黄静 谭佳奇

摘要：随着经济的快速发展，国家及地方在能源上的需求也变得日益增多，其中增長最为明显的就是对电能的需求。但是随着世界范围内对环保要求的日渐提升以及能源问题的日益严峻，传统的电能生产方式已经不能满足当前的市场需求，在这种形势下，对新能源的规划开始成为各国能源战略中的一项不可或缺的重要内容。风能作为一种新型的清洁能源，自其被发现以来已经为我国的电力行业做出了巨大的贡献，是目前我国电力生产的一项重要组成部分。但是由于风能本身就具有一定的随机性，并极易受到气候变化而产生波动，因此当其使用到电场中时会对整个配电网络的电流都造成影响，并且这种影响力还会随着风电场规模的增大而不断增大，从而间接影响到配电网中继电保护的功能。本文就在对风电场接入对配电网继电保护的相关问题进行研究的基础上，总结出其产生的具体影响，并提出相应的解决对策，以期能为我国风力发电的安全生产提供指导。

关键词：风电接入;继电保护;影响;对策

随着国家在风电生产上投入的不断增加，风力发电已经成为我国电力市场中电力供应的一种重要方式。但是因为风力本身就具有较强的波动性，因此风电的生产及输出过程都会存在一定的间歇。这种间歇性就极大地改变了电力系统的传统运行方式，并对电力系统的继电保护提出了新的要求。作为确保电力系统运行安全的第一道防线，继电保护可以在系统出现故障时做出反应，及时隔离故障问题并避免故障带来的影响被进一步恶化并威胁到系统的运行安全，从而实现提升电能的高效利用和传输。但是随着风能的不断被运用，当其被集中接入时一定会对电力系统的电网频率、电压以及系统稳定带来影响，并且随着风电场规模和容量的不断扩大，风电场的接入对电力系统的影响会日益明显。目前我国已经成为世界上风电装机规模最大的国家，一些风电运行时可能会出现的问题在我国也更容易发生，尤其是近年来在一些大型风电场中，大规模风机脱网的事件频频发生都对当前风电场电力系统中的继电保护的配置提出了质疑，因此为适应风电场电力系统的运行，就必须对其继电保护进行研究。

1 风力接入后继电保护性能分析

风电场的构成离不开风电机组，不同规模的风电场其风电机组的数量也会有所不同。但其电能都是在由机组产生后经过集电线路进行汇集后被送至变压器，之后经变压处理后再外送至电力传输系统中。在此过程中其保护装置只要由三部分构成：①风电机组本体保护;②风电场内部电网保护;③风电场送出线保护。

1.1风电机组本体保护与集电线路保护

此保护环节主要有机组电压及频率的越限保护、两段式的电流保护以及相间不平衡保护，这些保护都调离了风机出口低压侧断路器，并促使机组退出系统，停止运行。针对风电场所使用的不同机组，其在配置上也存在一些差异。如直驱型的机组，其在变流器保护上重点会针对直流侧进行配置，以保护其电容的卸荷电路;对其箱变高压侧则会配置熔断器以实现对此侧的短路保护，低压侧则会配置电流断路器用以避免短路及过载等故障现象的发生。而对于集电线路的保护则需要配置主保护与后备保护，通常使用的保护方式为电流速断与过电流保护。通过这种保护上的组合配置，当遇到风场的发电机组出现运行故障时就可以通过其低压侧断路器与熔断器之间的配合以实现排除故障的目的，而此时的集电线路保护就可作为后备的保护措施。

有相关文献研究表明，当机组箱变高压侧发生故障时，机组本体就会自动断开低压侧的断路器从而停止运行，但此时也会对其附近的机组运行产生影响，使其机端电压低于运行范围，受机组自身保护的影响也中止运行。然而这个过程中因为其集电线路中的短路电流要超出保护段的整定范围，就会使其保护动作发生在熔断器的保护工作之前，从而就造成整个线路上所有风机都出现脱网现象，这就使得集电线路与其熔断保护之间出现了不同步的情况。而当机组某处的集电线路出口发生故障时，无故障的集电线路保护就可能会因为误判而错误切出其线路上的全部运行机组。尤其是当其故障发生的地点距离集电线路母线较近时，就会使故障线路与无故障线路之间的电压差异较小，从而使风电机组出现保护动作并最终导致电场脱网。而当集电线路单相接地时，在这种故障情况下其电路的电流就会小于其保护整定值，并会导致保护不发生动作，在这种情况下，电网的继电保护就不能正常运行并及时对故障进行排除或隔离处理，从而使电路中的过电压发生相间故障，并最终导致电场中出现更加严重的事故。

1.2送出变压器保护

当前我国正在运行的风电场中其使用的变压器上的保护装置仍在沿用传统的常规保护，这种保护方式通过根据其在故障前后频率不变的原理，利用电流值之间的差动来对故障地点进行判断。相关研究发现，双馈异步发电机在发生故障时通过投入crowbar电路以实现其低电压的穿越，但是此时及集电线风机方向以及出口粗的电流频率却会因为故障发生而导致其工况点的位置出现偏移。根据相关规律推算发现，在相量值基础上的，当动作电流与制动电流以多种频率波动，且波动范围较大时，其差动保护会失去一定的准确性。而当投入crowbar电路后再使用相应算法也无法准确提取2次谐波，使相应的被动元件出现闭锁现象。由此可推断出传统的常规变压器已经不能满足当前的风电场接入系统。

