大规模风电接入的继电保护问题综述

摘要：对国内外大规模风电接入电网的继电保护问题进行了综述。首先分析了不同类型风电机组短路电流的幅值和衰减特征，以及影响风电场短路电流的因素。其次讨论了风电场内集电线路的故障特征和相应的保护策略。然后针对高压输电系统保护对风电接入的适应性，分析了零序保护、重合闸和距离III段的性能以及相应对策。最后，建议应当从加强风电机组故障特性研究、组织力量开展保护用风电机组电磁暂态通用模型研究、开发适用于风电场集电线路和网络保护的网络化保护新原理与新技术以及加强风电场与电网在保护和控制方面的协调配合4个方面展开研究工作，解决继电保护面对的问题。0引言继电保护是电网安全稳定运行的第一道防线，能够在故障发生时快速可靠地识别并有效地隔离故障，对遏制系统运行状况的进一步恶化，保障电能高效稳定的传输和利用都具有重要的意义。近年来，随着能源危机和环境问题的日益突出，风电等可再生能源越来越受到社会的关注，其大规模应用，必然带来集中接入、远距离传输以及风电场内部集电线路网络化等问题，从而改变电力系统的运行特征。大规模风电接入的继电保护问题属于智能电网的兼容性范畴。对接入点而言，规模化的风电场对系统运行的影响，已不能象早期小型风电接入一样被完全忽略掉，这已不仅仅是风电调度的问题，继电保护所面临的故障特征同样也发生了显著的变化。大型风电场内部的机组和机群越来越多地采用35kV电压等级以网络的形式汇集电能，传统的配电网保护原理和装置能否满足风电场内部集电线路的要求，也是众多业主和电力系统运行部门必须考虑的问题。为了保证大规模风电接入后的电网安全，国内外学者就风电接入的继电保护问题在以下3个层面展开了研究工作：1)风电机组以及风电场的故障特征分析。风电机组多采用感应式异步发电机，其转动惯量和时间常数小，并且没有专门的励磁装置，故障特征与同步发电机存在显著的差别。永磁直驱机组虽然为同步发电机，但是通过换流器并网，其故障特征和换流器控制特性密切相关。另外，电力电子设备自身的保护策略和低电压穿越等特殊要求，也附加了额外的控制要求。这些都将增加风电机组电磁暂态过程的复杂性，从而影响继电保护的性能。风电机组以及风电场的故障特征分析主要包括暂态和稳态短路电流的计算、波形分析、衰减特性分析以及短路阻抗分析等内容。2)风电场集电线路及网络的继电保护问题。虽然大型风电场内部集电线路广泛采用35kV电压等级，但却与传统配电网辐射状网络结构存在明显的差别。对于任一集电线路，由于两侧母线上均有电源分布，在继电保护研究中，将被等效为双端电源元件，传统辐射状配电网继电保护的配置方式和整定原则将不再适用。风电场集电线路及网络保护研究主要包括保护原理、保护配置、整定原则及与电网保护配合关系等内容。3)大规模风电接入输电网的继电保护问题。在包括中国在内的大多数国家，风电的大规模利用必然伴随着电能的远距离集中传输问题，因此高压电网继电保护的整定和运行管理中，必须考虑风电等随机电源的故障特征。风电的随机性和波动性对并网联络线保护的影响，继电保护的适应性及配置配合关系，性能优良的新原理都需要进一步深入研究。规模化风电接入电网的问题是目前国内外相关研究的热点[1]，但是继电保护相关问题却并没有得到足够的重视。笔者认为原因之一在于继电保护是服务于电网安全运行的，现阶段继电保护问题并没有大规模地显现出来。随着调度、运行方式等问题的解决，风电在电网电源结构中所占比例必将逐步提升，继电保护的适应性问题将集中体现出来并需要得到足够的重视。本文从风电机组与风电场的故障特征、风电场集电线路与网络的继电保护以及大规模风电接入后高压电网的继电保护3个方面，对目前国内外的相关研究成果进行了回顾和分析，对未来研究方向进行展望，并提出自己的观点，以期能够对今后的相关继电保护问题研究有所助益。1风电机组和风电场的故障特征.1.1概述故障分析是继电保护的基础，继电保护的新原理设计、整定计算都离不开故障分析。传统电力系统的继电保护理论体系是建立在同步发电机电源以及三相对称系统的基础之上的。也就是说，假设在故障发生之后的电磁暂态过程中，同步发电机能够作为一个理想电源不发生任何参数和运行状态的改变。基于此，可以计算得到短路电流及其衰减特性，并作为继电保护原理设计、整定以及断路器选择的依据。