风电接入配电网后的继电保护方案研究

Study on Relay Protection Scheme in Wind Power Integration Distribute Network

摘要: 现有的继电保护系统中一般将风力发电系统作为同步发电机处理，不考虑故障下风电场提供的短路电流对继电保护的影响，但是随着大规模风电接入配电网，风力发电系统对配电网故障点提供的短路电流将会降低继电保护装置的选择性，进而导致继电保护装置的误动。为了保证继电保护满足“四性”的要求，本文通过研究分析风电接入配电网下的故障机理，提出将具有动作速度快、方向性明确、不受过渡阻抗影响的工频故障分量距离保护应用于配网的保护方案中。

Abstract: Wind power generation system is generally treated as synchronous generators in the relay pro-tection system, and regardless of influence short-circuit current that provided by wind farms. But with large-scale wind power integration distribute network, the selectivity of relay protection devices is reduced by short circuit current provided by wind power generation system, which leads to the maloperation of relay protection device. In order to guarantee the relay protection to meet the requirements of the “four characteristics”, this paper, through research and analysis on wind power distribution network fault mechanism, puts forward that distance protection using power frequency fault components of voltage and current which has action speed, clear direction and not affected by the influence of transition impedance is applied to distribution network protection scheme.

1. 绪论

随着能源危机和环境污染问题的日益严重，开发利用绿色能源越来越受到重视，大规模开发以风能、太阳能为代表的各类可再生能源，已经成为人类社会实现长期可持续发展的必然选择。

风力发电技术是新能源开发最成熟的，根据2014年中国风电装机容量统计，2014年新增装机容量2335.05万千瓦，比2013年增长45.1%，累计装机容量1.1476339亿千瓦，比2013年新增25.5%。由于风力发电系统具有随机性和间歇性，且风力发电系统不提供无功补偿，使得风力发电的输出不断变化，且无功功率还需要从电力系统中获得，当风电接入配电网中时，会影响配电网的继电保护定值。文献 [1] 介绍了五种风电并网的方式，并给出了风电并网后对现有电网继电保护的影响；文献 [2] 建立了双馈风力发电系统接入10 kV配网的仿真模型，通过仿真分析得出风电的接入容量及故障位置影响线路电流保护的动作情况；文献 [3] 分析了双馈风力发电系统输出功率的随机波动性；文献 [4] 通过分析分布式发电对保护范围、保护灵敏度的影响，将智能算法——BP人工神经网络应用于自适应电流速断保护方案中，实现了电流速断保护的自适应功能。

为了提高大规模风电接入后的继电保护运行管理水平，保证主网运行安全、提高配电网故障隔离的速度，本文以风力发电为研究对象，旨在通过研究风力发电系统在配网故障时引起的电气量变化，揭示配网现有继电保护的不足，从而提出适用于风力发电系统的继电保护配置方案。由于国内外关于继电保护整定计算软件都已相当成熟但都不包含风力发电系统，因此研究故障情况下风力发电系统并网对继电保护的影响是非常有意义的。

2. 风电接入对配电网继电保护的影响 [5] - [7]

配电网系统采用单一电源供电，接线方式为辐射式，由于配电网电压等级低且为中性点不接地系统，保护配置一般采用简单、经济、可靠的三段式电流保护，即电流速断保护、限时电流速断保护和定时限过电流保护。由于辐射网故障点的故障电流是由单一电源提供的, 因此切除故障仅需跳开系统侧的断路器即可。

当风力发电系统并入配电网后，如图1所示，当配电网发生故障时，不仅系统电源向故障点提供短

Figure 1. Schematic diagram of wind power access 35 kV distribution network

图1. 风电接入35 kV配电网示意图

路电流，而且风力发电系统也向故障点提供短路电流，且风力发电系统提供的短路电流的大小、方向与故障点的位置有关。

下面针对35 kV配电网系统不同的故障点进行分析风力发电系统对配电网故障的影响：

(1) 当k₁点或k₅点处发生短路故障时，系统电源S经保护QF1向k₁点或k₅点提供正向的短路电流，风力发电系统S_w1和S_w2向k₁点或k₅点提供反向的短路电流，但由于三段式电流保护不能区分电流方向，当由系统电源和风力发电系统提供的短路电流超过保护定值时，将导致保护QF1、QF2、QF5误动作；

(2) 当k₂点处发生短路故障时，系统电源S经保护QF1和保护QF2向k₂点提供正向的短路电流，风力发电系统S_w1经保护QF2向k₂点提供正向的的短路电流，同样的，由于三段式电流保护不能区分电流方向，当由系统电源和风力发电系统提供的短路电流超过保护定值时，将导致保护QF1误动作；

(3) 当k₃点处发生短路故障时，系统电源、S_w1和S_w2都向k₃点提供正向的短路电流，导致保护QF3处的电压升高，流过保护QF2的故障电流小于风力发电系统未接入时的故障电流，当风力发电系统的分流作用足够大时，将导致保护QF2的灵敏度降低，且保护QF2处作为保护QF3后备保护的过电流保护，将由于风力发电系统的接入不能对线路BC的全长保护，导致后备保护的保护范围缩短。

(4) 当k₄点处发生短路故障时，由于风力发电系统的接入，流经保护QF3的短路电流增大，造成保护QF3的电流速断保护的保护范围延伸到下一级，使速断保护失去选择性。

3. 工频故障分量距离保护原理

3.1. 工频故障分量距离保护基本原理

工频故障分量距离保护与电流保护、电压保护和距离保护的不同之处在于，前者用故障分量作为保护的测量电压和电流；后者都是以保护安装处故障点的全电压和电流作为保护的测量电压和电流。工频故障分量距离保护的原理如下：

