風力發電系統短路故障特征分析及對保護的影響

國家電投集團徐聞風力發電有限公司 陳達源

1 引言

風力發電系統是借助風能對電能進行制造，風能屬于再生資源的一種，對于環境保護而言，風力發電系統發揮了重要作用，且發展成了最佳發電方式。在風能發電中，部分發電機難免會出現故障，然而由于全部發電機都安裝了繼電保護裝置，從而可以防止發生諸多大事故，因此，在現階段的風力發電廠中，研究風力發電系統的短路特征和保護影響尤為關鍵。

2 風力發電系統的結構與建模分析

2.1 雙饋風力發電系統結構和建模

由于在具體運用過程中，雙饋發電機主要運用速度會出現變化但頻率不會的技術，因此也被稱為變速恒頻發電機，調速范圍較為寬泛，能夠追蹤風能[1]。雙饋發電機主要由控制部分、交直交變流器、繞線式異步機、齒輪箱、風力機構成。雙饋發電機模型單機無窮大系統如圖1所示，風機通過330kV聯絡線和35kV 集電線，同時還連接了升壓變壓器T1、T2，以及330kV 交流系統。為有效補償SVC（容量12.5MVA），以T2為基點，側并35kV。330kV 聯絡線以及35kV 集電線，能夠同時進行故障試驗分析。

圖1 雙饋發電機模型單機無窮大系統

2.2 直驅風力發電結構與建模

永磁同步直驅風力發電機組模型構成較全，具有較強的設備適應性。以其中電路系統為例，為提升電能反饋、控制效果，設計了中間直流電路、網側PWM 變換器等；電機側變換器的構成則涉及加強變換器、三相不控整流橋[2]。以其中網側PWM 變換器為例，可以對網側的q 軸與d 軸電流進行調節，解耦控制無功、有功，此時假定系統整體功率不會變化，在直驅式永磁同步電機等設備影響下，系統單位功率因素狀態的運行始終不會發生改變。

本文結合探究目的與方向，以PSCAD 電磁暫態仿真系統為基點，對風電系統進行構建，然后實施仿真驗證。磁直驅同步風力發電系統并網模型如圖2所示，其中，右側主要有永磁同步直驅風電機、雙饋風力以及電網，而左側為電網。本文將具體的風電系統闡述作為基礎，結合風力系統短路基本特征，特結合仿真軟件設計雙饋風力發電系統，具體同“雙饋發電系統的模型”過程內容相似，均能結合330kV 聯絡線以及35kV 集電線，能夠同時進行故障試驗分析。

圖2 磁直驅同步風力發電系統并網模型

3 風力發電系統短路故障的特征

3.1 雙饋風力發電系統故障特征的仿真分析

3.1.1 Crowbar 保護不動作的工況分析

本文結合Crowbar 保護不動作狀況，以故障表現為基點，圍繞330kV 聯絡線、330kV 聯絡線進行了深入探究，但受到內容制約，故以35kV 集電線系統為例，探究其中BC 兩相短路情況下，系統仿真結果。結果表明，若以系統測數據為基點，相似數據有風機側故障結構、線路中點。為了更好地進行比較，設定同步量環境、相同設備、相同故障，進行對比模擬。

風機側三相電流如圖3所示。

圖3 風機側三相電流

由圖3可知，Crowbar 保護不動作時，出現故障后，相較于故障前電流，B、C 相電流增大約2倍，而A 相電流則先減少，然后慢慢變大，和故障前的水平相當。同步機側三相電流如圖4所示。

圖4 同步機側三相電流

由圖4可知，替換為同容量同步發電機后，出現相同故障的時，短路后風機電流量僅為同步機的1/2。風機側阻抗如圖5所示。

圖5 風機側阻抗

由圖5可知，Crowbar 保護不動過程中，一旦出現系統故障，此時正序阻抗與負序阻抗表現為，前者更大，且數值先升高后降低。

風機側故障相電流相位如圖6所示。

圖6 風機側故障相電流相位

由圖6可知，Crowbar 保護不動作時，發生故障之后，故障相電流頻率較為穩定，幾乎沒有改變。

3.1.2 Crowbar 保護動作的工況分析

以Crowbar 保護狀況故障表現為發現點，探究其工作情況。因為其涉及了諸多內容，本文重點探究了35kV 集電線系統側上的BC 兩相發生短路后，風機側的仿真結果。在出現系統故障后，在Crowbar 保護動作基礎上，故障相的電流會逐漸變大，約為故障出現前的5倍左右，隨后A 相電流高于BC 相上的電流，進而成為最大電流[3]。

