云南电网大规模风电接入继电保护探讨

2014-03-08李俊鹏

云南电力技术 2014年1期

李俊鹏

(云南电网公司电力研究院，昆明 650217)

1 前言

大规模风电的接入使传统的继电保护面临了新的问题。大规模的风电场接入对系统运行的影响，就接入点系统来说，已不能参照早期小型风电接入一样被当作普通负荷终端而被忽略掉，传统继电保护所面临的是发生了显著变化的故障特征，对接入点系统的继电保护提出了新的要求。以下就继电保护所面临的一些问题进行初步的探讨。

2 风电机组以及风电场的故障特征

与传统同步发电机相比风电机组多采用感应式异步发电机，其转动惯量和时间常数小，并且没有专门的励磁装置，故障特征与同步发电机存在显著的差别。传统电力系统的继电保护理论体系是建立在同步发电机电源以及三相对称系统的基础之上的，是假定在故障发生之后的电磁暂态过程中，同步发电机能够作为一个理想电源不发生任何参数和运行状态的改变的情况下计算得到短路电流大小及其衰减特性，并以此作为继电保护原理设计、整定以及开关设备选择的依据。而风电机组普遍采用异步发电机，短路电流的大小和故障特征发生了显著的变化。云南电网内目前投产的风电机组主要为鼠笼型异步发电机及双馈型异步发电机两种。两者的区别为鼠笼型异步发电机其定子直接接入电网，在发出有功的同时需要从电网吸收无功来励磁。而双馈风电机组采用绕线式异步电机，其定子侧直接接入电网，转子侧采用三相对称绕组，经背靠背的脉宽调制(PWM)双向电压源变流器与电网相连，为转子侧提供交流励磁。基于目前的情况，鼠笼型异步机组没有独立的励磁结构，在电网发生短路故障时系统不能继续为风电机组提供励磁，故短路电流瞬时非常可观但很快逐渐衰减至零，很难向电网提供持续的短路电流。双馈风电机组的短路电流在同等出力、同一故障点同样故障情况下，短路电流瞬时值较鼠笼型异步机组小，并在转子侧外接变流器的作用下，在故障未切除时会向系统提供持续的短路电流，其稳态短路电流值小于稳定运行的电流。

对于继电保护而言，关注点不应仅局限于故障电流的大小，而更关注故障电流的波形特征，以及影响现有保护原理的诸如正负序阻抗等系统特征。短路电流的波形及暂态谐波含量将影响以傅里叶算法为基础的工频量保护的性能，进而引发保护的拒动或误动，对电网的安全运行造成威胁。采用电磁暂态仿真手段进行故障电流以及故障特性的研究是解决这一问题的较好途径，但会面临控制策略方面的技术障碍。

3 风电场内集电线路的保护问题

风电场机群之间采用35 kV电压等级组成集电网络并通过并网点直接与高压电网相连接，与传统配电网络具有相同的网络结构，但两者却有着明显的区别。风机作为分布式电源对于风电厂内任一集电线路而言，由于母线两侧上均有电源分布，为双端电源系统元件，传统辐射状配电网继电保护的配置方式和整定原则将不再适用，而应根据风电场发电机运行方式、风机短路电流大小及衰减特性选取合适的保护配置方式整定原则，从而确保整个保护系统的性能。由于风电机群之间主要通过高压电缆进行连接，云南省内现行风电场内集电线路的故障判别主要依赖小电流接地选线装置，而对35 kV集电线路没有配置专门的保护，这种情况下小电流接地选线装置的性能就变得非常的关键。当前应对现行风电场小电流接地选线装置的应用情况进行针对性的研究，以确保满足要求。

4 风电接入系统的继电保护问题

由于现阶段风电接入的继电保护问题并没有大规模地显现出来，大规模风电接入电网对系统安全稳定运行的影响并没有得到足够的重视，随着风电在电网电源结构中所占比例的逐步提升，继电保护的适应性问题必然将集中体现出来并得到足够的重视。

风电场接入后系统保护主要面临以下几个方面的问题。一则由于升压变压器的接地，系统零序网络发生变化，系统联络线零序保护将受到影响，会造成保护灵敏度的下降;二则系统联络线的自动重合闸功能将受到挑战，这主要是由于目前采用的检同期重合方式需要风电电源在并网点具有稳定性，而大规模风电场在联络线跳开后风机会进入动态过程，不能保证检同期成功，从而可能导致重合闸失败，最终造成风电脱网;三则由于风电场向故障点输出持续短路电流的能力差，除非装设专门的弱馈保护，否则并网点联络线保护性能差，拒动将成为常态。四则异步发电机对并网联络线距离保护动作特性有影响，根据保护安装处的电压和电流计算得到的异步发电机阻抗特性为负电阻和正电抗特性，由此在阻抗平面上其轨迹可能落入第二象限从而降低了距离保护的动作裕度。

由以上分析可知，作为一种特殊的电源形式，风电对输电网继电保护具有一定的负面影响，或者说，传统的继电保护原理并非都能够适应风电的接入，因此有必要对风电接入后的继电保护问题进行研究。继电保护希望得到一个理想电源与系统阻抗的经典串联模型来等效风电场，以获取对继电保护来说最重要的电磁暂态过程。进行专门面向继电保护的风电场等值研究，将非常有助于继电保护的整定与配置。

5 结束语

随着云南电网大规模风电场的不断接入，需要从以下几个方面来展开继电保护的研究工作。

1)故障电流波形特征的研究

就目前看，保护所有的侧重点都放在了短路电流的最大值及其衰减特性方面，对于保护的影响也主要从保护的配合和整定上面考虑，并未涉及到继电保护原理本身。影响保护性能的一个重要因素就是故障暂态过程的波形特征及滤波算法，这将直接影响到工频电气量的计算结果以及保护判据最终的判别结果，对于故障后故障电流波形特征的分析是必要的，将会影响到保护性能的分析。

2)电磁暂态仿真模型的建立

电网中双馈型风电机组所占比例比较大。对于这些具有复杂控制系统和控制策略的风电机组，其故障电流与控制策略密切相关，应通过建立通用仿真模型，供继电保护整定和性能分析使用。

3)加强风电场机群集电线路保护原理的开发

风电机组持续提供短路电流的能力差，短路电流的波形受各种控制模块的影响而变得更加复杂，若不考虑电网提供的短路电流，故障识别和隔离将异常困难。而利用电网提供的短路电流需要考虑系统保护定值配合和延时配合的问题，故障切除时间长，不利于风电场和电力系统的安全稳定，因此有必要分析风电场机群集电线路的故障特点，开发适用于风电场机群集电线路的新型保护。