风力发电系统短路故障特征分析及对保护的影响

国家电投集团徐闻风力发电有限公司 陈达源

1 引言

风力发电系统是借助风能对电能进行制造，风能属于再生资源的一种，对于环境保护而言，风力发电系统发挥了重要作用，且发展成了最佳发电方式。在风能发电中，部分发电机难免会出现故障，然而由于全部发电机都安装了继电保护装置，从而可以防止发生诸多大事故，因此，在现阶段的风力发电厂中，研究风力发电系统的短路特征和保护影响尤为关键。

2 风力发电系统的结构与建模分析

2.1 双馈风力发电系统结构和建模

由于在具体运用过程中，双馈发电机主要运用速度会出现变化但频率不会的技术，因此也被称为变速恒频发电机，调速范围较为宽泛，能够追踪风能[1]。双馈发电机主要由控制部分、交直交变流器、绕线式异步机、齿轮箱、风力机构成。双馈发电机模型单机无穷大系统如图1所示，风机通过330kV联络线和35kV 集电线，同时还连接了升压变压器T1、T2，以及330kV 交流系统。为有效补偿SVC（容量12.5MVA），以T2为基点，侧并35kV。330kV 联络线以及35kV 集电线，能够同时进行故障试验分析。

图1 双馈发电机模型单机无穷大系统

2.2 直驱风力发电结构与建模

永磁同步直驱风力发电机组模型构成较全，具有较强的设备适应性。以其中电路系统为例，为提升电能反馈、控制效果，设计了中间直流电路、网侧PWM 变换器等；电机侧变换器的构成则涉及加强变换器、三相不控整流桥[2]。以其中网侧PWM 变换器为例，可以对网侧的q 轴与d 轴电流进行调节，解耦控制无功、有功，此时假定系统整体功率不会变化，在直驱式永磁同步电机等设备影响下，系统单位功率因素状态的运行始终不会发生改变。

本文结合探究目的与方向，以PSCAD 电磁暂态仿真系统为基点，对风电系统进行构建，然后实施仿真验证。磁直驱同步风力发电系统并网模型如图2所示，其中，右侧主要有永磁同步直驱风电机、双馈风力以及电网，而左侧为电网。本文将具体的风电系统阐述作为基础，结合风力系统短路基本特征，特结合仿真软件设计双馈风力发电系统，具体同“双馈发电系统的模型”过程内容相似，均能结合330kV 联络线以及35kV 集电线，能够同时进行故障试验分析。

图2 磁直驱同步风力发电系统并网模型

3 风力发电系统短路故障的特征

3.1 双馈风力发电系统故障特征的仿真分析

3.1.1 Crowbar 保护不动作的工况分析

本文结合Crowbar 保护不动作状况，以故障表现为基点，围绕330kV 联络线、330kV 联络线进行了深入探究，但受到内容制约，故以35kV 集电线系统为例，探究其中BC 两相短路情况下，系统仿真结果。结果表明，若以系统测数据为基点，相似数据有风机侧故障结构、线路中点。为了更好地进行比较，设定同步量环境、相同设备、相同故障，进行对比模拟。

风机侧三相电流如图3所示。

图3 风机侧三相电流

由图3可知，Crowbar 保护不动作时，出现故障后，相较于故障前电流，B、C 相电流增大约2倍，而A 相电流则先减少，然后慢慢变大，和故障前的水平相当。同步机侧三相电流如图4所示。

图4 同步机侧三相电流

由图4可知，替换为同容量同步发电机后，出现相同故障的时，短路后风机电流量仅为同步机的1/2。风机侧阻抗如图5所示。

图5 风机侧阻抗

由图5可知，Crowbar 保护不动过程中，一旦出现系统故障，此时正序阻抗与负序阻抗表现为，前者更大，且数值先升高后降低。

风机侧故障相电流相位如图6所示。

图6 风机侧故障相电流相位

由图6可知，Crowbar 保护不动作时，发生故障之后，故障相电流频率较为稳定，几乎没有改变。

3.1.2 Crowbar 保护动作的工况分析

以Crowbar 保护状况故障表现为发现点，探究其工作情况。因为其涉及了诸多内容，本文重点探究了35kV 集电线系统侧上的BC 两相发生短路后，风机侧的仿真结果。在出现系统故障后，在Crowbar 保护动作基础上，故障相的电流会逐渐变大，约为故障出现前的5倍左右，随后A 相电流高于BC 相上的电流，进而成为最大电流[3]。

