风电场分布式接入配电网对继电保护的影响

何 青

（中海油（广东）综合能源有限公司）

0 引言

如今，我国风电建设已进入快速推进阶段，低容量、多个风电场共用配电网，电厂附近直接供电是当前我国风电发展的重要趋势发展。早期风力发电利用风力机的恒速和连续频率，由于对风速要求高，风能利用率低，管理难度大，逐渐被双馈取代。当风速小于或大于风力机的标称风速时，双馈风力机的可变进气系统自动调整输入角，以确保最大功率［1-3］。

1 多风电场接入配电网对继电保护的影响

1.1 双馈型风力发电机的特点

双馈风机的名称来源于它不仅可以向电网提供电能，而且可以向电网输出电能，这是双馈风力涡轮机。背靠背变流器包括转子侧变流器、栅极侧变流器和直流电容器。此外，输入控制系统和变矩器控制系统构成控制系统总部。供电系统短路，在尚未建成的电网上产生大量短路电能。为了防止发电机转子被短路电流损坏，撬棒的电阻会自动连接到电路上，减少变频器对转子的短路消耗［4］。

1.2 风电场并入配电网对继保的影响

1）风电场并网容量不同的影响

风电场并网容量小，对配电网继电保护的安全性影响不大，可以留作备用。随着我国风能的快速发展，风电机组并网容量不断增大，影响了原有配网的分布。特别是在发生短路的情况下，短路对保护的影响较大。

如图1 所示，以DFIG 为主体的风电场接入配电网B 线和C 线［5］。设置系统电源为，风机1 和风机2的电势相等为，电源阻抗为，至为各段线路阻抗，和分别表示风机1、2内阻。如图1示，短路电流通过保护装置1，短路电流如下：

图1 风电场接入母线B和母线C的等值电路模型

第二部分应通过风机2 的反向短路短路至K1 快捷点，短路电流通过保护2。短路电路是：

第三部分短路电流由风机1 提供。短路电路则是：

根据式（1），短路控制1 完全由系统电源决定，与风机无关。公式2-2 获得反向短路保护的依据：风机容量越大，内阻越低。因此，随着风机2 容量的增加，减小，然后风机2 短路流动。当风机2 有一定的容量增加，2 短路，也可能导致风机2 失灵，因为风机2的稳定运行无法估计短路的方向。

2）风电场并网容量相同的影响

当三相K1短路时，常规配电系统没有风机连接，短路电流仅从系统电源获得，故障在于保护1 引起操作拆除。风机2提供的短路流量如下：

风机2 与短路K1 相反，并在保护2 和保护3 下运行通过。因为电流连续保护的方向无法确定，从方程式（4）可以看出，当鼓风机2 具有高容量时，其内阻Zd2较小，增加了风机2的短路。

当常规配电网在K2 发生三相短路时，没有风机接入，系统电源产生一条通向K2 的电流保护1、保护2。公式则是：

风机1 提供了断点K2 和保护装置2 的电流保护，其式为：

风机2 返回短路上游至故障点K2，流经保护装置3，其式为：

上面的分析表明，从风机1 到K2 的短路电流有助于通过保护2 来增加短路，从而增加保护范围和增加保护2 的灵敏度。（6）表明，当风机量级较大时会提供反向电流至K2。由于无法确定保护方向，根据比较（7），当2 阀的风机容量较高时，由保护装置提供的短路电流容易引起保护装置3 的故障并扩大误差范围。

如果K3处存在三相短路，则K3的短路电流由传统配电网（1 风机和2 风机未连接）上的系统供电，并通过保护1 流向保护4，最终变成不正确的拆除。当风机1 和风机2 连接到电网，短路电流连接在K3点。其式为：

从风机2提供的短路到保护4提供的短路点K3的电流，其式为：

同样根据方程式（8），当风机1 的容量较大时，短路电流可能导致误动作。此外，根据式（9），当容量较大时，保护4也会失效。

综上所述，在多台风电机组的配电网中，不同的断点位置对风电场变送器的保护效果是不同的。

2 仿真研究分析

2.1 风电场并网容量不同对继电保护的影响仿真

通过2 台1MW 风机，将母线3、母线4 连接，另外模拟母线1 和母线2 之间的架空电线路发生三相短路。等效电网在短路点提供2.4ka 短路电流，安全1工作正常，断路器1 断开解除故障并移除。然而，通过风机1和风机2之间的连接，风机1和风机2的反向短路电流分别为0.385ka和0.341ka，影响了保护2和保护3，达到了电流保护的默认值，使保护2和保护3电流失灵。

