风电接入对电网继电保护影响分析

王进，许建兵

（1.山东电力调度控制中心，济南250001；2.国网山东省电力公司济南供电公司，济南250012）

风电接入对电网继电保护影响分析

王进1，许建兵2

（1.山东电力调度控制中心，济南250001；2.国网山东省电力公司济南供电公司，济南250012）

风电并网方式主要分为分布式接入和集中式接入，分别针对两种接入方式，研究风电接入后对电网继电保护的影响。分布式接入时，风电接入影响配电网电流保护的灵敏度、保护范围，甚至造成保护误动或拒动；集中式接入时，风电弱电源特性可能造成风场侧继电保护故障误选相及距离保护拒动，并且风电故障期间低电压穿越控制（LVRT）策略使得风电机组故障暂态特性完全不同于传统同步机组，将直接影响各类保护的动作行为。

风电；继电保护；分布式接入；集中式接入

0 引言

传统的煤炭、石油、天然气等化石能源污染严重且不可再生，开发利用新能源已成为解决人类社会目前不断增长的能源消费需求与能源紧缺、能源消费与环境保护之间矛盾的必然选择。我国风能资源蕴藏量丰富，“十一五”以来，我国风电产业呈现出爆发式增长态势，2010年末我国风电装机容量已跃居世界第一［1-2］。据中国风能协会统计，2014年我国风电新增装机容量23.2 GW，累计装机容量114.6 GW。

正确地分析与评估风电接入对电力系统的影响是开发和利用风能的基础，是确保电力系统安全稳定运行的前提。分析与研究风电接入对电力系统继电保护的影响是我国风电制造厂家与电力系统运行、管理部门当前共同面临的亟待解决的课题，对提高、改善风电接入系统继电保护动作的正确性，保证并网风电场及电力系统的安全可靠运行具有极其重要的理论与工程意义［3-5］。

1 风电并网方式

根据风电装机规模的大小及接入电网电压等级的高低，风电并网主要有分布式接入和集中式接入两种［6］。

1.1 分布式接入

分布式接入为将风电机组就近接入配电网负荷中心，这种并网方式出现得较早，适合风能分布比较分散及风电场容量较小的场合。欧洲陆上风能资源分布相对分散，早期陆上风电单风场装机规模较小，大多采用就地消纳的方式。目前丹麦超过85%的风电通过20 kV以下配电网接入，德国分散接入110 kV以下配电网规模约占风电总量的70%。分布式接入方式如图1所示。

图1 风电分布式接入

1.2 集中式接入

另一种并网方式是将大容量风电场，经远距离高电压等级直接接入高压输电网。我国陆上风能资源主要集中在甘肃河西走廊、新疆、内蒙、华北及青藏高原等偏远地区，风能资源与用电负荷分布不平衡，多数风能资源丰富的区域电力负荷较小，消纳能力十分有限。需采用“大规模、高集中、高电压、远距离”的发展模式，将风电基地产生的大规模风能集中接入输电网远距离跨区输送。

大型的风场一般包含有数百台风力发电机，装置容量高达数百兆瓦。风电场在规划时，考虑风场内部风力发电机的布局、单台风力发电机的容量和地形等因素，将7~8台风力发电机组成一组，其输出的电能经风场汇流线输送到风电场低压母线，再经风电场升压变送入输电网，如图2所示。

图2 风电集中式接入

2 风电分布式接入对配电网保护影响

当前，分段式电流保护为配电网常用的继电保护方案。风电接入后，对于原有配电网保护的影响也就局限在电流保护。

风电接入配电网后，传统的配电网单电源供电网络可能变成双电源，甚至多电源供电网络。由于风电电源的助增或分流，配网电流保护流过的故障电流在大小、方向上均可能发生变化，严重影响电流保护的保护范围以及灵敏度，甚至造成保护的拒动或误动。

