風力發電系統短路故障特征分析及對保護的影響

張喜

摘要：隨著化石能源的消耗和全球生態環境的迅速惡化，風能作為一種無污染、可再生的新能源具有巨大的發展潛力，近年來，世界各國對風能的研究取得了很大進展。目前，風能開發的主要形式是風力發電。風力發電有多種類型。主要原理是風驅動風扇葉片旋轉，然后驅動發電機發電。風力發電特別適用于沿海島嶼、交通不便的偏遠山區、人煙稀少的草原和牧場，以及遠離電網的農村和邊境地區。

關鍵詞：風力發電系統;短路故障;特征分析;保護影響研究

1風力發電系統原理簡介

本文所研究的風力發電系統的電源部分由異步電動機（風力機驅動）和同步發電機（柴油機驅動）組成，帶有頻率調節器和負載（三部分）。當風速較低時，異步電機無法提供足夠的電能，柴油機驅動的同步電機也需要運行以滿足負載側的供電需求;當風速較高時，風力渦輪機驅動的異步電機可以為所有負載提供足夠的電能，我們不需要柴油機驅動的同步電機發電，也就是說，柴油機可以關閉，異步電機可以單獨向負載提供電能。

2風力發電系統故障分析

基于風電系統運行系統結構復雜、設備采購和維護成本高的特點，有必要探索風電系統內部子系統或設備的運行特性、損耗曲線和可靠性函數。風電系統設備模型相對統一，大部分運行環境惡劣，但環境類型相對統一，我們也可以根據這些有利因素進行故障分析和可靠性建模。接下來，根據風電場的歷史故障數據，計算風電系統的故障趨勢。仿真結果與風電設備的退化特性相吻合，得到了風電系統的可靠性參數，為后續的研究工作奠定了基礎。

2.1風力發電系統故障數據分析

主要利用某地區某大型風力發電廠的故障數據。風力發電機組分為兩個階段：第一階段為66臺雙饋異步風力發電機組，從2010年到2016年共收集了1445個電廠停機數據。該項目二期共有33個單元。根據故障數據統計，風電系統各子系統的三種故障頻率如下：（1）發電機系統，共發生497次;（2） 風輪系統，共449次;（3） 可變螺旋槳系統，共412次。

2.2風力發電系統可靠性分析

在這里，我們假設風力發電系統包含 子系統，每個子系統在計劃維護周期內不停止運行. 我們注意到，威布爾分布在大多數研究中是典型的，在單個電氣設備上是顯著的，但在系統級的許多機械設備上不是顯著的。在這種情況下，由泊松過程演化而來的非均勻泊松分布是更好的選擇。風電系統故障的兩個相鄰時間間隔呈不規則分布，符合非齊次泊松分布的要求，通常反映了可靠性變化的惡化過程。本文基于非齊次泊松分布原理對風力發電系統進行分析。

2.3風力發電系統退化特性分析

考慮子系統維護頻率、運行狀態、歷史工作時間和設備損耗程度。特征參數的最優組合 形狀參數 是必需的。特征參數 形狀參數 共同確定設備的退化率和系統可靠性。在風力發電廠的實際運行過程中，子系統處于一個固定的周期內， 失敗的時間具有很大的隨機性。在給定的時間間隔內，九個子系統的壽命退化曲線單調遞減，且隨著時間的推移，退化曲線趨于穩定。這表明，經過全面維修后，各子系統的設備在重新運行的初始階段出現故障的概率很高。設備退化很快，故障頻率也更高。然而，當子系統運行一段時間后，子系統設備的退化強度降低，故障概率在一定范圍內。

3 短路故障特征分析

3.1 雙饋風力發電系統故障特征的仿真分析

3.1.1Crowbar 保護不動作的工況分析

本文在 Crowbar 保護不動作的情況，研究了在330 kV聯絡線和35 kV集電線上不同故障點發生各種類型故障時的故障特征，由于內容過多本文只列出 35 kV 集電線系統側 BC 兩相短路時風機側的仿真結果，線路中點與風機側故障結果與系統側類似。為方便對比，以同容量同步發電機代替風力發電機下相同故障的仿真結果。

由此可見，Crowbar 保護不動作時，故障后，B、C 相電流增大到故障前電流的 2 倍左右，而 A相電流則表現為先減小，再逐漸增大到故障前的水平。

3.1.2 Crowbar 保護動作的工況分析

本文在 Crowbar 保護動作的情況，同樣研究了在330 kV聯絡線和35 kV集電線上不同故障點發生各種類型故障時的故障特征，由于內容過多本文也只列出 35 kV 集電線系統側 BC 兩相短路時風機側仿真結果，線路中點與風機側故障結果與系統側類似。Crowbar 保護動作時，故障后，故障相電流增大到故障前電流的 5 倍左右，之后 A相電流超過 BC 相電流成為最大。

4風電接入對保護的影響

1） 距離元素包括全距離元素和故障分量距離元素。風電接入時，基本不影響全距離元件，而故障分量距離元件的保護原理會因后側系統阻抗的不穩定而受到影響。當故障發生在區域外時，保護可能進入操作區域并誤動。2） 方向元件包括功率方向元件和故障分量方向元件。當風電方向元件基本不受影響，且故障元件方向元件保護原理將因背側系統阻抗、正故障、AB相元件和正序故障元件電壓和電流相角差在DHS至0-180 DHS范圍內而不穩定時，未能反轉方向判斷，判斷錯誤。3） 相位選擇元件包括序列分量相位選擇元件、突變相位選擇元件、動態相位選擇元件和全距離相位選擇元件等。當風電接入時，相位差動態選相元件和全距離選相元件基本不受影響，而由于后端系統的不穩定性，序分量選相元件和突變量選相元件也會受到影響，這是BC短路故障選相的計算結果。

5結論

如今，能源和環境問題越來越突出。風能作為一種清潔、環保的可再生能源，逐漸受到人們的青睞。隨著風力發電技術的不斷進步，單個風機的容量越來越大。目前，世界主流風電機組的額定容量一般為1～3.5MW，部分風電機組的最大額定容量已達到5～6MW，風電場的裝機容量也逐漸增大。

參考文獻

[1]王一凡.風力發電機系統建模與早期故障檢測[D].燕山大學，2016.

[2]趙霞，王倩，邵彬，何美華.雙饋感應風力發電系統低電壓穿越控制策略研究及其分析[J].電力系統保護與控制，2015，43（16）：57-64.