公司對國內(nèi)外大規(guī)模風電接入電網(wǎng)的繼電保護問題進行了綜述。首先分析了不同類型風電機組短路電流的幅值和衰減特征，以及影響風電場短路電流的因素。其次討論了風電場內(nèi)集電線路的故障特征和相應的保護策略。然后針對高壓輸電系統(tǒng)保護對風電接入的適應性，分析了零序保護、重合閘和距離III 段的性能以及相應對策。*后，建議應當從加強風電機組故障特性研究、組織力量開展保護用風電機組電磁暫態(tài)通用模型研究、開發(fā)適用于風電場集電線路和網(wǎng)絡保護的網(wǎng)絡化保護新原理與新技術(shù)以及加強風電場與電網(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，風電等可再生能源越來越受到社會的關(guān)注，其大規(guī)模應用，必然帶來集中接入、遠距離傳輸以及風電場內(nèi)部集電線路網(wǎng)絡化等問題，從而改變電力系統(tǒng)的運行特征。
大規(guī)模風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)模化的風電場對系統(tǒng)運行的影響，已不能象早期小型風電接入一樣被完全忽略掉，這已不僅僅是風電調(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)模風電接入后的電網(wǎng)**，國內(nèi)外學者就風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)風電機組以及風電場的故障特征分析。
風電機組多采用感應式異步發(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。這些都將增加風電機組電磁暫態(tài)過程的復雜性，從而影響繼電保護的性能。
風電機組以及風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)風電場集電線路及網(wǎng)絡的繼電保護問題。
雖然大型風電場內(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。
風電場集電線路及網(wǎng)絡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，風電的大規(guī)模利用必然伴隨著電能的遠距離集中傳輸問題，因此高壓電網(wǎng)繼電保護的整定和運行管理中，必須考慮風電等隨機電源的故障特征。風電的隨機性和波動性對并網(wǎng)聯(lián)絡線保護的影響，繼電保護的適應性及配置配合關(guān)系，性能優(yōu)良的新原理都需要進一步深入研究。
規(guī)模化風電接入電網(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。筆者認為原因之一在于繼電保護是服務于電網(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。
本文從風電機組與風電場的故障特征、風電場集電線路與網(wǎng)絡的繼電保護以及大規(guī)模風電接入后高壓電網(wǎng)的繼電保護3 個方面，對目前國內(nèi)外的相關(guān)研究成果進行了回顧和分析，對未來研究方向進行展望，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 風電機組和風電場的故障特征.
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。基于此，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 風電機組的短路電流計算
1.2.1 感應式異步發(fā)電機
感應式異步發(fā)電機的短路電流計算并不是一個新問題。文獻[2]推導了異步風力發(fā)電機空載發(fā)生定子三相短路時短路電流的解析表達式，基于感應發(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)上推導出短路電流*大值的解析表達式和衰減規(guī)律。該文獻得到的短路電流*大值的誤差可達10%~20%。文獻[3]在相同假設(shè)的基礎(chǔ)上利用空間矢量分析方法推導出鼠籠式感應發(fā)電機的短路電流的解析表達式，值得指出的是，該文獻利用序分量理論分析了不對稱短路時感應發(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]。雙饋感應發(fā)電機的滑差由于轉(zhuǎn)子電流控制而不能再被認為是一個很小的數(shù)值，外部短路時撬棒(crowbar)電阻的作用使得轉(zhuǎn)子回路的電阻不能被忽略。文獻[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[3]基于空間矢量理論和序分量理論推導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式，并分析了crowbar電阻數(shù)值以及升壓變和聯(lián)絡線阻抗對短路電流的影響。文獻[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[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)上推導出雙饋發(fā)電機三相短路時的故障電流表達式。文獻[6]和文獻[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[17-22]在進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重得多，此時的永磁直驅(qū)風電機組的故障電流如何，并沒有引起足夠的關(guān)注。
1.3 風電機組和風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)的等效正負序阻抗密切相關(guān)，風電機組和風電場的等效正負序阻抗特征也應該得到足夠的重視。
1.4 總結(jié)和建議
對于大規(guī)模風電的接入，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)風電機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)機密，可以預見，若永磁直驅(qū)風電機組成為大規(guī)模風電場的主力機型，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 風電場集電線路與網(wǎng)絡的繼電保護
大規(guī)模風電場機群之間采用 35kV電壓等級組成網(wǎng)絡并通過并網(wǎng)點直接與高壓電網(wǎng)相連接，與配電網(wǎng)絡具有相同的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。但針對輻射型配電網(wǎng)設(shè)計的繼電保護直接應用于風電場集電網(wǎng)絡保護時會存在適應性問題。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)模風電接入輸電網(wǎng)的繼電保護問題
隨著風電電源在電網(wǎng)中所占比例的增大，大規(guī)模風電基地通過專用線路長距離輸送風能已經(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)外也有文獻開始關(guān)注并探討這一問題，綜述如下。文獻[33]討論了風電接入后110 kV電網(wǎng)繼電保護和**自動裝置所受到的影響：風電電源接入后，由于升壓變壓器的接地，系統(tǒng)零序網(wǎng)絡發(fā)生變化，聯(lián)絡線零序保護的靈敏度下降;并網(wǎng)聯(lián)絡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電電源在并網(wǎng)點具有穩(wěn)定性，而大規(guī)模風電場在聯(lián)絡線跳開后風機會進入動態(tài)過程，不能保證檢同期成功，從而可能導致重合失敗，*終造成風電脫網(wǎng);由于風電場向電網(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，風電對輸電網(wǎng)繼電保護具有一定的負面影響，或者說，傳統(tǒng)的繼電保護原理并非都能夠適應風電的接入，因此有必要對風電接入后的繼電保護問題進行研究。
與風電場內(nèi)部集電線保護不同，作為高壓電網(wǎng)的聯(lián)絡線保護必須將風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)模型來等效風電場。但是風電場內(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。目前對于風電場的等值，其目的都不是進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，并不能夠直接應用于繼電保護。面向繼電保護的風電場等值，是一個非常值得研究的方向。