直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)電場故障特征分析及對繼電保護影響研究

張嵐，張悅，白瑞

（1.國網(wǎng)太原供電公司，山西太原030012；2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原030001）

直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)電場故障特征分析及對繼電保護影響研究

張嵐1，張悅2，白瑞2

（1.國網(wǎng)太原供電公司，山西太原030012；2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原030001）

傳統(tǒng)的基于同步發(fā)電機故障電流的分析方法已不能直接用于風(fēng)電機組。建立正確的風(fēng)力發(fā)電機仿真模型，分析風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)后故障電流特征及對繼電保護的影響，對于改進(jìn)和研發(fā)適用于風(fēng)電場的繼電保護具有重要意義。

風(fēng)電場；故障特征；繼電保護

0 引言

隨著國家新能源戰(zhàn)略的進(jìn)一步實施，風(fēng)力發(fā)電在我國得到了迅猛的發(fā)展，風(fēng)電機組由最初的直接接入配電網(wǎng)，到大規(guī)模風(fēng)電場接入超高壓電網(wǎng)，風(fēng)電場發(fā)生故障對電網(wǎng)的影響也更加嚴(yán)重。目前對風(fēng)電的研究主要集中在風(fēng)電機組的控制模型、風(fēng)電對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量的影響上，對風(fēng)電機組的短路故障特征研究較少，其故障特征與同步發(fā)電機存在顯著的差別，因而不能簡單地把風(fēng)力發(fā)電機作為同步發(fā)電機處理。另外，繼電保護裝置整定原則基本沒有考慮風(fēng)電場的短路電流貢獻(xiàn)，或者簡單地將風(fēng)電場認(rèn)為是一個非正序電源，或?qū)L(fēng)力發(fā)電機作為同步發(fā)電機處理，這樣勢必對保護的靈敏性和正確性產(chǎn)生影響。因此，風(fēng)電場在故障時快速、準(zhǔn)確、可靠地切除故障，對電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定運行起著重要作用。

1 風(fēng)電場接入系統(tǒng)模型

以朔州地區(qū)牛心堡風(fēng)電場為例，根據(jù)牛心堡風(fēng)電場實際參數(shù)建立仿真模型。山西右玉牛心堡風(fēng)電場規(guī)劃總裝機容量為100MW，本期工程安裝單機容量1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機組33臺，裝機容量49.5 MW。機型為金風(fēng)科技產(chǎn)品，風(fēng)力發(fā)電機組采用一機一變的單元接線方式，每臺風(fēng)力發(fā)電機接1臺箱式變壓器，將風(fēng)機的機端電壓690 V升壓至35 kV，再通過35 kV電纜集電線接至風(fēng)電場升壓站的35 kV母線，每回集電線連接11臺風(fēng)機，風(fēng)電場35 kV、220 kV系統(tǒng)采用單母線接線方式。220 kV山牛線和牛右線分別連接至右玉風(fēng)電場和220 kV右玉變電站。圖1為牛心堡風(fēng)電場一次系統(tǒng)接線圖。

圖1 牛心堡風(fēng)電場一次系統(tǒng)接線圖

2 故障仿真及故障特征分析

仿真研究直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)220 kV聯(lián)絡(luò)線牛右線（如圖1所示）滿負(fù)荷運行時，在不同故障點發(fā)生單相接地、兩相接地、三相短路、兩相短路故障，并分析其故障特征。故障點分別設(shè)在聯(lián)絡(luò)線系統(tǒng)側(cè)k1、風(fēng)場側(cè)k2，統(tǒng)一設(shè)置故障起始時刻為3.6 s，持續(xù)時間0.2 s。故障設(shè)置如圖1所示，故障點分別設(shè)置在220 kV聯(lián)絡(luò)線系統(tǒng)側(cè)和風(fēng)場側(cè)。

2.1 單相接地故障特征分析

2.1.1 220 kV聯(lián)絡(luò)線風(fēng)場側(cè)故障仿真

仿真模擬220 kV聯(lián)絡(luò)線風(fēng)場側(cè)發(fā)生A相金屬性接地故障。風(fēng)場側(cè)及系統(tǒng)側(cè)觀測結(jié)果見圖2—圖3。

圖2 220 kV聯(lián)絡(luò)線風(fēng)場側(cè)發(fā)生A相接地故障風(fēng)場側(cè)波形圖

圖3 220 kV聯(lián)絡(luò)線風(fēng)場側(cè)發(fā)生A相接地故障系統(tǒng)側(cè)波形圖

故障特征分析如下。

從圖2 a和圖3 a可見，220 kV聯(lián)絡(luò)線風(fēng)場側(cè)發(fā)生A相接地故障時，系統(tǒng)側(cè)A相電壓有所降低，而風(fēng)場側(cè)則約為0；它們的非故障相電壓基本不變。

