風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)短路故障特征分析及對(duì)保護(hù)的影響

張學(xué)明

摘要：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中會(huì)受到多種因素的影響從而出現(xiàn)內(nèi)部電路的短路故障，為了進(jìn)一步掌握短路故障的發(fā)生特征，并分析其對(duì)繼電保護(hù)的影響，研究人員建立了雙饋和直驅(qū)風(fēng)電電磁暫態(tài)模型，通過模擬的方式分析了短路時(shí)電路內(nèi)部的電流狀態(tài)和阻抗特征，對(duì)其故障特征進(jìn)行了分析，對(duì)繼電保護(hù)配置提出了一定的建議。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；短路故障特征；繼電保護(hù)

引言：當(dāng)前國(guó)際能源形式緊張，環(huán)境問題的逐漸惡化使得我國(guó)開始轉(zhuǎn)向研究風(fēng)能發(fā)電技術(shù)。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的增加，國(guó)家開始將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)之中，但是，風(fēng)力發(fā)電由于受到自然環(huán)境的影響，其發(fā)電功率存在不穩(wěn)定性，在加上其短路故障特征和傳統(tǒng)的火電系統(tǒng)存在差異，導(dǎo)致電網(wǎng)之中的繼電保護(hù)系統(tǒng)常會(huì)出現(xiàn)誤判，影響其發(fā)揮正常的保護(hù)作用。因此，在未來的研究過程中，發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)短路特征并將其應(yīng)用在繼電保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化上是發(fā)展的重點(diǎn)。

一、 短路故障的研究?jī)r(jià)值

風(fēng)力發(fā)電的主要過程是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，并通過并網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的功能。風(fēng)能具備間歇性特征，因此，在發(fā)電過程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組會(huì)受到自然條件的較大限制。在這個(gè)過程中，風(fēng)力機(jī)組的短路電流和傳統(tǒng)火電機(jī)組的短路電流具有較大的差異，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組短路并作故障穿越狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，其接入電網(wǎng)的故障電流具有多態(tài)變化特征，會(huì)改變電網(wǎng)的故障特征。在這種情況下，傳統(tǒng)電網(wǎng)中針對(duì)短路電流構(gòu)建的繼電保護(hù)系統(tǒng)會(huì)受到較為嚴(yán)重的破壞，無法保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。因此，為了降低風(fēng)電系統(tǒng)短路電流對(duì)電網(wǎng)的影響，在未來的研究中，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)針對(duì)當(dāng)前使用較多的風(fēng)機(jī)，研究其短路電流特征，針對(duì)其特征重新設(shè)計(jì)繼電保護(hù)系統(tǒng)，推進(jìn)風(fēng)電系統(tǒng)的普及。

二、 風(fēng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與短路特征分析

1、 雙饋風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的定子與轉(zhuǎn)子都與電網(wǎng)相連，并都有能量的饋送，因此稱為雙饋發(fā)電機(jī)，由于采用變速恒頻技術(shù)，也稱為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其調(diào)速范圍較大，便于實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。雙饋發(fā)電機(jī)的構(gòu)成主要包括風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、繞線式異步機(jī)、交直交變流器以及控制部分。2、直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)為了研究永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在發(fā)生各類型故障條件的故障特征，本文利用電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD建立了永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型，包括風(fēng)速模型、風(fēng)力機(jī)模型、發(fā)電機(jī)模型、控制系統(tǒng)模型和聯(lián)絡(luò)線模型。發(fā)電機(jī)通過全功率控制的交-直-交電路連接到電網(wǎng)上，該電路由整流器、中間直流電路環(huán)節(jié)和PWM逆變器組成。電機(jī)側(cè)變換器由三相不控整流橋和Boost變換器構(gòu)成；網(wǎng)側(cè)PWM變換器通過調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)的d軸和q軸電流，實(shí)現(xiàn)有功和無功的解耦控制，通常設(shè)定直驅(qū)式永磁同步電機(jī)與系統(tǒng)不交換無功，使之運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。

3、短路特征分析

由于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)中配備Crowbar保護(hù)，當(dāng)故障發(fā)生后，Crowbar保護(hù)動(dòng)作與否將直接影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行模式，從而導(dǎo)致故障特征不同；因此，需要將Crowbar保護(hù)動(dòng)作與不動(dòng)作的故障情況分開研究。Crowbar保護(hù)不動(dòng)作時(shí)，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(xiàn)為先減小，再逐漸增大到故障前的水平。以同容量同步發(fā)電機(jī)代替風(fēng)力發(fā)電機(jī)下相同故障時(shí)，同步機(jī)提供的短路電流約為風(fēng)機(jī)的2倍，遠(yuǎn)大于風(fēng)機(jī)提供的短路電流。Crowbar保護(hù)不動(dòng)作時(shí)，故障后，正序阻抗大于負(fù)序阻抗，負(fù)序較為穩(wěn)定，而正序阻抗幅值先增大后減小，呈現(xiàn)為一尖峰。Crowbar保護(hù)不動(dòng)作時(shí)，故障發(fā)生后，故障相電流頻率保持恒定，基本沒有發(fā)生變化。

在Crowbar保護(hù)動(dòng)作的情況，同樣研究了在330kV聯(lián)絡(luò)線和35kV集電線上不同故障點(diǎn)發(fā)生各種類型故障時(shí)的故障特征，Crowbar保護(hù)動(dòng)作時(shí)，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(hù)動(dòng)作時(shí)，故障后，正序阻抗大于負(fù)序阻抗，負(fù)序較為穩(wěn)定，而正序阻抗幅值先增大后減小，有所波動(dòng)。Crowbar保護(hù)動(dòng)作時(shí)，故障后，兩故障相電流差頻率變化，不再為工頻。

