上海能源科技發(fā)展有限公司 孫建鵬

雙碳戰(zhàn)略規(guī)劃在能源生產(chǎn)領(lǐng)域的廣泛推進，為我國能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整指明了方向，為緊跟碳達峰、碳中和政策，全面貫徹節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標，政府與能源企業(yè)逐步深化了對清潔能源的開發(fā)與利用，在大規(guī)模風電光伏、太陽能、水電等電力生產(chǎn)項目中投入了更多的支持。在電力供應(yīng)體系中接入風電機組，對電力生產(chǎn)與供應(yīng)進行一體化、智能化的管理與控制，可在優(yōu)化電力資源整體調(diào)配結(jié)構(gòu)的同時，降低電力生產(chǎn)對環(huán)境產(chǎn)生的多方面、復(fù)雜性影響。

隨著低碳環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展理念的宣傳與普及，人們逐步對清潔能源的創(chuàng)新化、多元化開發(fā)項目投入了更多的關(guān)注，百萬千瓦規(guī)模風電、風-儲聯(lián)合風電、海上風電等項目的建設(shè)數(shù)量逐年上升。在風能開發(fā)領(lǐng)域，由于風能發(fā)電的風力、風速、風向等都具有不可控性，為保證電力供應(yīng)的平穩(wěn)性與可靠性，在機組接入的過程中，應(yīng)合理設(shè)置接入方案、裝設(shè)聯(lián)跳與差動保護設(shè)施、制定合理的升壓控制與管理對策，并構(gòu)建起電氣運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，嚴格排查故障風險，一旦發(fā)生異常問題應(yīng)第一時間啟動故障處理方案，全方位、多層次的保障電力系統(tǒng)的安全、高效運維[1]。

為了保證風電系統(tǒng)在電網(wǎng)中的穩(wěn)定、安全運行，需要相關(guān)技術(shù)管理部門在全面掌握風能發(fā)電特點的基礎(chǔ)上，對風電機組的故障問題表現(xiàn)、裝機規(guī)模對繼電保護的影響等情況進行針對性的分析，科學制定電網(wǎng)接入配置規(guī)劃，確保裝機與設(shè)備操作的規(guī)范性，進而為電力生產(chǎn)與供應(yīng)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定運維奠定基礎(chǔ)。

1 風電場和風電機組的故障特性

1.1 風電機組運維常見的故障類型與表現(xiàn)特征

當前，風電機組主要采用感應(yīng)式的異步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，與同步發(fā)電系統(tǒng)相比無需另外設(shè)置勵磁裝置，轉(zhuǎn)動慣量與時間常數(shù)數(shù)值相對較小，在故障排查與常規(guī)檢修工作中，主要通過對電流大小的計算、波形觀測、暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)短路導(dǎo)致的電流衰減特征分析等方式，判斷故障類型與故障位置。在傳統(tǒng)電力生產(chǎn)系統(tǒng)的繼電保護措施設(shè)計與配置工作中，需事先模擬故障發(fā)生狀態(tài)，假設(shè)沒有其他影響因素時，短路電流的衰減與大小波動對發(fā)電設(shè)備運行參數(shù)的影響，計算對應(yīng)數(shù)據(jù)后與固定特征電流波動參數(shù)進行對比，確定設(shè)備下一步操作指令，及時控制開關(guān)、啟動繼電保護裝置[2]。

該種繼電保護系統(tǒng)需發(fā)電設(shè)備三相對稱，且與發(fā)電機電源處于常規(guī)固定狀態(tài)下，但風電機組中的發(fā)電系統(tǒng)主要以異步結(jié)構(gòu)為主，包括雙饋式發(fā)電系統(tǒng)與鼠籠式發(fā)電系統(tǒng)等。因此當風機設(shè)備接入電網(wǎng)后，發(fā)生短路故障時，鼠籠式異步機組沒有安裝勵磁結(jié)構(gòu)，缺乏提供勵磁的渠道，短路電流迅速歸零，電網(wǎng)不會受機組故障的影響。而雙饋式風電異步機組定子側(cè)屬于三相對稱繞組結(jié)構(gòu)，可利用變流器對脈寬進行調(diào)制，向轉(zhuǎn)子側(cè)輸送交流勵磁，使風電機組與接入電網(wǎng)保持單項連接的狀態(tài)，可與電網(wǎng)系統(tǒng)直接連接起來。當異步機組發(fā)生故障異常時，短路電流經(jīng)由轉(zhuǎn)子側(cè)變流設(shè)備的處理后，保持連續(xù)性、穩(wěn)定性的電流輸出。

