为什么要研究含风电系统的继电保护适应性？
A
继电保护反应故障特征动作,故障特征取决于系统中的电源和网络拓扑。目前的保护装置适应于同步机作为电源的系统,由于风电电源的对故障的响应与传统同步机不同,因此有必要研究现有继电保护原理与判据对于含风电系统的适应性。
Q
含风电系统与传统电网故障特征的差异是什么？
A
由于风电电源结构和控制方式的特殊性,它们具有与同步机电源不同的故障特征,如图1所示。
无论双馈还是直驱风机,故障过程中为保护变流器安全,提供短路电流的能力有限,表现为弱馈特征如图1(a);电力电子器件开关及控制系统作用引入大量谐波如图1(b);低电压穿越等故障暂态控制使得风电机组等效阻抗随时间变化,由于控制主要作用于正序分量,因此正序负序阻抗相差较大如图1(c)。此外双馈风电系统因异步电机的存在,而在某些故障类型下表现出电流频率偏移特征如图1(d)。风电电源上述有别于同步机系统的故障特征,使得目前的继电保护原理可能存在适应性问题,即存在误动或拒动可能性。
图1风电系统故障特征
Q
应该从哪些方面着手来研究现有继电保护原理对含风电系统的适应性？
A
首先,理论分析现有保护原理与判据的适用条件,即它们能够反应的故障特征;其次,分析现有保护所反应的这些故障特征在风电系统中是否存在,初步得出保护适应性结论;最后,根据仿真数据和现场录波数据验证理论分析的正确性。
Q
现有保护在含风电系统中的适应性如何？
A
如下从单端量保护、双端量保护、零序保护的角度,简析现有保护的适应性。
一、单端量保护
1)距离元件
距离元件是距离保护的测量元件,实现方式可分为测距式和补偿式。测距式距离元件通过计算故障点到保护安装处的距离判别区内外故障,如工频量距离、时域距离等。补偿式距离元件通过比较保护范围末端电气量的幅值或相位关系来构成保护判据,如工频变化量距离、比相式距离。
工频量距离元件和比相式距离元件利用工频全量,面向被保护线路,与背侧系统阻抗无关。但由于存在相量提取环节,理论上将受谐波与频率偏移的影响。
时域距离元件利用故障全量,与背侧系统阻抗无关,且采用时域算法,理论上不受谐波与频率偏移的影响。
工频变化量距离元件的动作特性取决于其背侧系统等值阻抗的稳定性,风电系统的弱馈性及其受控特性使得其等值阻抗大且波动,缩短了距离元件的保护范围,容易拒动。
2)选相元件
基于序分量的选相元件利用零序和负序分区,进而利用辅助措施进行选相。风电的弱馈特性、序阻抗不稳定以及频率偏移都会影响序量提取而造成选相困难。
相电流突变量选相利用相电流工频变化量的幅值进行选相,风电的弱馈特征会导致相电流突变量小,风电的频率偏移特性会影响工频量提取的精度,给故障相选择带来困难。
3)方向元件
目前工频故障分量方向元件应用广泛,其动作性能取决于相量提取的准确性和背侧系统阻抗的稳定性。风电系统的谐波与频率偏移特性、序阻抗波动特性,分别影响了工频相量的提取精度和故障分量方向元件的性能。
二、纵联保护
纵联保护包括纵联电流差动、纵联方向、纵联距离。理论上,纵联电流差动保护在风电系统中的性能不受影响,风电的弱馈和谐波含量大的特点会影响其灵敏度。对纵联方向与纵联距离保护而言,其适应性分别等同于上述分析的方向元件和距离元件。
三、零序保护元件
零序电气量与被保护系统的网架结构有关,即取决于被保护系统的网架结构和接地方式。由于风电接入系统并未改变其零序网架结构,理论零序类保护都能够适应风电系统,但风电的谐波特性和频率偏移特性会影响到零序分量提取的精度。
Q
适用于含风电系统的继电保护应具备哪些特征？
A
风电系统的故障特征导致了一些常规保护不适用于风电系统中,同时也为适用于风电系统的继电保护研究指明了方向。
一、风电的弱馈性导致了利用电流增大的保护原理受到了限制。然而无论电源特性如何变化,系统网架的参数是相对稳定的,因此基于系统网架参数的保护原理,如参数识别和模型识别的保护原理,仍可用于风电接入系统。
二、风电的谐波特征和双馈风机的频率偏移特征影响了工频量提取精度,进而影响基于频域保护的性能。因此基于时域的保护原理或更适用于风电系统。
三、由于风电系统背侧系统阻抗不稳定且正负序阻抗不相等,因此适用于风电联络线的保护原理应是面向线路的,即基于故障全量的保护原理。
综上所述,基于网络拓扑参数、基于时域和利用故障全量的保护原理,能够适应风电系统的故障特征,可能成为风电系统继电保护的主流研究方向。
