风力发电系统短路故障特征分析及对保护的影响李大同.docxVIP

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风力发电系统短路故障特征分析及对保护的影响李大同

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摘要：当今能源与环境问题日渐突出，风能作为一种清洁环保的可再生能源受到人们的青睐，这也使得风力发电技术受到人们广泛的关注。随着并网运行风电场容量的不断增加，风电场对电网运行的影响也越来越突出，当风电场发生故障时，对于电力系统中现有的继电保护以及安全自动装置的正确动作有很大的影响。因此研究风电系统故障时短路电流特征及其对保护的影响就显得尤为重要。鉴于此，本文就风力发电系统短路故障特征等方面展开简要的探讨。

关键词：风力发电；短路故障；保护

1风力发电机组故障类型

发电机是电力系统的核心组成部分，影响着整个电力系统的安全运行，影响着供电稳定性、可靠性，但发电机组却也是最容易出现故障的部件。风力发电机组属于大型高速旋转设备，不仅运行环境特殊，且自身结构复杂，故障机理多变，易受到运行环境影响，在长年累月运行中难免会发生故障。例如，绕组故障：铁芯松动、绝缘破坏、绕组开路、短路。绕组是风力发电机的关键部分，若绕组出现故障将可能导致发电机组的烧毁或损坏，造成电力系统全面瘫痪。转子也是非常重要的部件，转子故障将可能导致转子线圈发热，引起绝缘子老化，造导致缘击穿、匝间短路、机组振动，甚至引起火灾，造成安全事故。绝缘子老化将直接给发电机组安全运行带来威胁，绝缘老化后接地电阻、匝间绝缘电阻及相间绝缘电阻，便会达不到规定最低耐压标准，便可能引起安全事故，影响电力系统安全。想要降低故障率，保障风力发电机组运行安全必须做好故障诊断。

2风电系统结构

2.1双馈风力发电结构

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。双馈发电机的构成如图1所示，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。

2.2直驱风力发电结构

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。发电机通过全功率控制的交-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。

3短路故障特征分析

3.1仿真分析双馈风力发电系统的故障特征

为了研究Crowbar在保护不动作状况下的工作情况，在本篇文章当中对35kV集电线以及110kV联络线上的不同故障点上的故障特征进行了分析。因为内容过多，所以指对35kV集电线侧的方针结果进行了分析。为了便于对比，也对相同容量的同步发电机的故障仿真结果进行了分析。

由图2可以看出，当Crowbar保护不动作的时候，发生故障以后，B、C相之间的电流就会大约增大到发生故障之前的2倍，而A相的电流就会先是减小，然后逐渐的增大，直至发生故障之前的水平。当将风力发电机替换成相同容量的同步发电机时，发生相同的故障时，其所提供的短路电流会达到风机的2倍左右，大大的超过了风机提供的。并且，当Crowbar保护不动作的时候，发生故障之后，负序阻抗会小于正序阻抗，负序比较稳定，但是，正序阻抗的幅值会先增大然后再减小，形状呈现为一尖峰。当Crowbar保护不动作的时候，发生故障发生以后，故障相电流的频率基本上不会改变。

3.2直驱风力发电系统故障特征的仿真分析

本文研究了直驱风电系统在不同故障点发生各种故障类型时的故障特征，故障分别发生在110kV联络线和系统侧及35kV集电线、风机侧。由图3可见，故障后，35kV集电线风机侧的B、C相电流明显增大。

由试验结果分析，故障后，负序阻抗比较稳定，故障后两个工频周期左右的时间内正序阻抗大于负序阻抗。通过对不同风电系统在不同位置、不同故障类型下进行仿真，可以发现大规模风电场风机侧发生故障后，有以下几点较为典型的故障特征：1）直驱风机和Crowbar保护未投入的双馈风机暂态阻抗较大，比同容量的火电厂发电机大很多，所以其不能提供很大的短路电流，提供短路电流能力较常规电源弱。2）在风场侧当中的等效交流不再有相同的正负序阻抗，并且随着时间的变化阻抗也在变动。3）双馈风机Crowbar保护投入时，系统频率将发生变化，不再是工频。

4风电接入对保护的影响

当发电机发生故障时，会在一定的程度上影响正在使用中的保护，可能会引发保护的误动，其具体的影响如下所示：（1）全量以及故障分量元件都属于是距离元件。当接入风电的时候，基本不会影响到全量距离元件，但是因为被测系统具有不稳定的阻抗