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對國內(nèi)外大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的繼電保護(hù)問題進(jìn)行了綜述。首先分析了不同類型風(fēng)電機(jī)組短路電流的幅值和衰減特征，以及影響風(fēng)電場短路電流的因素。其次討論了風(fēng)電場內(nèi)集電線路的故障特征和相應(yīng)的保護(hù)策略。然后針對高壓輸電系統(tǒng)保護(hù)對風(fēng)電接入的適應(yīng)性，分析了零序保護(hù)、重合閘和距離III 段的性能以及相應(yīng)對策。最后，建議應(yīng)當(dāng)從加強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組故障特性研究、組織力量開展保護(hù)用風(fēng)電機(jī)組電磁暫態(tài)通用模型研究、開發(fā)適用于風(fēng)電場集電線路和網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)新原理與新技術(shù)以及加強(qiáng)風(fēng)電場與電網(wǎng)在保護(hù)和控制方面的協(xié)調(diào)配合4 個(gè)方面展開研究工作，解決繼電保護(hù)面對的問題。
0 引言
繼電保護(hù)是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線，能夠在故障發(fā)生時(shí)快速可靠地識(shí)別并有效地隔離故障，對遏制系統(tǒng)運(yùn)行狀況的進(jìn)一步惡化，保障電能高效穩(wěn)定的傳輸和利用都具有重要的意義。近年來，隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益突出，風(fēng)電等可再生能源越來越受到社會(huì)的關(guān)注，其大規(guī)模應(yīng)用，必然帶來集中接入、遠(yuǎn)距離傳輸以及風(fēng)電場內(nèi)部集電線路網(wǎng)絡(luò)化等問題，從而改變電力系統(tǒng)的運(yùn)行特征。
大規(guī)模風(fēng)電接入的繼電保護(hù)問題屬于智能電網(wǎng)的兼容性范疇。對接入點(diǎn)而言，規(guī)?；娘L(fēng)電場對系統(tǒng)運(yùn)行的影響，已不能象早期小型風(fēng)電接入一樣被完全忽略掉，這已不僅僅是風(fēng)電調(diào)度的問題，繼電保護(hù)所面臨的故障特征同樣也發(fā)生了顯著的變化。大型風(fēng)電場內(nèi)部的機(jī)組和機(jī)群越來越多地采用35 kV 電壓等級(jí)以網(wǎng)絡(luò)的形式匯集電能，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)保護(hù)原理和裝置能否滿足風(fēng)電場內(nèi)部集電線路的要求，也是眾多業(yè)主和電力系統(tǒng)運(yùn)行部門必須考慮的問題。
為了保證大規(guī)模風(fēng)電接入后的電網(wǎng)安全，國內(nèi)外學(xué)者就風(fēng)電接入的繼電保護(hù)問題在以下3 個(gè)層面展開了研究工作：
1)風(fēng)電機(jī)組以及風(fēng)電場的故障特征分析。
風(fēng)電機(jī)組多采用感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和時(shí)間常數(shù)小，并且沒有專門的勵(lì)磁裝置，故障特征與同步發(fā)電機(jī)存在顯著的差別。永磁直驅(qū)機(jī)組雖然為同步發(fā)電機(jī)，但是通過換流器并網(wǎng)，其故障特征和換流器控制特性密切相關(guān)。另外，電力電子設(shè)備自身的保護(hù)策略和低電壓穿越等特殊要求，也附加了額外的控制要求。這些都將增加風(fēng)電機(jī)組電磁暫態(tài)過程的復(fù)雜性，從而影響繼電保護(hù)的性能。
風(fēng)電機(jī)組以及風(fēng)電場的故障特征分析主要包括暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)短路電流的計(jì)算、波形分析、衰減特性分析以及短路阻抗分析等內(nèi)容。
2)風(fēng)電場集電線路及網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)問題。
雖然大型風(fēng)電場內(nèi)部集電線路廣泛采用 35 kV電壓等級(jí)，但卻與傳統(tǒng)配電網(wǎng)輻射狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在明顯的差別。對于任一集電線路，由于兩側(cè)母線上均有電源分布，在繼電保護(hù)研究中，將被等效為雙端電源元件，傳統(tǒng)輻射狀配電網(wǎng)繼電保護(hù)的配置方式和整定原則將不再適用。
風(fēng)電場集電線路及網(wǎng)絡(luò)保護(hù)研究主要包括保護(hù)原理、保護(hù)配置、整定原則及與電網(wǎng)保護(hù)配合關(guān)系等內(nèi)容。
3)大規(guī)模風(fēng)電接入輸電網(wǎng)的繼電保護(hù)問題。
在包括中國在內(nèi)的大多數(shù)國家，風(fēng)電的大規(guī)模利用必然伴隨著電能的遠(yuǎn)距離集中傳輸問題，因此高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)的整定和運(yùn)行管理中，必須考慮風(fēng)電等隨機(jī)電源的故障特征。風(fēng)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性對并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線保護(hù)的影響，繼電保護(hù)的適應(yīng)性及配置配合關(guān)系，性能優(yōu)良的新原理都需要進(jìn)一步深入研究。
