风力发电对电网继电保护的影响及保护配置研究

风力发电对电网继电保护的影响及保护配置研究

高福伟

(国华瑞丰(荣成)风力发电有限公司264300)

摘要：在保护配置方面，文章首先分析旧有的备自投装置在分布式电源的配电系统内的不足，以及分布式电源的高压配电系统和大容量电动机负荷的系统，在切换备用电源以后其电压和冲击电流的变化情况，证明旧有的备自投装置在分布式电网的系统内具有明显的局限性。鉴于此，文章提出一种基于风力发电的备自投快速切换的方法，希望在一定程度上减弱冲击造成的不利影响，提高切换的成功率。

关键词：风力发电，继电保护，分布式电源，备自投，快速切换

一风力发电对电网继电保护的意义

目前对风力发电场本身的研究在国内已经受到了相当的重视，但与电网相关的配套技术问题研究却还相对薄弱。风电在接入配电网以后，会对配电网的故障特性以及保护方案产生较为深刻的影响。当系统出现故障的时候，因为短路电流的大小、方向与功率分布均会出现变化，故而有可能会使得原有配电网的保护不再安全正确的动作，正是以上问题引出风电接入以后配电网继电保护的再次配置这个研究课题。当下相关的研究大多是针对风力发电机与风电场内部保护抑或是电网稳定性等问题，与风电场的配电网保护相关的研究比较少一些，因此还未有较为成熟的技术支持。研究和探讨风电接入配电网以后的控制策略以及保护方案是保障电力系统稳定运行的一个重要条件。

二风力发电场对继电保护的影响

根据不同的配电网等级需要配备不同的保护类型，10kv配电网馈线上通常安装传统的三段式电流保护，110kv高压配电网一般配置三段式距离保护和零序三段保护。根据风力发电场接入的位置和保护动作的特点，分析对配电网的保护影响如下:

(1)风力发电场接在配电网馈线始端的情况如图2-1所示，风力发电场接在馈线始端的母线上时，仅等同于增大了系统侧的容量，因此当K1、K2、K3发生故障时，风力发电场会提供注增电流。以K1发生故障时保护3为例，当K1发生短路故障时，保护3的测量阻抗设为ZAK1，当风力发电场接入系统后，其测量阻抗为

(2-1)

由此可以看出当线路发生故障时，风力发电场的接入并不影响距离保护的测量值，对距离Ⅰ段保护不会产生什么影响。

(2)风力发电场接在配电网馈线中端某母线上的情况

1)如图2-2所示，当K1处发生故障，系统提供的短路电流由保护3动作切除，而AB段馈线末端没有保护，风力发电场会向故障点提供反向短路电流，并且向下游负荷供电形成孤岛运行。

2)当K2处发生故障时，风力发电场会对通过下游保护的短路电流起到助增作用，若当风力发电场未接入时保护3的测量阻抗为ZAK2=ZAB+ZBK2,当风力发电场接入后相当于对保护3引入了一个分支系数，当K2处发生短路故障时，保护3的测量阻抗应为

（2-2）

由于风力发电场的助增作用，IBK2＞IAB，即Z＞ZAK2，由此可知，此时保护3的测量值将会比未接入时的测量阻抗大，降低了保护的灵敏度，影响保护的灵敏性，如果风力发电场的容量增大到一定程度，有可能使保护的灵敏度小于1.25，使保护拒动。

图2-1风力发电场处于配电网馈线始端系统

图2-2风力发电场处于配电网馈线终端系统

3)当K3处发生故障时，风力发电场会向系统母线提供反向短路电流，假如保护3没有方向元件的话，将有可能会误动。同时风力发电场还会增加保护4流过的短路电流，影响其保护范围和灵敏度。

(3)风力发电场接在配电网馈线末端的情况

1)如图2-3所示，当K1或者K2发生短路故障时，风力发电场会向上游保护提供反向的短路电流，假如保护没有方向元件的话，并可能会引起这三个保护的误动，影响保护的灵敏度，失去选择性。

2)当K3处发生短路故障时，风力发电场除了在本线路提供的反向电流外，还会增加相邻线路的短路电流。保护1、2、3有可能会误动，失去选择性。保护4流过的故障电流会增大，有可能会使保护范围延长，与保护5失去配合，无法保证选择性。