同时，和负序阻抗相比，其正序阻抗较小，负序具有一定的稳定性，正序的阻抗幅值先变大，之后再变小，会出现一定的波动；当Crowbar 进行保护动作时，出现故障后，若以电流差频率进行测试，会发现不同故障相的数值会变化，并非为工频。

3.2 直趋风力系统仿真分析

为更加深入、全面地剖析风力发电机结构特征，则最重要的一点就是对故障特征展开深入分析[4]。因此，应科学利用发电机设备（同步直驱形式），积极构建现有仿真软件的直驱模式，以保障研究对象符合研究目标，以更加高质高效地设计风力模型，同时确保即使模型联络业务处于运行状态也能够完成对每一项控制系统的合理处置，尽可能地提高全功率控制体系的运行质量。须结合联络线基本参数、性质、需求，并以此为依据分析全功率基础上发电机设备的表现，以确保这种短路研究方式与内容不偏离双馈发电机真实异常情况、故障表现等。

据此，要充分利用仿真系统设计故障配置情况，并将其立体展示出来，以保障双馈风力发电系统的研究结果更加真实。保护系统的工作要求一定要适应规章分析体系的运行特点，确保可以基于联络线等软件设备稳定运行上分析和处置故障，同时保证在处理故障中，所有具有高电压特点的集电线资源均能够对故障特点展开完整分析，这样一来就可以极让风力发电系统就算在系统短路状态下也具备较高的运行质量。

3.3 风电接入系统时的故障特征分析

针对整流方式的具体特征展开深入研究，并立足于低电压状态下的短路故障研究技术，研究所有故障分析活动，确保全部的同步电机应用策略都可以较好地适应直驱式发动机电容体系设计研究相关内容，让变频器的发电系统能够达到无功补偿技术提出的应用要求，提高发电机应用价值和相关变频资源的技术应用价值。

4 风电接入对保护的影响

4.1 距离元件

距离元件故障分量与全量两部分构成[5]。接入风电机组时，影响最大的就是故障分量距离元件。如果背侧系统阻抗稳定性不强，则其保护原理便无法充分体现。当相关故障出现在这一保护区域外时，则会对故障所在位置作出错误的判断，即认为其存在于区内，所以发生错误动作。

4.2 方向元件

故障分量和功率是这一类元件的主要构成。在与风电机组相接触后，受影响最大的方向元件会是故障分量。同样的，背侧系统阻抗稳定性较弱，会使保护原理受到严重影响。当发生正向故障的时候，很容易出现误判的情况。如AB 相相分量和正序序分量故障分量电压、电流相角差最大为180°，最小为0°，但故障分量方向元件判断却与实际完全相反。

4.3 选相元件

此类元件主要由四部分构成，分别是全量距离、分相差动、突变量以及序分量。一旦同风电机组接触，则受影响最大的就是突变量和序分量，背侧系统阻碍缺乏稳定性会影响其保护原理。

4.4 差动保护元件

以不同的算法为基础，差动保护元件主要分为两类，分别是频域算法、时域算法。大多数情况下，这一保护元件发挥作用都是在风电机组不对其造成影响，故障在保护区域发生时；当故障出现在保护区外的时候，此保护元件不会做动作。

5 结语

借助现有的故障诊断方法与技术，可以实时监测与管理风力发电系统设备，防止出现故障，尽可能地保护电力企业的经济效益。而借助本文提及的各种方法，即使受控系统准确机理模型的建构非常困难，也能够实现对风力发电系统故障的有效诊断，让风力发电系统得到优化控制。除此之外，因为现阶段我国科学技术日新月异，所以各种新型故障诊断技术和处理方法也不断涌现出来。如此，便会推动电力行业良好发展。