直驱风力发电机风电场故障特征分析及对继电保护影响研究

张岚，张悦，白瑞

（1.国网太原供电公司，山西太原030012；2.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001）

直驱风力发电机风电场故障特征分析及对继电保护影响研究

张岚1，张悦2，白瑞2

（1.国网太原供电公司，山西太原030012；2.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001）

传统的基于同步发电机故障电流的分析方法已不能直接用于风电机组。建立正确的风力发电机仿真模型，分析风电场接入电力系统后故障电流特征及对继电保护的影响，对于改进和研发适用于风电场的继电保护具有重要意义。

风电场；故障特征；继电保护

0 引言

随着国家新能源战略的进一步实施，风力发电在我国得到了迅猛的发展，风电机组由最初的直接接入配电网，到大规模风电场接入超高压电网，风电场发生故障对电网的影响也更加严重。目前对风电的研究主要集中在风电机组的控制模型、风电对电力系统的稳定性和电能质量的影响上，对风电机组的短路故障特征研究较少，其故障特征与同步发电机存在显著的差别，因而不能简单地把风力发电机作为同步发电机处理。另外，继电保护装置整定原则基本没有考虑风电场的短路电流贡献，或者简单地将风电场认为是一个非正序电源，或将风力发电机作为同步发电机处理，这样势必对保护的灵敏性和正确性产生影响。因此，风电场在故障时快速、准确、可靠地切除故障，对电网的安全与稳定运行起着重要作用。

1 风电场接入系统模型

以朔州地区牛心堡风电场为例，根据牛心堡风电场实际参数建立仿真模型。山西右玉牛心堡风电场规划总装机容量为100MW，本期工程安装单机容量1.5 MW风力发电机组33台，装机容量49.5 MW。机型为金风科技产品，风力发电机组采用一机一变的单元接线方式，每台风力发电机接1台箱式变压器，将风机的机端电压690 V升压至35 kV，再通过35 kV电缆集电线接至风电场升压站的35 kV母线，每回集电线连接11台风机，风电场35 kV、220 kV系统采用单母线接线方式。220 kV山牛线和牛右线分别连接至右玉风电场和220 kV右玉变电站。图1为牛心堡风电场一次系统接线图。

图1 牛心堡风电场一次系统接线图

2 故障仿真及故障特征分析

仿真研究直驱风力发电系统220 kV联络线牛右线（如图1所示）满负荷运行时，在不同故障点发生单相接地、两相接地、三相短路、两相短路故障，并分析其故障特征。故障点分别设在联络线系统侧k1、风场侧k2，统一设置故障起始时刻为3.6 s，持续时间0.2 s。故障设置如图1所示，故障点分别设置在220 kV联络线系统侧和风场侧。

2.1 单相接地故障特征分析

2.1.1 220 kV联络线风场侧故障仿真

仿真模拟220 kV联络线风场侧发生A相金属性接地故障。风场侧及系统侧观测结果见图2—图3。

图2 220 kV联络线风场侧发生A相接地故障风场侧波形图

图3 220 kV联络线风场侧发生A相接地故障系统侧波形图

故障特征分析如下。

从图2 a和图3 a可见，220 kV联络线风场侧发生A相接地故障时，系统侧A相电压有所降低，而风场侧则约为0；它们的非故障相电压基本不变。

从图2b和图3b中可见，故障后，220 kV线路风场侧三相电流均增大，且相位接近相同。其中A相电流最大，但小于异步风机提供的短路电流。这是由于控制系统调节器的作用，使得故障后短路电流并不大。

2.1.2 220 kV联络线系统侧故障仿真

仿真模拟220 kV联络线系统侧发生A相金属性接地故障。仿真结果表明，在系统侧发生单相金属性接地故障情况下，其故障特征与线路风场侧故障特征基本一致，只是幅值大小不同。