图2-3风力发电场处于配电网馈线末端系统

（4）风力发电场的接入容量对保护装置的影响

以图2-2为例，当短路发生在风力发电场上游（即K1处）时，如果风力发电场没有接入系统，则短路时保护2上没有电流流过，保护2不会动作。而当风力发电场接入后，经过保护2的短路电流会随着风力发电场容量的增加而增大。当其容量增大到一定程度时，流过保护2的电流将超过其整定值，保护2将动作于跳闸。

当短路发生在风力发电场下游（即K2处）时，该系统图可等效为下图：

图2-4分布式电源处于配电网馈线中端系统系统等效图

如果风力发电场没有接入，则流过保护2的电流，分布式电源接入后，由于各支路阻抗和短路位置均未变化，此时流过保护2的短路电流，由此可以看出来，风力发电场接入容量对系统的故障电流有显著影响。Id随着EDG容量的增大而不断增大，虽然系统侧支路的短路电流会因为风力发电场支路的分流而减小，但其减小的幅度不会超过由于风力发电场接入所增大的幅度，因此流经保护2的故障电流也随之不断增大，这将使其保护范围增大，其灵敏性也会增加，从而引发误动。

三含风力发电场的备自投快速切换方法

本章提出的含风力发电场的备自投快速切换方式与传统备自投切换方式有很大不同，含风力发电场的备自投快速切换方式包括快速切换、捕捉同期切换、残压切换、失压起动切换，这四部分后者为前者的备用。这种新的切换十分迅速，而且通过监测频率差、电压幅值差、电压相角差等因素有效地减小了备用电源切换时对系统元件的冲击，具有较强的优越性。本章详细介绍了这种含风力发电场的备自投快速切换方式在含有风力发电场的高压配电系统中的应用，并分析含风力发电场的备自投快速切换方式的先进性与可行性。

（一）含风力发电场的备自投快速切换方式的条件

根据前文对含风力发电场配电系统备用电源合闸时对冲击电流、冲击电压的分析，实现含风力发电场的备自投快速切换方式的先决条件如下：

（1）备用电源电压应与工作电源电压同相位，如果T1与T2的联结组标号不同，则应相应考虑额外的相位移，进行相位补偿。

（2）断路器动作快速，如真空断路器合闸时间在50ms左右。若断路器动作速度较慢，则失去了应用快速切换方式的意义。含风力发电场的备自投快速切换方式指的是工作电源断路器跳闸后或在跳闸过程中，快速的将备用电源合上恢复供电，使工作母线失电时间很短的切换，这是本章将含风力发电场的备自投快速切换方式应用于含风力发电场配电系统备用电源切换的意义之所在。事故切换由保护出口起动，分为快速切换、同期捕捉切换、残压切换和失压启动切换四部分。

（二）含风力发电场的备自投快速切换方式的应用

1快速切换方式

快速切换指的是图3-1中QF2跳闸后，快速检测与间的频差和相角差大小。当频差和相差均在设定范围内时，立即发出QF3合闸脉冲，完成快速切换。由于断路器动作快速，所以QF3合闸时的冲击电流、冲击电压均在安全之内，且失电时间短，保证了正常供电。

实际上，发出QF3合闸脉冲是用来界定的。一般在QF3合闸接通时,δ角不大于60°，因而发出QF3合闸脉冲的δ角不大于30°，保证QF3合闸接通时∆U在安全范围内。通常设定频差为1Hz；设定的相角差为30°。当断路器合闸时间为70ms时，在相角差30°时发出合闸脉冲，则QF3合闸接通时的最大相角差δmax为:

（3-1）

（3-2）

因风力发电场的存在，减小了电动机负荷断开瞬间次暂态电动势与系统电压的角度（0度与10.3度之间）,提高了快切的成功率若快速切换不成功，则工作母线失电时间比无风力发电场时略长。上述的快速切换，是QF2跳闸后才发出QF3的合闸脉冲，跳闸脉冲和合闸脉冲是串联发出的，故称串联切换。串联切换时工作母线断电时间相对长一些。为缩短工作母线断电时间，QF3的合闸脉冲可在QF2跳闸脉冲发出之后、QF2跳开之前发出，这样工作母线断电时间小于QF3的合闸时间。与串联切换相区分，这种切换方式称为同时切换。

