风电场接入配网对电流保护的影响分析

张玉，李凤婷，齐尚敏

(新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830047)

风电场接入配网对电流保护的影响分析

张玉，李凤婷，齐尚敏

(新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830047)

风电的接入使得系统由单电源、辐射式结构变成双电源的网络，对配电网原有的继电保护产生较大的影响。本文以PSCAD软件为平台，搭建了含异步风力发电机的风电场和配电网模型，从风电场容量和接入位置两个方面分析了风电场接入对配电网电流保护的影响，得出风电并入配电网对保护的影响并提出解决方案。

风电场;配电网;电流保护

1 引言

风电的运行特性不同于常规电源，输出的功率具有随机性、波动性和不可控性。随着风电的大量接入，配电网的网络结构将由辐射性单电源转变为双电源，甚至是多电源和负荷共存的复杂拓扑结构。原有馈线保护的选择性、灵敏性、可靠性将受到严重影响，大大降低供电可靠性［1，2］。

目前关于分布式电源接入配电网对继电保护所产生影响的研究比较多。文献［3-5］提出了采用自适应电流保护法解决DG加入对配电网产生的影响。文献［6］提出根据DG接入位置的不同，馈线的过电流保护分别采用定时限或反时限形式。采用该保护方案后，无论DG的输出功率如何变化，故障都能被可靠切除。文献［7］基于永磁同步发电机组和双馈发电机组建立了风电场模型，仿真得出风电场的接入会引起保护装置的误动作，但没有具体从风电场容量、接入位置及保护之间配合角度分析风电接入所产生的影响。文献［8］讨论了风电场接入配电网中段对保护产生的影响，而实际情况中，风电场有可能接入配电网的末端或始端。因此，有必要进一步讨论异步风力发电机接入配电网任意位置时，对保护的影响。

本文将详细分析不同情况下风电场接入对配电网电流保护的影响，并在仿真软件PSCAD/EMTDC中仿真验证;此外，针对含直驱或双馈机组的风电场接入对保护下游及联络点相邻处两段线路的限时电流保护(电流II段保护)产生的影响，提出了相应的改进措施。

2 含风电的配电网保护特点

虽然风电为优质清洁能源，但其作为电源具有间歇性和难以调度性，大规模风电场接入电网会对电力系统安全稳定运行产生影响。电网故障期间风电机组如何动作将对电网的潮流带来影响，对原有的保护设置提出新的挑战。在实际工程中，低压配电网的保护方案一般为传统的电流三段式保护。

风力发电接到电网的末端，会改变配电网功率单向流动的特点，使潮流流向和分布发生改变，这在原有电网的规划和设计时是没有预先考虑的。风电接入配电网非终端时，除了改变上游保护潮流流向和分布外还会对下游保护产生助增电流的影响。随着电网注入功率的增加，风电场附近局部电网的电压和联络线功率都会超出安全范围，严重时会导致电压崩溃［9，10］。另外，异步发电机在发生近距离三相短路故障时不能提供持续的故障电流，在不对称故障时提供的故障电流也非常有限，这些特点都会对配电网原有保护造成影响。

3 风电接入配电网对电流保护的影响

本文运用PSCAD软件建立了配电网模型和基于异步风力机的风电场模型。图1为含风电的配电网示意图，系统通过电压等级为35kV的母线与配电网相连，系统的容量基准取为100MVA，电压基准取为37kV。线路参数如下:线路型号为LGJ-150，电阻r=0.21Ω/km。

图1 配电网络图Fig.1Diagram of distribution network

根据《3～110kV电网继电保护装置运行整定规程》，算例配电网模型的保护整定值见表1和表2。表中，表示电流I段保护整定值;表示电流II段保护整定值;lmin%表示电流速断保护最小保护范围占线路总长度的百分比;Ksen为灵敏系数［11］。

表1 配电网电流速断保护整定值(I段保护)Tab.1Setting of instantaneous overcurrent protection

表2 配电网限时电流速断保护整定值(II段保护)Tab.2Setting of time delay instantaneous overcurrent protection

