現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組而言，故障若不能迅速切除，必將造成大面積脫網(wǎng)事故。風(fēng)電機(jī)組持續(xù)提供短路電流的能力差，短路電流的波形受各種控制模塊的影響而變得更加復(fù)雜，若不考慮電網(wǎng)提供的短路電流，故障識(shí)別和隔離將異常困難。利用電網(wǎng)提供的短路電流需要考慮保護(hù)定值配合和延時(shí)配合的問題，故障切除時(shí)間長(zhǎng)，不利于風(fēng)電場(chǎng)和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，因此有必要分析風(fēng)電場(chǎng)集電線路的故障特點(diǎn)，綜合利用風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的廣域信息，開發(fā)性能優(yōu)良的集電線路及網(wǎng)絡(luò)保護(hù)新原理。

4)重視風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)和電網(wǎng)繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置的配合。

風(fēng)電場(chǎng)的低電壓穿越控制、風(fēng)電場(chǎng)繼電保護(hù)的定值和時(shí)限均需與電網(wǎng)的保護(hù)進(jìn)行配合?，F(xiàn)階段，風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)保護(hù)的整定分屬于不同的部門，應(yīng)加強(qiáng)協(xié)調(diào)配合，避免由于定值問題所造成的意外脫網(wǎng)事故。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)電網(wǎng)自動(dòng)重合閘、各種后備繼電器以及緊急狀態(tài)下切機(jī)切負(fù)荷等繼電器與風(fēng)電場(chǎng)控制的配合，構(gòu)建協(xié)調(diào)的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)體系。

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