新能源电场并网对系统继电保护的影响与整定优化

中图分类号：TM77 文献标识码：A

引言

随着全球对清洁能源需求的不断增长，新能源发电如风力发电、光伏发电等得到了迅猛发展。新能源电场的大规模并网成为电力系统发展的必然趋势。然而，新能源发电具有间歇性、随机性和波动性等特点，其并网后会改变电力系统的网络结构和运行特性，给传统的继电保护带来了新的挑战。因此，在“双碳”目标的大框架下，深入剖析新能源电场并网对系统继电保护的影响，并探索科学有效的整定优化策略，是保障电力系统在新能源大规模接入背景下安全稳定运行的必然要求。本文将围绕新能源电场并网对系统继电保护的影响与整定优化展开研究。阐述新能源电场的特点，了解其区别于传统电场的独特之处，为后续分析影响奠定基础。

1 新能源电场的特点

新能源电场具有显著的间歇性特征。这是因为新能源发电很大程度上依赖自然条件，例如风力发电需要适宜的风速，当风速过低或过高时，风力发电机组可能无法正常运行，导致发电中断；光伏发电则依赖阳光照射，夜晚或阴天时光伏板无法有效发电。这种间歇性使得新能源电场的输出功率不稳定，难以像传统电源那样持续稳定地向电网供电。其还具有明显的随机性。自然条件的变化难以精准预测，风的大小和方向、光照的强度和时长等都具有不确定性。例如，风速可能在短时间内发生较大变化，导致风力发电功率随机波动；天气情况也可能突然变化，影响光伏发电的输出。这就使得新能源电场的发电功率难以进行精确的调度和控制。另外，新能源电场具有波动性。不仅输出功率会在不同时间段内出现较大波动，而且在同一时间段内也可能存在频繁的小幅度波动。

浙江省发展和改革委员会发布关于印发《浙江省 2025 年碳达峰碳中和工作要点》的通知，新增可再生能源装机1000 万千瓦以上（其中风电光伏 600 万千瓦）、核电装机 100 万千瓦，抽水蓄能装机累计不少于988 万千瓦；到2025 年底，可再生能源发电装机占比 46% 以上，新增非化石能源消费占比（扣除原料用能和能耗单列项目用能） 24% 左右。

2 新能源电场并网对系统继电保护的影响

2.1 对短路电流特性的影响

传统的同步发电机在短路故障时会提供持续的短路电流，其幅值和相位具有一定的规律性。然而，新能源电源如风力发电机和光伏电池等，它们的短路电流特性与传统同步发电机有很大差异。风力发电机在故障时，由于其控制策略和电力电子接口的作用，短路电流的大小和持续时间会受到限制。特别是双馈感应风力发电机，其转子侧变流器会根据故障情况进行控制，使得短路电流在故障初期迅速上升，但随后会快速衰减。这种短路电流的快速变化会给传统的继电保护装置带来挑战，因为传统保护装置是基于同步发电机的短路电流特性设计的，可能无法准确检测和判断新能源电场接入后的短路故障。光伏电池在短路故障时，其短路电流主要取决于光伏阵列的光照强度和温度等因素。在光照强度较低或温度较高的情况下，光伏电池的短路电流可能较小，甚至难以达到传统继电保护装置的动作门槛值。

2.2 对保护动作特性的影响

新能源电场接入后，短路电流特性的改变会导致传统继电保护装置的动作特性出现偏差。一方面，对于过流保护，由于新能源电场短路电流的快速衰减和大小的不确定性，过流保护可能无法及时动作，或者在故障切除后出现误动作。例如，当双馈感应风力发电机故障短路电流快速衰减到过流保护的动作门槛以下时，过流保护可能会误认为故障已切除而返回，无法可靠切除故障。另一方面，距离保护也会受到影响。距离保护是基于测量阻抗来判断故障位置和动作的，而新能源电场的接入改变了系统的等值阻抗和短路电流分布，使得测量阻抗的计算结果不准确，从而导致距离保护的动作范围和精度下降。此外，由于新能源电场输出功率的波动性和间歇性，系统的运行方式会频繁变化，这也增加了继电保护装置动作特性的复杂性和不确定性，使得保护装置难以在各种运行工况下都能准确动作。

近年来，浙江电网中新能源并网规模不断扩大，与之相关的系统故障数据也逐渐积累并凸显出一些特征。数据显示，在一些风电场附近的母线电压，在短时间内的波动幅度可达额定电压的±5%甚至更高，这种电压波动不仅影响了电能质量，还对继电保护装置的准确动作提出了挑战。浙江电网的故障数据表明，在极端情况下，电网频率可能在数秒内下降 0.2-0.3Hz ，这对于对频率敏感的设备和继电保护装置来说，可能会引发误动作或不动作的情况。而且随着新能源并网比例的进一步提高，这种频率异常故障发生的概率和影响范围都有扩大的趋势。

3 新能源电场并网系统继电保护的整定优化

3.1 保护配置优化

可结合新能源电场的特点，采用自适应保护配置方案。根据不同的运行工况和故障类型，自动调整保护的动作参数和逻辑，提高保护的适应性和可靠性。例如，在新能源电场输出功率较高时，适当提高过流保护的动作门槛，防止保护误动作；在系统运行方式变化较大时，及时更新距离保护的整定参数，确保其动作范围和精度。同时，可引入智能保护技术，利用大数据分析和人工智能算法，对新能源电场的运行状态和故障特征进行实时监测和分析，提前预测可能出现的故障，并采取相应的保护措施。还可以加强不同保护装置之间的协调配合，形成多层次、全方位的保护体系，提高整个新能源电场并网系统的安全性和稳定性。