以图3为例（假定风电接在10 kV母线B处），分析风电接入对配电网电流保护的影响。其中，配网馈线采用电流速断保护和限时电流速断保护构成的两段式电流保护。

图3 风电分布式接入对保护影响示意

1）故障点在风电接入下游（K1点三相故障）。

保护1：由于风电的分流影响，保护1流经的故障电流将减小，并随风电容量的增大而减小，电流保护的灵敏度也随之降低；

保护2：由于风电的助增影响，保护2流经的故障电流将增大，并随风电容量的增大而增大，甚至可能使得故障电流大于电流速断保护的定值，电流速断保护将误动；

保护3：由于风电的助增影响，保护3流经的故障电流将增大，并随风电容量的增大而增大，其保护的灵敏度将进一步增大；

保护4：不受风电故障电流的影响，其保护动作行为无影响。

2）故障点在风电接入上游（K2点相间故障）。

保护1：由于风电的分流影响，流过保护1的故障相电流将减小，并随风电容量的增大而减小，甚至可能造成保护1的限时电流速断保护拒动；

保护2、保护3、保护4：不受风电故障电流的影响，其保护动作行为无影响。

以上配网电流保护误动或拒动均受风电容量、保护整定系数、线路长度等因素影响。

3 风电集中式接入对输电网保护影响

现场的运行数据与学者的研究均表明，大规模风电场并网对继电保护的影响主要集中在两个方面：一是风电场的特定的并网方式，且风电场并网容量较小，一般小于并网点系统短路容量的10%，风电场并网系统具有典型弱电源特征；二是多种类型的风电机组广泛采用变流设备接入电网，并采取不同的故障期间低电压控制策略，使得风电机组故障暂态特性有别于传统电网的故障特征。

3.1 风电场弱电源特征影响

由于风电场并网容量较小，一般小于并网点系统短路容量的10%。根据图2风电场并网方式，在风电送出线上发生接地类型的短路时，风场侧的正负序网络包含输电线路、升压变压器、风场汇流线路、风电箱变及机组本身；而风场侧零序网络只包含输电线路以及升压变压器（一般Yn/d接线）。因此，风场侧正负序阻抗远远大于零序阻抗，使得风场侧接地故障电流的零序分量远远大于正负序分量［7］。

图4为我国西部某省某实际风电场在高压送出线路上发生A相接地故障时，风场侧电压电流的故障录波图（二次值）。

图4 风场侧电压、电流故障录波

风电场在高压送出线路上发生A相瞬时接地故障，线路系统侧开关A相跳闸重合成功，线路风场侧开关直接三相跳闸不重合，检查保护报文为风场侧纵联距离保护三跳出口。

对录波数据进行分析发现，在故障期间，故障相电压跌落，非故障相电压基本不变；而风场侧故障电流基本为零序分量，约为正序及负序电流的10倍，导致风场侧三相故障电流在幅值、相位上几乎完全一致。由于该故障类别特征的变化，使得基于电流特征选相的风电场线路保护装置出现了选相错误的问题。

风场弱电源特性除导致保护装置误选相问题外，还可能造成距离保护拒动等问题。我国西部某省曾发生过风电输电线路接地故障时，风场侧接地距离I段保护拒动的问题。为防止弱馈侧在穿越型故障时误动，接地距离I段设置闭锁条件：距离保护在保护启动10 ms后进行计算，之后30 ms内当故障相电压（二次值）小于10 V，故障相电流小于0.6 IN闭锁接地距离I段；30 ms外当故障相电压小于10 V时，故障相电流小于0.4 IN闭锁接地距离I段。由于风场弱电源特点使故障电流较小，距离保护闭锁条件满足使得距离保护拒动。

风电场弱电源特性是并网风电场的典型特征，且与风电机组类型无关，需引起足够的重视。

3.2 风电机组LVRT暂态特性影响

风电机组广泛采用变流设备接入电网，并采取不同的故障期间LVRT策略，使得风电机组故障暂态特性有别于传统电网的故障特征。

图5为某实际双馈风电场进行的机组出口三相短路故障试验中录取的风电机组电压、电流波形。

图5 双馈式风机短路试验波形

双馈式风电机组一般采用故障期间转子投入Crowbar电路实现LVRT。根据试验记录的数据，双馈风机在故障后4 ms时投入了Crowbar旁路电阻，同时闭锁了机侧和网侧变流器。实测数据表明，故障后4ms机组电流波形的趋势发生了比较明显的变化，实测数据表明其频率变为40 Hz。

