风力发电系统短路故障特征分析及对保护措施

于长健

摘要：社会与经济的快速发展离不开资源的提供，而资源并不是取之不尽用之不竭的，因此对可再生能源的开发和利用问题逐渐成为了社会重点关注和研究的核心。风能是大自然赐予的可再生性资源，因为其的清洁和环保，因此被广泛的应用于世界各个领域。其中风力发电技术更是得到了非常多的应用。而在风力发电中有两个比较重要的系统，就是双馈异步风力发电系统和直驱同步风力发电系统。本文就将通过对这两种发电系统的介绍，来进行对风力发电系统短路故障特征的分析，从而提出保护措施。

关键词：风力发电；系统故障；短路；故障分析；保护措施

引言：

目前，世界上对于能源与环境问题的关注程度越来越高，正是在这种背景下，越来越多的对环境没有影响，对资源不够成浪费并且提供能源的方式被广泛的认同、接受、以及推行。这其中就包括风能和水能，这两种能量的提供方式由于环保及提供能源较大、较快，因此备受青睐。风能发电随着科学技术的进步也在逐渐的完善和发展，使风电场的装机容量越来越大，这有好的影响也存在不利问题，如果风电场中出现故障，就会对继电保护造成严重影响。因此对于该问题的研究在安全性上至关重要。

一、风电系统结构及模型建立

在风力发电中，能根据风能从而实现动能转化的设备很多，直驱式永磁同步风力发电机组就是其中的一种，这种发电系统具有很多方面的优势，其同步转速较低，结构简洁，没有齿轮箱，并且在能量转化方面，有着很特殊的优势，并且能够最大程度上的适应电网波动，同时在功率控制上也极为灵活，這在很大程度上提高的运行的效率和可靠性，因此已经成为目前主流的风力发电技术。并且随着科学技术的不断提高，对直驱式永磁同步风电机组的研究也是逐渐深入。目前，主要的研究方向为换流器的控制特性对发生故障时的故障特征的影响。

双馈异步风力发电系统是随着电力电技术和计算机控制技术的快速发展，交流励磁双馈发电机变速恒频发电系统越来越多的得到了应用，并且由理论到实践取得了一定的成果，提高了电力系统的稳定性和可靠性。交流励磁双馈发电机也称为双馈感应异步发电机，也是本文主要的研究对象。双馈感应异步发电机的转子侧具有三相励磁绕组结构，当通过某一转差频率的交流电时，就会产生一个相对转子旋转的磁场，此时同步转速等于转子的实际转速加上由旋转磁场所对应的转速。

1.双馈风力发电结构及建模

双馈风力发电机组的定子与转子都与电网相连，并都有能量的馈送，因此称为双馈发电机，由于采用变速恒频技术，也称为变速恒频风力发电机，其调速范围较大，便于实现最大风能跟踪。双馈发电机的构成主要包括风力机、齿轮箱、绕线式异步机、交直交变流器以及控制部分。本文双馈风力发电系统仿真模型如图1所示。

2.直驱风力发电结构及建模

为了研究永磁直驱同步风力发电机在发生各种类型故障条件的故障特征，本文利用电力系统仿真软件PSCAD建立了永磁同步直驱风力发电系统模型，包括风速模型、风力机模型、发电机模型、控制系统模型和联络线模型。发电机通过全功控制的交-直-交电路连接到电网上，该电路由整流器、中间直流电路环节和PWM逆变器组成。电机侧变换器由三相不控整流桥和Boost变换器构成；网侧PWM变换器通过调节网侧的d轴和q轴电流，实现有功和无功的解耦控制，通常设定直驱式永磁同步电机与系统不交换无功，使之运行在单位功率因数状态。

二、短路故障特征分析

针对风电场集电线路保护，目前仅在升压变电站侧配置两段式电流或距离保护，有的还配置零序保护，存在的问题如下：

1.电流保护误动或拒动

集电线路发生不同程度故障时，受风机控制策略、控制器性能能优劣、攝棒阻值等因素影响，传统的电流保护有误动和拒动的可能。

2.距离保护存在选择性问题

风电场的弱电源特性，导致风电场侧短路电流正负序分量所占比例远小于零序分量，传统距离保护不正确动作，选择性差；同时，由于集电线路长度各不相同，线路距离保护和过电流保护的整定值不容易配合，容易出现选择性问题。

3.接地故障灵敏性问题

风电场集电线路采用经电阻或消弧线圈接地，发生接地故障时，过渡电阻会对距离保护产生严重影晌，易引起保护拒动或误动情况发生。

三、风电场故障对继电保护的影响

风机不同于传统的同步电机，导致风电场呈现“多态性”的故障特性，对风电场继电保护的影响是：

1.风电场集电线路发生深度故障时，集电线路所接风机的保护动作，促使风电场侧短路电流减小，且最大值与禱棒保护电阻有关。可能造成传统I段拒动，不可靠动作。

2.风电场集电线路发生轻度故障时，Crowbar保护未动作，定子短路电流因双馈电机RSC和GSC的调节性能优劣，有持续时间长短不同的暂态分量和頓值较大的稳态分量，这些因素可能造成传统II段拒动或误动。

3.风电场容量相对于系统很小，呈现弱馈特性，集电线路发生接地故障时，风电场侧故障电流零序分量占的比例远大于正负序电流分量，导致基于工频相量算法的传统腿离保护不准确动作。

4.风电场集电线路发生短路故障时，可能导致相邻非故障集电线路所接所部风机动作，反方向大短路将流过本集电线路保护，引起保护误动。

结语：

通过对双馈发电系统和直驱发电系统的了解我们可以知道，在进行发电的过程中，只要在联络线内发生接地故障，那么就一定会在联络线侧产生较大的电流。我们通过仿真分析的方式来实现具体的分析和对故障问题的确认，经过对现场路波数据调查与分析，使我们得到了前面说到的结论。这种处理的方式能够在一定程度上为电网的管理提供技术支持。并且为研究人员对风电系统故障问题的研究提供了可靠的理论基础和实际依据。进而对实现保护装置的设计提供了参考。

参考文献：

[1]郝永清.风力发电系统短路故障特征分析及对保护的影响[J].商品与质量，2016（33）；

[2]吉雅图.风力发电系统短路故障特征分析及对保护的影响研究[J].科技展望，2017，27（22）.