風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)短路故障特征分析及對保護(hù)措施

于長健

摘要：社會與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展離不開資源的提供，而資源并不是取之不盡用之不竭的，因此對可再生能源的開發(fā)和利用問題逐漸成為了社會重點(diǎn)關(guān)注和研究的核心。風(fēng)能是大自然賜予的可再生性資源，因?yàn)槠涞那鍧嵑铜h(huán)保，因此被廣泛的應(yīng)用于世界各個領(lǐng)域。其中風(fēng)力發(fā)電技術(shù)更是得到了非常多的應(yīng)用。而在風(fēng)力發(fā)電中有兩個比較重要的系統(tǒng)，就是雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。本文就將通過對這兩種發(fā)電系統(tǒng)的介紹，來進(jìn)行對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)短路故障特征的分析，從而提出保護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；系統(tǒng)故障；短路；故障分析；保護(hù)措施

引言：

目前，世界上對于能源與環(huán)境問題的關(guān)注程度越來越高，正是在這種背景下，越來越多的對環(huán)境沒有影響，對資源不夠成浪費(fèi)并且提供能源的方式被廣泛的認(rèn)同、接受、以及推行。這其中就包括風(fēng)能和水能，這兩種能量的提供方式由于環(huán)保及提供能源較大、較快，因此備受青睞。風(fēng)能發(fā)電隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步也在逐漸的完善和發(fā)展，使風(fēng)電場的裝機(jī)容量越來越大，這有好的影響也存在不利問題，如果風(fēng)電場中出現(xiàn)故障，就會對繼電保護(hù)造成嚴(yán)重影響。因此對于該問題的研究在安全性上至關(guān)重要。

一、風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及模型建立

在風(fēng)力發(fā)電中，能根據(jù)風(fēng)能從而實(shí)現(xiàn)動能轉(zhuǎn)化的設(shè)備很多，直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組就是其中的一種，這種發(fā)電系統(tǒng)具有很多方面的優(yōu)勢，其同步轉(zhuǎn)速較低，結(jié)構(gòu)簡潔，沒有齒輪箱，并且在能量轉(zhuǎn)化方面，有著很特殊的優(yōu)勢，并且能夠最大程度上的適應(yīng)電網(wǎng)波動，同時在功率控制上也極為靈活，這在很大程度上提高的運(yùn)行的效率和可靠性，因此已經(jīng)成為目前主流的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。并且隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，對直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機(jī)組的研究也是逐漸深入。目前，主要的研究方向?yàn)閾Q流器的控制特性對發(fā)生故障時的故障特征的影響。

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是隨著電力電技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，交流勵磁雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)越來越多的得到了應(yīng)用，并且由理論到實(shí)踐取得了一定的成果，提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。交流勵磁雙饋發(fā)電機(jī)也稱為雙饋感應(yīng)異步發(fā)電機(jī)，也是本文主要的研究對象。雙饋感應(yīng)異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)具有三相勵磁繞組結(jié)構(gòu)，當(dāng)通過某一轉(zhuǎn)差頻率的交流電時，就會產(chǎn)生一個相對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的磁場，此時同步轉(zhuǎn)速等于轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速加上由旋轉(zhuǎn)磁場所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

1.雙饋風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)及建模

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的定子與轉(zhuǎn)子都與電網(wǎng)相連，并都有能量的饋送，因此稱為雙饋發(fā)電機(jī)，由于采用變速恒頻技術(shù)，也稱為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其調(diào)速范圍較大，便于實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。雙饋發(fā)電機(jī)的構(gòu)成主要包括風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、繞線式異步機(jī)、交直交變流器以及控制部分。本文雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型如圖1所示。

2.直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)及建模

為了研究永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在發(fā)生各種類型故障條件的故障特征，本文利用電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD建立了永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型，包括風(fēng)速模型、風(fēng)力機(jī)模型、發(fā)電機(jī)模型、控制系統(tǒng)模型和聯(lián)絡(luò)線模型。發(fā)電機(jī)通過全功控制的交-直-交電路連接到電網(wǎng)上，該電路由整流器、中間直流電路環(huán)節(jié)和PWM逆變器組成。電機(jī)側(cè)變換器由三相不控整流橋和Boost變換器構(gòu)成；網(wǎng)側(cè)PWM變換器通過調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)的d軸和q軸電流，實(shí)現(xiàn)有功和無功的解耦控制，通常設(shè)定直驅(qū)式永磁同步電機(jī)與系統(tǒng)不交換無功，使之運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。

