風力發電系統短路故障特征分析及對保護的影響

張學明

摘要：風力發電機組在運行過程中會受到多種因素的影響從而出現內部電路的短路故障，為了進一步掌握短路故障的發生特征，并分析其對繼電保護的影響，研究人員建立了雙饋和直驅風電電磁暫態模型，通過模擬的方式分析了短路時電路內部的電流狀態和阻抗特征，對其故障特征進行了分析，對繼電保護配置提出了一定的建議。

關鍵詞：風力發電系統；短路故障特征；繼電保護

引言：當前國際能源形式緊張，環境問題的逐漸惡化使得我國開始轉向研究風能發電技術。隨著風力發電機組的增加，國家開始將風力發電系統接入電網之中，但是，風力發電由于受到自然環境的影響，其發電功率存在不穩定性，在加上其短路故障特征和傳統的火電系統存在差異，導致電網之中的繼電保護系統常會出現誤判，影響其發揮正常的保護作用。因此，在未來的研究過程中，發現風力發電系統短路特征并將其應用在繼電保護系統的優化上是發展的重點。

一、 短路故障的研究價值

風力發電的主要過程是將風能轉化為電能，并通過并網來實現對電網的功能。風能具備間歇性特征，因此，在發電過程中，風力發電機組會受到自然條件的較大限制。在這個過程中，風力機組的短路電流和傳統火電機組的短路電流具有較大的差異，當風力發電機組短路并作故障穿越狀態運行時，其接入電網的故障電流具有多態變化特征，會改變電網的故障特征。在這種情況下，傳統電網中針對短路電流構建的繼電保護系統會受到較為嚴重的破壞，無法保護系統正常運行。因此，為了降低風電系統短路電流對電網的影響，在未來的研究中，技術人員應當針對當前使用較多的風機，研究其短路電流特征，針對其特征重新設計繼電保護系統，推進風電系統的普及。

二、 風力系統的結構與短路特征分析

1、 雙饋風力發電結構

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。2、直驅風力發電結構為了研究永磁直驅同步風力發電機在發生各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。發電機通過全功率控制的交-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。

3、短路特征分析

由于雙饋風力發電機中配備Crowbar保護，當故障發生后，Crowbar保護動作與否將直接影響發電機的運行模式，從而導致故障特征不同；因此，需要將Crowbar保護動作與不動作的故障情況分開研究。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。以同容量同步發電機代替風力發電機下相同故障時，同步機提供的短路電流約為風機的2倍，遠大于風機提供的短路電流。Crowbar保護不動作時，故障后，正序阻抗大于負序阻抗，負序較為穩定，而正序阻抗幅值先增大后減小，呈現為一尖峰。Crowbar保護不動作時，故障發生后，故障相電流頻率保持恒定，基本沒有發生變化。

在Crowbar保護動作的情況，同樣研究了在330kV聯絡線和35kV集電線上不同故障點發生各種類型故障時的故障特征，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。Crowbar保護動作時，故障后，正序阻抗大于負序阻抗，負序較為穩定，而正序阻抗幅值先增大后減小，有所波動。Crowbar保護動作時，故障后，兩故障相電流差頻率變化，不再為工頻。

當直驅風力發電系統故障后，負序阻抗比較穩定，故障后兩個工頻周期左右的時間內正序阻抗大于負序阻抗。通過對不同風電系統在不同位置、不同故障類型下進行仿真，可以發現大規模風電場風機側發生故障后，有以下幾點較為典型的故障特征：第一，直驅風機和Crowbar保護未投入的雙饋風機暫態阻抗較大，比同容量的火電廠發電機大很多，所以其不能提供很大的短路電流，提供短路電流能力較常規電源弱。第二，風場側等效交流正負序阻抗不再相等，且阻抗隨著時間波動。第三，雙饋風機Crowbar保護投入時，系統頻率將發生變化，不再是工頻。

4、總結

雙饋風力發電系統對繼電保護裝置的影響在crowbar保護是否運行時存在一定的差異。當crowbar保護正常運行時，當風電出現發電功率不穩并產生短路故障時，發電系統和電網的連接線風場側會產生較大的零序電流，其屬于短路電流，這一電流會在聯絡線與電廠線不對稱時不斷增大，且受到變壓器的接線組別影響，直接影響繼電保護系統的正常工作。由于風場和同步系統的影響，短路電流會恢復至工頻，影響電網之中工頻保護算法的工作。當crowbar保護系統不發揮作用時，接地故障不會產生短路電流，電網之中的繼電保護系統也會使得故障電流維持在工頻。

永磁直驅同步風力發電系統在發生短路故障時，其會在系統中產生僅有正序分量的短路電流，因此，繼電保護仍然保持三相對稱。電網之中短路電流的大小會直接受到系統振幅的影響和限制，表現為故障越嚴重，故障的電路點和風力發電機的距離越近。

三、 風電接入對繼電保護的影響

通過仿真等方式，我國可以了解到風力發電機組在出現短路故障時的特征，這些特征會影響其所接入電網的繼電保護系統，導致其出現無效或是誤動等情況。第一，風力發電本身具有發電頻率不均勻，電壓峰谷差大等缺點，在接入電力網絡之后，其電壓的波動很可能會影響電網之中變壓器等電力傳輸舍不得正常工作，因此，在實際的接入電網之后，國家應該加強對于變壓器運行的保護，以保證電力網絡的正常運行。第二，風力發電在接入電網之前還要進行調峰操作，以防止風力發電在集中接入電網的過程之中引起電力網絡之中負荷峰谷差變大，實際上增大了風力發電設施對于電網系統調峰的需求。調峰操作之中的主要困難來自我國電力供應之中的能源結構不合理。在當前的國家電力供應之中，我國主要是使用火力發電來供應生產和生活所需要的電能，火力發電在運行的過程之中約束條件較多，給我國的電力網絡調峰工作帶來了很大的困難。第三，我國在實際的電網接入的前期，一般是通過將風力發電產生的電能交由火力發電站進行頻率的調整。在大規模的集中接入電網之后，由于電網在調頻過程之中的電源容量的下降，國家技術人員決定在風電的發電過程之中，在發電設施上配置相應容量的調頻電源，以便在發電過程之中實現調頻。第四，差動保護元件包括使用時域算法的保護元件和基于頻域算法的元件，風電接入時差動保護元件不會受到其不穩定發電功率的影響，故障保護不會出現誤動現象。

結語：通過數據仿真以及對電路的分析，本文分析了風力發電的短路故障的特征及其對電網中繼電保護系統的影響，結論對于未來風力發電接入電網之后的管理和運行提供一定的參考價值，希望可以推進風力發電的進一步普及和使用。

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]吉雅圖.風力發電系統短路故障特征分析及對保護的影響研究[J].科技展望，2017，27（22）.

[3]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）.