当电力系统发生故障时，如图2，可根据叠加原理将故障后电力系统分解为故障前电力系统状态和故障附加状态，分别如图3、图4，相应的也可将故障后的电压、电流进行分解。

从图2、图3、图4中可得，

(1)

(2)

Figure 2. Post fault power system

图2. 故障后电力系统

Figure 3. Power system status before fault

图3. 故障前电力系统状态

Figure 4. Fault additional state

图4. 故障附加状态

式中，、分别代表故障后的电压、电流，、分别代表故障前的电压、电流，、分别表示故障附加的电压、电流。

由于工频故障分量距离保护 [8] - [10] 是一种暂态保护，它只反映故障分量中的工频变化量，而且不受负荷状态的影响。也就是说，工频变化量在短路瞬间表现非常显著，当故障进入稳态后，工频变化量的变化为零，其动作判据为：

(3)

3.2. 工频故障分量距离保护动作特性

正向故障时，以双端电源供电系统保护安装M处为例，工频故障分量距离保护的动作特性分析如图5。

图5中，Z_s、Z_k、Z_m、Z_set分别表示系统等值阻抗、故障点到保护安装侧M点的阻抗、正向故障时测量阻抗、整定阻抗，、分别表示M端电源、N端电源提供的故障电流。当正向故障时，故障前短路点电压及动作电压分别为：

(4)

(5)

其中，k表示正向故障时工频故障分量电流助增系数，k的表达式为：

通过比较式(4)、式(5)，可知正向故障时，、满足式(3)的关系，即正向故障时，保护可靠动作。

反向故障时，仍以保护安装M处为例，工频故障分量距离保护的动作特性分析如图6。

当反向故障时，故障前短路点电压及动作电压分别为：

(6)

(7)

通过比较式(4)、式(5)，可知正向故障时，、不满足式(3)的关系，即反向故障时，保护可靠不动作。

3.3. 工频故障分量距离保护在风电接入的配电网中的工作原理

以图1保护安装QF1处为例，分别记风机S_w1、S_w2的电压为U_w1、U_w2，线路AB的阻抗为Z_AB，QF1工频故障分量距离保护I段、II段的整定阻抗为，当在QF1保护I段内的k₁处发生故障时，工频故障分量距离保护特性分析如图5；当在QF1保护II段外的k₂处发生故障时，故障前短路点电压及动作电

压分别为：

Figure 5. Positive action characteristic analysis

图5. 正向动作特性分析等效图

Figure 6. Positive action characteristic analysis

图6. 正向动作特性分析等效图

(8)

(9)

将式(8)、式(9)代入动作判据式(3)，有：

(10)

可知当在k₂处故障时，由于工频故障分量距离保护采用的是故障分量，从式(10)中可以看出接入风机电源后，其对系统的助增效应对式(10)两侧的影响一样，保证II段能可靠动作。

通过以上分析，可知工频故障分量距离保护的优点：该保护继电器测量的是故障分量的电压和电流，且测量量不受故障前负荷、过渡电阻和系统振荡的影响；继电器仅反映故障分量中的工频分量，不反应故障中的高次谐波分量，具有稳定的动作性能；该保护继电器的判据简单，动作速度快，方向性明确。

由于工频故障分量距离保护具有以上优点，本文将其用于接入风电的配电网的保护方案中。

4. 工频故障分量距离保护在风电接入的配电网中的应用

鉴于工频故障分量距离保护具有良好的方向性，可以弥补电流保护不能识别方向的缺点，本文将工频故障分量距离保护适应于含风力发电系统的配网系统，为考虑典型状况，本文以线路k₁、k₂、k₃和k₅处发生短路故障分析，以Ⅰ段工频故障分量距离保护为例进行分析：

(1) 当k₁点处发生短路故障时，系统电源S经保护QF1向k₁点提供正向的短路电流，风力发电系统S_w1和S_w2向k₁点提供反向的短路电流，由于工频故障分量距离保护具有很好的方向性，只有当系统电源提供的短路电流超过保护定值时，保护QF1才动作，且由于保护QF2流过的短路电流是反向的，可靠不动作；

(2) 当k₂点处发生短路故障时，由于工频故障分量距离保护具有很好的方向性，当S_w2向保护QF2提供的短路电流超过保护定值时，由于方向问题，保护QF2可靠不动作，只有当由系统电源S和风力发电系统S_w1提供的短路电流超过保护QF2的定值时，保护QF2才动作；

(3) 当k₃点处发生短路故障时，保护QF1、QF2和QF3能够很好的配合保护线路；

(4) 当k₅点处发生短路故障时，系统电源S经保护QF1向k₅点提供正向的短路电流，风力发电系统S_w1和S_w2向k₅点提供反向的短路电流，由于工频故障分量距离保护具有很好的方向性，只有当系统电源提供的短路电流超过保护定值时，保护QF5才动作，且由于流经保护QF1和QF2的短路电流是反向的，该保护可靠不动作；

通过以上分析可知，工频故障分量距离保护可以很好的保护接入风力发电系统的配电网。

5. 结论

风力发电系统接入配电网后，配电网由单一供电系统变为多源供电系统，导致故障点的短路电流大小和方向发生变化，且由于配电网配置的电流保护的保护范围与灵敏度易受运行方式的影响，使得电流保护不能很好的保护接入风电的配电网。本文通过分析工频故障分量距离保护的原理及性能，说明工频故障分量距离保护具有很好的方向性、不受过渡阻抗和系统振荡的影响，性能优于电流、电压保护及传统的距离保护，适用于35 kV及以下的配电网保护方案。