風力發電系統短路故障特征分析及對保護措施

于長健

摘要：社會與經濟的快速發展離不開資源的提供，而資源并不是取之不盡用之不竭的，因此對可再生能源的開發和利用問題逐漸成為了社會重點關注和研究的核心。風能是大自然賜予的可再生性資源，因為其的清潔和環保，因此被廣泛的應用于世界各個領域。其中風力發電技術更是得到了非常多的應用。而在風力發電中有兩個比較重要的系統，就是雙饋異步風力發電系統和直驅同步風力發電系統。本文就將通過對這兩種發電系統的介紹，來進行對風力發電系統短路故障特征的分析，從而提出保護措施。

關鍵詞：風力發電；系統故障；短路；故障分析；保護措施

引言：

目前，世界上對于能源與環境問題的關注程度越來越高，正是在這種背景下，越來越多的對環境沒有影響，對資源不夠成浪費并且提供能源的方式被廣泛的認同、接受、以及推行。這其中就包括風能和水能，這兩種能量的提供方式由于環保及提供能源較大、較快，因此備受青睞。風能發電隨著科學技術的進步也在逐漸的完善和發展，使風電場的裝機容量越來越大，這有好的影響也存在不利問題，如果風電場中出現故障，就會對繼電保護造成嚴重影響。因此對于該問題的研究在安全性上至關重要。

一、風電系統結構及模型建立

在風力發電中，能根據風能從而實現動能轉化的設備很多，直驅式永磁同步風力發電機組就是其中的一種，這種發電系統具有很多方面的優勢，其同步轉速較低，結構簡潔，沒有齒輪箱，并且在能量轉化方面，有著很特殊的優勢，并且能夠最大程度上的適應電網波動，同時在功率控制上也極為靈活，這在很大程度上提高的運行的效率和可靠性，因此已經成為目前主流的風力發電技術。并且隨著科學技術的不斷提高，對直驅式永磁同步風電機組的研究也是逐漸深入。目前，主要的研究方向為換流器的控制特性對發生故障時的故障特征的影響。

雙饋異步風力發電系統是隨著電力電技術和計算機控制技術的快速發展，交流勵磁雙饋發電機變速恒頻發電系統越來越多的得到了應用，并且由理論到實踐取得了一定的成果，提高了電力系統的穩定性和可靠性。交流勵磁雙饋發電機也稱為雙饋感應異步發電機，也是本文主要的研究對象。雙饋感應異步發電機的轉子側具有三相勵磁繞組結構，當通過某一轉差頻率的交流電時，就會產生一個相對轉子旋轉的磁場，此時同步轉速等于轉子的實際轉速加上由旋轉磁場所對應的轉速。

1.雙饋風力發電結構及建模

雙饋風力發電機組的定子與轉子都與電網相連，并都有能量的饋送，因此稱為雙饋發電機，由于采用變速恒頻技術，也稱為變速恒頻風力發電機，其調速范圍較大，便于實現最大風能跟蹤。雙饋發電機的構成主要包括風力機、齒輪箱、繞線式異步機、交直交變流器以及控制部分。本文雙饋風力發電系統仿真模型如圖1所示。

2.直驅風力發電結構及建模

為了研究永磁直驅同步風力發電機在發生各種類型故障條件的故障特征，本文利用電力系統仿真軟件PSCAD建立了永磁同步直驅風力發電系統模型，包括風速模型、風力機模型、發電機模型、控制系統模型和聯絡線模型。發電機通過全功控制的交-直-交電路連接到電網上，該電路由整流器、中間直流電路環節和PWM逆變器組成。電機側變換器由三相不控整流橋和Boost變換器構成；網側PWM變換器通過調節網側的d軸和q軸電流，實現有功和無功的解耦控制，通常設定直驅式永磁同步電機與系統不交換無功，使之運行在單位功率因數狀態。

二、短路故障特征分析

針對風電場集電線路保護，目前僅在升壓變電站側配置兩段式電流或距離保護，有的還配置零序保護，存在的問題如下：

1.電流保護誤動或拒動

集電線路發生不同程度故障時，受風機控制策略、控制器性能能優劣、攝棒阻值等因素影響，傳統的電流保護有誤動和拒動的可能。

2.距離保護存在選擇性問題

風電場的弱電源特性，導致風電場側短路電流正負序分量所占比例遠小于零序分量，傳統距離保護不正確動作，選擇性差；同時，由于集電線路長度各不相同，線路距離保護和過電流保護的整定值不容易配合，容易出現選擇性問題。

3.接地故障靈敏性問題

風電場集電線路采用經電阻或消弧線圈接地，發生接地故障時，過渡電阻會對距離保護產生嚴重影晌，易引起保護拒動或誤動情況發生。

三、風電場故障對繼電保護的影響

風機不同于傳統的同步電機，導致風電場呈現“多態性”的故障特性，對風電場繼電保護的影響是：

1.風電場集電線路發生深度故障時，集電線路所接風機的保護動作，促使風電場側短路電流減小，且最大值與禱棒保護電阻有關。可能造成傳統I段拒動，不可靠動作。

2.風電場集電線路發生輕度故障時，Crowbar保護未動作，定子短路電流因雙饋電機RSC和GSC的調節性能優劣，有持續時間長短不同的暫態分量和頓值較大的穩態分量，這些因素可能造成傳統II段拒動或誤動。

3.風電場容量相對于系統很小，呈現弱饋特性，集電線路發生接地故障時，風電場側故障電流零序分量占的比例遠大于正負序電流分量，導致基于工頻相量算法的傳統腿離保護不準確動作。

4.風電場集電線路發生短路故障時，可能導致相鄰非故障集電線路所接所部風機動作，反方向大短路將流過本集電線路保護，引起保護誤動。

結語：

通過對雙饋發電系統和直驅發電系統的了解我們可以知道，在進行發電的過程中，只要在聯絡線內發生接地故障，那么就一定會在聯絡線側產生較大的電流。我們通過仿真分析的方式來實現具體的分析和對故障問題的確認，經過對現場路波數據調查與分析，使我們得到了前面說到的結論。這種處理的方式能夠在一定程度上為電網的管理提供技術支持。并且為研究人員對風電系統故障問題的研究提供了可靠的理論基礎和實際依據。進而對實現保護裝置的設計提供了參考。

參考文獻：

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