從圖2b和圖3b中可見，故障后，220 kV線路風(fēng)場側(cè)三相電流均增大，且相位接近相同。其中A相電流最大，但小于異步風(fēng)機提供的短路電流。這是由于控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的作用，使得故障后短路電流并不大。

2.1.2 220 kV聯(lián)絡(luò)線系統(tǒng)側(cè)故障仿真

仿真模擬220 kV聯(lián)絡(luò)線系統(tǒng)側(cè)發(fā)生A相金屬性接地故障。仿真結(jié)果表明，在系統(tǒng)側(cè)發(fā)生單相金屬性接地故障情況下，其故障特征與線路風(fēng)場側(cè)故障特征基本一致，只是幅值大小不同。

2.2 兩相接地故障特征分析

2.2.1 220 kV聯(lián)絡(luò)線風(fēng)場側(cè)故障仿真

仿真模擬220 kV聯(lián)絡(luò)線風(fēng)場側(cè)發(fā)生兩相接地故障。風(fēng)場側(cè)及系統(tǒng)側(cè)觀測結(jié)果見圖4—圖5。

圖4 220 kV聯(lián)絡(luò)線風(fēng)場側(cè)發(fā)生BC相接地故障風(fēng)場側(cè)波形圖

圖5 220 kV聯(lián)絡(luò)線系統(tǒng)側(cè)發(fā)生BC相接地故障系統(tǒng)側(cè)波形圖

故障特征分析如下。

從圖4a和圖5a可見，故障發(fā)生瞬時，220 kV線路風(fēng)場側(cè)B、C相電壓約為0，而系統(tǒng)側(cè)B、C相電壓則有所下降，兩側(cè)A相電壓稍有下降。

從圖4b和圖5b可見，220 kV線路風(fēng)場側(cè)三相電流都有所增大，且相位接近相同。220 kV線路系統(tǒng)側(cè)為常規(guī)電源，故障電流較大。

2.2.2 220 kV聯(lián)絡(luò)線系統(tǒng)側(cè)故障仿真

仿真模擬220 kV聯(lián)絡(luò)線中點發(fā)生兩相接地故障。仿真結(jié)果表明，在系統(tǒng)側(cè)發(fā)生兩相接地故障情況下，其故障特征與線路風(fēng)場側(cè)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聯(lián)絡(luò)線風(fēng)場側(cè)故障仿真

在永磁直驅(qū)同步發(fā)電機額定出力的情況下，仿真模擬220 kV聯(lián)絡(luò)線風(fēng)場側(cè)發(fā)生三相短路故障，風(fēng)場側(cè)及系統(tǒng)側(cè)觀測結(jié)果見圖6—圖7。

圖6 220 kV聯(lián)絡(luò)線風(fēng)場側(cè)發(fā)生三相故障風(fēng)場側(cè)波形圖

圖7 220 kV聯(lián)絡(luò)線風(fēng)場側(cè)發(fā)生三相故障風(fēng)場側(cè)波形圖

故障特征分析如下。

由圖6a和圖7a可見，故障發(fā)生瞬時，220 kV線路風(fēng)場側(cè)電壓約為0，220 kV線路系統(tǒng)側(cè)電壓降低但殘壓較高。

由圖6b和圖7b可見，220 kV線路發(fā)生短路后風(fēng)場側(cè)電流增大，但遠(yuǎn)小于系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流。

2.3.2 220 kV聯(lián)絡(luò)線系統(tǒng)側(cè)故障仿真

仿真模擬220 kV聯(lián)絡(luò)線系統(tǒng)側(cè)發(fā)生三相短路故障。仿真結(jié)果表明，在系統(tǒng)側(cè)發(fā)生三相短路故障情況下，其故障特征與線路風(fēng)場側(cè)故障特征基本一致，只是幅值大小不同。

2.4 相間短路故障特征分析

2.4.1 220 kV聯(lián)絡(luò)線風(fēng)場側(cè)故障仿真

在永磁直驅(qū)同步發(fā)電機額定出力的情況下，仿真模擬220 kV聯(lián)絡(luò)線風(fēng)場側(cè)發(fā)生BC相短路故障，風(fēng)場側(cè)及系統(tǒng)側(cè)觀測結(jié)果見圖8—圖9。

