大規(guī)模風(fēng)電接入的繼電保護(hù)問題綜述

0 引言

繼電保護(hù)是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線，能夠在故障發(fā)生時(shí)快速可靠地識(shí)別并有效地隔離故障，對(duì)遏制系統(tǒng)運(yùn)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(jī)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(huì)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(chǎng)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(yùn)行特征。

大規(guī)模風(fēng)電接入的繼電保護(hù)問題屬于智能電網(wǎng)的兼容性范疇。對(duì)接入點(diǎn)而言，規(guī)模化的風(fēng)電場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)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(hù)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(chǎng)內(nèi)部的機(jī)組和機(jī)群越來越多地采用35 kV 電壓等級(jí)以網(wǎng)絡(luò)的形式匯集電能，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)保護(hù)原理和裝置能否滿足風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線路的要求，也是眾多業(yè)主和電力系統(tǒng)運(yùn)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)安全，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就風(fēng)電接入的繼電保護(hù)問題在以下3 個(gè)層面展開了研究工作：

1)風(fēng)電機(jī)組以及風(fēng)電場(chǎng)的故障特征分析。

風(fēng)電機(jī)組多采用感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和時(shí)間常數(shù)小，并且沒有專門的勵(lì)磁裝置，故障特征與同步發(fā)電機(jī)存在顯著的差別。永磁直驅(qū)機(jī)組雖然為同步發(fā)電機(jī)，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(hù)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(jī)組電磁暫態(tài)過程的復(fù)雜性，從而影響繼電保護(hù)的性能。

風(fēng)電機(jī)組以及風(fēng)電場(chǎng)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(jì)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(chǎng)集電線路及網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)問題。

雖然大型風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線路廣泛采用 35 kV電壓等級(jí)，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(duì)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(hù)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(hù)的配置方式和整定原則將不再適用。

風(fēng)電場(chǎng)集電線路及網(wǎng)絡(luò)保護(hù)研究主要包括保護(hù)原理、保護(hù)配置、整定原則及與電網(wǎng)保護(hù)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(hù)問題。

在包括中國(guó)在內(nèi)的大多數(shù)國(guó)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(hù)的整定和運(yùn)行管理中，必須考慮風(fēng)電等隨機(jī)電源的故障特征。風(fēng)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性對(duì)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線保護(hù)的影響，繼電保護(hù)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)�；�風(fēng)電接入電網(wǎng)的問題是目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的熱點(diǎn)[1]，但是繼電保護(hù)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(hù)是服務(wù)于電網(wǎng)安全運(yùn)行的，現(xiàn)階段繼電保護(hù)問題并沒有大規(guī)模地顯現(xiàn)出來。隨著調(diào)度、運(yùn)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(hù)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(jī)組與風(fēng)電場(chǎng)的故障特征、風(fēng)電場(chǎng)集電線路與網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)以及大規(guī)模風(fēng)電接入后高壓電網(wǎng)的繼電保護(hù)3 個(gè)方面，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究成果進(jìn)行了回顧和分析，對(duì)未來研究方向進(jìn)行展望，并提出自己的觀點(diǎn)，以期能夠?qū)�今后的相關(guān)繼電保護(hù)問題研究有所助益。

1 風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)的故障特征

1.1 概述

故障分析是繼電保護(hù)的基礎(chǔ)，繼電保護(hù)的新原理設(shè)計(jì)、整定計(jì)算都離不開故障分析。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)理論體系是建立在同步發(fā)電機(jī)電源以及三相對(duì)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(jī)能夠作為一個(gè)理想電源不發(fā)生任何參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)的改變�；�于此，可以計(jì)算得到短路電流及其衰減特性，并作為繼電保護(hù)原理設(shè)計(jì)、整定以及斷路器選擇的依據(jù)。

風(fēng)電機(jī)組廣泛采用異步發(fā)電機(jī)，即使永磁同步發(fā)電機(jī)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(jī)組的短路電流計(jì)算

1.2.1 感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)

感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)的短路電流計(jì)算并不是一個(gè)新問題。文獻(xiàn)[2]推導(dǎo)了異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載發(fā)生定子三相短路時(shí)短路電流的解析表達(dá)式，基于感應(yīng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)繞組電阻可以忽略和滑差很小這2 點(diǎn)假設(shè)，得出短路半個(gè)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)出短路電流最大值的解析表達(dá)式和衰減規(guī)律。該文獻(xiàn)得到的短路電流最大值的誤差可達(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(jī)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(duì)稱短路時(shí)感應(yīng)發(fā)電機(jī)的短路電流，該結(jié)果對(duì)繼電保護(hù)性能分析和靈敏度校驗(yàn)具有積極的意義。

文獻(xiàn)[4]利用Power Factory 軟件包仿真分析了感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)的短路電流，其結(jié)論與上述文獻(xiàn)[2-3]的結(jié)論相同，即故障時(shí)感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)注入了可觀的故障電流，隨著故障時(shí)間的持續(xù)該電流逐漸衰減，衰減時(shí)間與故障類型相關(guān)，對(duì)于三相故障而言，衰減最為迅速。

文獻(xiàn)[5]在利用電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)RT-L