大规模风电接入的继电保护问题综述

对国内外大规模风电接入电网的继电保护问题进行了综述.首先分析了不同类型风电机组短路电流的幅值和衰减特征,以及影响风电场短路电流的因素.其次讨论了风电场内集电线路的故障特征和相应的保护策略.然后针对高压输电系统保护对风电接入的适应性,分析了零序保护、重合闸和距离 III 段的性能以及相应对策.最后,建议应当从加强风电机组故障特性研究、组织力量开展保护用风电机组电磁暂态通用模型研究、开发适用于风电场集电线路和网络保护的网络化保护新原理与新技术以及加强风电场与电网在保护和控制方面的协调配合4个方面展开研究工作,解决继电保护面对的问题     

具有低电压穿越能力的风电接入电力系统继电保护的配合

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,需要相关继电保护与之配合。详细分析了风电场送出线以外输电系统元件故障、风电场送出线故障、风电场内部电网故障以及风电机组本体故障情况下,输电系统保护以及风电场内部保护应有的配合关系。进一步分析了当前集中式接入风电场的继电保护配置,指出风电机组保护及变流器保护选择性不强,在风电场内部保护或系统保护动作切除故障之前,风电机组已经脱网,而且将风电网等同于单侧电源的配电网,没有考虑风电机组对短路的贡献。最后分析了单风电机组本体保护、风电场主变保护、风电场送出线保护需要进行的改进,以保证低电压穿越能力的发挥,并指出各保护需要注意的问题。     

双馈风电短路电流特性对距离保护的影响分析

双馈风电机组短路电流特性不同于传统同步电机,给继电保护算法和原理带来新的问题。解析推导了转速频率分量使全周傅里叶算法产生计算偏差的表达式,进一步分析了双馈型风电机组短路电流对全周傅里叶算法的影响,并通过仿真论证了理论解析的正确性。同时考虑到风电场一般具有较强的弱馈性,以距离保护为例,考虑不同类型接地故障并计及过渡电阻,对风电场侧送出线距离保护测量阻抗进行了机理分析,并辅以DIgSILENT仿真验证,分析了双馈风电短路电流中的转速频率分量以及风电场弱馈特性对送出线距离保护的影响,揭示了转速频率分量对于距离保护测量阻抗的影响规律。所得结论可为风电接入系统的保护与配置提供参考。     

风电场短路试验与风电短路特性分析

为验证风电高集中汇集在电网故障时的短路特性和对电网的影响,山东电网开展了接入荣成站110 kV风电场送出线路单相接地短路和风电场35kV馈线三相短路试验。依据短路故障录波数据,分析比较不同类型风电机组的短路电流特性,分别得出了含鼠笼型、双馈型和直驱型风机的风电场在不同短路条件下短路电流的特性规律,对于今后实际电网中风电集中接入下短路电流水平的评估具有重要的指导意义。     

基于PSASP/UPI的含风电场电力系统短路故障分析

风电场机组装机容量正逐年增加,而大规模风电接入系统对电力系统影响较大,因此研究系统故障以及风电保护配置对电网稳定运行很重要.通过对双馈异步风力发电机进行动态建模,在电力系统分析综合程序PSASP/UPI 6.28环境下,实现了风电系统的短路故障仿真,在此基础上分析了不同短路点对称和不对称故障状态下风电系统的电压、电流以及短路容量对风电并网暂态稳定性的影响等.研究结果表明风电场继电保护整定时应考虑这些影响因素,以提高风电场继电保护动作的有效性和可靠性.     

基于低电压穿越能力的风电并网点继电保护的研究

在分析各国有关风电场继电保护配置情况的基础上,指出了在风电场保护动作切除产生的故障之前,风电机组已经脱网,没有考虑风电机组对系统的作用。其次,对所构建的风电机组低电压穿越(LVRT)能力及其相关系统继电保护之间配合的实现进行深入分析研究,并验证输电系统继电保护以及风电场自身保护所应有的配合关系。为了防止具有LVRT能力的风力发电机(以下简称风机)投入系统导致传统的继电保护误动,提出在风机并网点采用电压电流保护的方法。电网发生故障或波动引起电流衰减,采用低电压保持的延迟电流保护来消除双馈异步风力发电机短路电流衰减对保护的影响。利用该保护对搭建的系统图进行仿真,得出保护跳闸情况,并与传统的保护进行分析对比。     

