摘要：伴随着社会经济的飞速发展，社会生产生活对电能需求越来越大，但近些年，我国资源能源愈益短缺，风力作为可再生能源备受电力行业青睐，国家逐渐加大了对风力发电的投建力度，电力系统建设随之快速发展。现如今，我国风力发电规模不断扩大，在全球风力发电中占据顶尖位置。继电保护作为保证电网安全运行的重要手段，可在电网发生故障时，及时识别并排除，确保系统正常有序运行，保证电能充分利用、高效传输。在智能电网逐渐普及的形势下，大规模风电被接入电网，风电脱网现象频现，对电力系统及继电保护装置造成严重影响。为保证电力系统在大规模风电接入下仍能保持安全、有序的运行，需要明确大规模风电接入对继电保护的相关影响，进而采取有针对性的应对策略，以促进电力系统与风力发电的安全持续发展。
关键词：大规模；风电接入；继电保护；影响
风能具有清洁、可再生等诸多优点，在煤炭、石油等不可再生资源短缺的情况下，是一种很好的替代能源。利用风力发电，能够很好的缓解我国电能需求紧张的现状。对于风力发电技术的研究由来已久，且取得了很大的成效，当前我国风电装机总容量已达到世界首位。但是由于风能不可控制的特性及风电场规模的不断扩大，对整个电网的安全稳定运行造成了巨大的影响，如系统电压波动、频率波动、谐波污染及继电保护不正确动作等。在下面文章里，我们将重点对大规模风电接入电网后会对继电保护系统造成的影响及如何解决这些问题进行分析探讨。
1风电接入对电力系统的影响
1.1风力发电的特点及现状
近年来，我国风力发电蓬勃发展，截至2010年我国风电累计并网装机3107万千瓦，装机规模居全球第二，全年发电量501亿千瓦时。风电建设呈现以下特点：风电总装机容量快速增长，风电在电网中所占比重不断增加。单个风电场装机容量不断增加。风电场接入电网的电压等级更高。风电机组的种类不断增多，风电机组单机容量不断增大。
1.2风电接入对电力系统的影响
由于风电场内不同地理位置的风力资源分布、风速不同，以及风电场电网结构、控制方式和风力发电机组受到的塔影效应等因素，风电场的输出功率具有随机性、扰动性和间歇性等特点。小规模风电场的装机容量较小，不会严重影响电力系统，但是大规模风电场对电力系统的影响较之显著。功率的变化将会对电网产生一系列的影响，主要包括：对电能质量的影响、对电网稳定性的影响、对继电保护的影响等。
1.2.1风电接入对电能质量的影响
由于风力发电的间歇性和波动性，给电网的电能质量带来了严重的影响，如电压波动、电压偏差和闪变、谐波等。目前，风力发电对电能质量的主要影响是电压波动与闪变，而谐波的影响也不容忽视。风电给系统给电网带来谐波的途径主要分为两种：一是风力发电机本身配有的电力电子装置，如并联电容与电抗元件发生谐振会放大谐波效应。二是风力发电机的无功补偿装置，如并联电容器可能会和线路电抗发生谐振。
1.2.2风电接入对电网稳定性的影响
风力发电系统一般在电网末端接入，改变了配电网传统的单电源分布式结构，使潮流流向和分布都发生了改变。随着风电注入功率的增大，可能会引起风电场附近的局部电网电压越限，严重时可能会导致电压崩溃。传统风电场容量很小，一般都作为负荷不参与电力系统的控制，当系统发生故障时，切除风电机组保证风电场和电网的安全。但是随着风电场渗透功率的不断增大，风电输出的不稳定性对电网的功率冲击效应也不断增大，对系统稳定性的影响就更加显著，严重时将会使系统失去动态稳定性，导致整个系统的瓦解。
1.2.3风电接入对继电保护的影响
风电机组的频繁投切会损坏接触器，缩短接触器的寿命，为了减少风力发电机组的投切频率，在有风期间，风力发电机都必须保持与电网相连。而且当风速在启动风速附近波动时，允许风力发电机短时电动机运行。
2继电保护设置
2.1风电场继电保护配置
风力发电机组中主要包括高频或者是低频的保护、电网故障保护等。当其中的保护装置开始运行之后，就会发出动作的信号，然后依据故障自身所具有的性质来将故障进行切除；同时，将故障部位从发电机组中退出来。箱式的变压器配置比较先进，其中包含有熔断器，此熔断器可以对其全范围进行保护。
2.2并网线路继电保护配置
在并网线路中，其线路的性质是单项线路。此线路的光纤纵差，需要进行距离保护以及高频保护等。当其中的单线以及其单压有所变化的时候，电网的侧面距离就可以对其单升压进行有效保护。
2.3风电短路特性
在对电网的侧故障进行详细分析之后可以发现，风电场中的侧故障电流所具有的特性和常规放电机组所具有的特性是不同的。某风电机组中使用的机组有部分是鼠笼机，此种机组具有定速及定浆的特性，在基地不断建设的过程中，使用鼠笼机的数量逐渐地减少，此种情况下，双馈机以及直驱机所占比重逐渐提高，其中使用数量最多的是双馈机组。双馈机组可以充分地利用变频器，以此来实现电机交流的目标，而其中的变频器只能进行供给装差，这样就可以大大降低容量需求，发电系统可以按照风力机的转速来对调节电流的频率，达到恒频输出的目标，对励磁电流进行改变之后，其幅值会发生变化，影响到发电机的有功调节。当风电发生短路故障的时候，其中的电流会发生变化，并且根据规律来进行递减，在最后，故障会变成稳态短路，在这个时候，双馈机组可以暂时为风电机的运行提供电流。
