风力发电系统短路故障特征分析及对保护的影响

张喜

摘要：随着化石能源的消耗和全球生态环境的迅速恶化，风能作为一种无污染、可再生的新能源具有巨大的发展潜力，近年来，世界各国对风能的研究取得了很大进展。目前，风能开发的主要形式是风力发电。风力发电有多种类型。主要原理是风驱动风扇叶片旋转，然后驱动发电机发电。风力发电特别适用于沿海岛屿、交通不便的偏远山区、人烟稀少的草原和牧场，以及远离电网的农村和边境地区。

关键词：风力发电系统;短路故障;特征分析;保护影响研究

1风力发电系统原理简介

本文所研究的风力发电系统的电源部分由异步电动机（风力机驱动）和同步发电机（柴油机驱动）组成，带有频率调节器和负载（三部分）。当风速较低时，异步电机无法提供足够的电能，柴油机驱动的同步电机也需要运行以满足负载侧的供电需求;当风速较高时，风力涡轮机驱动的异步电机可以为所有负载提供足够的电能，我们不需要柴油机驱动的同步电机发电，也就是说，柴油机可以关闭，异步电机可以单独向负载提供电能。

2风力发电系统故障分析

基于风电系统运行系统结构复杂、设备采购和维护成本高的特点，有必要探索风电系统内部子系统或设备的运行特性、损耗曲线和可靠性函数。风电系统设备模型相对统一，大部分运行环境恶劣，但环境类型相对统一，我们也可以根据这些有利因素进行故障分析和可靠性建模。接下来，根据风电场的历史故障数据，计算风电系统的故障趋势。仿真结果与风电设备的退化特性相吻合，得到了风电系统的可靠性参数，为后续的研究工作奠定了基础。

2.1风力发电系统故障数据分析

主要利用某地区某大型风力发电厂的故障数据。风力发电机组分为两个阶段：第一阶段为66台双馈异步风力发电机组，从2010年到2016年共收集了1445个电厂停机数据。该项目二期共有33个单元。根据故障数据统计，风电系统各子系统的三种故障频率如下：（1）发电机系统，共发生497次;（2） 风轮系统，共449次;（3） 可变螺旋桨系统，共412次。

2.2风力发电系统可靠性分析

在这里，我们假设风力发电系统包含 子系统，每个子系统在计划维护周期内不停止运行. 我们注意到，威布尔分布在大多数研究中是典型的，在单个电气设备上是显著的，但在系统级的许多机械设备上不是显著的。在这种情况下，由泊松过程演化而来的非均匀泊松分布是更好的选择。风电系统故障的两个相邻时间间隔呈不规则分布，符合非齐次泊松分布的要求，通常反映了可靠性变化的恶化过程。本文基于非齐次泊松分布原理对风力发电系统进行分析。

2.3风力发电系统退化特性分析

考虑子系统维护频率、运行状态、历史工作时间和设备损耗程度。特征参数的最优组合 形状参数 是必需的。特征参数 形状参数 共同确定设备的退化率和系统可靠性。在风力发电厂的实际运行过程中，子系统处于一个固定的周期内， 失败的时间具有很大的随机性。在给定的时间间隔内，九个子系统的寿命退化曲线单调递减，且随着时间的推移，退化曲线趋于稳定。这表明，经过全面维修后，各子系统的设备在重新运行的初始阶段出现故障的概率很高。设备退化很快，故障频率也更高。然而，当子系统运行一段时间后，子系统设备的退化强度降低，故障概率在一定范围内。

3 短路故障特征分析

3.1 双馈风力发电系统故障特征的仿真分析

3.1.1Crowbar 保护不动作的工况分析

本文在 Crowbar 保护不动作的情况，研究了在330 kV联络线和35 kV集电线上不同故障点发生各种类型故障时的故障特征，由于内容过多本文只列出 35 kV 集电线系统侧 BC 两相短路时风机侧的仿真结果，线路中点与风机侧故障结果与系统侧类似。为方便对比，以同容量同步发电机代替风力发电机下相同故障的仿真结果。

由此可见，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。

3.1.2 Crowbar 保护动作的工况分析

本文在 Crowbar 保護动作的情况，同样研究了在330 kV联络线和35 kV集电线上不同故障点发生各种类型故障时的故障特征，由于内容过多本文也只列出 35 kV 集电线系统侧 BC 两相短路时风机侧仿真结果，线路中点与风机侧故障结果与系统侧类似。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。

4风电接入对保护的影响

1） 距离元素包括全距离元素和故障分量距离元素。风电接入时，基本不影响全距离元件，而故障分量距离元件的保护原理会因后侧系统阻抗的不稳定而受到影响。当故障发生在区域外时，保护可能进入操作区域并误动。2） 方向元件包括功率方向元件和故障分量方向元件。当风电方向元件基本不受影响，且故障元件方向元件保护原理将因背侧系统阻抗、正故障、AB相元件和正序故障元件电压和电流相角差在DHS至0-180 DHS范围内而不稳定时，未能反转方向判断，判断错误。3） 相位选择元件包括序列分量相位选择元件、突变相位选择元件、动态相位选择元件和全距离相位选择元件等。当风电接入时，相位差动态选相元件和全距离选相元件基本不受影响，而由于后端系统的不稳定性，序分量选相元件和突变量选相元件也会受到影响，这是BC短路故障选相的计算结果。

5结论

如今，能源和环境问题越来越突出。风能作为一种清洁、环保的可再生能源，逐渐受到人们的青睐。随着风力发电技术的不断进步，单个风机的容量越来越大。目前，世界主流风电机组的额定容量一般为1～3.5MW，部分风电机组的最大额定容量已达到5～6MW，风电场的装机容量也逐渐增大。

参考文献

[1]王一凡.风力发电机系统建模与早期故障检测[D].燕山大学，2016.

[2]赵霞，王倩，邵彬，何美华.双馈感应风力发电系统低电压穿越控制策略研究及其分析[J].电力系统保护与控制，2015，43（16）：57-64.