大规模风电接入对继电保护的影响及措施

谭志皓

摘  要：近年来，我国科学技术的不断进步为风电装机技术的发展创造了有利的条件。但是，受诸多因素的影响，在风电机组运行的过程中，出现了大规模风机脱网事故，严重影响了发电机组的正常运行，大大降低了我国风电事业的整体发展水平，对我国国民经济的发展产生了不利的影响。结合大规模风电的优势及其接线特点、继电保护配置等，系统地研究了大规模风机脱网事故，分析了风电出力、故障地点等不确定性因素的特点和各元件所配继电保护对发电机组的影响。同时，总结了应对故障的相关措施，大大提高了风电发电机组的稳定性和安全性。

关键词：风电发电机组;继电保护;风机脱网;风电建设

中图分类号：TM614              文献标识码：A               DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.090

据不完全统计，目前，全国已安装的风电机组近50 000台，为我国风电事业的发展奠定了良好的基础，加快了社会主义基础建设的步伐。虽然我国风电装机规模达到了世界第一，但是，在风电建设和运行过程中，缺乏对重大问题的认识，导致风电建设的整体质量和水平偏低，出现了许多大规模脱网事故，使风电投资效益大打折扣，严重制约了我国电力事业的健康发展。针对风电机组对配继电保护的影响，提出了相关的应对措施，以保证风电机组的发电安全。

1  风电接入对继电保护的影响

1.1  小电流系统故障选线难

多数35 kV集电系统为不接地系统，单相接地运行时间为1～2 h。这种接地方式需要借鉴配电系统的设计方案。通常情况下，其适用于接地电流较小的架空线路，如果将其应用于架空线路和电缆混合发电系统，这种接线方式显然不合理。由于配置的小电流选线装置选线正确率较低，工作人员很难及时发现单相接地隐患，导致故障扩大化。为了有效避免故障扩大化，可以通过电流行波等暂态信号进行故障选线，打破传统的思想和方案，有效地降低小电流系统故障选线的难度，提高风电机组的运行稳定性。

1.2  风电机组短路

通常情况下，电压较高的配置运行更加稳定。比如，330 kV及以上的主网继电保护配置比较完善，事故切除率为100%，一旦主网发生短路事故，风电场并网点电压会受到故障性质和故障点电气距离的影响。当故障持续时间在0.1 s内时，会在1 s的延迟后重合。如图1所示，风电场短路电流和第一次故障有所不同，具备LVRT能力的风电机组不一定能穿越第二次冲击。那么，是否具备LVRT能力、风机出力大小、控制策略等与风电机组短路特性密切相关。

图1  故障穿越示意图

1.3  波动性能源并网

由于波动性能源并网，大量电力电子元件的运行方式发生了较大的变化，大大降低了机组和系统的灵敏性，为运行方式的新原理保护研究提出了更高的要求。风电并网后，受正负序不等、弱馈、控制系统调节等多方面的影响，使得原本的故障分类提取、叠加原理等分析方法不再适用于该系统中，需要进一步研究常规纵联方向和距离等。

2  适应大规模风电接入的措施

为了确保大规模风电接入的适应性和安全性，应全面考虑电网规划、设计、建设、运行和维护等阶段的要求，遵循风电场集电系统接线方式和保护配置的原则，全面协调，配合风电机组保护和配继电保护，将继电保护作为大规模风电接入的第一道防线，并予以高度重视。

2.1  增加故障穿越持续时间

分析了电源特点和输电网保护配置后发现，并网线路重合闸对风电机组的影响较大，而传统的重合闸方案已经难以适应现代化风电事业的发展，需要重新研究出瞬时或永久故障的重合闸新原理。如果电场并网中的330 kV线路发生故障，假定所带风电场具有LVRT功能，则不同故障及其故障电阻的故障电压不同。当电压小于20%的额定电压时，风电机组的相关设备会全部跳闸。针对我国大规模风电并入超高压电网的发展情况，通过多次零电压的超越，且相邻2次故障穿越持续时间应小于100 ms。考虑到系统运行的可靠性和持续的时间，可将其持续的时间增大至125 ms左右，对风机的考验应小于20%的额定电压的持续时间为625 ms。

2.2  采用集电系统接地方式

在风电场35 kV运行线路中，集电系统的中性点接地方式对风电场的安全运行有着重要的影响。风电场功率密度相对较低，且风电场的发电出力时间为额定功率的20%左右。比如，在酒泉大型风电场中，1条35 kV集电线路的有功潮流往往小于10 MW。这不仅不会对使用用户造成影响，不会对电网的运行造成影响，还弥补了传统配电系统中“切除线路、用户停电”的不足。为了尽可能地避免故障被扩大，在新建的风电场中，可以采用集电系统接地方式，配备继电保护装置，并在适当的位置配置带有跳闸能力的小电流接地选线装置，以便在单相接地后可以及时切除故障，确保风电机组运行的稳定性和灵敏性。

2.3  配置完善的监控系统

风电场控制室往往配有完善的监控系统。风电场升压站和变电站中配置的故障录波装置、相量测量装置和质量监测系统等，可以记录事故全过程的相关信息。根据风电场机组的厂家、型号、低电压穿越功能投退状态等，分析事故数据，整定、计

算和设计继电保护装置等，大幅提高风电接入系统后继电保护运行的可靠性，进一步研究新型继电保护原理，这对确保整个系统的安全运行具有重要的意义。

3  总结

要从全面规划、设计、建设、运行和维护等方面考虑风电场的整体运营，制订切实可行的实施方案，提高风电接入的灵敏性和可靠性。针对风电事故的特点，尤其是对继电保护方面的出现问题，提出应对措施，全面协调，配合风电机组保护和配继电保护的实际情况，确保风电机组的顺利运行。

参考文献

[1]伍玮.风电并网对系统继电保护的影响研究[D].广州：华南理工大学，2013.

[2]高雯.风电场接入对固原电网继电保护的影响研究[D].北京：华北电力大学，2013.

[3]孙巍.风电接入对电网的影响及对策研究[D].济南：山东大学，2011.

〔编辑：白洁〕

Large Scale Wind Effects on Relay Protection and Measures

Tan Zhihao

Abstract： In recent years， created favorable conditions for the continuous progress of science and technology in China for the development of wind power installed technology. However， affected by many factors， in the process of wind turbine operation， the emergence of large-scale wind turbine off network accident， seriously affected the normal operation of the generator， greatly reducing China's wind power industry overall level of development， produced a negative impact on the development of China's national economy. Combined with the large-scale wind power advantage and connection characteristics， relay protection configuration， a systematic study of a massive fan off network accident， analyzed the characteristics of wind power， fault location uncertainties and each element with relay protection effect on the generation unit. At the same time， summed up the relevant measures to deal with the fault， greatly improving the stability and security of the wind power generator set.

Key words： wind power generator; relay protection; fan off grid; wind power construction