双馈风电场的弱馈性及风电接入对突变量保护元件的影响

何奎 吕飞鹏

摘要：随着风电领域投资的热化，大规模的风电基地越来越多，装机容量渐趋浩大。但相对于传统电网，风电场有明显的特殊性，风电的弱馈性对其接入电网的保护控制装置的要求成为亟需解决的问题，对突变量保护元件的影响的分析也需要引起足够的关注。文章从双馈风电场的弱馈性入手，分析了风电接入对突变量保护元件的影响及接入保护控制面临的问题，验证了相应控制措施。

关键词：双馈风电场；弱馈性；电网接入；突变量

风力发电因为其无污染、分布广泛等优点，已经成为各国努力推动的发电技术和投资热点。近几年，我国的风力发电也在跨越式的发展。其中最大的挑战就是风电基地的并网问题，特别是接入电网带来的保护控制装置的影响首当其冲[1]。传统的配置与新的面临的问题的相关研究与分析探讨还比较少。与传统的同步发电技术相比，风电基地有着明显的特殊性，风电的弱馈性对其接入电网的要求，特别是接入的继电保护，即保护控制装置的要求具有一定的特殊性，研究风电接入对突变量保护元件的影响已经成为首要问题。

1 双馈风电场接入对电网继电保护的影响

目前，双馈风力发电机已经基本实现变速恒频发电，但是双馈风电场接入对既有电网的继电保护影响还是相当明显的，主要有以下两个方面：一是发生故障时，正负序电流分布系数差异较大，不再近似相等，影响常规突变量选相元件和方向元件判断的正确性；二是由于目前风电基地总容量相对电网系统来说较小，所占比例很低，故障期间的弱馈性会使风电场送出线上的突变量保护元件发生误判动作[2]。

2 风电基地的弱馈性

风电基地接入电网有分散式和集中式两种。通常使用的集中式接人就是把多台风电机汇集到集中外送输电线路，常用的接线方式是：通过箱式变压器，将每台双馈风电机出口电压升高；串联多台风电机，汇集至中压汇流线路，经主变压器升至高电压，通过送出线路实现并网。随着风电的发展，各个风电基地的装机容量在增加，但相对于并入的整个电网系統来说，基地容量偏小，所占比例偏低。当基地送出线路发生故障时，电网系统的正负阻抗小于风电基地正负序等值阻抗，考虑撬棒电路投人，基地侧零序电流比重很大，但三相电流幅值近似相等，表现出明显的弱馈性。

3 风电并网对电网保护控制的影响

3.1 对突变量选相元件产生的影响

突变量选相元件是利用故障时相间电流幅值实现选相。常规条件下，等效系统正负序阻抗相等，这有利于对故障相进行判别；但风电异步电动机的大电阻造成转差率明显，导致等效系统正负序阻抗差异，风电基地侧短路电流分布系数也出现较大差异，但故障点的正、负、零序电流差异不大，近似相等，导致突变量选相元件误判。

3.2 对突变量方向元件产生的影响

突变量方向元件是利用电压和电流突变量的相位关系分析判别故障正反方向的。常规条件下， 系统正负序阻抗相等，方向元件能够正确判正反向故障；但风电接入后，由于基地侧正负序阻抗差异较大，导致故障电压、电流相位出现差异，较大的相位异动使突变量方向元件产生误判。

4 实证分析

通过近十几年相关机构、业界以及学术界对实际风力并网发电相关问题的研究，相关数据分析可以验证双馈风电场的弱馈性及突变量选相元件与方向元件对故障判别的影响。

4.1 风电场弱馈性验证

假定双馈风力发电机组转差率不变的情况下，发生不同的送出线路近端接地故障时，由于撬棒电路的投入，风电场的弱馈性将增强。

4.1.1 單相接地故障

发生单相接地故障时，故障电流的正序分量降低幅度较大，但零序分量基本不变，由于风电零序电流占主要成分，故障时三相电流幅值差异不大，相位基本相同。

4.1.2 两相接地故障

发生两相接地故障时，故障电流的变化与单相故障相差无几，正序分量降低幅度较大，负序分量降低幅度较小，零序分量基本不变；故障时三相电流幅值差异不大，相位基本相同。

同时也可以发现，风电并联机组越多，正负序等值阻抗越小，弱馈性也逐渐降低。

4.2 转差率对突变量选相元件与方向元件的影响

与常规电网系统相比，双馈感应发电机的转差率对双馈风电场的等值正负阻抗影响差异较大，其中对于正序阻抗的影响幅度比较小，但对负序阻抗影响幅度很大，由于风电场的弱馈性，零序阻抗远小于正负序阻抗，所以发生接地故障时零序电流所占比例较大。由于正负序阻抗相差较多，保护侧正负序电流分配系数的幅值差异较大，这也导致基于相间电流幅值和电压和电流突变量的相位关系分析来工作的突变量选相元件和方向元件出现误判。

5 结语

文章基于当前风电场送出线路保护控制装置的相应配置，分析了双馈风电场的弱馈性，以及风电接入对电网系统突变量选相元件与方向元件工作的影响，论证了双馈风电发电机组的转差率对正序阻抗和负序阻抗的影响，这种阻抗特性又影响了电网系统的正序、负序电流分布系数，进而对基于相间电流幅值和电压和电流突变量的相位关系分析来工作的突变量选相元件和方向元件的工作状态。这些分析，初步提出了风力发电机组在实现变速恒频发电的基础上，如何有效实现保护控制，科学管理，弱化不利影响，保障风力发电机组安全高效运行，发挥更大社会效益的新命题。

参考文献：

[1]黄涛，陆于平.适用于双馈风电场的改进电流突变量选相元件[J].电网技术，2015， 39（10）：29592964.

[2]沈枢，张沛超，方陈，等.双馈风电场故障序阻抗特征及对选相元件的影响[J].电力系统自动化， 2014，38（15）：8792.

作者简介：何奎（1990），男，汉族，四川南充人，硕士研究生，研究方向：电力系统继电保护。