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摘要：近年来，我国科学技术的不断进步为风力发电技术的发展创造了有利的条件。但是，受诸多因素的影响，在风电机组运行的过程中，出现了大规模风机脱网事故，严重影响了发电机组的正常运行。继电保护是电网安全稳定运行的第一道防线,具备低电压穿越能力的风电机组要求在一定的故障条件下不脱网，需要相关继电保护配合。本文分析了风电场和风电机组的故障特性和低电压穿越特性，并详细分析了具备低电压穿越能力的风电场风机机组本体故障、风电场主变故障、风电场集电线路故障以及风电场送出线路故障情况下，输电系统保护以及风电场内部保护的配合，以及风电接入电力系统继电保护需要注意的问题。
关键词：风力发电；机组；低电压穿越能力；继电保护
1 引言
在风力发电的初期，由于风电在电网中所占比例很小，并网风电机组对电网影响不大，电力系统继电保护配置和整定计算时往往没有考虑风电场的影响，当电网发生故障时，通常采取切除风电机组的措施来保证风电场及电网的安全。
2 风电场和风电机组的故障特性
风电场和风电机组故障特性主要含有稳态与暂态短路电流衰减特征分析、波形分析、电流大小计算等内容。湖南郴州有一个50MW风电场，该风电场用的是永磁同步发电机，它是利用变流器的并网，使它的故障特点与变流器有紧密联系。同时，电力电子设备的保护方法及低电压的穿越特征都增加了控制要求，使得风电机组的电磁暂态过程变得更加复杂，进而对继电保护性能产生影响。如果是鼠笼式的异步电机或双馈式的异步电机，鼠笼式的异步机组因为没有专门的励磁结构，所以，当电网出现短路故障后，系统不能再提供励磁给机组，短路电流就可以立刻衰减最后降至零，最终不能连续提供短路电流给电网。而双馈式的风电机组因为转子侧变流器的作用，故障切除时能够保持系统连续短路电流。
3 以50MW风力发电组为例的继电保护配置
在湖南郴州有一个50MW风电场，它的保护配置接线图见图1。图中示出了风电场、升压站和电网的联接情况。
风力发电机组配置以下继电保护装置：主变保护分差动保护、高后备保护、低后备保护、过负荷保护；110KV线路保护分三段分相电流差动保护、三段相间和接地距离保护、四段零序方向电流保护、过负荷保护；母线保护分电流差动保护、复合电压闭锁、过流保护；电容器保护分三段方向（低压）过流保护、三段（方向）零序过流保护、不平衡电流保护；35KV线路保护分三段方向（低压）过流保护、三段（方向）零序过流保护、过负荷保护；35KV接地变保护分速断保护、过流保护、零序过流保护、零序过压保护、非电量保护（温度保护）。还有高频和低频保护、欠压和过压保护、电网故障保护等。保护装置动作后，发出相应动作信号，并根据故障性质自动切除故障或使风力发电机组退出运行。
箱式变压器高压侧配置插入式全范围保护熔断器，低压侧配置过电流断路器。高压侧的插入式熔断器作为变压器过载及短路保护，低压侧的断路器作为风机出口至箱变低压侧段的过载及短路保护。
该风电场分为三回35 kV集电线路，每回 35 kV 进线配置一套微机线路保护，含三段式相间距离保护、三段式相间方向电流保护及三相操作箱，带有过负荷保护，动作于信号。升压站主变压器 35 kV 侧的单母线分段配置一面 35 kV 母线保护柜。升压变站的继电保护采用微机型继电保护装置。
并网线路即110 kV送出线路，两侧配有全线速动保护，主要有光纤纵差保护，高频保护，距离保护，零序保护，重合闸投单相。对于该110 kV的升压站，只配有一台110 kV主升压变压器，电网侧距离保护可深入变压器内部。并配置微机型失灵远跳及就地判别装置。
4 低电压穿越特性
以前的风电场都不具备低电压穿越能力，风机低电压穿越能力的缺失导致风电机组大量跳闸。为了能使风力发电得到大规模的应用，而且不危及电网的稳定运行，当电网发生电压跌落故障时，风电机组必须在一定范围内不脱离电网，并且要类似常规电源向电网提供有功功率和无功功率支撑。根据《风电场接入电网技术规定》对风电场低电压穿越能力的要求：
风电场内的风电机组具有在并网点，也就是与公共电网直接相连的风电场主变压器高压侧母线或节点，此处的电压跌至 20% 额定电压时还能够保证不脱网连续运行 625 ms 的能力；风电场并网点电压在发生跌落后 2 s 内能够恢复到额定电压的 90% 时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。