規(guī)?；L(fēng)電接入電網(wǎng)的問題是目前國內(nèi)外相關(guān)研究的熱點(diǎn)[1]，但是繼電保護(hù)相關(guān)問題卻并沒有得到足夠的重視。筆者認(rèn)為原因之一在于繼電保護(hù)是服務(wù)于電網(wǎng)安全運(yùn)行的，現(xiàn)階段繼電保護(hù)問題并沒有大規(guī)模地顯現(xiàn)出來。隨著調(diào)度、運(yùn)行方式等問題的解決，風(fēng)電在電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)中所占比例必將逐步提升，繼電保護(hù)的適應(yīng)性問題將集中體現(xiàn)出來并需要得到足夠的重視。
本文從風(fēng)電機(jī)組與風(fēng)電場的故障特征、風(fēng)電場集電線路與網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)以及大規(guī)模風(fēng)電接入后高壓電網(wǎng)的繼電保護(hù)3 個(gè)方面，對目前國內(nèi)外的相關(guān)研究成果進(jìn)行了回顧和分析，對未來研究方向進(jìn)行展望，并提出自己的觀點(diǎn)，以期能夠?qū)窈蟮南嚓P(guān)繼電保護(hù)問題研究有所助益。
1 風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場的故障特征.
1.1 概述
故障分析是繼電保護(hù)的基礎(chǔ)，繼電保護(hù)的新原理設(shè)計(jì)、整定計(jì)算都離不開故障分析。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)理論體系是建立在同步發(fā)電機(jī)電源以及三相對稱系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的。也就是說，假設(shè)在故障發(fā)生之后的電磁暫態(tài)過程中，同步發(fā)電機(jī)能夠作為一個(gè)理想電源不發(fā)生任何參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)的改變。基于此，可以計(jì)算得到短路電流及其衰減特性，并作為繼電保護(hù)原理設(shè)計(jì)、整定以及斷路器選擇的依據(jù)。
風(fēng)電機(jī)組廣泛采用異步發(fā)電機(jī)，即使永磁同步發(fā)電機(jī)也采用電力電子設(shè)備并網(wǎng)，顯然其短路電流的大小和故障特征已經(jīng)發(fā)生了顯著的變化。
1.2 風(fēng)電機(jī)組的短路電流計(jì)算
1.2.1 感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)
感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)的短路電流計(jì)算并不是一個(gè)新問題。文獻(xiàn)[2]推導(dǎo)了異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載發(fā)生定子三相短路時(shí)短路電流的解析表達(dá)式，基于感應(yīng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)繞組電阻可以忽略和滑差很小這2 點(diǎn)假設(shè)，得出短路半個(gè)周期之后定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈相差180°的結(jié)論，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出短路電流最大值的解析表達(dá)式和衰減規(guī)律。該文獻(xiàn)得到的短路電流最大值的誤差可達(dá)10%~20%。文獻(xiàn)[3]在相同假設(shè)的基礎(chǔ)上利用空間矢量分析方法推導(dǎo)出鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的短路電流的解析表達(dá)式，值得指出的是，該文獻(xiàn)利用序分量理論分析了不對稱短路時(shí)感應(yīng)發(fā)電機(jī)的短路電流，該結(jié)果對繼電保護(hù)性能分析和靈敏度校驗(yàn)具有積極的意義。
文獻(xiàn)[4]利用Power Factory 軟件包仿真分析了感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)的短路電流，其結(jié)論與上述文獻(xiàn)[2-3]的結(jié)論相同，即故障時(shí)感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)注入了可觀的故障電流，隨著故障時(shí)間的持續(xù)該電流逐漸衰減，衰減時(shí)間與故障類型相關(guān)，對于三相故障而言，衰減最為迅速。
文獻(xiàn)[5]在利用電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)RT-Lab軟件包分析感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)短路電流時(shí)考慮了原動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的作用，其結(jié)論并非專門針對繼電保護(hù)，但從仿真結(jié)果中仍能夠驗(yàn)證文獻(xiàn)[3]分析的正確性，即在相間短路時(shí)，非故障相的短路電流緩慢增加到穩(wěn)態(tài)值，故障相的短路電流逐漸衰減。
