风力发电系统短路故障特征分析及对保护的影响

张学明

摘要：风力发电机组在运行过程中会受到多种因素的影响从而出现内部电路的短路故障，为了进一步掌握短路故障的发生特征，并分析其对继电保护的影响，研究人员建立了双馈和直驱风电电磁暂态模型，通过模拟的方式分析了短路时电路内部的电流状态和阻抗特征，对其故障特征进行了分析，对继电保护配置提出了一定的建议。

关键词：风力发电系统；短路故障特征；继电保护

引言：当前国际能源形式紧张，环境问题的逐渐恶化使得我国开始转向研究风能发电技术。随着风力发电机组的增加，国家开始将风力发电系统接入电网之中，但是，风力发电由于受到自然环境的影响，其发电功率存在不稳定性，在加上其短路故障特征和传统的火电系统存在差异，导致电网之中的继电保护系统常会出现误判，影响其发挥正常的保护作用。因此，在未来的研究过程中，发现风力发电系统短路特征并将其应用在继电保护系统的优化上是发展的重点。

一、 短路故障的研究价值

风力发电的主要过程是将风能转化为电能，并通过并网来实现对电网的功能。风能具备间歇性特征，因此，在发电过程中，风力发电机组会受到自然条件的较大限制。在这个过程中，风力机组的短路电流和传统火电机组的短路电流具有较大的差异，当风力发电机组短路并作故障穿越状态运行时，其接入电网的故障电流具有多态变化特征，会改变电网的故障特征。在这种情况下，传统电网中针对短路电流构建的继电保护系统会受到较为严重的破坏，无法保护系统正常运行。因此，为了降低风电系统短路电流对电网的影响，在未来的研究中，技术人员应当针对当前使用较多的风机，研究其短路电流特征，针对其特征重新设计继电保护系统，推进风电系统的普及。

二、 风力系统的结构与短路特征分析

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、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、短路特征分析

由于双馈风力发电机中配备Crowbar保护，当故障发生后，Crowbar保护动作与否将直接影响发电机的运行模式，从而导致故障特征不同；因此，需要将Crowbar保护动作与不动作的故障情况分开研究。Crowbar保护不动作时，故障后，B、C相电流增大到故障前电流的2倍左右，而A相电流则表现为先减小，再逐渐增大到故障前的水平。以同容量同步发电机代替风力发电机下相同故障时，同步机提供的短路电流约为风机的2倍，远大于风机提供的短路电流。Crowbar保护不动作时，故障后，正序阻抗大于负序阻抗，负序较为稳定，而正序阻抗幅值先增大后减小，呈现为一尖峰。Crowbar保护不动作时，故障发生后，故障相电流频率保持恒定，基本没有发生变化。

在Crowbar保护动作的情况，同样研究了在330kV联络线和35kV集电线上不同故障点发生各种类型故障时的故障特征，Crowbar保护动作时，故障后，故障相电流增大到故障前电流的5倍左右，之后A相电流超过BC相电流成为最大。Crowbar保护动作时，故障后，正序阻抗大于负序阻抗，负序较为稳定，而正序阻抗幅值先增大后减小，有所波动。Crowbar保护动作时，故障后，两故障相电流差频率变化，不再为工频。

当直驱风力发电系统故障后，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：第一，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。第二，风场侧等效交流正负序阻抗不再相等，且阻抗随着时间波动。第三，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、总结

双馈风力发电系统对继电保护装置的影响在crowbar保护是否运行时存在一定的差异。当crowbar保护正常运行时，当风电出现发电功率不稳并产生短路故障时，发电系统和电网的连接线风场侧会产生较大的零序电流，其属于短路电流，这一电流会在联络线与电厂线不对称时不断增大，且受到变压器的接线组别影响，直接影响继电保护系统的正常工作。由于风场和同步系统的影响，短路电流会恢复至工频，影响电网之中工频保护算法的工作。当crowbar保护系统不发挥作用时，接地故障不会产生短路电流，电网之中的继电保护系统也会使得故障电流维持在工频。

永磁直驱同步风力发电系统在发生短路故障时，其会在系统中产生仅有正序分量的短路电流，因此，继电保护仍然保持三相对称。电网之中短路电流的大小会直接受到系统振幅的影响和限制，表现为故障越严重，故障的电路点和风力发电机的距离越近。

三、 风电接入对继电保护的影响

通过仿真等方式，我国可以了解到风力发电机组在出现短路故障时的特征，这些特征会影响其所接入电网的继电保护系统，导致其出现无效或是误动等情况。第一，风力发电本身具有发电频率不均匀，电压峰谷差大等缺点，在接入电力网络之后，其电压的波动很可能会影响电网之中变压器等电力传输舍不得正常工作，因此，在实际的接入电网之后，国家应该加强对于变压器运行的保护，以保证电力网络的正常运行。第二，风力发电在接入电网之前还要进行调峰操作，以防止风力发电在集中接入电网的过程之中引起电力网络之中负荷峰谷差变大，实际上增大了风力发电设施对于电网系统调峰的需求。调峰操作之中的主要困难来自我国电力供应之中的能源结构不合理。在当前的国家电力供应之中，我国主要是使用火力发电来供应生产和生活所需要的电能，火力发电在运行的过程之中约束条件较多，给我国的电力网络调峰工作带来了很大的困难。第三，我国在实际的电网接入的前期，一般是通过将风力发电产生的电能交由火力发电站进行频率的调整。在大规模的集中接入电网之后，由于电网在调频过程之中的电源容量的下降，国家技术人员决定在风电的发电过程之中，在发电设施上配置相应容量的调频电源，以便在发电过程之中实现调频。第四，差動保护元件包括使用时域算法的保护元件和基于频域算法的元件，风电接入时差动保护元件不会受到其不稳定发电功率的影响，故障保护不会出现误动现象。

结语：通过数据仿真以及对电路的分析，本文分析了风力发电的短路故障的特征及其对电网中继电保护系统的影响，结论对于未来风力发电接入电网之后的管理和运行提供一定的参考价值，希望可以推进风力发电的进一步普及和使用。

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