将风机容量调整到4MW 后，同时执行上述短路模拟。对应电网继续提供2.4ka 的电路总计随着风机容量的增加，风机1 和风机2 的电源关闭。电流回路点增加1.07ka 和0.726ka，保护2 和保护3 的电流使用不正确，开关2和断路器3激活，扩大了错误范围，可靠性降低了。见表1流过各保护的短路电流。

表1 流过各保护的短路电流

根据保护措施的模拟和表1 中各屏蔽体短路电流的对比分析，对于同一故障点，所连接的风车组容量越大，系统提供的短路显示值越高，发生短路的可能性越大，它导致了一个继电保护装置运行失败。当故障发生在多个风电场的前一相，风电场不影响相应的电网和故障点短路及相应的保护功能正常。

2.2 风电场并网故障点不同对继电保护的影响仿真

根据保护动作模拟结果和保护动作。短路电流流过保护2和保护3，使保护2和保护3快速脱扣器的电流保护同时动作，开关2 和开关3 断开，从而扩大了电源故障的范围，降低了可靠性电源。各保护的短路电流值见表2。

表2 流过各保护的短路电流

以上表2 数据对比表明，当多个风电场、多个风电站和系统电源处于下游时，它们位于一侧，在短路时提供短路。流入保护装置2 中的短路由1.36Ka-2.106Ka 转换而来，这有助于增加流入保护装置2 中的短路，导致系统性能降低。

2.3 纵联保护解决方案的理论分析

通过分析纵联保护的工作原理和类型，以定向比较纵联保护为例，如图3 所示，理论上研究了多风场网络对继电保护的影响，并结合实例进行了具体分析。

如图2 所示，在分配了几个带配电网的风电场后，每个风电场的上游都配置了保护，并且在稳定的流向上，而且仍然可以使用几个风电场。

图2 风电场接入母线E和母线F的等值电路模型

如果a 段1 区发生短路，则风机与空档之间存在短路流在线上。P3 和P4 认为错误的方向是正的，然后保护错误工作。短路流经5 号，6 号通过保护7 和保护8，短路电流流过线路5 和7 并流过线路。保护5和保护7 的结论相反，这样每个部分的保护都不会错工作。同样如果该段失效，只有P5 和P6 的保护将消除错误，其他保护不会失效。在区域2 中，只有P7和P8 的保护会消除错误，其他保护不会干扰。如果故障发生在3区，则系统电源和几个风电场位于3区，没有反向短路电流达到3 区短路。多个风车场的接入只会增加系统电源的容量，因此可以通过相流保护P9消除故障。同样，对于馈线1，当线路的每个部分发生故障时，通过相电流的正常运行消除错误保护。

4 结束语

本文从理论上分析了配电网对多通道电场连接的继电保护的影响，并进行了分析。验证试点项目分配了多个风电场的影响，这些风电场提供了进入安全配电网的通道，可以有效地为这个本研究和科研的主要成果总结如下：

（1）当风电场连接到配电网时，每个风电场都是独立能源。由于断点处的短路功率，短路电流随风电场功率的增加，可能导致相应设备损坏。

（2）如果多个风电场内部电缆紧凑，停点与系统电源之间的保护装置可以正常工作，不受风电机组的影响，但由于配电网中电源的非连续相位保护，任何位于停点以外的风电场断点产生短路到断点的逆流，当风电场容量较大时，容易实现短路逆流组织。造成更多的短电流安全缺陷。

（3）在多个风电场之间存在缺陷的情况下，风机在故障点之前启动，系统供电一方面保证了公共短路到故障点的电流，其对截止电流和保护装置的影响类似于第三个结论，即此处不再重复；电源底部的风扇向断开点提供反向电流，这很容易导致安全装置短路故障反作用。