1.2 風電場接入對電網(wǎng)運維的主要影響

1.2.1 接入與故障位置的影響

不同類型、規(guī)模的風電場接入電網(wǎng)的位置不同，對繼電保護系統(tǒng)的運行、功能影響也存在差異。在確定風電場接入與配置方案時，會根據(jù)根據(jù)各項影響因素對施工設(shè)計方案進行優(yōu)化調(diào)整，按照基本規(guī)定制定電流保護策略，但實際接入情況往往會受現(xiàn)場環(huán)境、施工技術(shù)、管理規(guī)范等方面的影響，保護范圍、保護形式存在較大的差異，會對系統(tǒng)繼電保護功效產(chǎn)生連帶的影響。

如，當風電場選擇饋線母線（非末端）處為接入點時，可將該段饋線劃分為ABCD四段，接入位置在C段，繼電保護系統(tǒng)需保護四個分段，當C段出現(xiàn)故障異常時，保護系統(tǒng)會自動斷開該段與其他線路的連接；如果是母線D段出現(xiàn)故障，為控制故障影響范圍需啟動繼電保護裝置保護C段，并對D段故障問題進行分析與處理，避免D段故障影響相鄰線路，出現(xiàn)失去控制的問題。

1.2.2 線路重合開關(guān)的影響

當電力系統(tǒng)電源線路損毀、接觸不良等故障問題發(fā)生時，會導(dǎo)致頻繁跳閘的問題，風電系統(tǒng)的電壓、功率會大幅度波動，面臨兩方面的風險：一方面會出現(xiàn)非同期合閘操作、重合操作失敗。在電源無法支持的情況下，電力系統(tǒng)無法與供電網(wǎng)絡(luò)保持同步運行的狀態(tài)，電源線路進行重合閘的操作時，系統(tǒng)與電網(wǎng)的相角差拉大。與此同時，不同期的合閘操作導(dǎo)致系統(tǒng)受到強烈的電流沖擊，引發(fā)保護裝置的誤動作，無法自動進行恢復(fù)；另一方面故障位置容易出現(xiàn)電弧重燃的問題，風電系統(tǒng)沒有電源的支持，故障點在風電支持下會自動消除，但當電網(wǎng)重合閘后系統(tǒng)重新獲得電源支持，故障點發(fā)生躍變的可能性增加，發(fā)生重燃問題，甚至會出現(xiàn)絕緣擊穿的事故，具有較高的安全風險。

1.2.3 側(cè)線保護的影響

接入電網(wǎng)后，當風機出現(xiàn)故障時繼電系統(tǒng)會啟動對應(yīng)的瞬時保護操作，隔離系統(tǒng)會直接短路，使系統(tǒng)電源與線路解列。通常情況下風電機組的容量較小，系統(tǒng)電源短路，對于機組的運行狀態(tài)會產(chǎn)生直接的影響，如果差動保護裝置設(shè)置不合理、功能選擇不匹配，將會出現(xiàn)側(cè)線保護失靈的狀況。針對該種情況，管理部門通常會選擇強化通道線路保護力度的方式，對兩側(cè)線路的配光差進行控制，即使后續(xù)出現(xiàn)變負荷的問題，電網(wǎng)通道受到的影響也不會降低設(shè)備運行效率。

