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風(fēng)電接入繼電保護問題研究
　　公司對國內(nèi)外大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的繼電保護問題進(jìn)行了綜述。首先分析了不同類型風(fēng)電機組短路電流的幅值和衰減特征，以及影響風(fēng)電場短路電流的因素。其次討論了風(fēng)電場內(nèi)集電線路的故障特征和相應(yīng)的保護策略。然后針對高壓輸電系統(tǒng)保護對風(fēng)電接入的適應(yīng)性，分析了零序保護、重合閘和距離III 段的性能以及相應(yīng)對策。*后，建議應(yīng)當(dāng)從加強風(fēng)電機組故障特性研究、組織力量開展保護用風(fēng)電機組電磁暫態(tài)通用模型研究、開發(fā)適用于風(fēng)電場集電線路和網(wǎng)絡(luò)保護的網(wǎng)絡(luò)化保護新原理與新技術(shù)以及加強風(fēng)電場與電網(wǎng)在保護和控制方面的協(xié)調(diào)配合4 個方面展開研究工作，解決繼電保護面對的問題。
繼電保護是電網(wǎng)**穩(wěn)定運行的**道防線，能夠在故障發(fā)生時快速可靠地識別并有效地隔離故障，對遏制系統(tǒng)運行狀況的進(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)的運行特征。
大規(guī)模風(fēng)電接入的繼電保護問題屬于智能電網(wǎng)的兼容性范疇。對接入點而言，規(guī)模化的風(fēng)電場對系統(tǒng)運行的影響，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)電場內(nèi)部的機組和機群越來越多地采用35 kV 電壓等級以網(wǎng)絡(luò)的形式匯集電能，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)保護原理和裝置能否滿足風(fēng)電場內(nèi)部集電線路的要求，也是眾多業(yè)主和電力系統(tǒng)運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)**，國內(nèi)外學(xué)者就風(fēng)電接入的繼電保護問題在以下3 個層面展開了研究工作：
1)風(fēng)電機組以及風(fēng)電場的故障特征分析。
風(fēng)電機組多采用感應(yīng)式異步發(fā)電機，其轉(zhuǎn)動慣量和時間常數(shù)小，并且沒有專門的勵磁裝置，故障特征與同步發(fā)電機存在顯著的差別。永磁直驅(qū)機組雖然為同步發(fā)電機，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)電機組電磁暫態(tài)過程的復(fù)雜性，從而影響繼電保護的性能。
風(fēng)電機組以及風(fēng)電場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)電場集電線路及網(wǎng)絡(luò)的繼電保護問題。
雖然大型風(fēng)電場內(nèi)部集電線路廣泛采用 35 kV電壓等級，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)繼電保護的配置方式和整定原則將不再適用。
風(fēng)電場集電線路及網(wǎng)絡(luò)保護研究主要包括保護原理、保護配置、整定原則及與電網(wǎng)保護配合關(guān)系等內(nèi)容。
3)大規(guī)模風(fēng)電接入輸電網(wǎng)的繼電保護問題。
在包括中國在內(nèi)的大多數(shù)國家，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)繼電保護的整定和運行管理中，必須考慮風(fēng)電等隨機電源的故障特征。風(fēng)電的隨機性和波動性對并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線保護的影響，繼電保護的適應(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)的問題是目前國內(nèi)外相關(guān)研究的熱點[1]，但是繼電保護相關(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是服務(wù)于電網(wǎng)**運行的，現(xiàn)階段繼電保護問題并沒有大規(guī)模地顯現(xiàn)出來。隨著調(diào)度、運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)電機組與風(fēng)電場的故障特征、風(fēng)電場集電線路與網(wǎng)絡(luò)的繼電保護以及大規(guī)模風(fēng)電接入后高壓電網(wǎng)的繼電保護3 個方面，對目前國內(nèi)外的相關(guān)研究成果進(jìn)行了回顧和分析，對未來研究方向進(jìn)行展望，并提出自己的觀點，以期能夠?qū)窈蟮南嚓P(guān)繼電保護問題研究有所助益。
1 風(fēng)電機組和風(fēng)電場的故障特征.
