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

張喜

摘要：隨著化石能源的消耗和全球生態(tài)環(huán)境的迅速惡化，風(fēng)能作為一種無(wú)污染、可再生的新能源具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ陙?lái)，世界各國(guó)對(duì)風(fēng)能的研究取得了很大進(jìn)展。目前，風(fēng)能開發(fā)的主要形式是風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電有多種類型。主要原理是風(fēng)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)，然后驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電特別適用于沿海島嶼、交通不便的偏遠(yuǎn)山區(qū)、人煙稀少的草原和牧場(chǎng)，以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)的農(nóng)村和邊境地區(qū)。

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

1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理簡(jiǎn)介

本文所研究的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電源部分由異步電動(dòng)機(jī)（風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)）和同步發(fā)電機(jī)（柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)）組成，帶有頻率調(diào)節(jié)器和負(fù)載（三部分）。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，異步電機(jī)無(wú)法提供足夠的電能，柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步電機(jī)也需要運(yùn)行以滿足負(fù)載側(cè)的供電需求;當(dāng)風(fēng)速較高時(shí)，風(fēng)力渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的異步電機(jī)可以為所有負(fù)載提供足夠的電能，我們不需要柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步電機(jī)發(fā)電，也就是說，柴油機(jī)可以關(guān)閉，異步電機(jī)可以單獨(dú)向負(fù)載提供電能。

2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障分析

基于風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備采購(gòu)和維護(hù)成本高的特點(diǎn)，有必要探索風(fēng)電系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)或設(shè)備的運(yùn)行特性、損耗曲線和可靠性函數(shù)。風(fēng)電系統(tǒng)設(shè)備模型相對(duì)統(tǒng)一，大部分運(yùn)行環(huán)境惡劣，但環(huán)境類型相對(duì)統(tǒng)一，我們也可以根據(jù)這些有利因素進(jìn)行故障分析和可靠性建模。接下來(lái)，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的歷史故障數(shù)據(jù)，計(jì)算風(fēng)電系統(tǒng)的故障趨勢(shì)。仿真結(jié)果與風(fēng)電設(shè)備的退化特性相吻合，得到了風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性參數(shù)，為后續(xù)的研究工作奠定了基礎(chǔ)。

2.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)分析

主要利用某地區(qū)某大型風(fēng)力發(fā)電廠的故障數(shù)據(jù)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分為兩個(gè)階段：第一階段為66臺(tái)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，從2010年到2016年共收集了1445個(gè)電廠停機(jī)數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目二期共有33個(gè)單元。根據(jù)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)電系統(tǒng)各子系統(tǒng)的三種故障頻率如下：（1）發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，共發(fā)生497次;（2） 風(fēng)輪系統(tǒng)，共449次;（3） 可變螺旋槳系統(tǒng)，共412次。

2.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可靠性分析

在這里，我們假設(shè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包含 子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)在計(jì)劃維護(hù)周期內(nèi)不停止運(yùn)行. 我們注意到，威布爾分布在大多數(shù)研究中是典型的，在單個(gè)電氣設(shè)備上是顯著的，但在系統(tǒng)級(jí)的許多機(jī)械設(shè)備上不是顯著的。在這種情況下，由泊松過程演化而來(lái)的非均勻泊松分布是更好的選擇。風(fēng)電系統(tǒng)故障的兩個(gè)相鄰時(shí)間間隔呈不規(guī)則分布，符合非齊次泊松分布的要求，通常反映了可靠性變化的惡化過程。本文基于非齊次泊松分布原理對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行分析。

2.3風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)退化特性分析

考慮子系統(tǒng)維護(hù)頻率、運(yùn)行狀態(tài)、歷史工作時(shí)間和設(shè)備損耗程度。特征參數(shù)的最優(yōu)組合 形狀參數(shù) 是必需的。特征參數(shù) 形狀參數(shù) 共同確定設(shè)備的退化率和系統(tǒng)可靠性。在風(fēng)力發(fā)電廠的實(shí)際運(yùn)行過程中，子系統(tǒng)處于一個(gè)固定的周期內(nèi)， 失敗的時(shí)間具有很大的隨機(jī)性。在給定的時(shí)間間隔內(nèi)，九個(gè)子系統(tǒng)的壽命退化曲線單調(diào)遞減，且隨著時(shí)間的推移，退化曲線趨于穩(wěn)定。這表明，經(jīng)過全面維修后，各子系統(tǒng)的設(shè)備在重新運(yùn)行的初始階段出現(xiàn)故障的概率很高。設(shè)備退化很快，故障頻率也更高。然而，當(dāng)子系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，子系統(tǒng)設(shè)備的退化強(qiáng)度降低，故障概率在一定范圍內(nèi)。