要满足低电压穿越能力的要求，并网风电机组的暂态特性需要得到改善，使它具备足够的故障穿越能力，且更重要的是要求继电保护等控制保护措施与之配合，才能在故障时使这种低电压穿越能力得到发挥。
5 具备低电压穿越能力后风电场保护配合及需要注意的问题
风电机组具有低电压穿越能力，则风电场保护也需要进行相关改进，保证与机组低电压穿越特性的配合。
5.1 风机机组保护
不具备低电压穿越能力的风电机组在检测到故障发生时，风机机组变流器 Crowbar 保护电路瞬时投入，由于其电力电子开关器件一般为晶闸管，不可控制其退出运行，因此在 Crowbar 投入后机组将直接脱网。具备低电压穿越能力的机组，其变流器 Crowbar 保护电路的电力电子开关为IGBT，可分别控制其导通与关断，不至于导致机组脱网。
风电场控制室往往配有完善的监控系统。风电场升压站和变电站中配置的故障录波装置、相量测量装置和质量监测系统等，可以记录事故全过程的相关信息。根据风电场机组的厂家、型号、低电压穿越功能投退状态等，分析事故数据，整定保护动作时间。如图 2所示低电压穿越保护的风电机组，一旦风机的主控系统监测到机组机端电压低于90%的额定电压时，不发出电网故障紧急停机的命令，风电机组进入低电压穿越状态，控制变流器进行低电压穿越的相关动作，Crowbar电路瞬时投入，此时转子侧变流器被旁路。同时，变桨系统立刻启动，防止感应发电机进一步超速。当故障消除电网电压恢复后，Crowbar 电路会退出运行，转子侧变流器将会被同步并重新启动，变流器逐渐恢复对机组的控制，系统恢复正常运行。
不具备低电压穿越能力的风电机组，它的电压控制保护设备很灵敏，只要超过设定的电压或者频率值就会在系统或风电场故障期间切断机组，对于现在具备低电压穿越能力的风电机组，需要风机主控系统在低电压穿越期间闭锁这些机组保护。 如果机组机端电压低于限定值，则会动作于风机出口 690 V 断路器跳闸，风机就会停机。对于电流保护，电流速断保护动作时间为 0～0.05 s。当风电机组本体故障或机组机端发生故障时，机端电压下降明显，故障机组的低电压保护、电流速断保护等会在瞬时切除机组，而无故障的机组距离故障点较远，机端电压会比较高，电压、电流等保护可靠不误动，可以实现非故障机组的低电压穿越运行。
5.2集电线路保护
具备低电压穿越能力的风电机组将会在系统故障期间提供持续的短路电流，其特性受风电机组类型、运行工况、低电压穿越控制策略等因素的影响，短路电流将与传统同步机完全不同。除了快速保护受风电短路电流影响外，后备保护也同样受其影响。
集电线路电流速断保护动作时间为 0.2～0.3 s ，也就是说，集电线路故障时，其电流速断保护可以充分利用机组至少允许低电压运行 0.3 s ，在此时段内有选择性地切除故障的集电线路，而不是将整个风电场切除。但风电场中集电线路保护本身不具方向性，对于发生故障的集电线路，流过其保护处的电流是外部系统和风电场内其他机组共同提供的短路电流，而没有发生故障的集电线路流过的是本集电线路所接机组向故障点提供的反方向短路电流，如果大于保护的动作值将会误动，需要加装方向元件。
5.3 风电场主变保护
具备低电压穿越能力后，风电场主变除高压侧需配置完善的后备保护外，低压侧也需配置一短延时的后备保护。风电场主变发生故障时，可以充分利用机组至少允许低电压运行0.3s ，在此时段内有选择性地切除风电场主变。
5.4 风电场送出线保护
具备低电压穿越能力后，风电场送出线保护需要在系统侧与风电场侧均配置三段式距离后备保护。当风电场送出线以外输电系统元件故障时，输电系统保护可以充分利用机组至少允许低电压运行0.625 s 切除故障元件，保证风电场不脱网。
6 结论
以前风电场多不具备低电压穿越能力，风电机组保护无法保证选择性，系统轻微故障都将使得机组脱网。 随着并网运行的风电机组逐步具备低电压穿越能力，正确发挥低电压穿越能力需要与继电保护相配合。 本文详细分析了风电机组具备低电压穿越能力时继电保护的配合，以及风电接入电力系统继电保护需要注意的问题，具有很大的意义。
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论文作者:王莉,张锋,郭国龙
论文发表刊物:《基层建设》2016年36期
论文发表时间:2017/3/30
标签：机组论文; 低电压论文; 故障论文; 风电论文; 风电场论文; 电流论文; 电网论文; 《基层建设》2016年36期论文;