关于风电场适应性继电保护的探讨

陈涛

摘要：风电场机组容量每年都在增加，大型风电接入系统对电力系统的电能质量有很大影响。因风能的随机性及不可控性，风电所占系统容量份额增加，提供给系统的短路电流越来越大。因而，风电保护配置对电网有着重要的影响。

关键词：风电场;适应性;继电保护

在科技及经济的推动下，用电量逐年增加，能源短缺逐渐显现。在此背景下，风电受到了极大的关注和有效的发展，但对风电接入继电保护的影响不容忽视，特别是大规模风电接入。因此，如何保证风电继电保护的应用，确保保护动作的有效性主可靠性，提高其稳定性，是迫切需要解决的问题。

一、风电场继电保护重点

1、区域保护。在风电场风轮机塔底部，690V断路器用于继电保护下垂发电机及电缆。风力机变压器至风轮机塔基柜的690V连接电缆，断路器用作变压器690V侧电缆保护。35kV/690V变压器，包括周围端部区域，应充分考虑变压器激磁浪涌电流，保证其高灵敏度。35kV负载开关切除大故障电流。风电场低电压断，故障时产生的故障电流小，此时保险丝的切除功能不理想，可用分断开关将其切断。

2、有限接地故障保护是检测低压绕组及端部区到地的漏电流。常规保护方法可有效保护过电流与接地故障。

3、风电场接入33kV电网时，无主变压器，可用类似于同容量公用电网变压器的繼电保护，使用33kV/11kv变压器继电保护。实际上，由于33kV开关保险丝少，这使得在整个范围内很难完全保护故障电流，尤其对低电压端单相接地故障的综合保护，很难达到理想效果，因此可用综合保护进行全面保护。

二、风电场的保护作用

1、风电场保护电缆、变压器与周围区域。电力系统中，风电场维护主要体现在电缆和变压器的维护上。①断路器一般安装在风轮机塔地面，以便于发电机和下垂电缆的良好维护。②电缆一般用于将风力发电机变压器和风轮机塔机柜的连接，并且断路器和稳定导体用于制造变压器和维护测试电缆。③维护变压器及邻近区域，对变压器激磁浪涌电流进行了详细分析。在变压器故障检测中，发现的问题应及时解决处理。④若低压侧发生故障，电流将相对较小，此时若无法切除保险丝，则需使用分段开关切断。

2、风电场能有效接地进行故障保护。风电场通常易受资源环境的限制。因此，风电场选址应严格按实际环境选择，尽可能位于有足够风量的开阔区域。另外，风电场接地保护也应注意，主要是因空旷风电场易受雷击，因此必须采取有效措施防雷，加强风电场的保护。

三、风电机组和风电场故障特征

一般来说，与传统发电机组相比，风电机组主要采用异步发电机，无专门的励磁装置，时间常数和转动惯量小，所以与传统同步发电机相比，其故障特性和输出电流有一定变化。电接入对继电保护性能有很大影响，从衰退特性和波形分析等方面对风电场风机故障进行分析研究。由于传统配电网的网络结构多为辐射状，因此大型风电场集电线道与其存在显著差异，加上所有集电线路两侧母线均设电源分布，通常被称为双端电源元件，因此风电场继电保护的整定原则和配置有很大不同。电网保护配合关系和保护配置方式是风电场网络保护及风电线路保护的基本原理。如何实现风电大规模接入电网是当前研究重点，继电保护主要功能是为电网安全运行提供服务。目前，继电保护还未大规模凸显其不足，随着调度等问题的解决，风电在电网中所占比例越来越大，因此，风电场适应性继电保护越来越受到人们的重视。

四、风电对电网继电保护的影响

1、若异步发电机存在短路问题，则其电流将以指数规律降至零。由于转子转速决定了感应电机短路电流，定子绕组非周期电流的初始值和瞬态阻抗决定了电流初值，因此，随着定子绕组和暂态时间常数变化，感应电机短路电流按指数规律下降至零。短路电流将根据定子绕组时间、暂态时间常数和指数规律减小到零。风电机组采用一步发电机，无独立励磁装置，

当电网发生短路故障时，发电机会失去励磁，加之其两端电压大幅下降，因此，很难将短路电流传输到电网，当发电机处于两相短路时，输出短路电流最大，三相短路时，输出短路电流很小且持续。

2、风电不是连续性，而是间歇性。风电场的部分潮流是双向性，需不同于常规的风电继电保护。有风时风机连接到电网，若风速变化，为更有效地避免因风速变化而损坏接触器，电动机在风机短路时运行，因而当系统中潮流方向发生变化，继电保护装置将误动。

3、并网双馈风电机组的短路电流特性与常规异步发电机的定速风电机组有很大的不同。当发生短路故障时，电机各相电流迅速发生，并按指数规律逐渐衰减。双馈电机短路电流初始值取决于定子绕组非周期电流初值和暂态阻抗，其原因为双馈电机转子只考虑励磁支路。在短路情况下，双馈电机短路电流随定子绕组及其暂态时间常数呈指数下降。双馈风力发电机提供的短路电流在两相短路故障时电流大，在三相短路故障时持久且瞬时。

4、公用电网电源是风电场故障电流的主要提供者，只有通过有限的故障电流才能实现有效的故障识别，因此风电场的保护有一定难度。

五、风电场接入继电保护措施

1、加强对故障电流波形特征的研究。对大多数继电保护装置来说，短路电流值和衰减特性往往是保护重点，保护效果仅从继电保护配合和整定角度考虑。一般来说，故障电流波形特征和暂态滤波算法是影响继电保护性能的重要因素，所以有必要对线路故障电流波形特性进行全面细致的分析，以此提高继电保护性能。

2、加强风电场控制系统与电网继电保护装置的配合。风电场继电保护的定制和继电保护时限一般应与电网保护一致。但在电网风电场接入管理中，为防止因定值问题引起的脱网故障，有必要加强风电场与电网保护部门间的沟通，并在工作中相互协调配合。另外，还需加强电网自动重合闸、后备保护、紧急停机和切断负荷等保护，同时，不断加强风电场控制工作间的协调配合，提高保护动作的有效性及可靠性，稳定风电场。

3、加强风电场集群线路继电保护方法的开发。一般情况下，当线路发生故障时，风机不会产生短路电流，导致短路电流波形不稳定，并可能因其他因素而发生变化。所以为有效识别故障，必须充分考虑电网及其应用产生的短路电流，需对电力系统保护定值、延时配合进行全面考虑分析，其原因为故障排除时间越长，风电场系统和电力系统的稳定性越低，因此，有必要分析研究风电场线路的故障特征，并加强风电场集群线路继电保护方法的研究。

4、构建电磁瞬态仿真模型。随着永磁直驱机组及双馈风电机组在电网中所占比例的不断增加，其控制策略及系统越来越复杂，控制策略与故障电流密切相关，继电保护不可避免地涉及风电机组的控制。因而，应加强电磁暂态仿真模型的开发构建，以辅助分析继电保护性能和整定。

总之，通过对风电场系统各种问题的分析总结，实现风电场的适应性保护，有效提高保护动作的效率及可靠性，是提高风电场系统与电力系统可靠性的关键，以确保风电场稳定及风电的持续健康发展。在分析风电机组和风电机组故障特点、风电对电网继电保护影响的基础上，提出了风电场接入继电保护措施。因此，适应性继电保护在风电场保护中的应用非常重要。

参考文献：

[1]肖彦江.风电场适应性继电保护的探讨[J].低碳世界，2016（36）.

[2]文玉玲.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，2015（05）.