[01405212]高风电渗透率电网故障保护关键技术研究与应用

本项目属于电气工程学科,涉及电力系统自动化专业,获国家973计划、863计划、国家自然科学基金面上项目、包括陕西省电力公司在内的多家国网下属省电力公司和装备制造企业科技项目支持,历时10余年,多家单位产学研联合攻关完成。 风电接入电网的规模增大,给电力系统的安全稳定运行带来新挑战。继电保护是保障电网安全稳定运行的第一道防线,通过识别故障特征实现故障识别与隔离。风电电源对故障的响应有别于同步机电源,使得传统的基于同步机电源的电力系统故障分析与继电保护存在适应性问题,研究风电高渗透电网的故障特征和继电保护至关重要。分析传统继电保护在风电接入电网的适应性、改进现有保护方案、开发适用于风电接入系统的保护新原理及装备不仅具有推动新能源电力发展的科学意义,而且对提高风电系统的消纳能力、减少风机大面积频繁脱网事故等具有直接的改善作用。 项目围绕风电高渗透率电网的故障分析及继电保护关键技术,开展了风电场电磁暂态建模方法、风电系统故障特征与传统保护适应性分析理论、适用于风电并网线路的继电保护新原理、场站保护性能提升新技术等四个方面的研究工作,取得突出创新成果如下： ① 提出了风力发电系统电磁暂态建模与故障分析方法。研究了双馈风机、直驱风机在各种控制器规律下的物理过程,建立了上述发电单元的电磁暂态模型。针对高风电渗透率电网仿真困难的问题,提出了基于变流器简化模型的故障暂态快速仿真方法,提出了基于分群思想的风电场暂态等值建模方法,最大程度地减少了仿真复杂程度。基于能量平衡和特性受控思想,提出了一种基于频率双等值电路实现的双馈风机故障电流解析计算方法,推导了直驱风机在对称和非对称故障下的短路电流表达式,发展了含大规模电力电子装备电力系统的建模与故障分析理论。 ② 提出了传统继电保护原理对高风电渗透率电网的适应性分析理论。揭示了面向继电保护研究的风电系统一般性故障特征,指出风电系统具有弱馈、高谐波、频率偏移、正、负等值序阻抗不相等且时变的特征。从传统继电保护原理与判据的正确动作范围入手,结合风电系统故障特征,分析了纵联保护、距离保护、选相元件、方向元件等传统继电保护应用于风电并网送出线路的适应性。针对风机分布式接入配电网后形成的短路电流双向流动问题,分析了电流保护在含分布式电源配电网中的适应性。 ③ 提出了利用模型识别、参数识别继电保护原理和控制保护协同思想解决大规模风电送出线路保护问题的方法。基于模型识别保护思想,在时域和频域分别提出了纵联保护、选相元件、方向元件新原理,解决了风电并网送出线上纵联差动保护灵敏度低、传统基于工频故障分量的选相和方向元件在风电并网系统中不适应的问题。提出了基于控制与保护协同思想的适用于风电并网线路的三相自适应重合闸策略,有效解决了三相重合闸永久性故障识别难问题,降低了因重合失败导致大规模风机脱网事故的发生概率,提升了继电保护对高风电渗透率电网的适应能力。 ④ 提出了系列风电场和含分布式风机配电网的高可靠性保护新原理。针对风机箱变低压侧短路导致的整条集电线跳闸问题,提出了集电线出口保护与熔断器配合的反时限电流保护。针对风机分布式接入配电网导致的电流保护定值整定难问题,提出了适用于风电分布式接入配电网的自适应电流保护原理,解决了传统电流保护灵敏度不足问题。针对风电场和含分布式风机电源配电网中单相接地故障检测难问题,提出了系列不受风机特性影响的小电流接地选线和区段定位方法,有效提升了单相接地故障定位与隔离的速度,提升了风电场和含分布式风机电源配电网的故障自动处理水平。