1.1 概述
故障分析是繼電保護的基礎(chǔ)，繼電保護的新原理設(shè)計、整定計算都離不開故障分析。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的繼電保護理論體系是建立在同步發(fā)電機電源以及三相對稱系統(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)電機能夠作為一個理想電源不發(fā)生任何參數(shù)和運行狀態(tài)的改變?；诖?，可以計算得到短路電流及其衰減特性，并作為繼電保護原理設(shè)計、整定以及斷路器選擇的依據(jù)。
風(fēng)電機組廣泛采用異步發(fā)電機，即使永磁同步發(fā)電機也采用電力電子設(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)電機組的短路電流計算
1.2.1 感應(yīng)式異步發(fā)電機
感應(yīng)式異步發(fā)電機的短路電流計算并不是一個新問題。文獻(xiàn)[2]推導(dǎo)了異步風(fēng)力發(fā)電機空載發(fā)生定子三相短路時短路電流的解析表達(dá)式，基于感應(yīng)發(fā)電機正常運行時繞組電阻可以忽略和滑差很小這2點假設(shè)，得出短路半個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*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*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稱短路時感應(yīng)發(fā)電機的短路電流，該結(jié)果對繼電保護性能分析和靈敏度校驗具有積極的意義。
1.2.2 雙饋型異步發(fā)電機
雙饋感應(yīng)發(fā)電機的短路電流分析是近年來的研究熱點[2-3,6-16]。雙饋感應(yīng)發(fā)電機的滑差由于轉(zhuǎn)子電流控制而不能再被認(rèn)為是一個很小的數(shù)值，外部短路時撬棒(crowbar)電阻的作用使得轉(zhuǎn)子??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)電機短路電流計算公式。文獻(xiàn)[3]基于空間矢量理論和序分量理論推導(dǎo)出考慮不對稱故障時的雙饋異步發(fā)電機短路電流解析表達(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，得出的短路電流計算公式具有很強的工程實用性。文獻(xiàn)[7]采用頻域分析法求解雙饋發(fā)電機的短路電流，其假設(shè)短路過程中轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子勵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)電機三相短路時的故障電流表達(dá)式。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]并未考慮crowbar保護電路對短路電流的影響。
值得注意的是，以上關(guān)于雙饋發(fā)電機故障電流的分析過程都沒有考慮控制系統(tǒng)的作用，實際上對于快速響應(yīng)的電力電子設(shè)備，控制系統(tǒng)勢必影響異步發(fā)電機電磁暫態(tài)過程，從而對快速動作的主保護產(chǎn)生影響。
1.2.3 永磁直驅(qū)同步發(fā)電機
永磁直驅(qū)同步發(fā)電機通過脈寬調(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，并沒有檢索到針對永磁直驅(qū)同步發(fā)電機短路電流的相關(guān)研究問題，文獻(xiàn)[17-22]在進(jìn)行低電壓穿越控制研究時分析了永磁直驅(qū)同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)短路電流特征。
同時需要說明的是，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所面對的近端故障情況母線電壓跌落會嚴(yán)重得多，此時的永磁直驅(qū)風(fēng)電機組的故障電流如何，并沒有引起足夠的關(guān)注。
1.3 風(fēng)電機組和風(fēng)電場的故障特征分析
對于繼電保護尤其是快速動作的主保護而言，主要關(guān)注風(fēng)電機組提供短路電流的能力。另外，由于距離保護等保護的性能與系統(tǒng)的等效正負(fù)序阻抗密切相關(guān)，風(fēng)電機組和風(fēng)電場的等效正負(fù)序阻抗特征也應(yīng)該得到足夠的重視。
1.4 總結(jié)和建議
對于大規(guī)模風(fēng)電的接入，不同專業(yè)的關(guān)注點不同。對于繼電保護而言，其關(guān)注點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)的工頻量保護的性能，進(jìn)而引起保護的拒動或誤動，對電網(wǎng)的**運行造成威脅。
雙饋和直驅(qū)風(fēng)電機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，在故障電流的計算以及故障分析過程中，crowbar保護已得到充分的考慮。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)機密，可以預(yù)見，若永磁直驅(qū)風(fēng)電機組成為大規(guī)模風(fēng)電場的主力機型，由于無法充分掌握故障特征，將使得繼電保護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)電場集電線路與網(wǎng)絡(luò)的繼電保護
大規(guī)模風(fēng)電場機群之間采用 35kV電壓等級組成網(wǎng)絡(luò)并通過并網(wǎng)點直接與高壓電網(wǎng)相連接，與配電網(wǎng)絡(luò)具有相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但針對輻射型配電網(wǎng)設(shè)計的繼電保護直接應(yīng)用于風(fēng)電場集電網(wǎng)絡(luò)保護時會存在適應(yīng)性問題。這與近年來分布式電源接入配電網(wǎng)所帶來的繼電保護問題相同，綜述如下。
3 大規(guī)模風(fēng)電接入輸電網(wǎng)的繼電保護問題
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距離輸送風(fēng)能已經(jīng)成不可改變的現(xiàn)實。對于大容量，具有隨機間歇特征的風(fēng)電，不可能再忽略其對輸電網(wǎng)繼電保護的影響。近年來，國內(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)繼電保護和**自動裝置所受到的影響：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)線零序保護的靈敏度下降;并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的自動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)點具有穩(wěn)定性，而大規(guī)模風(fēng)電場在聯(lián)絡(luò)線跳開后風(fēng)機會進(jìn)入動態(tài)過程，不能保證檢同期成功，從而可能導(dǎo)致重合失敗，*終造成風(fēng)電脫網(wǎng);由于風(fēng)電場向電網(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，否則并網(wǎng)點聯(lián)絡(luò)線保護性能差，拒動將成為常態(tài)。
由以上分析可知，作為一種特殊的電源形式，風(fēng)電對輸電網(wǎng)繼電保護具有一定的負(fù)面影響，或者說，傳統(tǒng)的繼電保護原理并非都能夠適應(yīng)風(fēng)電的接入，因此有必要對風(fēng)電接入后的繼電保護問題進(jìn)行研究。
與風(fēng)電場內(nèi)部集電線保護不同，作為高壓電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線保護必須將風(fēng)電場作為一個整體來考慮。繼電保護工作者希望得到一個理想電源與系統(tǒng)阻抗的經(jīng)典串聯(lián)模型來等效風(fēng)電場。但是風(fēng)電場內(nèi)機組和機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。目前對于風(fēng)電場的等值，其目的都不是進(jìn)行繼電保護的整定和性能校驗，因此對繼電保護來說*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。面向繼電保護的風(fēng)電場等值，是一個非常值得研究的方向。

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