风电接入对电力系统的影响

研究了大规模风电接入对电力系统的影响。通过对基于双馈感应电机的风电机组进行动态建模以及对包含风电场的电力系统进行仿真计算，研究了风电接入对电网电压及输电线路传输功率的影响、风电场的短路电流贡献及其对电网短路容量的影响和风电接入后电网暂态稳定性的变化。研究结果表明大规模的风电接入可能会使电网出现线路传输功率越限、短路容量增加及电力系统稳定性发生变化等问题。最后针对上述问题提出了相应的改善措施。     

风力发电机组对称短路特性分析

在电力系统分析软件DIgSILENT/Power Factory中建立风电机组及电力系统模型,包括固定转速风电机组和双馈变速风电机组。设置靠近风电场的三相对称短路故障,对风电机组对称短路特性进行理论与仿真分析,比较了不同类型风电机组与相同容量同步发电机组的短路电流波形。以某区域电网为例计算了风电场接入前后其附近母线短路电流,计算风电场接入后使得短路电流增加的百分数,以确定风电场对系统短路电流的贡献。理论分析和仿真结果表明,风电场对并网点附近节点的短路电流有较大影响,在选择风电场附近的电气设备以及对其进行热稳定性校核时,需要考虑风电场对系统短路电流的贡献。     

风电场故障特性仿真研究

在DIgSILENT/Power Factory中构建了含风电场的电力系统仿真模型,对由恒速异步风电机组和双馈异步风电机组构成的风电场的故障特性及其影响因素进行了仿真研究,对比分析了不同类型的风电机组与相同容量的同步机组的故障特性的异同。仿真和分析结果表明：不同类型的风电场在系统故障时提供的短路电流不同,并远小于相同容量的同步机组所提供的短路电流,因此可以在短路电流过大的地点建设相同容量的风电场而不是传统的火电厂;在含风电场的配电网中,要考虑风电场对继电保护的影响,在风电接入系统的可研阶段不能简单将风电场视为相同容量的同步机组进行研究。     

风电场接入系统继电保护配置方案研究

针对目前风电场接入系统的继电保护设计方案中普遍将风电场作为负荷端的问题,首先介绍风力发电机自身配置的多种保护,根据风电场人工短路试验数据及风电场送出线路实际故障数据。结合国内外学者对风力发电机研究的理论成果,分析了风电场接人系统后对电网继电保护产生的影响,提出了风电场接人系统升压变电站、送出线路的继电保护配置方案。     

Impact Analyses of Wind Farm on Performances ofTransmission Line Relay Protection

A simulation system for power grid with concentrated large-scale wind farm integration is established based on the electro-magnetic transient model of wind turbine equipped with doubly-fed induction generator (DFIG),which is built by real-time digital simulator (RTDS).Using the hardware communication interface of RTDS,a closed-loop testing experiment is accomplished to study the impacts of large-scale wind farms on the existing relay protection devices for wind farm outgoing transmission line.This paper points out problems existing in current relay protection devices as follows:fault phase selector can select unwanted phase due to the changes of fault features caused by special network connection of wind farms;blocking condition for distance protections needs to be re-examined due to the weak power-feed characteristics of wind farms;and power frequency parameter based relay protection devices cannot accurately operate due to the special transient voltage and current characteristics of wind farms during fault period.Results lay the foundation for improving the performances of the existing relay protection device and developing new principle relay protection.     

基于分布参数模型的风电系统长距离送出线时域距离保护

传统工频原理距离保护易受风电系统故障特征的影响,基于集中参数模型的时域距离保护原理较适应于风电系统送出线。但考虑到该原理忽略分布电容的影响,当故障发生在风电系统长距离送出线时,可能造成距离I段保护发生暂态超越现象。因此,提出一种基于分布参数模型的风电系统长距离送出线时域距离保护原理。基于分布参数模型,通过保护安装处的电压、电流时域信息求得距离I段整定处的电压、电流时域信息,代入时域故障测距方程中,求得整定点与故障发生处的故障距离。通过与距离I段整定距离求和获得故障测量距离,实现保护动作。仿真结果表明,该原理不受长距离送出线分布电容的影响,具有较强的抗过渡电阻性能,优越于基于集中参数模型时域距离保护。     