二、短路故障特征分析

針對風(fēng)電場集電線路保護(hù)，目前僅在升壓變電站側(cè)配置兩段式電流或距離保護(hù)，有的還配置零序保護(hù)，存在的問題如下：

1.電流保護(hù)誤動或拒動

集電線路發(fā)生不同程度故障時，受風(fēng)機(jī)控制策略、控制器性能能優(yōu)劣、攝棒阻值等因素影響，傳統(tǒng)的電流保護(hù)有誤動和拒動的可能。

2.距離保護(hù)存在選擇性問題

風(fēng)電場的弱電源特性，導(dǎo)致風(fēng)電場側(cè)短路電流正負(fù)序分量所占比例遠(yuǎn)小于零序分量，傳統(tǒng)距離保護(hù)不正確動作，選擇性差；同時，由于集電線路長度各不相同，線路距離保護(hù)和過電流保護(hù)的整定值不容易配合，容易出現(xiàn)選擇性問題。

3.接地故障靈敏性問題

風(fēng)電場集電線路采用經(jīng)電阻或消弧線圈接地，發(fā)生接地故障時，過渡電阻會對距離保護(hù)產(chǎn)生嚴(yán)重影晌，易引起保護(hù)拒動或誤動情況發(fā)生。

三、風(fēng)電場故障對繼電保護(hù)的影響

風(fēng)機(jī)不同于傳統(tǒng)的同步電機(jī)，導(dǎo)致風(fēng)電場呈現(xiàn)“多態(tài)性”的故障特性，對風(fēng)電場繼電保護(hù)的影響是：

1.風(fēng)電場集電線路發(fā)生深度故障時，集電線路所接風(fēng)機(jī)的保護(hù)動作，促使風(fēng)電場側(cè)短路電流減小，且最大值與禱棒保護(hù)電阻有關(guān)?？赡茉斐蓚鹘y(tǒng)I段拒動，不可靠動作。

2.風(fēng)電場集電線路發(fā)生輕度故障時，Crowbar保護(hù)未動作，定子短路電流因雙饋電機(jī)RSC和GSC的調(diào)節(jié)性能優(yōu)劣，有持續(xù)時間長短不同的暫態(tài)分量和頓值較大的穩(wěn)態(tài)分量，這些因素可能造成傳統(tǒng)II段拒動或誤動。

3.風(fēng)電場容量相對于系統(tǒng)很小，呈現(xiàn)弱饋特性，集電線路發(fā)生接地故障時，風(fēng)電場側(cè)故障電流零序分量占的比例遠(yuǎn)大于正負(fù)序電流分量，導(dǎo)致基于工頻相量算法的傳統(tǒng)腿離保護(hù)不準(zhǔn)確動作。

4.風(fēng)電場集電線路發(fā)生短路故障時，可能導(dǎo)致相鄰非故障集電線路所接所部風(fēng)機(jī)動作，反方向大短路將流過本集電線路保護(hù)，引起保護(hù)誤動。

結(jié)語：

通過對雙饋發(fā)電系統(tǒng)和直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)的了解我們可以知道，在進(jìn)行發(fā)電的過程中，只要在聯(lián)絡(luò)線內(nèi)發(fā)生接地故障，那么就一定會在聯(lián)絡(luò)線側(cè)產(chǎn)生較大的電流。我們通過仿真分析的方式來實(shí)現(xiàn)具體的分析和對故障問題的確認(rèn)，經(jīng)過對現(xiàn)場路波數(shù)據(jù)調(diào)查與分析，使我們得到了前面說到的結(jié)論。這種處理的方式能夠在一定程度上為電網(wǎng)的管理提供技術(shù)支持。并且為研究人員對風(fēng)電系統(tǒng)故障問題的研究提供了可靠的理論基礎(chǔ)和實(shí)際依據(jù)。進(jìn)而對實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)提供了參考。

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