風力發電系統短路故障特征分析及對保護的影響探析討論

陳振波

摘 要：近些年隨著我國社會主義市場經濟快速發展，能源與環境問題日益突出，風能作為重要的可再生能源受到較大關注。隨著風力發電技術全面發展，單臺風機容量值在逐步增大。根據相關數據統計顯示，目前在世界范圍內主流風電機組額定容量在1至2.5MW，有部分機組最大額定容量能達到5至6MW，風電場裝機容量在逐步擴大。并網運行風電場容量在逐步增加，風電場對電網運行中造成的影響更加突出，風電場發生故障之后，對于電力系統繼電保護以及安全裝置動作運行會產生較大影響，所以當前要對風力發電系統故障特征進行全面分析。

關鍵詞：風力發電系統；短路故障；保護；影響

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.165

受到工業化生產發展影響，我國能源需求量逐步擴大，加上各項技術合理應用，風力發電范圍逐步擴大。通過風力發電能產生充足電能，但是風能發電受到自然要素限制，發電階段間歇性較為突出。風機與傳統同步電機運行過程中產生的電流差異性較大。當電機運行中產生不同故障，饋入電網的故障電流具有不同形態調整，當前要電網故障特性進行優化。在原有的同步電機故障中建立的不同整定體系與運行原則都會受到不同程度破壞，不能保障系統穩定運行。當前可以

發揮出仿真軟件應用價值，分析現場錄波數據，判定故障特征變化，驗證數據結果的真實性，能更合理地分析保護性能的影響。

1 風電系統結構及模型組建

在雙饋風力發電結構組建和運行過程中，發電機組定子、轉子和電網能保持穩定連接，在連接過程中會產生能量傳遞。此類結構組成過程中主要是應用了變速恒頻技術，實際調速范圍較大，能對風能實現有效利用。雙饋發電機由不同部分構成，其中更主要有風力機、齒輪箱、控制結構、變流器等。在不同故障狀態下要對永磁直驅同步風力發電機故障進行判定，技術人員可以應用仿真軟件PSCAD組建風力發電系統基本模型，實際構成模型較多，例如風速測定模型、發電機結構模型、風力機模型等。在全功率控制電路連接基礎上能將發電機與電網進行連接，在完整的電路中主要是由鎮流器、逆變器、直流電路等部分構成。通關對直驅式永磁同步點擊和系統不交換無功進行設定，使其在單位功率因數狀態運行[1]。

2 風力發電系統短路故障特征分析

雙饋風力發電機中具有Crowbar保護，當風力發電機運行故障產生了故障問題，Crowbar保護對發電機穩定運行以及后續故障特征判定會產生較大的影響。比如在Crowbar不動作狀態下，對35kV集電線上不同故障位置各類故障基本類型進行分析，當Crowbar保護不動作，故障發生之后，部分相電流將會不斷提升，故障發生率開始增大。當Crowbar保護不動作，故障發生之后，負序阻抗要低于正序阻抗，負序穩定值較強，正序阻抗幅值先增強而后降低。Crowbar保護動作處于不穩定狀態，當故障發生之后，故障電流結拜呢頻率能保持穩定值，沒有發生較大變化。Crowbar保護動作，在35kV于330kV聯絡線在不同故障點具有不同故障表現特征，線路中點和風機側故障結果于系統側相似。Crowbar保護動作階段，故障發生之后相電流會逐步擴大，比如負序阻抗值要遠遠低于正序阻抗值，負序值變化較為穩定。

通過對不同風電系統不同故障特征進行仿真，故障發生位置主要是在330kV聯絡線與系統側以及35kV風機側與系統層位置，故障發生之后，負序阻抗穩定值較高，故障發生之后兩個工頻周期時間中工序阻抗要高于負序阻抗。各個風電系統仿真狀態下對不同位置故障進行判定，能發現較多典型的故障[2]。直驅風機和雙饋風機相比，其暫態阻抗值較高，與相同容量等級的火電廠相比暫態阻抗值更高。

3 風電接入對保護的影響探析

從仿真結果典型故障來看，各類特征故障將會對投入保護平衡性具有不同程度影響，會誘發誤動問題，產生的影響主要有以下幾個方面。距離原件主要由故障分量距離原件以及全量距離原件。風電接入階段功率方向原件不會受到較大影響，在背側系統阻抗不穩定性影響下，故障分量方向元件保護受到影響。選相元件主要序分量選項原件、突變量選相原件、分相差動選相原件等。將風電引入全量距離選相原件以及分相差動選相原件不會發生較大影響。風電接入過程中差動保護元件不會受到較大影響，能保持穩定運行。

對于雙饋風力發電來說，Crowbar保護動作應用現狀具有關鍵性作用。如果聯絡線連接應用中發生接地故障問題，在設備風場側將會發生嚴重的短路問題，短路電流主要是零序電流。當集電線和聯絡線產生不對稱性故障時，在聯絡線風場側和集電線風機側非故障電流會逐步擴大，此類變化發生的主要原因時受到接線組別的影響。針對雙饋風力發電，Crowbar保護不進行動作，針對聯絡線接地故障，在控制系統限幅作用全面影響下，相關技術人員通過對風機出口位置以及風場側暫態電流值進行檢測能發現，此處暫態電流值較低。由于長期受到控制系統影響，故障位置相電流能處于穩定的工頻范圍內。

對于雙饋風力發電來說，Crowbar保護動作進行過程中，控制系統現幅作用會中斷。聯絡線接地故障更加突出，和Crowbar保護動作進行對比，在風機出口位置以及集電線風機側電流頻率會發生相應變化，單相接地故障發生之后同步系統與風場之間能保持一定聯系，電流頻率能在較短時間內能有效恢復。

4 結語

綜合上述，通關仿真分析加上錄波數據獲取可知，管理部門要對風力發電系統短路故障特征進行分析，為電網運行管理提供相應決策，這樣能有效強化保護配置應用。

參考文獻：

[1]滕予非，行武，張宏圖等.風力發電系統短路故障特征分析及對保護的影響[J].電力系統保護與控制，2015，43（19）：29-36.

[2]郝永清.風力發電系統短路故障特征分析及對保護的影響[J].商品與質量，2016（33）：337+338.