基于双馈风机短路特性的风电场集电线路继电保护整定方法研究

目前的定值整定工作中往往将风电场作为负荷或常规电源进行分析计算,已经导致了多起事故,因此深入研究风电场的故障特征以及对系统继电保护的影响显得非常重要。首先,在双馈风机短路等值参数模型的基础上,研究了风机短路特性对集电线路保护的影响和集电线路继电保护整定值整定方法。其次,充分考虑了风机短路故障电流的影响,并提出了一套完整的集电线路系统继电保护定值整定方法。该方法分析了三相短路和两相短路的短路电流,提出了集电线路相间过电流保护和汇集线接地故障的零序电流保护的整定原则和计算过程。该策略避免了风机发生故障时产生的过电流对下游集电线路继电保护装置造成冲击和误动,目前已经在实际风电场得到了应用,验证了该方法的有效性。     

考虑风电机组馈入电流的风电场汇集线路保护整定计算方法

现行风电场馈线电流保护的整定计算,按照馈线末端有灵敏性整定,当弱电网接入且馈线较长时将造成高灵敏度和低选择性,存在保护误动风险。首先分析了低电压穿越对风电机组短路电流的影响,研究了影响风电机组短路电流的主要因素。然后介绍了风电场典型的保护配置,将风电场场内进行了保护区域划分,研究了馈线电流保护的保护配置规则。接着分析了风电场馈线电流保护的误动风险,以及馈线首端风电机组故障和相邻馈线首端故障时馈线电流保护误动产生的原因。基于上述理论分析,提出了考虑风电机组馈入电流的保护整定计算二次验证法,并给出了计算实例。     

海上风电场故障特性及保护配合的研究

一般海上风电场所选用设备和线路与陆上风电场有所不同,有必要对海上风电场的继电保护配置进行专门研究。利用ETAP仿真软件对风电场内元件及送出线故障时各元件的短路电流和机端电压跌落情况进行分析,并研究海上风电场本身特征和故障特性。在多个风电场并网时,风机会提供不容忽视的短路电流,短路点成为双侧电源供电。为此,考虑其特性及风机低电压穿越能力,提出海上风电场各元件和线路的保护配置方案及其整定原则。并对ETAP软件上搭建的某海上风电场模型进行保护及动作时序配合的仿真,验证了所提保护配置方案及动作时序的正确性和合理性。     

风场及其送出线保护配置与整定研究

现有风场及其送出线保护多从保障风机或各元件自身安全角度进行简单配置整定,可能存在保护范围不明确,选择性和灵敏性未进行系统校验等问题。结合风电故障特征,给出了风电场提供故障电流最大值的简化计算公式,提出了兼顾风机安全与系统可靠性的风场及送出线保护配置与整定原则。并以吉林某风场为例,尝试给出了风机、箱变、集电线、母线、主变在内的风场及其送出线保护的配置原则,定量化校验了集电线路电流保护配置与整定的合理性。     

基于故障等值网络的双馈风电机组三相短路电流计算方法研究

目前关于双馈风电机组短路电流的研究主要基于传统磁链分析方法。提出一种计算双馈风电机组定转子三相短路电流的新方法。首先将发生三相对称短路的故障网络分解为无故障网络和故障附加网络,在此基础上,考虑机端电压相位跳变以及转子侧变流器调控的影响,从功能解耦的角度出发,进一步将故障附加网络分解为定子侧故障附加网络和转子侧故障附加网络。然后利用Laplace变换方法计算两组故障附加网络下的定转子短路电流增量,并推导全电流解析式。仿真及动模实验结果均验证了定转子短路电流表达式的正确性,对于含双馈风电机组的电力系统短路电流计算和继电保护整定意义重大。     

风电场接入对配电网继电保护的影响与对策

风电场的接入改变了配电网的短路电流分布,必须调整现有的配电网保护才能保证发生短路时保护能正确切除故障。文章研究风电场接入后对配电网继电保护的影响,分析异步风力发电机的短路电流,讨论定子故障电流的构成和各分量衰减时间常数的计算及其衰减规律。在此基础上提出了自适应电流速断保护方案,有效解决了风电场接入后原配电网保护可能出现的误动、拒动问题,提高了保护动作的可靠性。