1.2.4 電壓穩(wěn)定的影響

風電場在電網(wǎng)接入規(guī)劃配置時，需要綜合考慮電場規(guī)模對電力系統(tǒng)電壓的影響，如果其風電場本身處于大規(guī)模的電場，其無功功率的需求較高，很容易出現(xiàn)電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定性的情況。因此，為保證電力整體生產(chǎn)與運維管理系統(tǒng)的有效、安全運行，需全面考慮電場具體規(guī)模、容量，合理設(shè)置無功功率的控制方案。重點分析兩方面的影響因素：一是風電場電力生產(chǎn)過程中的有功輸出。有功輸出可增加風電機組的負荷特性，有功極限功率能保證靜態(tài)電壓維持在穩(wěn)定狀態(tài)，同時合理增強風電機組的運行效率；二是風電場無功需求情況[3]。如果電場無功需求過高，將會導(dǎo)致機組運行的負荷特性、極限功率大幅度降低，影響系統(tǒng)靜態(tài)電壓的可靠性與穩(wěn)定性。

2 風電接入工程繼電保護系統(tǒng)的優(yōu)化配置方法

2.1 合理規(guī)劃電網(wǎng)接入方案

一體化、自動化電力生產(chǎn)控制系統(tǒng)的建設(shè)包括大量設(shè)備的安裝與管理，長期處于高效運行狀態(tài)的各類設(shè)備需要不同的執(zhí)行管理規(guī)劃，才能保證系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性與協(xié)調(diào)性。當電網(wǎng)接入風電場時，應(yīng)對整個電力系統(tǒng)的設(shè)備配置進行綜合性、全面性的考量，確保風電場設(shè)備與電力系統(tǒng)設(shè)備之間運行控制能夠有效配合?，F(xiàn)階段，人工智能、分布式光伏、大數(shù)據(jù)等技術(shù)在電力領(lǐng)域的多元化應(yīng)用，使得電力生產(chǎn)的形式不斷優(yōu)化改革，電網(wǎng)鋪設(shè)的范圍逐步擴大，電場的建設(shè)也呈現(xiàn)出規(guī)模化、集成化的特點，因此，當風電場的設(shè)備運行出現(xiàn)故障問題，很有可能會導(dǎo)致電力網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)供應(yīng)延遲、暫停運行等情況，嚴重情況下還會引發(fā)安全事故。

為此，當技術(shù)人員對接入方案進行實際規(guī)劃設(shè)計時，需全面掌握風電系統(tǒng)常見故障類型、表現(xiàn)、原因，制定針對性的故障風險檢測與排除對策，并根據(jù)電網(wǎng)的整體運行特點，設(shè)計一體化、智能化的操作系統(tǒng)，最大限度的降低風電接入對電網(wǎng)運行操作的影響，配置科學、合理的繼電保護裝置與操作系統(tǒng)。與此同時，在實際安裝工程中應(yīng)做好設(shè)計交底，并派遣較為專業(yè)的管理人員對接入過程進行全程把控，嚴格按照設(shè)計方案對選擇、安裝相應(yīng)設(shè)備，確保各個施工環(huán)節(jié)的有效銜接，保證各類設(shè)備安裝的規(guī)范性，并在設(shè)備使用前進行狀態(tài)調(diào)試，檢測繼電保護系統(tǒng)操作的靈敏性與可靠性[4]。

2.2 科學配置安裝聯(lián)跳保護裝置，及時排查故障問題

聯(lián)跳裝置的配置。針對風電大規(guī)模接入電網(wǎng)對電路保護系統(tǒng)的影響，技術(shù)部門往往會選擇安裝聯(lián)跳裝置控制故障影響。在風電機運行前，將保護聯(lián)跳裝置安裝在風電機的兩側(cè)，安裝期間應(yīng)綜合連接繼電保護和短路電流，使電網(wǎng)系統(tǒng)與風機設(shè)備的控制保持一致性，一旦發(fā)生故障情況，可通過繼電裝置的自動控制操作截斷電流。聯(lián)跳保護裝置作為繼電保護系統(tǒng)的重要構(gòu)成，能保證即使電機出現(xiàn)短路或跳閘情況時，也可利用智能化、一體化的控制系統(tǒng)降低故障影響，保證電網(wǎng)保持平穩(wěn)運行狀態(tài)。