双馈风电机组为变速恒频机组，变速范围0.7~ 1.3 pu。正常运行时，转子通过变流器实现交流励磁，定子稳定输出为50 Hz工频交流电。当系统故障使得风电场并网点电压降低时，双馈式风电机组转子投入Crowbar电路，时间一般为3~5 ms。此时，转子侧变流器被短路，转子的励磁电流变成了衰减直流，而对应定子则感应出故障前转速频率的交流。因故障前转速为0.7~1.3 pu，则输出故障电流在35~65 Hz变化。

传统继电保护算法，如傅里叶算法，均基于工频量进行计算。当故障电流频率发生大范围变化时，传统继电保护算法计算得到的故障电流幅值、相位将有产生极大误差。同时，由于故障电压仍保持工频，此时电压、电流不再同频率，对基于电压、电流向量相位关系的继电保护元件，如比相元件、方向元件以及阻抗元件的动作行为产生极大影响，亟待开发适应于风电的继电保护元件。理论及仿真研究证明，基于解微分方程算法的继电保护元件可以有效解决该问题，可以应用于含风电的继电保护［8］。

风电机组LVRT暂态特性对电流差动保护影响较小，主要由于风电场容量相比系统较小，风场侧提供的故障电流远小于系统侧故障电流。此时，风电机组LVRT暂态特性会影响电流差动动作的灵敏度。

4 结语

针对风力发电接入电网的两种主要方式—分布式接入及集中式接入，分别研究了风电接入对电网继电保护的影响。

风电分布式接入时，故障点在风电下游时，可能使得故障点所在馈线的相邻上级馈线作电流速断保护越级误动；故障点在风电上游时，可能导致故障点所在馈线限时电流速断保护拒动，保护误动或拒动均受风电容量、保护整定系数、线路长度等因素影响。

风电集中式接入时，风电弱电源特性影响电网继电保护的故障选相，并可能造成距离保护的拒动。风电机组LVRT暂态特性将显著影响基于电压电流相位关系的方向元件、比相元件，以及基于电压电流相量除法的距离保护元件，对电流差动保护也影响其灵敏度。

［1］中国电力科学研究院．风电并网研究成果汇编［M］．北京：中国环境科学出版社，2010．

［2］撖奥洋，张哲，尹项根，等．双馈风力发电系统故障特性及保护方案构建［J］．电工技术学报，2012，27（4）：233-239．

［3］李建林，许洪华．风力发电系统低电压运行技术［M］．北京：机械工业出版社，2008．

［4］文玉玲，晁勤，吐尔逊·依不拉音，等．关于风电场适应性继电保护的探讨［J］．电力系统保护与控制，2009，37（5）：47-51．

［5］苏常胜，李凤婷，武宇平．双馈风电机组短路特性及对保护整定的影响［J］．电力系统自动化，2011，35（6）：86-91．

［6］姚兴佳，宋俊．风力发电机组原理与应用［M］．北京：机械工业出版社，2011．

［7］张保会，王进，李光辉，等．风力发电机集团式接入电力系统的故障特征分析［J］．电网技术，2012，36（7）：176-183．

［8］张保会，王进，原博，等．风电接入对继电保护的影响（四）—风电场送出线路保护性能分析［J］．电力自动化设备，2013，33（4）：1-6．

Influence of Wind Power Integration on Power System Protection

WANG Jin1，XU Jianbing2
（1.Shandong Electric Power Dispatching and Control Center，Jinan 250001，China；2.State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

Wind power connects to grid system in two main ways，distributed integration and centralized integration.The influence of the two wind power integration way on power system protection is analyzed respectively.For distributed integration，wind power connection will affect sensitivity and protection range of distribution network current protection，and even will cause protection mal-operation or non-operation.For centralized integration，wind farm weak power characteristics will affect fault phase selection of relay protection and cause distance protection non-operation.Besides，because of lowvoltage ride-through（LVRT）control methods for wind turbine，wind turbine fault transient characteristics are completely different from traditional synchronous generator，which will directly affect the performance of all kinds of protection action.

wind power；relay protection；distributed integration；centralized integration

TM614；TM77

A

1007－9904（2016）12－0008－04

2016-07-02

王进（1988），男，主要从事电网调控运行及新能源发电研究工作。