風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)短路故障特征分析及對(duì)保護(hù)的影響研究

(廣東華電前山風(fēng)力發(fā)電有限公司 廣東 湛江 524002)

一、引言

當(dāng)前我國(guó)的能源發(fā)展方針傾向于清潔環(huán)?？稍偕哪茉?，比如水電、風(fēng)電和太陽(yáng)能。我國(guó)幅員遼闊、海岸線長(zhǎng)，風(fēng)能資源比較豐富。全國(guó)風(fēng)能密度100W/m2，風(fēng)能資源總儲(chǔ)量1.6×105MW，特別是東南沿海及附近島嶼等地區(qū)。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)展迅速，單臺(tái)風(fēng)機(jī)的容量逐漸得到突破。目前，風(fēng)電機(jī)組的普遍額定容量為1～2.5MW，最大的額定容量可以達(dá)到5～6MW。在未來，清潔能源將會(huì)逐漸替代當(dāng)前大量消耗的化石能源。風(fēng)電場(chǎng)必定會(huì)安裝更大額定容量的機(jī)組，但大容量的風(fēng)電機(jī)并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)帶來更多的問題。風(fēng)電機(jī)并網(wǎng)后，是否會(huì)對(duì)繼電保護(hù)裝置產(chǎn)生影響，需要進(jìn)一步探討。本文將就風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，系統(tǒng)反應(yīng)的故障特征進(jìn)行仿真模擬分析。

風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電方式。風(fēng)是一種具有周期性特征的自然現(xiàn)象，風(fēng)能發(fā)電有一定的間歇性。風(fēng)電并網(wǎng)要求機(jī)組供電保持穩(wěn)定性和可靠性。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障，不同與以往傳統(tǒng)的電機(jī)短路。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障，其向外輸送的電能，電流會(huì)出現(xiàn)“多態(tài)”變化特征，對(duì)電網(wǎng)的影響也更加復(fù)雜。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，并不能保障電網(wǎng)保護(hù)元件會(huì)做出正確的保護(hù)動(dòng)作。

本文將研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流的特征以及電網(wǎng)保護(hù)元件出現(xiàn)的保護(hù)動(dòng)作是否正確。將以雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)和直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，基于PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件，根據(jù)時(shí)下風(fēng)電機(jī)的參數(shù)建立模型并進(jìn)行故障仿真，通過仿真分析短路電流的故障特征。

二、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與建模分析

當(dāng)大量的風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，風(fēng)電電源則發(fā)生了較大的變化。風(fēng)電電源和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最大程度上決定了風(fēng)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)的特征。首先，介紹目前應(yīng)用較多的兩種風(fēng)電機(jī)，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DFIG)和直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(PMSG)。

(一)雙饋風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)與建模分析。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的雙饋指定子與轉(zhuǎn)子，這兩者都可向外輸送能量。該發(fā)電機(jī)組使用變速恒頻技術(shù)，可調(diào)控發(fā)電機(jī)組的速度，保持恒定頻率，保證跟蹤最大的風(fēng)能。雙饋發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)主要包括風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、繞線式異步機(jī)、交直交變流器以及控制部分。

(二)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)與建模分析。永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括風(fēng)速模型、風(fēng)力機(jī)模型、發(fā)電機(jī)模型、控制系統(tǒng)模型和聯(lián)絡(luò)線模型。整個(gè)電路主要組成是整流器、中間直流電路環(huán)節(jié)和PWM逆變器；電機(jī)側(cè)變換器主要組成是三相不控整流橋和加強(qiáng)變換器。較為關(guān)鍵的構(gòu)成是網(wǎng)側(cè)PWM變換器，可調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)的d軸和q軸電流，解耦控制有功和無功，較為普遍地假設(shè)直驅(qū)式永磁同步電機(jī)與系統(tǒng)不會(huì)進(jìn)行功率交換，保持單位功率因數(shù)狀態(tài)的運(yùn)行。

本文利用PSCAD電磁暫態(tài)仿真軟件搭建風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真模型如圖2-1所示。左側(cè)為電網(wǎng)，右側(cè)為風(fēng)電場(chǎng)，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)和永磁同步直驅(qū)風(fēng)電機(jī)。本文雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型參考實(shí)際風(fēng)電系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。風(fēng)機(jī)經(jīng)升壓變壓器T1、35kV集電線、升壓變壓器T2、330kV聯(lián)絡(luò)線連接到330kV側(cè)并入總?cè)萘繛?2.5MVA的SVC使用無功補(bǔ)償。分別在330kV聯(lián)絡(luò)線和35kV集電線嘗試故障試驗(yàn)。

