0 引言

繼電保護是電網安全穩定運行的第一道防線，能夠在故障發生時快速可靠地識別并有效地隔離故障，對遏制系統運行狀況的進一步惡化，保障電能高效穩定的傳輸和利用都具有重要的意義。近年來，隨著能源危機和環境問題的日益突出，風電等可再生能源越來越受到社會的關注，其大規模應用，必然帶來集中接入、遠距離傳輸以及風電場內部集電線路網絡化等問題，從而改變電力系統的運行特征。

大規模風電接入的繼電保護問題屬于智能電網的兼容性范疇。對接入點而言，規模化的風電場對系統運行的影響，已不能象早期小型風電接入一樣被完全忽略掉，這已不僅僅是風電調度的問題，繼電保護所面臨的故障特征同樣也發生了顯著的變化。大型風電場內部的機組和機群越來越多地采用35 kV 電壓等級以網絡的形式匯集電能，傳統的配電網保護原理和裝置能否滿足風電場內部集電線路的要求，也是眾多業主和電力系統運行部門必須考慮的問題。

為了保證大規模風電接入后的電網安全，國內外學者就風電接入的繼電保護問題在以下3 個層面展開了研究工作：

1)風電機組以及風電場的故障特征分析。

風電機組多采用感應式異步發電機，其轉動慣量和時間常數小，并且沒有專門的勵磁裝置，故障特征與同步發電機存在顯著的差別。永磁直驅機組雖然為同步發電機，但是通過換流器并網，其故障特征和換流器控制特性密切相關。另外，電力電子設備自身的保護策略和低電壓穿越等特殊要求，也附加了額外的控制要求。這些都將增加風電機組電磁暫態過程的復雜性，從而影響繼電保護的性能。

風電機組以及風電場的故障特征分析主要包括暫態和穩態短路電流的計算、波形分析、衰減特性分析以及短路阻抗分析等內容。

2)風電場集電線路及網絡的繼電保護問題。

雖然大型風電場內部集電線路廣泛采用 35 kV電壓等級，但卻與傳統配電網輻射狀網絡結構存在明顯的差別。對于任一集電線路，由于兩側母線上均有電源分布，在繼電保護研究中，將被等效為雙端電源元件，傳統輻射狀配電網繼電保護的配置方式和整定原則將不再適用。

風電場集電線路及網絡保護研究主要包括保護原理、保護配置、整定原則及與電網保護配合關系等內容。

3)大規模風電接入輸電網的繼電保護問題。

在包括中國在內的大多數國家，風電的大規模利用必然伴隨著電能的遠距離集中傳輸問題，因此高壓電網繼電保護的整定和運行管理中，必須考慮風電等隨機電源的故障特征。風電的隨機性和波動性對并網聯絡線保護的影響，繼電保護的適應性及配置配合關系，性能優良的新原理都需要進一步深入研究。

規模化風電接入電網的問題是目前國內外相關研究的熱點[1]，但是繼電保護相關問題卻并沒有得到足夠的重視。筆者認為原因之一在于繼電保護是服務于電網安全運行的，現階段繼電保護問題并沒有大規模地顯現出來。隨著調度、運行方式等問題的解決，風電在電網電源結構中所占比例必將逐步提升，繼電保護的適應性問題將集中體現出來并需要得到足夠的重視。

本文從風電機組與風電場的故障特征、風電場集電線路與網絡的繼電保護以及大規模風電接入后高壓電網的繼電保護3 個方面，對目前國內外的相關研究成果進行了回顧和分析，對未來研究方向進行展望，并提出自己的觀點，以期能夠對今后的相關繼電保護問題研究有所助益。

1 風電機組和風電場的故障特征

1.1 概述

故障分析是繼電保護的基礎，繼電保護的新原理設計、整定計算都離不開故障分析。傳統電力系統的繼電保護理論體系是建立在同步發電機電源以及三相對稱系統的基礎之上的。也就是說，假設在故障發生之后的電磁暫態過程中，同步發電機能夠作為一個理想電源不發生任何參數和運行狀態的改變。基于此，可以計算得到短路電流及其衰減特性，并作為繼電保護原理設計、整定以及斷路器選擇的依據。

風電機組廣泛采用異步發電機，即使永磁同步發電機也采用電力電子設備并網，顯然其短路電流的大小和故障特征已經發生了顯著的變化。

1.2 風電機組的短路電流計算

1.2.1 感應式異步發電機

感應式異步發電機的短路電流計算并不是一個新問題。文獻[2]推導了異步風力發電機空載發生定子三相短路時短路電流的解析表達式，基于感應發電機正常運行時繞組電阻可以忽略和滑差很小這2 點假設，得出短路半個周期之后定子磁鏈和轉子磁鏈相差180°的結論，在此基礎上推導出短路電流最大值的解析表達式和衰減規律。該文獻得到的短路電流最大值的誤差可達10%~20%。文獻[3]在相同假設的基礎上利用空間矢量分析方法推導出鼠籠式感應發電機的短路電流的解析表達式，值得指出的是，該文獻利用序分量理論分析了不對稱短路時感應發電機的短路電流，該結果對繼電保護性能分析和靈敏度校驗具有積極的意義。

文獻[4]利用Power Factory 軟件包仿真分析了感應式異步發電機的短路電流，其結論與上述文獻[2-3]的結論相同，即故障時感應式異步發電機向電網注入了可觀的故障電流，隨著故障時間的持續該電流逐漸衰減，衰減時間與故障類型相關，對于三相故障而言，衰減最為迅速。

文獻[5]在利用電力系統實時仿真平臺RT-L