強化檢修管理，全面排查故障異常。在構(gòu)建現(xiàn)代智能電網(wǎng)體系時，為保證電力生產(chǎn)與供應(yīng)系統(tǒng)的有效融合，需相關(guān)管理單位全面了解各種故障發(fā)生的表現(xiàn)特征與實際影響，針對性的對風電接入過程中出現(xiàn)的故障進行分析，制定靈活性、科學性的檢修方案，通過計劃檢修、狀態(tài)檢修、故障檢修結(jié)合的模式，全面性、動態(tài)化的對故障風險進行排查，建立起以事前嚴格預(yù)防、事中強化控制、事后快速處理的管理機制，為電力系統(tǒng)的高效、有序、順暢運行夯實基礎(chǔ)。

2.3 操作系統(tǒng)的配合建設(shè)與使用

在風電接入電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時，為了確保電力生產(chǎn)環(huán)節(jié)與供應(yīng)系統(tǒng)的有效配合運維，需設(shè)置集成化的操作控制系統(tǒng)，在保證二者操作獨立性的同時確保各控制模塊間的協(xié)同性，基于綜合管控與聯(lián)動需求建立起全面覆蓋的電網(wǎng)繼電保護機制，使電網(wǎng)操作系統(tǒng)與保護系統(tǒng)相互契合，避免由于操作控制指令無法實時傳達、脫網(wǎng)故障、系統(tǒng)不兼容等情況的發(fā)生。

2.3.1 升壓保護系統(tǒng)

風電場的變電裝置是系統(tǒng)運維管理的核心，其保護系統(tǒng)按照運行方式的不同可分為主保護系統(tǒng)與后備保護系統(tǒng)，電網(wǎng)接入風電系統(tǒng)后，變電站升壓過程中會對高壓與低壓側(cè)母線產(chǎn)生不同的影響，需結(jié)合實際情況安裝對應(yīng)的母差保護裝置。通常情況下低壓側(cè)母線無需安裝母差保護，斷路器主要安裝在變壓器低壓側(cè)位置，當發(fā)生故障時自動啟動斷路器切除母線、匯流線的故障。

與此同時，百萬級風電場建設(shè)數(shù)量的不斷提升，對風電場的電容、控制系統(tǒng)、功率等方面的要求逐步提高，當無功功率無法達到平衡時，將會導(dǎo)致工頻過電壓風險的提高，在風電場電壓控制與保護系統(tǒng)中合理設(shè)置無功補償，能夠通過無功就地補償?shù)姆绞綄﹄妷骸⑦^電壓進行控制。如，在海上風電場接入系統(tǒng)中，無功補償方案中可采用高壓電抗器、低壓電抗器和動態(tài)無功補償裝置（SVG）的配置方案，來保證電網(wǎng)電壓的平穩(wěn)。

2.3.2 差動保護配置

在風電接入電網(wǎng)中，差動保護裝置的配置需根據(jù)電網(wǎng)的電壓等級不同進行分類設(shè)計。以山西垣曲20萬千瓦風電并網(wǎng)項目為例，該項目設(shè)計安裝100臺風電機組，裝機規(guī)模達到200MW，在繼電保護系統(tǒng)中，配置了對應(yīng)的差動保護與速斷保護裝置，安裝在送出電線的兩側(cè)位置，差動系統(tǒng)的差電流選相裝置可在故障發(fā)生時進行自動選相，配合線路重合閘單相操作系統(tǒng)可降低單相故障的影響，避免高壓風電機組出現(xiàn)差動誤動作。在220kV以下的電力系統(tǒng)中，由于裝機容量相對較低，送出線路可不設(shè)置差動保護系統(tǒng)，配置三相重合閘保護系統(tǒng)即可。

3 結(jié)語

風電作為清潔性、環(huán)保性的綠色能源，作為相較于水力發(fā)電、火力發(fā)電形式具有穩(wěn)定性差、能源轉(zhuǎn)化效率不高的局限性，在接入電網(wǎng)時，需相關(guān)工程管理部門在全面、動態(tài)分析風電系統(tǒng)故障表現(xiàn)特點、對繼電保護系統(tǒng)運行多方影響的基礎(chǔ)上，優(yōu)化電網(wǎng)接入工程項目的設(shè)計，合理安裝聯(lián)跳、差動等保護裝置，加強日常檢修與養(yǎng)護管理，制定針對性的升壓保護對策，強化安全風險控制，嚴格排查故障異常，全方位的為風電系統(tǒng)與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)、高效運行保駕護航。