圖2-1 風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)電路

三、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)短路故障的特征分析

風(fēng)電并網(wǎng)的要求，使得機(jī)組必須在故障出現(xiàn)期間，保持低電壓穿越能力并且供應(yīng)適量的無功補(bǔ)償。常規(guī)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中配備Crowbar保護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，Crowbar保護(hù)是否正常啟動(dòng)，決定了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組會(huì)出現(xiàn)的故障特征。因此，本文將Crowbar保護(hù)是否啟動(dòng)分開進(jìn)行探討。

(一)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障特征分析

1.Crowbar保護(hù)未啟動(dòng)的情況。雙饋風(fēng)機(jī)仿真模型設(shè)置的故障點(diǎn)是330kV聯(lián)絡(luò)線和35kV集電線，當(dāng)Crowbar保護(hù)未正確啟動(dòng)，短路立即導(dǎo)致雙饋風(fēng)機(jī)側(cè)三相電流中的B、C相電流增大到故障前電流的2倍左右，A相電流則率先減小，逐步恢復(fù)到故障前的水平。雙饋風(fēng)機(jī)正序阻抗大于負(fù)序阻抗，負(fù)序表現(xiàn)穩(wěn)定，正序阻抗首先增大，然后減小，表現(xiàn)多個(gè)尖峰值(圖3-1、3-2)。故障發(fā)生后，雙饋風(fēng)機(jī)故障相電流頻率保持不變。

圖3-1 Crowbar保護(hù)未正確啟動(dòng)，風(fēng)機(jī)側(cè)三相電流

圖3-2 Crowbar保護(hù)未正確啟動(dòng)，風(fēng)機(jī)側(cè)阻抗

2.Crowbar保護(hù)啟動(dòng)的情況。雙饋風(fēng)機(jī)仿真模型設(shè)置的故障點(diǎn)是330kV聯(lián)絡(luò)線和35kV集電線，當(dāng)發(fā)生線路短路時(shí)，Crowbar保護(hù)正確啟動(dòng)，故障相電流增大到故障前電流的5倍左右，三相電路中A相電流增加到最大。故障發(fā)生后，雙饋風(fēng)機(jī)正序阻抗大于負(fù)序阻抗，負(fù)序表現(xiàn)穩(wěn)定，正序阻抗首先表現(xiàn)為增大，然后減小，中途有波動(dòng)(圖3-3、3-4)。故障發(fā)生后，雙饋風(fēng)機(jī)故障相電流頻率出現(xiàn)變化，不同于正常工作時(shí)的頻率。

圖3-3 Crowbar保護(hù)正確啟動(dòng)，風(fēng)機(jī)側(cè)三相電流

圖3-4 Crowbar保護(hù)正確啟動(dòng)，雙饋風(fēng)機(jī)側(cè)阻抗

(二)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障特征分析

直驅(qū)風(fēng)電機(jī)在故障發(fā)生時(shí)，必須達(dá)到的要求保證變流器電流電壓穩(wěn)定、防止流過變流器的電流過大、按低電壓穿越要求提供無功電流。因此在電壓恒定情況下，直驅(qū)風(fēng)電機(jī)如何防止流過變流器的電流過大以及如何提供無功電流。直驅(qū)風(fēng)機(jī)仿真模型設(shè)置的故障點(diǎn)在330kV聯(lián)絡(luò)線和系統(tǒng)側(cè)及35kV集電線、風(fēng)機(jī)側(cè)。其中，故障特征比較有代表性的是35kV集電線系統(tǒng)兩相出現(xiàn)短路時(shí)，本文重點(diǎn)分析這種情形。當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，35kV集電線風(fēng)機(jī)側(cè)三相中B、C相電流明顯增大。當(dāng)發(fā)生短路故障后，負(fù)序阻抗表現(xiàn)穩(wěn)定，經(jīng)過一定時(shí)長(zhǎng)后，正序阻抗大于負(fù)序阻抗(圖3-5、3-6)。

圖3-5 直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)側(cè)三相電流

圖3-6 直驅(qū)風(fēng)機(jī)側(cè)阻抗

(三)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)側(cè)短路故障特征

短路故障出現(xiàn)時(shí)，Crowbar未啟動(dòng)的雙饋風(fēng)機(jī)和直驅(qū)風(fēng)機(jī)暫態(tài)阻抗值較高，與相同規(guī)格的火電廠發(fā)電機(jī)相比，超出一大截。因此，風(fēng)電機(jī)不會(huì)承載超大額短路電流，提供短路電力的電源其能力表現(xiàn)較弱；無論是雙饋風(fēng)機(jī)或直驅(qū)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)側(cè)出現(xiàn)短路故障時(shí)，風(fēng)場(chǎng)側(cè)等效交流的正負(fù)序阻抗出現(xiàn)差異，并且隨著時(shí)間延長(zhǎng)，二者出現(xiàn)波動(dòng)；雙饋風(fēng)機(jī)的Crowbar正常啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)頻率會(huì)出現(xiàn)變化，不同于正常工作時(shí)的頻率。

