上海能源科技发展有限公司 孙建鹏

双碳战略规划在能源生产领域的广泛推进，为我国能源结构的优化调整指明了方向，为紧跟碳达峰、碳中和政策，全面贯彻节能减排、可持续发展的战略目标，政府与能源企业逐步深化了对清洁能源的开发与利用，在大规模风电光伏、太阳能、水电等电力生产项目中投入了更多的支持。在电力供应体系中接入风电机组，对电力生产与供应进行一体化、智能化的管理与控制，可在优化电力资源整体调配结构的同时，降低电力生产对环境产生的多方面、复杂性影响。

随着低碳环保、可持续发展理念的宣传与普及，人们逐步对清洁能源的创新化、多元化开发项目投入了更多的关注，百万千瓦规模风电、风-储联合风电、海上风电等项目的建设数量逐年上升。在风能开发领域，由于风能发电的风力、风速、风向等都具有不可控性，为保证电力供应的平稳性与可靠性，在机组接入的过程中，应合理设置接入方案、装设联跳与差动保护设施、制定合理的升压控制与管理对策，并构建起电气运行状态监测系统，严格排查故障风险，一旦发生异常问题应第一时间启动故障处理方案，全方位、多层次的保障电力系统的安全、高效运维[1]。

为了保证风电系统在电网中的稳定、安全运行，需要相关技术管理部门在全面掌握风能发电特点的基础上，对风电机组的故障问题表现、装机规模对继电保护的影响等情况进行针对性的分析，科学制定电网接入配置规划，确保装机与设备操作的规范性，进而为电力生产与供应系统的整体稳定运维奠定基础。

1 风电场和风电机组的故障特性

1.1 风电机组运维常见的故障类型与表现特征

当前，风电机组主要采用感应式的异步系统结构，与同步发电系统相比无需另外设置励磁装置，转动惯量与时间常数数值相对较小，在故障排查与常规检修工作中，主要通过对电流大小的计算、波形观测、暂态与稳态短路导致的电流衰减特征分析等方式，判断故障类型与故障位置。在传统电力生产系统的继电保护措施设计与配置工作中，需事先模拟故障发生状态，假设没有其他影响因素时，短路电流的衰减与大小波动对发电设备运行参数的影响，计算对应数据后与固定特征电流波动参数进行对比，确定设备下一步操作指令，及时控制开关、启动继电保护装置[2]。

该种继电保护系统需发电设备三相对称，且与发电机电源处于常规固定状态下，但风电机组中的发电系统主要以异步结构为主，包括双馈式发电系统与鼠笼式发电系统等。因此当风机设备接入电网后，发生短路故障时，鼠笼式异步机组没有安装励磁结构，缺乏提供励磁的渠道，短路电流迅速归零，电网不会受机组故障的影响。而双馈式风电异步机组定子侧属于三相对称绕组结构，可利用变流器对脉宽进行调制，向转子侧输送交流励磁，使风电机组与接入电网保持单项连接的状态，可与电网系统直接连接起来。当异步机组发生故障异常时，短路电流经由转子侧变流设备的处理后，保持连续性、稳定性的电流输出。

1.2 风电场接入对电网运维的主要影响

1.2.1 接入与故障位置的影响

不同类型、规模的风电场接入电网的位置不同，对继电保护系统的运行、功能影响也存在差异。在确定风电场接入与配置方案时，会根据根据各项影响因素对施工设计方案进行优化调整，按照基本规定制定电流保护策略，但实际接入情况往往会受现场环境、施工技术、管理规范等方面的影响，保护范围、保护形式存在较大的差异，会对系统继电保护功效产生连带的影响。

如，当风电场选择馈线母线（非末端）处为接入点时，可将该段馈线划分为ABCD四段，接入位置在C段，继电保护系统需保护四个分段，当C段出现故障异常时，保护系统会自动断开该段与其他线路的连接；如果是母线D段出现故障，为控制故障影响范围需启动继电保护装置保护C段，并对D段故障问题进行分析与处理，避免D段故障影响相邻线路，出现失去控制的问题。

1.2.2 线路重合开关的影响

当电力系统电源线路损毁、接触不良等故障问题发生时，会导致频繁跳闸的问题，风电系统的电压、功率会大幅度波动，面临两方面的风险：一方面会出现非同期合闸操作、重合操作失败。在电源无法支持的情况下，电力系统无法与供电网络保持同步运行的状态，电源线路进行重合闸的操作时，系统与电网的相角差拉大。与此同时，不同期的合闸操作导致系统受到强烈的电流冲击，引发保护装置的误动作，无法自动进行恢复；另一方面故障位置容易出现电弧重燃的问题，风电系统没有电源的支持，故障点在风电支持下会自动消除，但当电网重合闸后系统重新获得电源支持，故障点发生跃变的可能性增加，发生重燃问题，甚至会出现绝缘击穿的事故，具有较高的安全风险。

1.2.3 侧线保护的影响

接入电网后，当风机出现故障时继电系统会启动对应的瞬时保护操作，隔离系统会直接短路，使系统电源与线路解列。通常情况下风电机组的容量较小，系统电源短路，对于机组的运行状态会产生直接的影响，如果差动保护装置设置不合理、功能选择不匹配，将会出现侧线保护失灵的状况。针对该种情况，管理部门通常会选择强化通道线路保护力度的方式，对两侧线路的配光差进行控制，即使后续出现变负荷的问题，电网通道受到的影响也不会降低设备运行效率。