风电机组广泛采用异步发电机，即使永磁同步发电机也采用电力电子设备并网，显然其短路电流的大小和故障特征已经发生了显著的变化。1.2风电机组的短路电流计算1.2.1感应式异步发电机感应式异步发电机的短路电流计算并不是一个新问题。文献[2]推导了异步风力发电机空载发生定子三相短路时短路电流的解析表达式，基于感应发电机正常运行时绕组电阻可以忽略和滑差很小这2点假设，得出短路半个周期之后定子磁链和转子磁链相差180°的结论，在此基础上推导出短路电流最大值的解析表达式和衰减规律。该文献得到的短路电流最大值的误差可达10%~20%。文献[3]在相同假设的基础上利用空间矢量分析方法推导出鼠笼式感应发电机的短路电流的解析表达式，值得指出的是，该文献利用序分量理论分析了不对称短路时感应发电机的短路电流，该结果对继电保护性能分析和灵敏度校验具有积极的意义。文献[4]利用PowerFactory软件包仿真分析了感应式异步发电机的短路电流，其结论与上述文献[2-3]的结论相同，即故障时感应式异步发电机向电网注入了可观的故障电流，随着故障时间的持续该电流逐渐衰减，衰减时间与故障类型相关，对于三相故障而言，衰减最为迅速。文献[5]在利用电力系统实时仿真平台RT-Lab软件包分析感应式异步发电机短路电流时考虑了原动机及其控制系统的作用，其结论并非专门针对继电保护，但从仿真结果中仍能够验证文献[3]分析的正确性，即在相间短路时，非故障相的短路电流缓慢增加到稳态值，故障相的短路电流逐渐衰减。1.2.2双馈型异步发电机双馈感应发电机的短路电流分析是近年来的研究热点[2-3,6-16]。双馈感应发电机的滑差由于转子电流控制而不能再被认为是一个很小的数值，外部短路时撬棒(crowbar)电阻的作用使得转子回路的电阻不能被忽略。文献[2]考虑以上因素，并考虑了短路发生后定子与转子磁链的相位关系，推导出考虑crowbar电阻的双馈异步发电机短路电流计算公式。文献[3]基于空间矢量理论和序分量理论推导出考虑不对称故障时的双馈异步发电机短路电流解析表达式，并分析了crowbar电阻数值以及升压变和联络线阻抗对短路电流的影响。文献[6]以电压跌落后物理过程的分析为基础，根据磁链平衡方程，在转子侧电压保持不变的假设下得出了短路电流的解析表达式。该方法考虑了双馈发电机控制策略和控制参数的多样性，通过考虑转子侧电压不变和转子侧电压瞬间调整2种极限情况，得出的短路电流计算公式具有很强的工程实用性。文献[7]采用频域分析法求解双馈发电机的短路电流，其假设短路过程中转速、转子励磁电压和频率均保持不变，在此基础上推导出双馈发电机三相短路时的故障电流表达式。文献[6]和文献[7]并未考虑crowbar保护电路对短路电流的影响。值得注意的是，以上关于双馈发电机故障电流的分析过程都没有考虑控制系统的作用，实际上对于快速响应的电力电子设备，控制系统势必影响异步发电机电磁暂态过程，从而对快速动作的主保护产生影响。文献[8-11]所关注的问题并不是双馈风电机组的短路电流，但是低电压穿越功能的设计以及电压跌落情况下双馈发电机的性能研究对故障特征的分析具有一定的参考作用。文献[12-16]通过电磁暂态仿真软件对双馈型发电机并网的短路电流进行了研究，其结论与以上理论分析结果吻合。即crowbar保护发挥作用后，三相短路时，双馈异步发电机提供短路电流的能力大大降低，同时转子绕组回路时间常数减小，短路电流的强制分量迅速衰减。不对称故障时，非故障相电流的强制分量迅速增大到稳态值，而故障相的短路电流强制分量则迅速衰减。故障电流中的自由分量则受升压变压器以及输电线路等定子回路电阻的影响。1.2.3永磁直驱同步发电机永磁直驱同步发电机通过脉宽调制(pulsewidthmodulation，PWM)控制的电力电子设备并网，其短路电流与并网电力电子设备密切相关。到目前为止，并没有检索到针对永磁直驱同步发电机短路电流的相关研究问题，文献[17-22]在进行低电压穿越控制研究时分析了永磁直驱同步发电机的稳态短路电流特征。文献[17]认为短路电流可以按照不超过并网换流器额定电流来考虑。作者认为，就目前的情形而言，这种方法可以作为工程上进行整定计算的一个依据。文献[18-22]均提出了各自的永磁直驱风电机组的低电压穿越运行方案，并给出了电网故障时的仿真波形，对于永磁直驱风电机组的短路电流特征分析具有一定的意义。