四、關(guān)于風(fēng)電接入對(duì)保護(hù)的影響分析

繼電保護(hù)裝置通常在故障發(fā)生的同時(shí)，快速、準(zhǔn)確地切除故障電路，保護(hù)其他設(shè)備不受損害。繼電保護(hù)裝置主要通過各類電氣參數(shù)突然發(fā)生巨大變化，提取故障信息，迅速確定故障位置，完成相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作，比如電流、電壓、阻抗和功率等。通過上述分析風(fēng)電機(jī)組的典型故障特征，這些特征將會(huì)對(duì)現(xiàn)在投入使用的保護(hù)出現(xiàn)錯(cuò)誤動(dòng)作，因而對(duì)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生影響。根據(jù)元件不同，具體情形分析如下。

(一)距離元件。距離元件涵蓋全量距離元件和故障分量距離元件。風(fēng)電機(jī)組接入時(shí)，受影響較大的是故障分量距離元件。其保護(hù)原理將受到背側(cè)系統(tǒng)阻抗的不穩(wěn)定影響。在該保護(hù)區(qū)域外出現(xiàn)故障時(shí)，該元件會(huì)誤認(rèn)為故障出現(xiàn)在區(qū)內(nèi)，因此出現(xiàn)錯(cuò)誤動(dòng)作。

(二)方向元件。方向元件涵蓋功率方向元件和故障分量方向元件。風(fēng)電機(jī)組接入時(shí)，受影響較大的是故障分量方向元件。其保護(hù)原理同樣是受到背側(cè)系統(tǒng)阻抗的不穩(wěn)定影響。當(dāng)出現(xiàn)正向故障時(shí)，容易判斷錯(cuò)誤。比如，AB相相分量和正序序分量故障分量電壓和電流相角差在0°和-180°的大范圍中，然而故障分量方向元件判斷正好與實(shí)際相反。

(三)選相元件。選相元件涵蓋序分量選相元件、突變量選相元件、分相差動(dòng)選相元件和全量距離選相元件等。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組接入時(shí)，受影響較大的是序分量選相元件和突變量選相元件，其保護(hù)原理同樣是受到背側(cè)系統(tǒng)阻抗的不穩(wěn)定影響。

(四)差動(dòng)保護(hù)元件。差動(dòng)保護(hù)元件根據(jù)算法不同分為兩種，時(shí)域算法的差動(dòng)保護(hù)元件和頻域算法的差動(dòng)保護(hù)元件。當(dāng)這種保護(hù)元件不受風(fēng)電機(jī)組的影響，當(dāng)保護(hù)區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，該保護(hù)元件會(huì)做出正確的保護(hù)動(dòng)作；當(dāng)保護(hù)區(qū)外發(fā)生故障時(shí)，該保護(hù)元件不會(huì)觸發(fā)任何動(dòng)作。

五、結(jié)語(yǔ)

本文首先介紹了兩種不同原理的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，分別是通過定子與轉(zhuǎn)子都可向外輸送電能的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)和永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。設(shè)置兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的常規(guī)參數(shù)，仿真在不同位置發(fā)生不同類型故障，將具體情況總結(jié)如下。

(1)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在發(fā)生接地故障時(shí)，聯(lián)絡(luò)線風(fēng)場(chǎng)側(cè)會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流，主要是零序電流，聯(lián)絡(luò)線和集電線同時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)，非故障區(qū)域也會(huì)流過較大的電流，這主要是變壓器接線組別導(dǎo)致。

(2)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部設(shè)置有Crowbar保護(hù)。短路故障發(fā)生時(shí)，Crowbar保護(hù)未正確開啟，控制系統(tǒng)主要限制風(fēng)場(chǎng)側(cè)和風(fēng)機(jī)出口的暫態(tài)電流；Crowbar保護(hù)正確開啟，控制系統(tǒng)停止限制電流，提供短路電流通過的能力。風(fēng)場(chǎng)和同步系統(tǒng)依然未切斷聯(lián)系，電流頻率逐漸恢復(fù)至正常工作的頻率。

(3)永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)生各種類型故障時(shí)，短路電流僅有正序分量，保持三相對(duì)稱?？刂葡到y(tǒng)限制短路電流幅值。直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)始終同步頻率調(diào)節(jié)三相電流，可保持短路電流的頻率穩(wěn)定不便。

本文研究結(jié)論將會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行和風(fēng)電故障特征及其保護(hù)配置提供一定的參考依據(jù)。