3.2 定值计算优化

在定值计算优化方面，要综合考虑新能源电场内各种设备的特性和运行参数。对于不同类型的新能源发电设备，如风力发电机组和光伏电池板，其输出功率具有间歇性和波动性，因此在定值计算时，需采用动态计算方法。可以根据新能源电场的实时功率预测数据，结合历史运行数据和气象条件，建立动态的定值计算模型。同时，要充分考虑新能源电场与电网之间的相互影响。当电网发生故障时，新能源电场的输出特性会发生变化，这可能会影响继电保护的动作准确性。因此，在定值计算中，应模拟不同故障场景下新能源电场和电网的动态响应，确保保护定值在各种故障情况下都能准确动作。此外，还可以利用先进的通信技术，实现定值的远程在线调整。当新能源电场的运行工况发生重大变化时，能够及时远程调整保护定值，提高保护的快速响应能力和适应性。通过这些优化措施，进一步提高新能源电场并网系统继电保护的可靠性和有效性。

3.3 配合关系优化

在新能源电场并网系统中，优化各继电保护装置之间的配合关系至关重要。不同保护装置的动作时间和动作特性需精确协调，以避免误动作和拒动作情况的发生。首先，可以采用自适应配合策略，根据新能源电场实时的运行状态和故障类型，自动调整保护装置之间的配合参数。例如，当新能源电场输出功率较高时，适当缩短速动保护的动作时间，以快速切除故障；当功率较低时，延长动作时间，避免因瞬间波动而误动作。其次，加强不同电压等级继电保护之间的配合。新能源电场通常会连接到不同电压等级的电网，因此需要确保各级保护之间的动作具有选择性。可以通过设置合理的动作时限级差和动作电流级差，保证在故障发生时，只有离故障点最近的保护装置动作，从而缩小停电范围。此外，还应考虑新能源电场与传统电源的配合。在电网故障时，新能源电场和传统电源的输出特性不同，可能会相互影响。因此，需要建立联合仿真模型，模拟新能源电场和传统电源在不同故障场景下的动态响应，优化它们之间的保护配合关系，确保整个电力系统的稳定运行。通过这些配合关系的优化措施，能够进一步提升新能源电场并网系统继电保护的整体性能。

3.4 新能源并网监测点的电能质量在线监测

对于新能源并网监测点实施电能质量在线监测十分必要。首先，要构建完善的监测网络体系。在新能源电场的各个关键接入点、不同电压等级的母线以及重要的负荷节点等位置合理布置监测设备，确保能够全面覆盖新能源并网的各个环节，实时捕捉电能质量的动态变化。为了保证监测数据的准确性和有效性，要对监测设备进行定期的校准和维护。并且，建立高效的数据传输和处理系统也不可或缺。通过高速稳定的通信网络将监测数据及时传输到数据中心，利用先进的数据分析算法对海量的监测数据进行深度挖掘和分析。一旦发现电能质量出现异常情况，能够迅速发出预警信号，并通过智能分析提供相应的处理建议，为电力系统的运行调度人员提供有力的决策支持，从而保障新能源并网系统的电能质量和电网的安全稳定运行。

3.5 推广主动限流技术，改造中性点接地方式

在新能源电场并网系统中，推广主动限流技术和改造中性点接地方式是保障系统安全稳定运行的重要举措。主动限流技术能够在故障发生时迅速限制短路电流，减少故障对系统的冲击。可以采用超导限流器、固态限流器等先进设备，它们具有响应速度快、限流效果好等优点。超导限流器在正常运行时几乎无损耗，当短路故障发生时，能快速转变为高阻态，有效限制短路电流。固态限流器则可以通过电力电子器件实现对电流的精确控制，提高系统的动态响应能力。改造中性点接地方式也是关键环节。传统的中性点接地方式在新能源大规模接入后可能无法满足系统的要求，因此需要根据实际情况进行调整。例如，可以采用中性点经电阻接地或经消弧线圈接地的方式。中性点经电阻接地可以有效限制弧光接地过电压，提高系统的可靠性。经消弧线圈接地则可以补偿系统的电容电流，减少接地故障时的电弧重燃，降低故障对设备的损害。同时，要对中性点接地设备进行定期的检测和维护，确保其性能稳定可靠。通过推广主动限流技术和改造中性点接地方式，可以大大提高新能源电场并网系统的继电保护性能，保障电网的安全稳定运行。

3.6 加装小电流接地选线

为了确保小电流接地选线装置的有效性，首先要选择性能优良、可靠性高的装置。这些装置应具备高精度的检测能力和强大的数据分析处理能力，能够适应不同的运行工况和故障类型。其次，要合理安装小电流接地选线装置，确保其与系统的其他设备良好配合。安装位置应能够准确获取故障信息，同时避免受到外界干扰。此外，还需要对小电流接地选线装置进行定期的调试和维护。调试工作可以保证装置的各项参数设置正确，使其在故障发生时能够准确动作。维护工作则包括对装置的硬件检查、软件升级等，以确保装置始终处于良好的运行状态。通过加装小电流接地选线装置并做好相关的保障工作，可以进一步提高新能源电场并网系统的继电保护性能，为电网的安全稳定运行提供更可靠的保障。

结束语

综上所述，新能源电场并网给系统继电保护带来了诸多影响，如对短路电流特性和保护动作特性的改变。但通过对保护配置、定值计算以及配合关系进行优化整定，能够有效应对这些影响，提升继电保护的整体性能。同时结合新能源并网监测点的电能质量在线监测，推广主动限流技术，改造中性点接地方式，加装小电流接地选线等实际措施，共同保证电力系统安全可靠运行。

随着新能源的不断发展，新能源电场在电力系统中的占比将持续增加，未来还需持续深入研究新能源电场并网对继电保护的影响，不断完善优化措施，以保障电力系统在新能源大规模接入的背景下安全、稳定、可靠运行。

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