3 短路故障特征分析

3.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障特征的仿真分析

3.1.1Crowbar 保護(hù)不動(dòng)作的工況分析

本文在 Crowbar 保護(hù)不動(dòng)作的情況，研究了在330 kV聯(lián)絡(luò)線和35 kV集電線上不同故障點(diǎn)發(fā)生各種類型故障時(shí)的故障特征，由于內(nèi)容過多本文只列出 35 kV 集電線系統(tǒng)側(cè) BC 兩相短路時(shí)風(fēng)機(jī)側(cè)的仿真結(jié)果，線路中點(diǎn)與風(fēng)機(jī)側(cè)故障結(jié)果與系統(tǒng)側(cè)類似。為方便對(duì)比，以同容量同步發(fā)電機(jī)代替風(fēng)力發(fā)電機(jī)下相同故障的仿真結(jié)果。

由此可見，Crowbar 保護(hù)不動(dòng)作時(shí)，故障后，B、C 相電流增大到故障前電流的 2 倍左右，而 A相電流則表現(xiàn)為先減小，再逐漸增大到故障前的水平。

3.1.2 Crowbar 保護(hù)動(dòng)作的工況分析

本文在 Crowbar 保護(hù)動(dòng)作的情況，同樣研究了在330 kV聯(lián)絡(luò)線和35 kV集電線上不同故障點(diǎn)發(fā)生各種類型故障時(shí)的故障特征，由于內(nèi)容過多本文也只列出 35 kV 集電線系統(tǒng)側(cè) BC 兩相短路時(shí)風(fēng)機(jī)側(cè)仿真結(jié)果，線路中點(diǎn)與風(fēng)機(jī)側(cè)故障結(jié)果與系統(tǒng)側(cè)類似。Crowbar 保護(hù)動(dòng)作時(shí)，故障后，故障相電流增大到故障前電流的 5 倍左右，之后 A相電流超過 BC 相電流成為最大。

4風(fēng)電接入對(duì)保護(hù)的影響

1） 距離元素包括全距離元素和故障分量距離元素。風(fēng)電接入時(shí)，基本不影響全距離元件，而故障分量距離元件的保護(hù)原理會(huì)因后側(cè)系統(tǒng)阻抗的不穩(wěn)定而受到影響。當(dāng)故障發(fā)生在區(qū)域外時(shí)，保護(hù)可能進(jìn)入操作區(qū)域并誤動(dòng)。2） 方向元件包括功率方向元件和故障分量方向元件。當(dāng)風(fēng)電方向元件基本不受影響，且故障元件方向元件保護(hù)原理將因背側(cè)系統(tǒng)阻抗、正故障、AB相元件和正序故障元件電壓和電流相角差在DHS至0-180 DHS范圍內(nèi)而不穩(wěn)定時(shí)，未能反轉(zhuǎn)方向判斷，判斷錯(cuò)誤。3） 相位選擇元件包括序列分量相位選擇元件、突變相位選擇元件、動(dòng)態(tài)相位選擇元件和全距離相位選擇元件等。當(dāng)風(fēng)電接入時(shí)，相位差動(dòng)態(tài)選相元件和全距離選相元件基本不受影響，而由于后端系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，序分量選相元件和突變量選相元件也會(huì)受到影響，這是BC短路故障選相的計(jì)算結(jié)果。

5結(jié)論

如今，能源和環(huán)境問題越來(lái)越突出。風(fēng)能作為一種清潔、環(huán)保的可再生能源，逐漸受到人們的青睞。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，單個(gè)風(fēng)機(jī)的容量越來(lái)越大。目前，世界主流風(fēng)電機(jī)組的額定容量一般為1～3.5MW，部分風(fēng)電機(jī)組的最大額定容量已達(dá)到5～6MW，風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量也逐漸增大。

參考文獻(xiàn)

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