2捕捉同期切换方式

在图3-1系统中，QF2跳闸后若快速切换未成功，则工作母线残压可能进入圆弧左方的不安全区域，此时不允许切换。与第一次重合时，QF3的主触头闭合，这称为含风力发电场的备自投快速切换方式的捕捉同期切换。显然，当捕捉同期切换成功时，争取到了QF3合闸机会，此时母线残压较高，对电动机起动很有利，同时冲击电压、冲击电流都最小。

同期捕捉切换可用如下两种方法实现：

（1）采用恒定导前相角原理，此时设定的参数是频差和导前相角。装置实时计算与间的相角差和频差，当超前的相角为设定时，若频差不超过设定频差，则发合闸脉冲，实现恒定导前相角原理将QF3合闸；若频差超过设定值，则放弃合闸，转入残压切换。

（2）采用恒定导前时间原理，此时设定的参数是频差和导前时间。装置在实时计算与间的频差和相角差的基础上，根据一定的变化规律，计算出导前的时间，当导前时间为设定值且频差不超过设定频差时，发出QF3合闸脉冲，令QF3合闸；当频差超过设定值时同样不发合闸脉冲，转入残压切换。导前时间原理在理论上要比导前相角原理捕捉同期正确，但实现复杂得多。

3残压切换方式

当捕捉同期切换没有成功时，就转入残压切换。残压切换原本是指当衰减到20-40%额定电压时，令QF3合闸，实现切换。残压切换虽可保证电动机安全，但停电时间较长。尤其是有风力发电场接入时残压衰减到20%-40%要用更多的时间，风力发电场与电动机孤岛可能失稳，所以在含风力发电场的备自投快速切换方式应用在工作母线上接有风力发电场的情况时必须考虑提高残压切换的门槛电压值。残压切换是同期捕捉切换不成功时的最佳选择。

即当电压至少衰减至额定电压84.3%时投切备用电源才能满足电动机安全要求，此时考虑到暂态冲击电流作用主要在合闸后半个工频周期，因此上述冲击电流并不危及电动机、风力发电场、备用变压器T2的安全。

4失压启动切换方式

电力系统故障导致工作母线失压，此时低电压元件判别工作母线失压，跳开工作母线进线断路器，再合上备用电源，恢复对工作母线的供电。失压起动切换相当于传统备用电源自动投入装置中的低电压起动，所以设定的参数是低电压元件动作电压和失压延时。可以认为，失压启动切换相当于残压切换的后备.失压起动切换又称长延时切换。残压切换和失压起动切换，会导致工作母线失电时间长,容易造成电动机组自起动困难。

在有高压大容量电动机负荷的切换中，快速切换可大大缩短工作母线失电时间，一般失电时间在100ms内；当快速切换没有成功时，同期捕捉切换是最佳手段，切换成功时工作母线失电时间约为400-600ms；同期捕捉切换没有成功时，采用残压切换，工作母线失电时间约为1-2s；失压起动切换可认为是残压切换的后备，失压起动切换即使成功，工作母线失电时间也是较长的。

结束语

随着科技的快速发展，风力发电场技术的应用愈来愈广泛，再加上配电网会受到风力发电场的巨大影响，与此同时这就又为研究继电保护与自动装置的方向提供了一个新方向。而本文主要是通过研究包含有风力发电场的配电网中保护和自动装置的这些动作特征，得出了改进继电保护装置与自动装置的必要性的结论，并且提供了一些理论的基础。同时，保护与自动装置是否能适应在分布式电源接入后的系统之中，且能顺利自动切换来保证系统的可靠供电将是分布式发电配网保护的一个重要的研究方向。

参考文献:

[1]贺益康，胡家兵，徐烈并网双馈异步风力发电机运行控制[M].北京：中国电力出版社，2011，12.

[2]张明锋，邓凯，陈波，等.中国风电产业现状与发展[J].机电工程，2010,2(1):01-04.