大规模风电接入的继电保护问题综述

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35 kV 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 35 kV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Power Factory 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-L