风电机组与同步发电机在结构和原理上截然不同,风电机组的故障暂态特性完全异于同步发电机,风电接入系统后,传统基于同步发电机而设计的继电保护原理将受到影响,为了促进风电的健康快速发展,解决风电涉网保护问题迫在眉睫。本文选取双馈风电机组为研究对象,揭示了风电接入对继电保护的影响机理,并提出了基于充分式原理的保护新方案。风电机组暂态特性是研究风电接入对继电保护影响及开发保护新方案的基础。首先提出了双馈风电机组计算序阻抗的概念,该阻抗代表了故障附加网络中双馈风电机组的表现形式。考虑投入撬棒和变换器控制两种低电压穿越措施,推导了双馈风电机组正、负序计算阻抗的解析表达式。通过对正、负序计算阻抗特征的研究,得出结论:不同于同步发电机正、负序阻抗近似相等的特点,双馈风电机组的正序计算阻抗与负序计算阻抗之间差异很大,前者存在明显的暂态变化过程,幅值较大且有波动,投撬棒时稳态相角位于-90°～-180°,变换器控制时相角位于0°～180°,不再具有电抗性质;后者暂态变化过程不明显,幅值相对前者较小,相角位于30°～90°从电磁暂态过程和变换器控制过程两个角度研究了双馈风电机组的故障输出谐波频率特性,得出结论:投撬棒时因转子磁链不能突变定子电流中会出现转速频率间谐波分量,该分量初始幅值较大,但一个半周期内便会衰减到接近于零;因变换器dq轴控制回路的不对称,外部故障时定子衰减直流分量和负序分量在变换器中流通时会产生二次谐波、三次谐波分量,谐波分量的大小与PI控制器参数有关。基于双馈风电机组的暂态特性,本文从风电场内部、含风电输电网、含风电配电网三个层面,分析了风电接入对内部集电线路保护、输电线路纵联保护及距离保护、配网线路电流保护的影响机理。指出在集电线路和含风电配网中,受网络环境的客观条件限制,传统保护的灵敏性和选择性得不到满足;受风电场计算序阻抗特征的影响,采用故障分量的方向元件、选相元件及工频变化量距离继电器并不在最佳工作条件,保护将出现拒动或误动的情况。双馈风电机组复杂的暂态特性让风电系统在继电保护面前变得不再透明,传统基于“四性”原则一步到位的保护方案在目前环境下难以实现,本文提出了一种新型的充分式保护原理。充分式保护针对充分式故障特征而动作,具有充分性、自适应性、优选性及时间相关性等特征,是应对保护对象不透明行之有效的方法,非常适合应用于风电系统中。提出了预防风机群连锁脱网的集电线路充分式保护方案。该方案首先利用风电机组的弱电源性质找出发生故障的集电线路,然后利用不同函数拟合风电机组安全保护系统裕度与脱网危险因子的关系,并采用分类分析法进行风电场脱网风险的在线评估,最后将脱网风险评估模块作为故障切除的充分性条件引入到保护动作逻辑中。由于计及了非故障集电线路上风电机组的运行状态,该方案改善了风电机组不脱网的安全性,提高了风电场对风机群脱网风险的可控性。提出了基于计算序阻抗特征的充分式方向比较纵联保护。针对传统反映两侧电源阻抗相角相等的故障分量方向元件不适用于风电系统的问题,提出了反映风电系统两侧电源阻抗特征不相等的充分式故障分量方向元件,给出了基于风电场正负序计算阻抗幅值比及相角差、正序计算阻抗幅值标准差率和相角变化量的充分式判据,搭建了风电系统充分式方向比较纵联保护新方案,提高了故障分量方向元件应对风电场阻抗暂态特性变化的能力。提出了基于计算序阻抗差异补偿的选相新方案。该方案通过对风电场正、负序计算阻抗进行实时计算,补偿保护安装处正、负、零序电流分配系数之间的差异,并针对电流突变量选相和故障序分量选相分别给出了改进的选相方案。选相新方案能够自适应风电场计算序阻抗特征的变化,适用于系统较强而风电场较弱的风电系统中。提出了基于相位同一化的充分式工频变化量距离继电器。充分式工频变化量距离继电器将相角变化的风电场综合计算阻抗变换到整定阻抗的方向上,让工作电压和故障电压的相对大小始终能正确反映整定点与故障点的相对位置。相比于传统工频变化量距离继电器,充分式工频变化量距离继电器在不损害耐受过渡电阻能力的前提下,提高了区内故障动作的灵敏性,解决了区外故障误动的问题,具有更加优越的动作性能。提出了基于频谱差异特征的配网充分式保护新方案。该方案利用短路电流中几种特定谐波分量的大小及相对基频的含量作为频谱指标,通过对线路两侧短路电流频谱指标的比较判断故障位置,动作量采用具有充分式特征的两侧频谱指标差,制动量中计及了谐波幅值的衰减特性,使得保护能够耐受一个基频周期的同步误差,针对幅值较大且快速衰减的转速频率分量,还提出了基于频谱指标变化量差异的补充判据。新方案很好地适应了配网通信薄弱、电压量缺失的客观条件。在MATLAB/Simulink平台上搭建了风电系统仿真模型,对双馈风电机组的暂态特性及各充分式保护新方案进行了仿真验证。大量的仿真结果表明,充分式保护新方案应用于风电系统显著改善了传统继电保护的动作性能。