當(dāng)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障后，負(fù)序阻抗比較穩(wěn)定，故障后兩個(gè)工頻周期左右的時(shí)間內(nèi)正序阻抗大于負(fù)序阻抗。通過對(duì)不同風(fēng)電系統(tǒng)在不同位置、不同故障類型下進(jìn)行仿真，可以發(fā)現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)側(cè)發(fā)生故障后，有以下幾點(diǎn)較為典型的故障特征：第一，直驅(qū)風(fēng)機(jī)和Crowbar保護(hù)未投入的雙饋風(fēng)機(jī)暫態(tài)阻抗較大，比同容量的火電廠發(fā)電機(jī)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(guī)電源弱。第二，風(fēng)場(chǎng)側(cè)等效交流正負(fù)序阻抗不再相等，且阻抗隨著時(shí)間波動(dòng)。第三，雙饋風(fēng)機(jī)Crowbar保護(hù)投入時(shí)，系統(tǒng)頻率將發(fā)生變化，不再是工頻。

4、總結(jié)

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)繼電保護(hù)裝置的影響在crowbar保護(hù)是否運(yùn)行時(shí)存在一定的差異。當(dāng)crowbar保護(hù)正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)風(fēng)電出現(xiàn)發(fā)電功率不穩(wěn)并產(chǎn)生短路故障時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的連接線風(fēng)場(chǎng)側(cè)會(huì)產(chǎn)生較大的零序電流，其屬于短路電流，這一電流會(huì)在聯(lián)絡(luò)線與電廠線不對(duì)稱時(shí)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(hù)系統(tǒng)的正常工作。由于風(fēng)場(chǎng)和同步系統(tǒng)的影響，短路電流會(huì)恢復(fù)至工頻，影響電網(wǎng)之中工頻保護(hù)算法的工作。當(dāng)crowbar保護(hù)系統(tǒng)不發(fā)揮作用時(shí)，接地故障不會(huì)產(chǎn)生短路電流，電網(wǎng)之中的繼電保護(hù)系統(tǒng)也會(huì)使得故障電流維持在工頻。

永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)生短路故障時(shí)，其會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生僅有正序分量的短路電流，因此，繼電保護(hù)仍然保持三相對(duì)稱。電網(wǎng)之中短路電流的大小會(huì)直接受到系統(tǒng)振幅的影響和限制，表現(xiàn)為故障越嚴(yán)重，故障的電路點(diǎn)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的距離越近。

三、 風(fēng)電接入對(duì)繼電保護(hù)的影響

通過仿真等方式，我國(guó)可以了解到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在出現(xiàn)短路故障時(shí)的特征，這些特征會(huì)影響其所接入電網(wǎng)的繼電保護(hù)系統(tǒng)，導(dǎo)致其出現(xiàn)無效或是誤動(dòng)等情況。第一，風(fēng)力發(fā)電本身具有發(fā)電頻率不均勻，電壓峰谷差大等缺點(diǎn)，在接入電力網(wǎng)絡(luò)之后，其電壓的波動(dòng)很可能會(huì)影響電網(wǎng)之中變壓器等電力傳輸舍不得正常工作，因此，在實(shí)際的接入電網(wǎng)之后，國(guó)家應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)于變壓器運(yùn)行的保護(hù)，以保證電力網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。第二，風(fēng)力發(fā)電在接入電網(wǎng)之前還要進(jìn)行調(diào)峰操作，以防止風(fēng)力發(fā)電在集中接入電網(wǎng)的過程之中引起電力網(wǎng)絡(luò)之中負(fù)荷峰谷差變大，實(shí)際上增大了風(fēng)力發(fā)電設(shè)施對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰的需求。調(diào)峰操作之中的主要困難來自我國(guó)電力供應(yīng)之中的能源結(jié)構(gòu)不合理。在當(dāng)前的國(guó)家電力供應(yīng)之中，我國(guó)主要是使用火力發(fā)電來供應(yīng)生產(chǎn)和生活所需要的電能，火力發(fā)電在運(yùn)行的過程之中約束條件較多，給我國(guó)的電力網(wǎng)絡(luò)調(diào)峰工作帶來了很大的困難。第三，我國(guó)在實(shí)際的電網(wǎng)接入的前期，一般是通過將風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電能交由火力發(fā)電站進(jìn)行頻率的調(diào)整。在大規(guī)模的集中接入電網(wǎng)之后，由于電網(wǎng)在調(diào)頻過程之中的電源容量的下降，國(guó)家技術(shù)人員決定在風(fēng)電的發(fā)電過程之中，在發(fā)電設(shè)施上配置相應(yīng)容量的調(diào)頻電源，以便在發(fā)電過程之中實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。第四，差動(dòng)保護(hù)元件包括使用時(shí)域算法的保護(hù)元件和基于頻域算法的元件，風(fēng)電接入時(shí)差動(dòng)保護(hù)元件不會(huì)受到其不穩(wěn)定發(fā)電功率的影響，故障保護(hù)不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)現(xiàn)象。

結(jié)語：通過數(shù)據(jù)仿真以及對(duì)電路的分析，本文分析了風(fēng)力發(fā)電的短路故障的特征及其對(duì)電網(wǎng)中繼電保護(hù)系統(tǒng)的影響，結(jié)論對(duì)于未來風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)之后的管理和運(yùn)行提供一定的參考價(jià)值，希望可以推進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的進(jìn)一步普及和使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]滕予非，行武，張宏圖，等.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)短路故障特征分析及對(duì)保護(hù)的影響[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43（19）：29-36.

[2]吉雅圖.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)短路故障特征分析及對(duì)保護(hù)的影響研究[J].科技展望，2017，27（22）.

[3]郝永清.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)短路故障特征分析及對(duì)保護(hù)的影響[J].商品與質(zhì)量，2016（33）.