同時，和負序阻抗相比，其正序阻抗較小，負序具有一定的穩定性，正序的阻抗幅值先變大，之后再變小，會出現一定的波動；當Crowbar 進行保護動作時，出現故障后，若以電流差頻率進行測試，會發現不同故障相的數值會變化，并非為工頻。

3.2 直趨風力系統仿真分析

為更加深入、全面地剖析風力發電機結構特征，則最重要的一點就是對故障特征展開深入分析[4]。因此，應科學利用發電機設備（同步直驅形式），積極構建現有仿真軟件的直驅模式，以保障研究對象符合研究目標，以更加高質高效地設計風力模型，同時確保即使模型聯絡業務處于運行狀態也能夠完成對每一項控制系統的合理處置，盡可能地提高全功率控制體系的運行質量。須結合聯絡線基本參數、性質、需求，并以此為依據分析全功率基礎上發電機設備的表現，以確保這種短路研究方式與內容不偏離雙饋發電機真實異常情況、故障表現等。

據此，要充分利用仿真系統設計故障配置情況，并將其立體展示出來，以保障雙饋風力發電系統的研究結果更加真實。保護系統的工作要求一定要適應規章分析體系的運行特點，確保可以基于聯絡線等軟件設備穩定運行上分析和處置故障，同時保證在處理故障中，所有具有高電壓特點的集電線資源均能夠對故障特點展開完整分析，這樣一來就可以極讓風力發電系統就算在系統短路狀態下也具備較高的運行質量。

3.3 風電接入系統時的故障特征分析

針對整流方式的具體特征展開深入研究，并立足于低電壓狀態下的短路故障研究技術，研究所有故障分析活動，確保全部的同步電機應用策略都可以較好地適應直驅式發動機電容體系設計研究相關內容，讓變頻器的發電系統能夠達到無功補償技術提出的應用要求，提高發電機應用價值和相關變頻資源的技術應用價值。

4 風電接入對保護的影響

4.1 距離元件

距離元件故障分量與全量兩部分構成[5]。接入風電機組時，影響最大的就是故障分量距離元件。如果背側系統阻抗穩定性不強，則其保護原理便無法充分體現。當相關故障出現在這一保護區域外時，則會對故障所在位置作出錯誤的判斷，即認為其存在于區內，所以發生錯誤動作。

4.2 方向元件

故障分量和功率是這一類元件的主要構成。在與風電機組相接觸后，受影響最大的方向元件會是故障分量。同樣的，背側系統阻抗穩定性較弱，會使保護原理受到嚴重影響。當發生正向故障的時候，很容易出現誤判的情況。如AB 相相分量和正序序分量故障分量電壓、電流相角差最大為180°，最小為0°，但故障分量方向元件判斷卻與實際完全相反。

4.3 選相元件

此類元件主要由四部分構成，分別是全量距離、分相差動、突變量以及序分量。一旦同風電機組接觸，則受影響最大的就是突變量和序分量，背側系統阻礙缺乏穩定性會影響其保護原理。

4.4 差動保護元件

以不同的算法為基礎，差動保護元件主要分為兩類，分別是頻域算法、時域算法。大多數情況下，這一保護元件發揮作用都是在風電機組不對其造成影響，故障在保護區域發生時；當故障出現在保護區外的時候，此保護元件不會做動作。

5 結語

借助現有的故障診斷方法與技術，可以實時監測與管理風力發電系統設備，防止出現故障，盡可能地保護電力企業的經濟效益。而借助本文提及的各種方法，即使受控系統準確機理模型的建構非常困難，也能夠實現對風力發電系統故障的有效診斷，讓風力發電系統得到優化控制。除此之外，因為現階段我國科學技術日新月異，所以各種新型故障診斷技術和處理方法也不斷涌現出來。如此，便會推動電力行業良好發展。