1.2.2 雙饋型異步發(fā)電機(jī)
雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的短路電流分析是近年來的研究熱點(diǎn)[2-3,6-16]。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的滑差由于轉(zhuǎn)子電流控制而不能再被認(rèn)為是一個(gè)很小的數(shù)值，外部短路時(shí)撬棒(crowbar)電阻的作用使得轉(zhuǎn)子回路的電阻不能被忽略。文獻(xiàn)[2]考慮以上因素，并考慮了短路發(fā)生后定子與轉(zhuǎn)子磁鏈的相位關(guān)系，推導(dǎo)出考慮 crowbar 電阻的雙饋異步發(fā)電機(jī)短路電流計(jì)算公式。文獻(xiàn)[3]基于空間矢量理論和序分量理論推導(dǎo)出考慮不對稱故障時(shí)的雙饋異步發(fā)電機(jī)短路電流解析表達(dá)式，并分析了crowbar 電阻數(shù)值以及升壓變和聯(lián)絡(luò)線阻抗對短路電流的影響。文獻(xiàn)[6]以電壓跌落后物理過程的分析為基礎(chǔ)，根據(jù)磁鏈平衡方程，在轉(zhuǎn)子側(cè)電壓保持不變的假設(shè)下得出了短路電流的解析表達(dá)式。該方法考慮了雙饋發(fā)電機(jī)控制策略和控制參數(shù)的多樣性，通過考慮轉(zhuǎn)子側(cè)電壓不變和轉(zhuǎn)子側(cè)電壓瞬間調(diào)整2 種極限情況，得出的短路電流計(jì)算公式具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性。文獻(xiàn)[7]采用頻域分析法求解雙饋發(fā)電機(jī)的短路電流，其假設(shè)短路過程中轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓和頻率均保持不變，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出雙饋發(fā)電機(jī)三相短路時(shí)的故障電流表達(dá)式。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]并未考慮crowbar 保護(hù)電路對短路電流的影響。
值得注意的是，以上關(guān)于雙饋發(fā)電機(jī)故障電流的分析過程都沒有考慮控制系統(tǒng)的作用，實(shí)際上對于快速響應(yīng)的電力電子設(shè)備，控制系統(tǒng)勢必影響異步發(fā)電機(jī)電磁暫態(tài)過程，從而對快速動(dòng)作的主保護(hù)產(chǎn)生影響。
文獻(xiàn)[8-11]所關(guān)注的問題并不是雙饋風(fēng)電機(jī)組的短路電流，但是低電壓穿越功能的設(shè)計(jì)以及電壓跌落情況下雙饋發(fā)電機(jī)的性能研究對故障特征的分析具有一定的參考作用。
文獻(xiàn)[12-16]通過電磁暫態(tài)仿真軟件對雙饋型發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的短路電流進(jìn)行了研究，其結(jié)論與以上理論分析結(jié)果吻合。即crowbar 保護(hù)發(fā)揮作用后，三相短路時(shí)，雙饋異步發(fā)電機(jī)提供短路電流的能力大大降低，同時(shí)轉(zhuǎn)子繞組回路時(shí)間常數(shù)減小，短路電流的強(qiáng)制分量迅速衰減。不對稱故障時(shí)，非故障相電流的強(qiáng)制分量迅速增大到穩(wěn)態(tài)值，而故障相的短路電流強(qiáng)制分量則迅速衰減。故障電流中的自由分量則受升壓變壓器以及輸電線路等定子回路電阻的影響。
1.2.3 永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)
永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)通過脈寬調(diào)制(pulse bmodulation，PWM)控制的電力電子設(shè)備并網(wǎng)，其短路電流與并網(wǎng)電力電子設(shè)備密切相關(guān)。到目前為止，并沒有檢索到針對永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)短路電流的相關(guān)研究問題，文獻(xiàn)[17-22]在進(jìn)行低電壓穿越控制研究時(shí)分析了永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)短路電流特征。
文獻(xiàn)[17]認(rèn)為短路電流可以按照不超過并網(wǎng)換流器額定電流來考慮。作者認(rèn)為，就目前的情形而言，這種方法可以作為工程上進(jìn)行整定計(jì)算的一個(gè)依據(jù)。
文獻(xiàn)[18-22]均提出了各自的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越運(yùn)行方案，并給出了電網(wǎng)故障時(shí)的仿真波形，對于永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的短路電流特征分析具有一定的意義。但是，從文獻(xiàn)[18-22]中同樣能夠發(fā)現(xiàn)，電網(wǎng)故障后的短路電流隨著不同風(fēng)電機(jī)組采用不同的控制策略而具有明顯的不同，這也給繼電保護(hù)的整定帶來了巨大的障礙。在現(xiàn)有條件下，要求繼電保護(hù)工作者熟悉并了解不同制造商提供的風(fēng)電機(jī)組的控制策略，并據(jù)此進(jìn)行保護(hù)整定是不現(xiàn)實(shí)的，因此目前對于以永磁直驅(qū)機(jī)組為電源的電網(wǎng)的整定必然存在一定的不適應(yīng)性和不合理性。