3.1 风电接入配网终端

(1)风电场接入D母线

当故障发生在k1处时，流过保护3处电流曲线如图2所示;流过保护2处仿真电流曲线如图3所示。

风电场接入D点前，k1处故障时保护3上无短路电流流过;而当风电场接入后，有反向电流流过保护3处，随着容量的增加，经过的反向短路电流会随之增大。当风电场容量大于20MW时，流过保护3的短路电流大于保护3处的I段整定值1.031kA，则会发生保护3误动。

图2 不同接入容量下k1处三相短路保护3处电流Fig.2Fault current of protection 3 at k1 three-phase fault under different wind capacity

图3 不同接入容量下k1处三相短路保护2处电流Fig.3Fault current of protection 2 at k1 three-phase fault under different wind capacity

对比图2、图3可知，越靠近风电场处的线路(即越靠近末端)整定值越小，而风电场提供的反向电流却越大，保护误动作的风险也越大。越靠近风电场的线路发生故障时受风电场的影响越大，因此馈线下游的保护更容易受到影响［12］。

(2)风电场接入E母线

当故障发生在k1处时，仿真保护1、保护4处的电流曲线如图4、图5所示。

图4 不同接入容量下k1处三相短路保护1处电流Fig.4Fault current of protection 1 at k1 three-phase fault under different wind capacity

图5 不同接入容量下k1处三相短路保护4处电流Fig.5Fault current of protection 4 at k1 three-phase fault under different wind capacity

风电场接入E母线，k1处发生故障时，保护1、保护4处将感受到风电场提供的故障电流。当风电场容量足够大时，提供给保护4处的故障电流有可能超过保护4的瞬时电流保护整定值，容易引起保护4的误动。对AB线路来说，由于风电场的引入，使得保护1感受到的故障电流变大，当AB线路末端处发生故障时，保护2处的瞬时电流保护可能误动作，使停电范围扩大。

3.2 风电接入配电网非终端

风电场接入母线C，k3处发生三相短路，不同容量下保护3处仿真电流曲线如图6所示。

图6 不同接入容量下k3处三相短路保护3处电流Fig.6Fault current of protection 3 at k3 three-phase fault under different wind capacity

风电场加入前保护3处的瞬时电流保护按照躲过本线路末端的最大短路电流来整定。如图6所示，故障后随着风电场的容量增大，故障电流也随之增大［13，14］。随着风电场容量增加可能会使保护范围延伸至下段线路，导致下段线路保护误动。

风电场分别接入母线B、C处，k3处发生三相短路，不同容量下保护3处仿真电流曲线如图7所示。

相同容量下，风电场分别接在母线B处与接在母线C处，保护3处感受的故障电流不同。风电场接在母线C上产生的短路电流明显大于接在母线B上。这说明离风电场越近受其影响越大，保护感受到的故障电流越大;同理可得，相同接入位置，风电场容量为10MW时，保护3感受到的故障电流小于30MW时感受到的电流。相同接入位置，容量越大，风电场提供的故障电流越大，越容易使保护发生误动作。

图7 容量、接入点不同时k3处三相短路保护3处电流Fig.7Fault current of protection 3 at k3 three-phase fault under different wind capacity and different access points

4 改进方法

鉴于上面所述的原因，考虑到风电场的加入不能改变现已安装的保护装置，提出下面的解决方案。

(1)有选择地加方向元件。针对风电接入配电网末端对上游保护产生的反向电流的影响，由于配电网的电压等级为35kV，根据《电网规程》，风电场最大准许接入容量在50MW以下。根据风电场接入位置不同，有选择性地加装方向元件。例如，风电场接入馈线末端时，只需给线路BC、CD加装方向元件，AB、AE段线路不需增加。即满足式(1)时，则不需要加装方向元件。

式中，IDG为风电场提供的反向电流;IK.min为联络点相邻线路(即靠近系统侧线路)两相短路时的电流。这样风电场的接入将不会对原来风电场未接入时的瞬时电流保护产生影响。