圖8 220 kV聯(lián)絡(luò)線風(fēng)場側(cè)發(fā)生BC相故障風(fēng)場側(cè)波形圖

圖9 220 kV聯(lián)絡(luò)線風(fēng)場側(cè)發(fā)生BC相故障系統(tǒng)側(cè)波形圖

故障特征分析如下。

由圖8a和圖9a可見，故障發(fā)生時，220 kV線路風(fēng)場側(cè)B、C相電壓大約相等并降低一半，220 kV線路系統(tǒng)側(cè)B、C相電壓有所降低，但高于風(fēng)場側(cè)電壓。風(fēng)場側(cè)和系統(tǒng)側(cè)的A相電壓基本保持不變。

由圖8b和圖9b可見，220 kV線路風(fēng)場側(cè)A相和B相電流突然增大，C相電流略有增加，這是由于控制策略的作用、變壓器Y/△接線形式、SVC的調(diào)節(jié)的結(jié)果。而由于220 kV線路系統(tǒng)側(cè)為常規(guī)電源，且系統(tǒng)阻抗小，因此220 kV線路系統(tǒng)側(cè)故障電流較大。

2.4.2 220 kV聯(lián)絡(luò)線系統(tǒng)側(cè)故障仿真

仿真模擬220 kV聯(lián)絡(luò)線系統(tǒng)側(cè)發(fā)生BC相短路故障。仿真結(jié)果表明，在系統(tǒng)側(cè)發(fā)生三相短路故障情況下，其故障特征與線路風(fēng)場側(cè)故障特征基本一致，只是幅值大小不同。

通過以上故障仿真及對仿真結(jié)果進(jìn)行分析可以看出，風(fēng)電場側(cè)具有弱電源特性。

3 風(fēng)電場故障特征對繼電保護的影響

風(fēng)電場作為一種非常規(guī)的電源形式，其接入電網(wǎng)并非都能夠適應(yīng)傳統(tǒng)的繼電保護原理，因此有必要對風(fēng)電場接入后的繼電保護問題進(jìn)行研究。

由仿真結(jié)果可知，發(fā)生單相接地故障時，風(fēng)電場側(cè)的三相短路電流基本同相位，主要為零序分量。由于風(fēng)電場的容量相對較小，風(fēng)電場側(cè)的正、負(fù)序等值阻抗包括220 kV輸電線路、主變以及風(fēng)電場內(nèi)部35 kV線路與機組的阻抗，遠(yuǎn)大于系統(tǒng)側(cè)的等值阻抗；而對于零序網(wǎng)絡(luò)，由于風(fēng)電場的主變的中性點直接接地，風(fēng)電場側(cè)的零序網(wǎng)等效阻抗僅包括線路與主變的零序阻抗，等值零序阻抗遠(yuǎn)小于正、負(fù)序阻抗。在單相接地故障時，零序電流將成為風(fēng)電場側(cè)故障電流的主要分量，而正、負(fù)序電流所占的比例非常小。

傳統(tǒng)電網(wǎng)在發(fā)生故障的時候都會伴隨電壓降低、電流增大、相位變化，這些特點也成為電力系統(tǒng)繼電保護構(gòu)造判據(jù)、識別故障的基礎(chǔ)。風(fēng)電場在發(fā)生故障時具有弱饋特點，不僅提供短路電流的能力有限，而且非故障相電流也會增加。這些特點使得利用電流構(gòu)造判據(jù)的單端電氣量保護動作困難，正確性無法保證，存在適應(yīng)性問題。具體受影響的保護元件包括：電流啟動元件、過電流保護元件、距離保護元件、相電流選相元件、相電流差選相元件等。在我國的一些地區(qū)，已經(jīng)出現(xiàn)了風(fēng)電場弱電源特性導(dǎo)致的故障誤選相與距離保護拒動問題，必須引起足夠的重視。

4 結(jié)論

仿真研究可知，風(fēng)電場與傳統(tǒng)電網(wǎng)的故障特征存在差異。根據(jù)風(fēng)電場故障特征及對繼電保護的影響分析研究，得出以下結(jié)論。

a）與系統(tǒng)側(cè)相比，直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機提供的短路電流較小，且非故障相電流增加。

b）聯(lián)絡(luò)線發(fā)生接地故障時，風(fēng)場側(cè)三相電流幅值增加且基本同相，系統(tǒng)側(cè)與常規(guī)系統(tǒng)一致，僅故障相電流增大。

c）風(fēng)電場側(cè)具有弱電源特性，使得利用電流構(gòu)造判據(jù)的單端電氣量保護動作可能拒動。

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

張嵐（1962-），女，山西太原人，1991年畢業(yè)于太原電力高等?？茖W(xué)校電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，工程師，從事電氣工程管理工作；

張悅（1965-），女，山西太原人，1988年畢業(yè)于太原工業(yè)大學(xué)電力分校電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，高級工程師，從事繼電保護工作；

白瑞（1969-），男，山西五臺人，1999年畢業(yè)于華北電力大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，高級工程師，從事繼電保護工作。