摘要：随着风电等新能源技术的不断推进，风电规模增加的同时伴随着成本的大幅下 降，这使其成为了一种具有大规模开发及商用前景的可再生能源。风电大规模接入后保护的性能将会发生什么样的变化，本文将对其研究。
关键词：大型风电场；集电线路电流保护；距离纵联保护
1风电场中压集电线路的保护
1.1风电场中压区域相间短路电流保护选择性问题
风电场中压集电线路的保护配置应依循传统的三段式保护原则。由于风电场集电线路已经位于系统末端，无需 II段定时限电流保护与下游线路进行配合，因此，风电场集电线路保护应将传统三段式保护简化为两段式保护，即I段电流速断保护和II段过电流保护，其整定原则为：I 段保护应按集电线路末端发生最小短路电流整定，并保护线路全长。II段过电流保护为后备保护，按集电线路最大负荷电流整定，较I段保护具有更高的灵敏性。I、II 段保护的动作时间应与风机机端熔断器动作时间相配合，当熔断器的动作范围内发生短路故障时，集电线路I、II段保护不应抢先于熔断器动作。在熔断器动作后，集电线路 I、II 段保护应能可靠返回，防止越级跳闸扩大故障影响。按照经典保护配置，风电机组机端箱变至集电线路之间配置有35kV高压熔断器。
现阶段风电场集电线路保护策略已相对完善，但各条集电线路之间的选择性尚未得到有效关注，各风电集群内风机被视为负荷，忽略了风电的特殊性，不考虑其故障过程中能够提供的短路电流。然而，随着目前各类型风电机组低电压穿越技术的不断完善，越来越多的风机在故障期间能够继续并网运行。在这种情形下，若某条集电线路发生故障，邻近线路电流保护感受到的是其对应风电集群内所有风机提供的短路电流，若仍然沿用现有保护配置，该线路电流保护有可能因反向误动而切除整个健康风电集群。
1.2风电场中压区域单相接地故障问题
风电场集电线路接线方式沿用放射状配电网结构，升压站变压器低压侧及风电机组箱变高压侧均采用△型接线方式，属于小电流接地系统。在这种情况下，发生单相接地故障后由于线电压仍然对称，因此系统允许带单相接地故障运行一段时间；其余非故障线路所辖风电机组能够保持并网运行，不受单相故障的影响。由于单相接地故障是发生最频繁的故障类型，而风电机组本身在非对称性故障场景下的生存性较弱，故这种接线方式能够极大地提高风电机组电能供应的可靠性。然而另一方面，非故障相的电容电流均通过接地点流入大地，若不及时切除则易发展为多相短路甚至三相短路，扩大事故范围并对风电场造成难以估量的危害。由单相故障发展而来的三相故障可能导致风电集群大规模脱网，引起系统频率偏移并对区域电网产生恶劣影响；从过程上来看，上述大规模脱网的发生关键性因素除单相故障无法快速清除以外，风电场馈线结构的缺陷也是造成大规模脱网事故的重要原因之一，风电场中压集电线路虽然与沿袭了配电网的一般性架构，但仅出口处装设有断路器，因此线路任何一处的故障均可致使整条线路风电机组全部切除，损失大量有功出力的同时极易造成故障后的高电压脱网现象。可见目前风电场单相故障主要存在着 选择性及速动性的问题，风电场中压集电线路的规划设计虽然仿照了现有配 电网架构，但并未划分类似配电网的分层分级结构。因此一旦中压集电线路发生单相 故障，在故障隔离的过程中至少应切除该条集电线路所连接风电集群中的所有风机，极易造成其他风电机组的后续高电压脱网[。
2风电场高压联络线路保护
2.1风电场高压联络线路纵联电流差动保护和距离保护
大型风电场远离负荷中心，借助高压输电线路实现风电能源的远距离外送，电压等级一般在110 kV及以上。这样的外送联络线一般配备具有全线速动能力的保护作为主保护，如纵联电流差动保护和纵联方向保护，并以三段式距离保护为后备保护。其中距离保护I段为独立跳闸段，距离保护II段为跳闸元件，III段为启动元件；当距离纵联保护信道丢失时，两端的距离原件可独立构成基于单端量测量的单端距离保护。因此，风电场联络线路纵联电流差动保护及距离保护两者的抗过渡电阻能力能够极大地反映联络线路保护的综合抗过渡电阻能力。以某地区实际大型风电场接入为例，对风电场送出线路保护进行动作性能测试，结果显示背侧具有大型风电场接入的高压输电线路电流差动保护灵敏度降低，方向、距离以及选相元件正确动作能力存疑。