2.2 两相接地故障特征分析

2.2.1 220 kV联络线风场侧故障仿真

仿真模拟220 kV联络线风场侧发生两相接地故障。风场侧及系统侧观测结果见图4—图5。

图4 220 kV联络线风场侧发生BC相接地故障风场侧波形图

图5 220 kV联络线系统侧发生BC相接地故障系统侧波形图

故障特征分析如下。

从图4a和图5a可见，故障发生瞬时，220 kV线路风场侧B、C相电压约为0，而系统侧B、C相电压则有所下降，两侧A相电压稍有下降。

从图4b和图5b可见，220 kV线路风场侧三相电流都有所增大，且相位接近相同。220 kV线路系统侧为常规电源，故障电流较大。

2.2.2 220 kV联络线系统侧故障仿真

仿真模拟220 kV联络线中点发生两相接地故障。仿真结果表明，在系统侧发生两相接地故障情况下，其故障特征与线路风场侧故障特征基本一致，只是幅值大小不同。

2.3 三相短路故障特征分析

2.3.1 220 kV联络线风场侧故障仿真

在永磁直驱同步发电机额定出力的情况下，仿真模拟220 kV联络线风场侧发生三相短路故障，风场侧及系统侧观测结果见图6—图7。

图6 220 kV联络线风场侧发生三相故障风场侧波形图

图7 220 kV联络线风场侧发生三相故障风场侧波形图

故障特征分析如下。

由图6a和图7a可见，故障发生瞬时，220 kV线路风场侧电压约为0，220 kV线路系统侧电压降低但残压较高。

由图6b和图7b可见，220 kV线路发生短路后风场侧电流增大，但远小于系统侧提供的短路电流。

2.3.2 220 kV联络线系统侧故障仿真

仿真模拟220 kV联络线系统侧发生三相短路故障。仿真结果表明，在系统侧发生三相短路故障情况下，其故障特征与线路风场侧故障特征基本一致，只是幅值大小不同。

2.4 相间短路故障特征分析

2.4.1 220 kV联络线风场侧故障仿真

在永磁直驱同步发电机额定出力的情况下，仿真模拟220 kV联络线风场侧发生BC相短路故障，风场侧及系统侧观测结果见图8—图9。

图8 220 kV联络线风场侧发生BC相故障风场侧波形图

图9 220 kV联络线风场侧发生BC相故障系统侧波形图

故障特征分析如下。

由图8a和图9a可见，故障发生时，220 kV线路风场侧B、C相电压大约相等并降低一半，220 kV线路系统侧B、C相电压有所降低，但高于风场侧电压。风场侧和系统侧的A相电压基本保持不变。

由图8b和图9b可见，220 kV线路风场侧A相和B相电流突然增大，C相电流略有增加，这是由于控制策略的作用、变压器Y/△接线形式、SVC的调节的结果。而由于220 kV线路系统侧为常规电源，且系统阻抗小，因此220 kV线路系统侧故障电流较大。

2.4.2 220 kV联络线系统侧故障仿真

仿真模拟220 kV联络线系统侧发生BC相短路故障。仿真结果表明，在系统侧发生三相短路故障情况下，其故障特征与线路风场侧故障特征基本一致，只是幅值大小不同。

通过以上故障仿真及对仿真结果进行分析可以看出，风电场侧具有弱电源特性。

3 风电场故障特征对继电保护的影响

风电场作为一种非常规的电源形式，其接入电网并非都能够适应传统的继电保护原理，因此有必要对风电场接入后的继电保护问题进行研究。

由仿真结果可知，发生单相接地故障时，风电场侧的三相短路电流基本同相位，主要为零序分量。由于风电场的容量相对较小，风电场侧的正、负序等值阻抗包括220 kV输电线路、主变以及风电场内部35 kV线路与机组的阻抗，远大于系统侧的等值阻抗；而对于零序网络，由于风电场的主变的中性点直接接地，风电场侧的零序网等效阻抗仅包括线路与主变的零序阻抗，等值零序阻抗远小于正、负序阻抗。在单相接地故障时，零序电流将成为风电场侧故障电流的主要分量，而正、负序电流所占的比例非常小。

传统电网在发生故障的时候都会伴随电压降低、电流增大、相位变化，这些特点也成为电力系统继电保护构造判据、识别故障的基础。风电场在发生故障时具有弱馈特点，不仅提供短路电流的能力有限，而且非故障相电流也会增加。这些特点使得利用电流构造判据的单端电气量保护动作困难，正确性无法保证，存在适应性问题。具体受影响的保护元件包括：电流启动元件、过电流保护元件、距离保护元件、相电流选相元件、相电流差选相元件等。在我国的一些地区，已经出现了风电场弱电源特性导致的故障误选相与距离保护拒动问题，必须引起足够的重视。

4 结论

仿真研究可知，风电场与传统电网的故障特征存在差异。根据风电场故障特征及对继电保护的影响分析研究，得出以下结论。

a）与系统侧相比，直驱同步风力发电机提供的短路电流较小，且非故障相电流增加。

b）联络线发生接地故障时，风场侧三相电流幅值增加且基本同相，系统侧与常规系统一致，仅故障相电流增大。

c）风电场侧具有弱电源特性，使得利用电流构造判据的单端电气量保护动作可能拒动。

Research on Fault Characteristics Analysis of Direct-driven W ind Generator and Its Impact on Relay Protection

ZHANG Lan1，ZHANG Yue2，BAIRui2
（1.State Grid Taiyuan Power Supply Company，Taiyuan，Shanxi 030012，China; 2.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Traditional analyticalmethods based on the fault current of synchronous generator could not be used in wind turbines directly.The correctwind turbinemodelwas built，and the characteristic of fault current and its effect on relay protection when wind power isconnected to power system wasanalysed，which isofsignificance for improvingand researchingon relay protection ofwind farm.

wind farm；faultcharacteristic；relay protection

TM76

A

1671-0320（2014）05-0001-04

2014-04-24，

2014-08-05

张岚（1962-），女，山西太原人，1991年毕业于太原电力高等专科学校电力系统及其自动化专业，工程师，从事电气工程管理工作；

张悦（1965-），女，山西太原人，1988年毕业于太原工业大学电力分校电力系统及其自动化专业，高级工程师，从事继电保护工作；

白瑞（1969-），男，山西五台人，1999年毕业于华北电力大学电力系统及其自动化专业，高级工程师，从事继电保护工作。