但是，从文献[18-22]中同样能够发现，电网故障后的短路电流随着不同风电机组采用不同的控制策略而具有明显的不同，这也给继电保护的整定带来了巨大的障碍。在现有条件下，要求继电保护工作者熟悉并了解不同制造商提供的风电机组的控制策略，并据此进行保护整定是不现实的，因此目前对于以永磁直驱机组为电源的电网的整定必然存在一定的不适应性和不合理性。同时需要说明的是，在低电压穿越的研究中母线电压的跌落和故障是不同的，前者的跌落程度显然要轻微得多，一般情况下继电保护所面对的近端故障情况母线电压跌落会严重得多，此时的永磁直驱风电机组的故障电流如何，并没有引起足够的关注。1.3风电机组和风电场的故障特征分析对于继电保护尤其是快速动作的主保护而言，主要关注风电机组提供短路电流的能力。另外，由于距离保护等保护的性能与系统的等效正负序阻抗密切相关，风电机组和风电场的等效正负序阻抗特征也应该得到足够的重视。文献[23]通过powerfactory软件包仿真分析了普通异步风力发电机组的短路电流幅值与衰减特征。其结论是：短路发生后普通异步机组能够提供很大的瞬间短路电流，但却很快衰减，不具备提供持续短路电流的能力。文献[24]采用同样的方法对双馈型风电机组的短路电流进行了分析，双馈型风电机组瞬间短路电流略小于普通异步机组，相对于普通异步机组，其衰减时间也比较长，此种类型的机组具有提供一定的持续短路电流的能力。文献[25]以新疆达坂城风电场为研究对象，考虑风速变化对风电场提供短路电流的影响，指出阵风和渐变风影响风力发电机有功出力，加大短路电流。文献[26-27]研究了风电场的等值问题，分析了风电场并网点故障电流的特征以及影响风电场短路故障特征的因素。文献[27]的研究结果显示三相短路时故障电流最大为额定电流的8倍，并绘制了两相短路和单相短路的故障电流曲线，得出了故障电流幅值不能作为判断故障类型方法的结论。1.4总结和建议对于大规模风电的接入，不同专业的关注点不同。对于继电保护而言，其关注点不仅仅在于故障电流的大小，更关注故障电流的波形特征，以及影响现有保护原理的诸如正负序阻抗等系统特征。短路电流的波形及暂态谐波含量将影响以傅里叶算法为基础的工频量保护的性能，进而引起保护的拒动或误动，对电网的安全运行造成威胁。双馈和直驱风电机组的控制策略将直接影响到故障电流的幅值、衰减等故障特征。到目前为止，在故障电流的计算以及故障分析过程中，crowbar保护已得到充分的考虑。由于涉及到具体的控制策略，永磁直驱风电机组的短路电流特征并未得到充分的研究。控制系统被大多数生产制造企业视为技术机密，可以预见，若永磁直驱风电机组成为大规模风电场的主力机型，由于无法充分掌握故障特征，将使得继电保护面临比以往更为困难的局面。采用电磁暂态仿真手段进行故障电流以及故障特性的研究是解决这一问题的较好途径，但同样面临控制策略方面的技术障碍。2风电场集电线路与网络的继电保护大规模风电场机群之间采用35kV电压等级组成网络并通过并网点直接与高压电网相连接，与配电网络具有相同的网络结构。但针对辐射型配电网设计的继电保护直接应用于风电场集电网络保护时会存在适应性问题。这与近年来分布式电源接入配电网所带来的继电保护问题相同，综述如下。文献[23-24，28]考虑风电场允许短时电动机运行的特点以及风电机组短路电流的衰减特性，论述了对于快速动作的保护必须考虑潮流反向的影响而在必要时装设方向式过流保护，在其整定时也必须考虑风电场馈出的短路电流;而当保护装置的动作时间超过5个周期之后，则由于风电场短路电流的衰减特性，可以不考虑风电场的影响。文献[29-30]讨论了风电场接入系统后对配电网继电保护的影响及对策。文献[29]分析了定子故障电流的构成以及各分量的衰减规律，指出风电场接入辐射型配电网，会造成接入母线的下一级输电线路电流速断保护范围增大，从而使得保护造成失去选择性，同时也会造成该母线上一级输电线路定时限电流速断保护范围缩小。针对辐射型电网风电接入后阶段式电流保护的问题，提出配置自适应电流保护来识别并切除故障，并验证了其有效性。文献[30]利用继电保护测试设备和实际的继电保护装置，通过仿真研究了过电流保护受风电场影响的情况。由于感应电动机故障之后仅能提供短时故障电流，反时限过电流保护可能因为故障电流的衰减而不能够正确动作，从而影响整个保护系统的性能。