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当送端母线背侧为由DFIG构成的大型风电场时，基于全周波傅里叶算法的距离保护可能由于风电场侧 电压及电流频率的不一致而出现误动或拒动的情形，其动作性能无法保障；风电场联络线距离 保护阻抗曲线受风电场和系统两侧电势比、相位角差、接地电阻和故障类型影响，而仿真结果证明联络线距离保护在故障暂态过程中将会不断进出阻抗特性动作区，进而影响距离保护的最终动作性能。
2，2风电场外送高压联络线单相高阻故障
110 kV以上的高压输电线路一般配置有双重化的主保护及一套后备保护，用于故障的快速切除，防止事故演变甚至停电范围的扩大化。这样的高压输电线路为大电流接地系统，在单相金属性短路接地发生时线路上流过较大的故障相电流及零序电流，相应的接地保护装置一般能够保证可靠动作。然而，单相接地故障往往带有较大的过渡电阻，此时故障分量将会非常微弱，三相电压几乎依然对称。当系统发生单相对树枝放电时过渡电阻最大可高达 300 Ω；单相接地保护的高阻接地反应能力普遍不足，拒动问题十分明显。截至目前，单相接地故障的有效识别与快速切除一直是保护领域尚未充分解决的热点问题。事实上，对于高压/特高压输电线路，单相故障也是发生最频繁的故障类型。若系统长时间带故障运行，则可能导致相间绝缘击穿而发展为相间故障，加深故障的严重程度，甚至引起事故的扩大化，所以必须对其快速而可靠地进行切除。
我国风电场联络线为单回线路，采用两套原理不同的主保护，即纵联电流差动保护与距离纵联保护，近风电场侧配置有基于三段式距离保护的后备保护。作为大规模风力发电功率送出的关键通道，该联络线上的单相故障同样应能够快速准确切除。以分相电流差动保护为例，由于制动电流的限制，其灵敏度往往不足以反应高过渡电阻的单相接地故障，为提高其抗过渡电阻能力，具有更高灵敏度的零序差动保护经常与分相电流差动保护配合使用，但由于零序差动保护无法按相跳闸，为防止系统缺相运行时保护的误动作，必须在该时段内将其闭锁，从而使得闭锁时段内主保护失效。另外基于这两种原理的差动保护要求电流严格实时同步，必须依赖于高可靠性的通信系统作为支撑。对于无需通信支撑的后备保护而言，零序过电流保护作为保障输电线路故障快速切除的最后手段，也存在着诸如需要与相邻线路配合、动作时间长等先天性不足。
由于风电场送端正负序阻抗远大于零序阻抗表征出的弱电源特性，不对称故障工况下风电场侧短路电压与电流频率具有一定的差异，风电机组功率的波动性会导致整个风电场在过电压或欠电压的条件下无法保障所有机组均能并网运行，风电场运行方式的变化将可能影响高压联络线保护的动作性能。风电场与大电网之间的功率传送通道仅为单回高压联络线，因此联络线保护的 故障反映能力是影响风电场的并网稳定性的至关重要因素之一。然而目前联络线主保护与后备保护在单相故障场景下的抗过渡电阻能力普遍不足，一旦单相高阻故障未被 及时清除、演化为相间故障甚至三相短路故障，则会导致整个风电场的规模化脱网；反之若保护能够及时按相跳开单相高阻故障，则联络线可在短时缺相运行后经重合闸 继续维持风电场的并网运行，则可在大大降低系统冲击、增强系统安全性的同时提升了风电场电能供应的可靠性。总的来说，风电场的接入使输电线路的高阻接地问题变得更加复杂。故对于风电场联络线保护原理的要求方面需充分考虑如下几个方面的因素：须尽可能地提高保护的抗过渡电阻能力，至少应为300Ω；须在系统缺相运行等特殊工况下仍然具备高阻识别能力并可靠不误动；实现原理简单，无需逐级配合或双端信息同步；能够适应风电电源的特殊故障形态。
3 结束语
对于大型风电场而言，不论是风电机组自身，还是集电线路、高压联络线路等不同电压等级的区域，均存在着一些保护领域尚未完全触及的关键性问题，其有效解决将会从一个全新的角度大 推进风电场故障穿越能力。总的来说，风电机组本身和风电机组组成大规模风电场后关键区域元件保护技术的高低，在很大程度上影响着风电场并网运行的安全性和经济性。
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论文作者:李耀平
论文发表刊物:《电力设备》2018年第18期
论文发表时间:2018/10/17
标签：故障论文; 风电场论文; 单相论文; 风电论文; 电流论文; 线路论文; 电线论文; 《电力设备》2018年第18期论文;