(2)调整保护整定值。当风电场接入配电网非终端时，会对保护下游的限时电流保护(II段保护)配合产生影响。这时需要调整相应的下游保护整定值。

图8是风电场接入配电网非终端示意图。风电场的阻抗为Zw，系统阻抗为Zs，线路单位长度阻抗为ZL，联络点为X，线路额定电压为UN，m为从系统侧到风电场联络点处所有线路长度之和，n为联络点处到保护3所在线路之和，h为保护4所在线路长度。

图8 风电场接入配电网非终端Fig.8Wind farm access distribution network at nonterminal

异步风力发电机提供的短路电流随时间衰减，很可能在故障发生0.5s内故障电流衰减为零，而限时电流保护一般在故障发生0.5s后动作，不会对限时电流保护产生影响，因此限时电流保护的整定值不需要调整。

双馈风力发电机故障电流瞬时增大，而后迅速衰减，若故障一直未清除，则双馈机可提供一定的持续短路电流;直驱风电机组的短路电流瞬间增大，很快稳定于一个恒定值［15］。含直驱或双馈机组的风电场接入馈线末端，配电网线路发生故障，当风电场容量达到一定程度时提供的反向电流会引起上游线路的瞬时电流保护误动，当提供的反向电流超过与此线路配合的上级线路I段保护整定值时，其限时电流保护也会误动。

同理整定联络点下游的限时电流保护。以图8的保护3为例，限时电流保护整定值为:

另外，对于联络点相邻线路(即靠近系统侧线路)限时电流速断保护的配合整定需要单独讨论。如图8所示，X为联络点，由于保护1的II段保护整定值是在保护2的I段整定值的基础上得出的，而风电场的接入会对保护1、2所在线路产生一个外汲的影响，导致下条线路的限时电流速断保护整定值不能跟风电接入之前设置的限时电流整定值相互配合，造成之前的保护不能正确动作。此时需要考虑分支系数。保护1的限时电流保护整定值如下:

5 结论

基于辐射型配电网电流保护，结合仿真结果说明风电接入对配电网继电保护的影响，并得出如下结论:

(1)风电接入配电网终端对上游的所有保护而言，有反向电流流过，随着风电场容量的增加，电流随之增大，达到一定程度容易使保护误动。因此，根据风电场接入位置不同，接入容量不同，有选择性地加装方向元件会给保护的整定工作带来很大的方便。

(2)风电场接入配电网非终端对联络点上游的保护产生的影响与风电场接入终端时对上游保护的影响类似，根据风电接入容量，选择性地加装方向元件后即可解决;风电场接入对联络点下游的保护会产生助增电流，从而影响下游保护的灵敏度及保护范围，需要对原保护的瞬时电流整定值进行修正。针对双馈或直驱机组接入对限时电流保护的影响需对其整定值进行修正，而对于联络点相邻线路(靠近系统侧)的限时电流保护配合，在设定限时电流保护整定值时，应考虑分支系数的影响。

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Impact analysis of wind farm access to distribution network current protection

ZHANG Yu，LI Feng-ting，QI Shang-min
(College of Electrical Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830047，China)

Access of wind power makes the distribution network to change from a single power supply and radiation structure to a network with more than one power supply，and that will have a greater impact on the original relay distribution network.The paper takes the PSCAD software as a platform，builds the models including the asynchronous wind-driven generator wind farms model and the distribution network model，and from two aspects of wind farm capacity and access position analyzes the impact of wind farms on the distribution network relay.Then，a conclusion about the influence of wind power access to the distribution network regarding the relay protection is obtained and the corresponding solutions are put forward.

wind farm;distribution network;current protection

TM614

A

1003-3076(2014)09-0052-05

2013-03-15

国家自然科学基金(51267019)、新疆维吾尔自治区自然科学基金(2012211A002)资助项目

张玉(1989-)，女，河南籍，硕士研究生，研究方向为可再生能源并网技术与电力系统继电保护;李凤婷(1965-)，女，河北籍，教授，博士，研究方向为可再生能源并网技术与电力系统继电保护。