公司對(duì)國內(nèi)外大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的繼電保護(hù)問題進(jìn)行了綜述。首先分析了不同類型風(fēng)電機(jī)組短路電流的幅值和衰減特征，以及影響風(fēng)電場(chǎng)短路電流的因素。其次討論了風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)集電線路的故障特征和相應(yīng)的保護(hù)策略。然后針對(duì)高壓輸電系統(tǒng)保護(hù)對(duì)風(fēng)電接入的適應(yīng)性，分析了零序保護(hù)、重合閘和距離III 段的性能以及相應(yīng)對(duì)策。*后，建議應(yīng)當(dāng)從加強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組故障特性研究、組織力量開展保護(hù)用風(fēng)電機(jī)組電磁暫態(tài)通用模型研究、開發(fā)適用于風(fēng)電場(chǎng)集電線路和網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)新原理與新技術(shù)以及加強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)在保護(hù)和控制方面的協(xié)調(diào)配合4 個(gè)方面展開研究工作，解決繼電保護(hù)面對(duì)的問題。
繼電保護(hù)是電網(wǎng)**穩(wěn)定運(yùn)行的**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)**，國內(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(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)模化風(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(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)**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)窈蟮南嚓P(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。基于此，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*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(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。
1.2.2 雙饋型異步發(fā)電機(jī)
雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的短路電流分析是近年來的研究熱點(diǎn)[2-3,6-16]。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的滑差由于轉(zhuǎn)子電流控制而不能再被認(rèn)為是一個(gè)很小的數(shù)值，外部短路時(shí)撬棒(crowbar)電阻的作用使得轉(zhuǎn)子回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(jī)短路電流計(jì)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(duì)稱故障時(shí)的雙饋異步發(fā)電機(jī)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(duì)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(jī)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(jì)算公式具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性。文獻(xiàn)[7]采用頻域分析法求解雙饋發(fā)電機(jī)的短路電流，其假設(shè)短路過程中轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子勵(lì)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(jī)三相短路時(shí)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(hù)電路對(duì)短路電流的影響。
值得注意的是，以上關(guān)于雙饋發(fā)電機(jī)故障電流的分析過程都沒有考慮控制系統(tǒng)的作用，實(shí)際上對(duì)于快速響應(yīng)的電力電子設(shè)備，控制系統(tǒng)勢(shì)必影響異步發(fā)電機(jī)電磁暫態(tài)過程，從而對(duì)快速動(dòng)作的主保護(hù)產(chǎn)生影響。
1.2.3 永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)
永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)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(duì)永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)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(shí)分析了永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)短路電流特征。
同時(shí)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(hù)所面對(duì)的近端故障情況母線電壓跌落會(huì)嚴(yán)重得多，此時(shí)的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)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(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)的故障特征分析
對(duì)于繼電保護(hù)尤其是快速動(dòng)作的主保護(hù)而言，主要關(guān)注風(fēng)電機(jī)組提供短路電流的能力。另外，由于距離保護(hù)等保護(hù)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(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)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(duì)于大規(guī)模風(fēng)電的接入，不同專業(yè)的關(guān)注點(diǎn)不同。對(duì)于繼電保護(hù)而言，其關(guān)注點(diǎn)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(hù)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(hù)的性能，進(jìn)而引起保護(hù)的拒動(dòng)或誤動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)的**運(yùn)行造成威脅。
雙饋和直驅(qū)風(fēng)電機(jī)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(jì)算以及故障分析過程中，crowbar保護(hù)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(jī)組的短路電流特征并未得到充分的研究。控制系統(tǒng)被大多數(shù)生產(chǎn)制造企業(yè)視為技術(shù)機(jī)密，可以預(yù)見，若永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組成為大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的主力機(jī)型，由于無法充分掌握故障特征，將使得繼電保護(hù)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(chǎng)集電線路與網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)
大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)機(jī)群之間采用 35kV電壓等級(jí)組成網(wǎng)絡(luò)并通過并網(wǎng)點(diǎn)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(duì)輻射型配電網(wǎng)設(shè)計(jì)的繼電保護(hù)直接應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)集電網(wǎng)絡(luò)保護(hù)時(shí)會(huì)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(hù)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(hù)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(shí)。對(duì)于大容量，具有隨機(jī)間歇特征的風(fēng)電，不可能再忽略其對(duì)輸電網(wǎng)繼電保護(hù)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(hù)和**自動(dòng)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(hù)的靈敏度下降;并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的自動(dòng)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(diǎn)具有穩(wěn)定性，而大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)在聯(lián)絡(luò)線跳開后風(fēng)機(jī)會(huì)進(jìn)入動(dòng)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(chǎng)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(hù)，否則并網(wǎng)點(diǎn)聯(lián)絡(luò)線保護(hù)性能差，拒動(dòng)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(duì)輸電網(wǎng)繼電保護(hù)具有一定的負(fù)面影響，或者說，傳統(tǒng)的繼電保護(hù)原理并非都能夠適應(yīng)風(fēng)電的接入，因此有必要對(duì)風(fēng)電接入后的繼電保護(hù)問題進(jìn)行研究。
與風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線保護(hù)不同，作為高壓電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線保護(hù)必須將風(fēng)電場(chǎng)作為一個(gè)整體來考慮。繼電保護(hù)工作者希望得到一個(gè)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(chǎng)。但是風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組和機(jī)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(duì)于風(fēng)電場(chǎng)的等值，其目的都不是進(jìn)行繼電保護(hù)的整定和性能校驗(yàn)，因此對(duì)繼電保護(hù)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(hù)。面向繼電保護(hù)的風(fēng)電場(chǎng)等值，是一個(gè)非常值得研究的方向。