1.2.4 电压稳定的影响

风电场在电网接入规划配置时，需要综合考虑电场规模对电力系统电压的影响，如果其风电场本身处于大规模的电场，其无功功率的需求较高，很容易出现电网电压不稳定性的情况。因此，为保证电力整体生产与运维管理系统的有效、安全运行，需全面考虑电场具体规模、容量，合理设置无功功率的控制方案。重点分析两方面的影响因素：一是风电场电力生产过程中的有功输出。有功输出可增加风电机组的负荷特性，有功极限功率能保证静态电压维持在稳定状态，同时合理增强风电机组的运行效率；二是风电场无功需求情况[3]。如果电场无功需求过高，将会导致机组运行的负荷特性、极限功率大幅度降低，影响系统静态电压的可靠性与稳定性。

2 风电接入工程继电保护系统的优化配置方法

2.1 合理规划电网接入方案

一体化、自动化电力生产控制系统的建设包括大量设备的安装与管理，长期处于高效运行状态的各类设备需要不同的执行管理规划，才能保证系统运行的平稳性与协调性。当电网接入风电场时，应对整个电力系统的设备配置进行综合性、全面性的考量，确保风电场设备与电力系统设备之间运行控制能够有效配合。现阶段，人工智能、分布式光伏、大数据等技术在电力领域的多元化应用，使得电力生产的形式不断优化改革，电网铺设的范围逐步扩大，电场的建设也呈现出规模化、集成化的特点，因此，当风电场的设备运行出现故障问题，很有可能会导致电力网络出现供应延迟、暂停运行等情况，严重情况下还会引发安全事故。

为此，当技术人员对接入方案进行实际规划设计时，需全面掌握风电系统常见故障类型、表现、原因，制定针对性的故障风险检测与排除对策，并根据电网的整体运行特点，设计一体化、智能化的操作系统，最大限度的降低风电接入对电网运行操作的影响，配置科学、合理的继电保护装置与操作系统。与此同时，在实际安装工程中应做好设计交底，并派遣较为专业的管理人员对接入过程进行全程把控，严格按照设计方案对选择、安装相应设备，确保各个施工环节的有效衔接，保证各类设备安装的规范性，并在设备使用前进行状态调试，检测继电保护系统操作的灵敏性与可靠性[4]。

2.2 科学配置安装联跳保护装置，及时排查故障问题

联跳装置的配置。针对风电大规模接入电网对电路保护系统的影响，技术部门往往会选择安装联跳装置控制故障影响。在风电机运行前，将保护联跳装置安装在风电机的两侧，安装期间应综合连接继电保护和短路电流，使电网系统与风机设备的控制保持一致性，一旦发生故障情况，可通过继电装置的自动控制操作截断电流。联跳保护装置作为继电保护系统的重要构成，能保证即使电机出现短路或跳闸情况时，也可利用智能化、一体化的控制系统降低故障影响，保证电网保持平稳运行状态。

强化检修管理，全面排查故障异常。在构建现代智能电网体系时，为保证电力生产与供应系统的有效融合，需相关管理单位全面了解各种故障发生的表现特征与实际影响，针对性的对风电接入过程中出现的故障进行分析，制定灵活性、科学性的检修方案，通过计划检修、状态检修、故障检修结合的模式，全面性、动态化的对故障风险进行排查，建立起以事前严格预防、事中强化控制、事后快速处理的管理机制，为电力系统的高效、有序、顺畅运行夯实基础。

2.3 操作系统的配合建设与使用

在风电接入电力网络系统时，为了确保电力生产环节与供应系统的有效配合运维，需设置集成化的操作控制系统，在保证二者操作独立性的同时确保各控制模块间的协同性，基于综合管控与联动需求建立起全面覆盖的电网继电保护机制，使电网操作系统与保护系统相互契合，避免由于操作控制指令无法实时传达、脱网故障、系统不兼容等情况的发生。

2.3.1 升压保护系统

风电场的变电装置是系统运维管理的核心，其保护系统按照运行方式的不同可分为主保护系统与后备保护系统，电网接入风电系统后，变电站升压过程中会对高压与低压侧母线产生不同的影响，需结合实际情况安装对应的母差保护装置。通常情况下低压侧母线无需安装母差保护，断路器主要安装在变压器低压侧位置，当发生故障时自动启动断路器切除母线、汇流线的故障。

与此同时，百万级风电场建设数量的不断提升，对风电场的电容、控制系统、功率等方面的要求逐步提高，当无功功率无法达到平衡时，将会导致工频过电压风险的提高，在风电场电压控制与保护系统中合理设置无功补偿，能够通过无功就地补偿的方式对电压、过电压进行控制。如，在海上风电场接入系统中，无功补偿方案中可采用高压电抗器、低压电抗器和动态无功补偿装置（SVG）的配置方案，来保证电网电压的平稳。

2.3.2 差动保护配置

在风电接入电网中，差动保护装置的配置需根据电网的电压等级不同进行分类设计。以山西垣曲20万千瓦风电并网项目为例，该项目设计安装100台风电机组，装机规模达到200MW，在继电保护系统中，配置了对应的差动保护与速断保护装置，安装在送出电线的两侧位置，差动系统的差电流选相装置可在故障发生时进行自动选相，配合线路重合闸单相操作系统可降低单相故障的影响，避免高压风电机组出现差动误动作。在220kV以下的电力系统中，由于装机容量相对较低，送出线路可不设置差动保护系统，配置三相重合闸保护系统即可。

3 结语

风电作为清洁性、环保性的绿色能源，作为相较于水力发电、火力发电形式具有稳定性差、能源转化效率不高的局限性，在接入电网时，需相关工程管理部门在全面、动态分析风电系统故障表现特点、对继电保护系统运行多方影响的基础上，优化电网接入工程项目的设计，合理安装联跳、差动等保护装置，加强日常检修与养护管理，制定针对性的升压保护对策，强化安全风险控制，严格排查故障异常，全方位的为风电系统与电网的协调、高效运行保驾护航。