文献[31]考虑了配电网各保护设备之间的时间配合问题，提出了一种能够自适应故障类型、短路电流水平以及风电出力的自适应继电器，通过自适应保护动作时间来保证隔离故障以及风电场的可靠稳定运行。文献[32]通过仿真研究，得出了由于风电间歇性的特点，风电场内部集电线路和网络的保护必须采用自适应保护原理的结论。同时，文中也指出，由于风电机组故障电流的特点，风电场内部短路的电流主要有电网提供，如何利用有限的故障电流检测并切除故障是风电场集电线保护的一个难点。目前国内的规模化风电基地所采用的集电线路和网络保护大多为传统的35kV继电保护装置，通过对以上文献的综述，不难看出风电作为分布式电源与传统配电网相比具有明显的不同。文献中所提及的加装方向元件，采用自适应保护以及考虑各保护之间的配合关系都是解决风电场集电线路保护问题的途径。但是，正如文献[32]所提到的，风电场故障电流持续时间短，风机运行状况受自然条件的影响显著，仅仅基于本地信息的传统继电保护性能可以提升的空间非常有限。能否将现在已经被广泛认可的通信以及智能电网技术引入风电场的保护中，从而构建新的含多电源的集电线路及网络保护体系，值得思考。3大规模风电接入输电网的继电保护问题随着风电电源在电网中所占比例的增大，大规模风电基地通过专用线路长距离输送风能已经成不可改变的现实。对于大容量，具有随机间歇特征的风电，不可能再忽略其对输电网继电保护的影响。近年来，国内外也有文献开始关注并探讨这一问题，综述如下。文献[33]讨论了风电接入后110kV电网继电保护和安全自动装置所受到的影响：风电电源接入后，由于升压变压器的接地，系统零序网络发生变化，联络线零序保护的灵敏度下降;并网联络线的自动重合闸功能将受到挑战，这主要是由于目前采用的检同期重合方式需要风电电源在并网点具有稳定性，而大规模风电场在联络线跳开后风机会进入动态过程，不能保证检同期成功，从而可能导致重合失败，最终造成风电脱网;由于风电场向电网馈出持续短路电流的能力差，除非装设专门的弱馈保护，否则并网点联络线保护性能差，拒动将成为常态。文献[34-38]研究了风电场接入高压电网后的继电保护配置方案。文献[34]通过对人工短路试验数据的分析，指出在故障切除前，风电场以类似于异步电机的方式提供短路电流，这与前述文献的结论一致。因此对电网也言，风电场接入对快速动作的主保护有影响。文献[36]分析了异步发电机对并网联络线距离III段保护动作特性的影响，指出根据保护安装处的电压和电流计算得到的异步发电机阻抗特性为负电阻和正电抗特性，由此在阻抗平面上其轨迹可能落入第2象限从而降低了距离III段保护的动作裕度。文献[37]针对我国西北大规模风电基地输送采用可控串补和可控电抗器的实际，提出一种考虑风电波动性的基于综合阻抗的输电线路纵联保护新原理，仿真结果表明该原理具有较好的性能和对风电送出联络线保护的适用性。文献[38]提出一种大规模风电场并网联络线距离保护的自适应整定方法，根据测量电压、电流以及风电场开机情况，自适应地调整距离保护的整定值，从而消除风电场输出功率的波动性对并网联络线距离保护的影响。由以上分析可知，作为一种特殊的电源形式，风电对输电网继电保护具有一定的负面影响，或者说，传统的继电保护原理并非都能够适应风电的接入，因此有必要对风电接入后的继电保护问题进行研究。与风电场内部集电线保护不同，作为高压电网的联络线保护必须将风电场作为一个整体来考虑。继电保护工作者希望得到一个理想电源与系统阻抗的经典串联模型来等效风电场。但是风电场内机组和机群在空间上的分布性质，在类型上的差异，都使得这样的模型不易获得。目前对于风电场的等值，其目的都不是进行继电保护的整定和性能校验，因此对继电保护来说最重要的电磁暂态过程被广泛忽略，并不能够直接应用于继电保护。面向继电保护的风电场等值，是一个非常值得研究的方向。4结论及展望随着大规模风电基地在我国东北、华北以及西北的建设，未来的中国电网中风电电源的比例将会进一步上升。从目前的研究现状看，对于大规模风电对继电保护的影响在国内外并没有一个统一的看法，相关的研究工作也未系统地展开。笔者认为，需要从以下几个方面来展开研究工作。1)故障后故障电流波形特征的研究。故障特征分析是继电保护的基础，就现