2.4机电保护性能分析
通过对上述的继电保护装置进行分析可以发现，当前已有的继电保护基本上是可以满足风电机组运行的需求的。在此种情况下，对其进行深入地分析，可以发现其中存在的主要问题就是小电流选线的正确率比较低，当小电流选择的线路不正确的时候，想要在发生故障的第一时间内切除线路具有一定的难度，另外，机电保护中存在的问题还有风电会对并网专用线路继电保护产生极大的影响。风电场会从零到额定之间有所波动，当此种情况出现之后，其电流会被限制在20%～30%，当保护电流被限定之后，风电场出现短路故障的时候，其所获取的电流就会减少，进而影响其灵敏度。
3分布式风场接入配电网限流与电流保护方案
3.1限流与电流保护配合保护原理
实验整定限流电抗值，当系统相关线路发生短路故障，分布式风场出口限流保护装置如果感受到故障电流，限流保护启动，从而限制附加短路电流，系统保护正确动作。
3.2限流保护装置原理
限流装置等效图如图1所示，限流器投人运行开始阶段,开通所有晶闸管。串联祸合变压器的原边流过部分电流,这部分电流藕合到变压器副边通过桥路给直流电感充电,直流电感上有逐渐增大的直流电流产生。与此同时,并联在变压器原边的旁路电感上通过部分交流电并逐渐减小。经过几个周期,充电过程结束,进人到稳态运行阶段。变压器原、副边电流定义为Ia，Ib，变比为N如图2示，线电流关系为Ia:Ib=1:N,直流电感上的电流ILd等于变压器副边电流峰值，即ILd=2Ib=2NIa，稳态运行阶段直流电感上电流ILd接近一常量,则dILd/dt≈0,因此直流电感上压降接近为0,这意味着变压器副边绕组压降很小,所以并联在原边上的交流电感上压降几乎为0。在稳态运行时,限流器的压降主要由串联变压器的漏抗、绕组电阻和晶闸管压降引起,在高中压系统中,由此产生的压降可以忽略。短路故障发生时,变压器原边突然加上很大的压降,交流电感立刻出现稳态短路电流ILa,直流电感上电流ILd随即增大。由于交、直流电抗器的存在,故障电流受到抑制而不会急剧上升。通过正确的控制策略,使直流电感和桥路退出故障回路的运行,交流限流电感完全承担限流作用。旁路交流限流电感大小由系统所允许的短路电流水平决定,即
，式中：
为电力系统角频率，Un为系统额定相电压，Iset为允许短路电流。考虑短路时刻最严重情况下半个周期时间内直流电感上电流一直上升，则短路时允许直流电感上电流上升值
与直流电感值
的关系为 
，式中：ULdFm为故障时加在直流电抗上可能的最大电压的峰值。
为使直流电抗器体积最小，应以故障情况下电感中储能最小来设计电感值，而故障情况下直流电感的储能为：
，式中：Im为稳态运行时直流电感上通过的电流。由上述两个公式可得： 
上式表明，Δim=Im即短路发生后半个周期内使直流电感中的电流增加到正常稳态运行值的2倍来选择直流电感,可使直流电感器的设计最优。由此可见,直流电感和桥路参数的设计与系统的短路电流水平无直接关系。
3.3限流与电流保护设计优点
根据以上分析，当分布式风场接入配电网后原配网线路继电保护采用限流与电流保护配合完成主要有以下优点：①目前风机出口都需安装低电压穿越保护装置，即当系统故障时保证风机在低压范围625ms内不脱网，在这个时限范围远超出一般系统电流保护时限，因此限流更显得必要，及故障时限流器与低电压保护也形成配合关系。②对于一般的限流电抗器或电阻式限流装置，当系统发生故障虽然限制了电流但是额外消耗大量能量或产生压降，对于此方案采用一种新型固态短路限流电抗器，克服了以上缺点对于限流保护的投切时间都远低于保护装置动作时限，保证限流与电流保护时限的配合。③此方案要比其他的功率方向保护元件、增设多个保护装置等更经济简单。
结语
综上所述，当前，大规模风电接入已成为国际社会所关注的一大焦点，在此背景下，我国电力行业在发展的过程中，逐渐将风力发电接入到了电力系统之中，以在满足社会对电能需求的基础上，实现能源资源的节约与对环境的保护。但是，大规模风电接入下给相应继电保护工作带来了挑战，大规模风机脱网事故的发生阻碍了风电事业的前行。
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李晓军（1978.5）男，汉，北京朝阳区，电力系统及其自动化 ，高级工程师，本科。
论文作者:李晓军,吴志鹏
论文发表刊物:《电力设备》2017年第23期
论文发表时间:2017/12/11
标签：电流论文; 风电论文; 电网论文; 电感论文; 故障论文; 继电保护论文; 系统论文; 《电力设备》2017年第23期论文;