同時(shí)需要說明的是，在低電壓穿越的研究中母線電壓的跌落和故障是不同的，前者的跌落程度顯然要輕微得多，一般情況下繼電保護(hù)所面對的近端故障情況母線電壓跌落會(huì)嚴(yán)重得多，此時(shí)的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的故障電流如何，并沒有引起足夠的關(guān)注。
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ALLEN BRADLEY X-257897 350VA 550/600V-AC 110/120V-AC VOLTAGE TRANSFORMER B463038
GE 9T23B3854 75KVA 3PH 480V-AC 480/277V-AC VOLTAGE TRANSFORMER D373528
GENERAL ELECTRIC 9T56Y4161 780VA 460/230V-AC 115V-AC TRANSFORMER D247772
MICRON BX150MPU15 150VA 1PH 480V-AC 120V-AC VOLTAGE TRANSFORMER B429494
SQUARE D 9070 KF50D1 .050KVA 480V-AC 120V-AC VOLTAGE TRANSFORMER B460081
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GS GENERAL SIGNAL E095E 95VA 120/240V-AC 24V-AC 1PH VOLTAGE TRANSFORMER D492793
CUTLER HAMMER C0250E3CFBNXXRT ConTROL 230/460V-AC 95/115V-AC TRANSFORMER D491279
HonEYWELL AT140B1206 40VA 1PH 120V-AC 24V-AC TRANSFORMER B470637
ALLEN BRADLEY 1497-E-BASX-1-N 250VA 1PH 240/480V 120V TRANSFORMER B345098
GE 9T58B2806 200VA 1PH 240/480V-AC 120/240V-AC VOLTAGE TRANSFORMER D467837
HAMMOND PT750MLI VOLTAGE 750VA 1PH 460V-AC 115V-AC TRANSFORMER B260236
ALLEN BRADLEY 1497-B-CXSX-3-N 80VA 600V-AC 120V-AC VOLTAGE TRANSFORMER B459542
NEW CARRIER HT01CZ460 P541-8404 48VA 460V-AC 25V-AC VOLTAGE TRANSFORMER B475959
ALLEN BRADLEY 80025-158-08 60KV BIL RATIO 75:5A AMP CURRENT TRANSFORMER D207131
ALLEN BRADLEY 1497-F-BASX-1-N VOLTAGE 350VA 480V-AC 120V-AC TRANSFORMER B336850
MICRON J100A1EA1A01 EP 100VA 1PH 120/240V-AC 12/24V-AC TRANSFORMER D468275
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ALLEN BRADLEY 1497-N25 X-183222 130VA 240/480V-AC 120V-AC TRANSFORMER D276010
ALLEN BRADLEY 80025-158-08 RATIO 75:5 CURRENT 60KVA TRANSFORMER B267669
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AMETEK 71733KE TRANSFORMER D327899
SQUARE D 9070T50D23 50VA 120/240V-AC 24V-AC VOLTAGE TRANSFORMER B460051
ALLEN BRADLEY 80025-033-11 RATIO 200:5 5KV 60KV-AC CURRENT TRANSFORMER B399532
SIEMENS 14-223-304-001 VOLTAGE 750VA 1PH 2400V-AC 230V-AC TRANSFORMER B347889
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ACME TA-2-32404 VOLTAGE 150VA 208/600V-AC 85/130V-AC TRANSFORMER B333137
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MAGNETICS & ConTROLS 12067 1800:1A AMP CURRENT TRANSFORMER D300206
ALLEN BRADLEY X-183202 130VA 550/600V-AC 110/120V-AC VOLTAGE TRANSFORMER B467972
GENERAL ELECTRIC GE 44B334806-G01 1755 TURNS CURRENT TRANSFORMER B478804
HAMMOND HK9J TYPE H VOLTAGE 350VA 1PH 600V-AC 120V-AC TRANSFORMER B351680
