风力发电系统短路故障特征分析及对保护的影响研究

(广东华电前山风力发电有限公司 广东 湛江 524002)

一、引言

当前我国的能源发展方针倾向于清洁环保可再生的能源，比如水电、风电和太阳能。我国幅员辽阔、海岸线长，风能资源比较丰富。全国风能密度100W/m2，风能资源总储量1.6×105MW，特别是东南沿海及附近岛屿等地区。风力发电技术进展迅速，单台风机的容量逐渐得到突破。目前，风电机组的普遍额定容量为1～2.5MW，最大的额定容量可以达到5～6MW。在未来，清洁能源将会逐渐替代当前大量消耗的化石能源。风电场必定会安装更大额定容量的机组，但大容量的风电机并网对电网带来更多的问题。风电机并网后，是否会对继电保护装置产生影响，需要进一步探讨。本文将就风力发电系统出现短路故障时，系统反应的故障特征进行仿真模拟分析。

风力发电是将风能转换为电能的一种发电方式。风是一种具有周期性特征的自然现象，风能发电有一定的间歇性。风电并网要求机组供电保持稳定性和可靠性。风力发电系统出现短路故障，不同与以往传统的电机短路。当风力发电系统出现短路故障，其向外输送的电能，电流会出现“多态”变化特征，对电网的影响也更加复杂。当发生故障时，并不能保障电网保护元件会做出正确的保护动作。

本文将研究风力发电系统发生短路故障时，短路电流的特征以及电网保护元件出现的保护动作是否正确。将以双馈风力发电机和直驱风力发电机为例，基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件，根据时下风电机的参数建立模型并进行故障仿真，通过仿真分析短路电流的故障特征。

二、风力发电系统的结构与建模分析

当大量的风电机组接入电网系统时，风电电源则发生了较大的变化。风电电源和网络拓扑结构最大程度上决定了风电系统出现故障时的特征。首先，介绍目前应用较多的两种风电机，双馈风力发电机(DFIG)和直驱风力发电机(PMSG)。

(一)双馈风力发电结构与建模分析。双馈风力发电机组中的双馈指定子与转子，这两者都可向外输送能量。该发电机组使用变速恒频技术，可调控发电机组的速度，保持恒定频率，保证跟踪最大的风能。双馈发电机组结构主要包括风力机、齿轮箱、绕线式异步机、交直交变流器以及控制部分。

(二)直驱风力发电结构与建模分析。永磁同步直驱风力发电机组包括风速模型、风力机模型、发电机模型、控制系统模型和联络线模型。整个电路主要组成是整流器、中间直流电路环节和PWM逆变器；电机侧变换器主要组成是三相不控整流桥和加强变换器。较为关键的构成是网侧PWM变换器，可调节网侧的d轴和q轴电流，解耦控制有功和无功，较为普遍地假设直驱式永磁同步电机与系统不会进行功率交换，保持单位功率因数状态的运行。

本文利用PSCAD电磁暂态仿真软件搭建风电系统进行仿真验证。仿真模型如图2-1所示。左侧为电网，右侧为风电场，双馈风力发电机和永磁同步直驱风电机。本文双馈风力发电系统仿真模型参考实际风电系统的参数进行设计。风机经升压变压器T1、35kV集电线、升压变压器T2、330kV联络线连接到330kV侧并入总容量为12.5MVA的SVC使用无功补偿。分别在330kV联络线和35kV集电线尝试故障试验。

图2-1 风电场接入系统电路

三、风力发电系统短路故障的特征分析

风电并网的要求，使得机组必须在故障出现期间，保持低电压穿越能力并且供应适量的无功补偿。常规的双馈风力发电机组中配备Crowbar保护，当出现短路故障时，Crowbar保护是否正常启动，决定了双馈风力发电机组会出现的故障特征。因此，本文将Crowbar保护是否启动分开进行探讨。

(一)双馈风力发电系统故障特征分析

1.Crowbar保护未启动的情况。双馈风机仿真模型设置的故障点是330kV联络线和35kV集电线，当Crowbar保护未正确启动，短路立即导致双馈风机侧三相电流中的B、C相电流增大到故障前电流的2倍左右，A相电流则率先减小，逐步恢复到故障前的水平。双馈风机正序阻抗大于负序阻抗，负序表现稳定，正序阻抗首先增大，然后减小，表现多个尖峰值(图3-1、3-2)。故障发生后，双馈风机故障相电流频率保持不变。

图3-1 Crowbar保护未正确启动，风机侧三相电流

图3-2 Crowbar保护未正确启动，风机侧阻抗

2.Crowbar保护启动的情况。双馈风机仿真模型设置的故障点是330kV联络线和35kV集电线，当发生线路短路时，Crowbar保护正确启动，故障相电流增大到故障前电流的5倍左右，三相电路中A相电流增加到最大。故障发生后，双馈风机正序阻抗大于负序阻抗，负序表现稳定，正序阻抗首先表现为增大，然后减小，中途有波动(图3-3、3-4)。故障发生后，双馈风机故障相电流频率出现变化，不同于正常工作时的频率。