1.3风电场送出线路保护

当前，我国风电场在生产出电能后多使用远程超高压输送的方式将电力资源送出，且送出时所使用的线路保护装置也仍采用传统的保护措施，并未结合风电产生的一些特殊情况。当系统发生故障时，就会影响到风电接入区域电网的一些特性，但这种特性因与常规故障情况有所差异而会使的系统的继电保护在故障识别上出现问题从而间接影响到其继电保护的性能。近年来在我国内蒙等地区就已经多次发生因未能准确识别故障而造成送出线路的误动作现象。相关文献研究表明，当使用双馈式发电机的风电场的送出线路出现三相故障时，即使其具备一定的低压穿越能力，也会造成其内部转子电流为衰减直流，风机极端交流电动势衰减加快的现象，而且此时风电场的侧阻抗也会很大，测电压也要由电网工频电压支撑。这时的电流也主要为非工频交流，电压和电流之间的频率就会出现不同。在旁瓣效应的作用下，这时的工频量将不能被准确提取，从而使电压与电流之间的比较值也出现问题。而只有当线路发生二相故障时机组母线电压才会与电流同频，其余故障情况下电场的侧短路电压与电流之间都会出现不同的频率。在这些故障情况中，常规的选项元件被应用于风电场中都影响其正确性的发挥，并在测方向不能正确进行保护动作。

2 风电接入继电保护当中的问题

首先，目前我国所运行的风电场中其集电线路全部为不接地装置，并支持其可单相接地使用时间为1到2个小时，而这种接电方式主要通过借鉴其他电厂中配电系统的设计，并多应用于架空线路中。但是这种仅限于接地电流比较小的接地方式如应用到电缆混合架空线路时就会呈现出不合理的状态。因为这种接地方式的选线正确率过低，就不能对单相接地隐患进行及时预警，从而就会使得相关故障一旦出现就不能被及时解决，从而使故障带来的影响被进一步恶化。此外，这种选线设备的动作率也较低，不论是从非故障线路还是故障线路中经过的电流全部都是微弱的电容电流，而且还不能对其采取措施使其进行准确集中，这就会给故障发生时的查找及修复工作带来一定的难度。

其次就是对于330KV以及其以上的主网来说，其继电保护设备已经趋于完善，通常情况下可以实现对故障的全部快速切出。但是一旦其主网的继电系统出现问题，就必须要对问题进行深入的分析。然而一般情况下可用于分析的时间并不宽裕，通常要小于0.1秒，因为一旦问题发生的时间超过0.1秒就会对发电装置造成二次伤害。而且这两次伤害所呈现出的电力问题在性质上还会存在差异，这些都与机组中电流的短路问题有些密切联系。

最后就是一些常规的保护元件。因为风能发电具有较强的波动性，当这种能源并网后会使原有的电力元件的运行发生很大的变化，并且会影响到其元件的灵敏度，使其失去原有的灵敏性，因此就需要对其进行新的研究。此外风电并网后原有的正负顺序也会受到影响，使对控制系统的调节能力变差，同时原有的分析方法也都会失去其价值，不能再继续使用，再加上风电并网还会对选项元件也会产生影响，因此对其性能进行深入的研究和探讨就显得更加必要。

3 风电接入继电保护的相应对策

随着国家新能源战略规划的不断推进，风电场的规模及容量都在逐渐增大。越来越多的大规模风电场被接入到电力系统的运行中。而为保障这种大规模电网及风电场的运行安全，应该对其影响其运行的各个环节都进行考虑。如设备的配置、系统接线方式的选取、保护措施的制定等等，不论是电网还是风电场的接入，其安全运行都要涉及到多个方面，都不能仅依赖于继电保护来进行。但是作为电网系统的第一道防线，继电保护应是保障其安全运行的重点环节。因此针对风电场接入后的几点保护工作，可从如下几点入手。

3.1开发新型电网元件

应针对现在正在运行使用的电网系统，创新研制出新型的电网元件，并替代原有的元件设备，对电网系统进行元件升级，以实现继电保护形式上的创新。同时在元件的选相上一定要与电网的实际运行情况相结合，确保当将新元件应用于系统中后不会对系统设备的运行造成影响，并要保证设备的负荷量在合理的范围。其次就是在并网融合时，应尤为注意要对电网设备的整体数据都进行分析，从而可在有问题发生时及时查找出问题的诱因。

3.2选择系统接地方式

针对不同的故障类型应按照相应原则针对性选择系统的接地方式，在一些新的风电场中，应主要使用电阻接地，并根据实际的外界环境配备相应的故障保护装置;而当风电场集电线路不接地时，应配备小电流的接地装置，并要確保其具备相跳闸功能以便其能及时对单相接地故障进行切除。若采取上述方式都不能解决单相接地的问题，则需要使用隔离故障法以降低故障带来的影响。

3.3运行维护与故障管理要求

在风电场中应配备相应的监控系统，如对故障录波装置及想能测量系统上都应进行监控以便可以准确记录相关的数据，并明确电网的实际保护动作等。此外，风电场在管理时还应具体结合其机组内的全部型号及穿越功能参数等，并要确保系统可以及时获取继电保护工作的各种状态，只有这样才能为之后的继电保护提供更多的数据支持。

结束语

此外，在风电场中还可以采用保护联跳措施以减少风电接入的影响，以及通过重新设计发电系统以适应风电的接入。因为随着风电接入规模的不断增大，各种安全问题都会更加明显凸显出来。只有不断采取措施减少风电接入后对继电保护的影响，才能确保电力系统的运行安全。因此这就要求相关部门必须要制定出相应的解决对策以保障风力发电的进一步发展，并为社会创造更大的经济效益与社会价值。

参考文献

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（作者单位：国华（诸城）风力发电有限公司）