風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)短路故障特征分析及對(duì)保護(hù)的影響探析討論

陳振波

摘 要：近些年隨著我國(guó)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源與環(huán)境問(wèn)題日益突出，風(fēng)能作為重要的可再生能源受到較大關(guān)注。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)全面發(fā)展，單臺(tái)風(fēng)機(jī)容量值在逐步增大。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，目前在世界范圍內(nèi)主流風(fēng)電機(jī)組額定容量在1至2.5MW，有部分機(jī)組最大額定容量能達(dá)到5至6MW，風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量在逐步擴(kuò)大。并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)電場(chǎng)容量在逐步增加，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行中造成的影響更加突出，風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生故障之后，對(duì)于電力系統(tǒng)繼電保護(hù)以及安全裝置動(dòng)作運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生較大影響，所以當(dāng)前要對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障特征進(jìn)行全面分析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；短路故障；保護(hù)；影響

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.165

受到工業(yè)化生產(chǎn)發(fā)展影響，我國(guó)能源需求量逐步擴(kuò)大，加上各項(xiàng)技術(shù)合理應(yīng)用，風(fēng)力發(fā)電范圍逐步擴(kuò)大。通過(guò)風(fēng)力發(fā)電能產(chǎn)生充足電能，但是風(fēng)能發(fā)電受到自然要素限制，發(fā)電階段間歇性較為突出。風(fēng)機(jī)與傳統(tǒng)同步電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的電流差異性較大。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生不同故障，饋入電網(wǎng)的故障電流具有不同形態(tài)調(diào)整，當(dāng)前要電網(wǎng)故障特性進(jìn)行優(yōu)化。在原有的同步電機(jī)故障中建立的不同整定體系與運(yùn)行原則都會(huì)受到不同程度破壞，不能保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)前可以

發(fā)揮出仿真軟件應(yīng)用價(jià)值，分析現(xiàn)場(chǎng)錄波數(shù)據(jù)，判定故障特征變化，驗(yàn)證數(shù)據(jù)結(jié)果的真實(shí)性，能更合理地分析保護(hù)性能的影響。

1 風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及模型組建

在雙饋風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)組建和運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)電機(jī)組定子、轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)能保持穩(wěn)定連接，在連接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生能量傳遞。此類(lèi)結(jié)構(gòu)組成過(guò)程中主要是應(yīng)用了變速恒頻技術(shù)，實(shí)際調(diào)速范圍較大，能對(duì)風(fēng)能實(shí)現(xiàn)有效利用。雙饋發(fā)電機(jī)由不同部分構(gòu)成，其中更主要有風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、控制結(jié)構(gòu)、變流器等。在不同故障狀態(tài)下要對(duì)永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障進(jìn)行判定，技術(shù)人員可以應(yīng)用仿真軟件PSCAD組建風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本模型，實(shí)際構(gòu)成模型較多，例如風(fēng)速測(cè)定模型、發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)模型、風(fēng)力機(jī)模型等。在全功率控制電路連接基礎(chǔ)上能將發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)進(jìn)行連接，在完整的電路中主要是由鎮(zhèn)流器、逆變器、直流電路等部分構(gòu)成。通關(guān)對(duì)直驅(qū)式永磁同步點(diǎn)擊和系統(tǒng)不交換無(wú)功進(jìn)行設(shè)定，使其在單位功率因數(shù)狀態(tài)運(yùn)行[1]。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)短路故障特征分析

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)中具有Crowbar保護(hù)，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行故障產(chǎn)生了故障問(wèn)題，Crowbar保護(hù)對(duì)發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行以及后續(xù)故障特征判定會(huì)產(chǎn)生較大的影響。比如在Crowbar不動(dòng)作狀態(tài)下，對(duì)35kV集電線上不同故障位置各類(lèi)故障基本類(lèi)型進(jìn)行分析，當(dāng)Crowbar保護(hù)不動(dòng)作，故障發(fā)生之后，部分相電流將會(huì)不斷提升，故障發(fā)生率開(kāi)始增大。當(dāng)Crowbar保護(hù)不動(dòng)作，故障發(fā)生之后，負(fù)序阻抗要低于正序阻抗，負(fù)序穩(wěn)定值較強(qiáng)，正序阻抗幅值先增強(qiáng)而后降低。Crowbar保護(hù)動(dòng)作處于不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)故障發(fā)生之后，故障電流結(jié)拜呢頻率能保持穩(wěn)定值，沒(méi)有發(fā)生較大變化。Crowbar保護(hù)動(dòng)作，在35kV于330kV聯(lián)絡(luò)線在不同故障點(diǎn)具有不同故障表現(xiàn)特征，線路中點(diǎn)和風(fēng)機(jī)側(cè)故障結(jié)果于系統(tǒng)側(cè)相似。Crowbar保護(hù)動(dòng)作階段，故障發(fā)生之后相電流會(huì)逐步擴(kuò)大，比如負(fù)序阻抗值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正序阻抗值，負(fù)序值變化較為穩(wěn)定。