图3-3 Crowbar保护正确启动，风机侧三相电流

图3-4 Crowbar保护正确启动，双馈风机侧阻抗

(二)直驱风力发电系统故障特征分析

直驱风电机在故障发生时，必须达到的要求保证变流器电流电压稳定、防止流过变流器的电流过大、按低电压穿越要求提供无功电流。因此在电压恒定情况下，直驱风电机如何防止流过变流器的电流过大以及如何提供无功电流。直驱风机仿真模型设置的故障点在330kV联络线和系统侧及35kV集电线、风机侧。其中，故障特征比较有代表性的是35kV集电线系统两相出现短路时，本文重点分析这种情形。当发生短路时，35kV集电线风机侧三相中B、C相电流明显增大。当发生短路故障后，负序阻抗表现稳定，经过一定时长后，正序阻抗大于负序阻抗(图3-5、3-6)。

图3-5 直驱风电系统，风机侧三相电流

图3-6 直驱风机侧阻抗

(三)风电场风机侧短路故障特征

短路故障出现时，Crowbar未启动的双馈风机和直驱风机暂态阻抗值较高，与相同规格的火电厂发电机相比，超出一大截。因此，风电机不会承载超大额短路电流，提供短路电力的电源其能力表现较弱；无论是双馈风机或直驱风机，风机侧出现短路故障时，风场侧等效交流的正负序阻抗出现差异，并且随着时间延长，二者出现波动；双馈风机的Crowbar正常启动时，系统频率会出现变化，不同于正常工作时的频率。

四、关于风电接入对保护的影响分析

继电保护装置通常在故障发生的同时，快速、准确地切除故障电路，保护其他设备不受损害。继电保护装置主要通过各类电气参数突然发生巨大变化，提取故障信息，迅速确定故障位置，完成相应保护动作，比如电流、电压、阻抗和功率等。通过上述分析风电机组的典型故障特征，这些特征将会对现在投入使用的保护出现错误动作，因而对风电机组产生影响。根据元件不同，具体情形分析如下。

(一)距离元件。距离元件涵盖全量距离元件和故障分量距离元件。风电机组接入时，受影响较大的是故障分量距离元件。其保护原理将受到背侧系统阻抗的不稳定影响。在该保护区域外出现故障时，该元件会误认为故障出现在区内，因此出现错误动作。

(二)方向元件。方向元件涵盖功率方向元件和故障分量方向元件。风电机组接入时，受影响较大的是故障分量方向元件。其保护原理同样是受到背侧系统阻抗的不稳定影响。当出现正向故障时，容易判断错误。比如，AB相相分量和正序序分量故障分量电压和电流相角差在0°和-180°的大范围中，然而故障分量方向元件判断正好与实际相反。

(三)选相元件。选相元件涵盖序分量选相元件、突变量选相元件、分相差动选相元件和全量距离选相元件等。当风电机组接入时，受影响较大的是序分量选相元件和突变量选相元件，其保护原理同样是受到背侧系统阻抗的不稳定影响。

(四)差动保护元件。差动保护元件根据算法不同分为两种，时域算法的差动保护元件和频域算法的差动保护元件。当这种保护元件不受风电机组的影响，当保护区域内发生故障时，该保护元件会做出正确的保护动作；当保护区外发生故障时，该保护元件不会触发任何动作。

五、结语

本文首先介绍了两种不同原理的风力发电机，分别是通过定子与转子都可向外输送电能的双馈风力发电机和永磁同步直驱风力发电机。设置两种风力发电机的常规参数，仿真在不同位置发生不同类型故障，将具体情况总结如下。

(1)双馈风力发电机在发生接地故障时，联络线风场侧会产生很大的短路电流，主要是零序电流，联络线和集电线同时出现故障时，非故障区域也会流过较大的电流，这主要是变压器接线组别导致。

(2)双馈风力发电机组内部设置有Crowbar保护。短路故障发生时，Crowbar保护未正确开启，控制系统主要限制风场侧和风机出口的暂态电流；Crowbar保护正确开启，控制系统停止限制电流，提供短路电流通过的能力。风场和同步系统依然未切断联系，电流频率逐渐恢复至正常工作的频率。

(3)永磁直驱同步风力发电系统在发生各种类型故障时，短路电流仅有正序分量，保持三相对称。控制系统限制短路电流幅值。直驱同步风力发电系统始终同步频率调节三相电流，可保持短路电流的频率稳定不便。

本文研究结论将会对风电场的运行和风电故障特征及其保护配置提供一定的参考依据。