通過(guò)對(duì)不同風(fēng)電系統(tǒng)不同故障特征進(jìn)行仿真，故障發(fā)生位置主要是在330kV聯(lián)絡(luò)線與系統(tǒng)側(cè)以及35kV風(fēng)機(jī)側(cè)與系統(tǒng)層位置，故障發(fā)生之后，負(fù)序阻抗穩(wěn)定值較高，故障發(fā)生之后兩個(gè)工頻周期時(shí)間中工序阻抗要高于負(fù)序阻抗。各個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)仿真狀態(tài)下對(duì)不同位置故障進(jìn)行判定，能發(fā)現(xiàn)較多典型的故障[2]。直驅(qū)風(fēng)機(jī)和雙饋風(fēng)機(jī)相比，其暫態(tài)阻抗值較高，與相同容量等級(jí)的火電廠相比暫態(tài)阻抗值更高。

3 風(fēng)電接入對(duì)保護(hù)的影響探析

從仿真結(jié)果典型故障來(lái)看，各類(lèi)特征故障將會(huì)對(duì)投入保護(hù)平衡性具有不同程度影響，會(huì)誘發(fā)誤動(dòng)問(wèn)題，產(chǎn)生的影響主要有以下幾個(gè)方面。距離原件主要由故障分量距離原件以及全量距離原件。風(fēng)電接入階段功率方向原件不會(huì)受到較大影響，在背側(cè)系統(tǒng)阻抗不穩(wěn)定性影響下，故障分量方向元件保護(hù)受到影響。選相元件主要序分量選項(xiàng)原件、突變量選相原件、分相差動(dòng)選相原件等。將風(fēng)電引入全量距離選相原件以及分相差動(dòng)選相原件不會(huì)發(fā)生較大影響。風(fēng)電接入過(guò)程中差動(dòng)保護(hù)元件不會(huì)受到較大影響，能保持穩(wěn)定運(yùn)行。

對(duì)于雙饋風(fēng)力發(fā)電來(lái)說(shuō)，Crowbar保護(hù)動(dòng)作應(yīng)用現(xiàn)狀具有關(guān)鍵性作用。如果聯(lián)絡(luò)線連接應(yīng)用中發(fā)生接地故障問(wèn)題，在設(shè)備風(fēng)場(chǎng)側(cè)將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的短路問(wèn)題，短路電流主要是零序電流。當(dāng)集電線和聯(lián)絡(luò)線產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)性故障時(shí)，在聯(lián)絡(luò)線風(fēng)場(chǎng)側(cè)和集電線風(fēng)機(jī)側(cè)非故障電流會(huì)逐步擴(kuò)大，此類(lèi)變化發(fā)生的主要原因時(shí)受到接線組別的影響。針對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電，Crowbar保護(hù)不進(jìn)行動(dòng)作，針對(duì)聯(lián)絡(luò)線接地故障，在控制系統(tǒng)限幅作用全面影響下，相關(guān)技術(shù)人員通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)出口位置以及風(fēng)場(chǎng)側(cè)暫態(tài)電流值進(jìn)行檢測(cè)能發(fā)現(xiàn)，此處暫態(tài)電流值較低。由于長(zhǎng)期受到控制系統(tǒng)影響，故障位置相電流能處于穩(wěn)定的工頻范圍內(nèi)。

對(duì)于雙饋風(fēng)力發(fā)電來(lái)說(shuō)，Crowbar保護(hù)動(dòng)作進(jìn)行過(guò)程中，控制系統(tǒng)現(xiàn)幅作用會(huì)中斷。聯(lián)絡(luò)線接地故障更加突出，和Crowbar保護(hù)動(dòng)作進(jìn)行對(duì)比，在風(fēng)機(jī)出口位置以及集電線風(fēng)機(jī)側(cè)電流頻率會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，單相接地故障發(fā)生之后同步系統(tǒng)與風(fēng)場(chǎng)之間能保持一定聯(lián)系，電流頻率能在較短時(shí)間內(nèi)能有效恢復(fù)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合上述，通關(guān)仿真分析加上錄波數(shù)據(jù)獲取可知，管理部門(mén)要對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)短路故障特征進(jìn)行分析，為電網(wǎng)運(yùn)行管理提供相應(yīng)決策，這樣能有效強(qiáng)化保護(hù)配置應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]滕予非，行武，張宏圖等.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)短路故障特征分析及對(duì)保護(hù)的影響[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43（19）：29-36.

[2]郝永清.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)短路故障特征分析及對(duì)保護(hù)的影響[J].商品與質(zhì)量，2016（33）：337+338.