风力发电系统短路故障特征分析及对保护的影响

风力发电系统短路故障特征分析及对保护的影响

黄观林

云南龙源风力发电有限公司 云南昆明 650000

摘要：近年来，随着我国经济的快速发展，人们生活水平得到有效改善，同时各行各业的高速发展加大对电力的需求。传统的供电方式具有极强的不稳定性，同时严重浪费自然能源，不符合我国可持续发展的战略目标，为了给人们正常生产生活提供充足的电力支持，促进生态环境的健康发展，我国加大了风力发电的研究力度。但是由于我国风力发电起步较晚，技术水平有限，因此在实际运转过程中频频发生风力发电系统短路现象，不仅降低风力发电系统运行的安全性与稳定性，也阻碍我国电力行业的发展进程。本文通过对风力发电系统短路故障特征的分析，制定了科学的解决方案，从而提高风力发电技术，促进我国生态环境与社会经济的共同进步。

关键词：风力发电系统；短路故障特征；分析；保护对策

前言：众所周知，电力资源是不可再生资源，用去一点，地球上储存的能源就少一点，特别是在国内外经济快速发展的背景下，对能源需求量逐渐增大，为了保证生产作业的正常开展，我国加大风力发电的重视度，风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染，因此不仅能够促进生产作业安全、稳定的进行，还能够降低传统电力对自然环境造成的损害，是目前比较先进的供电方式。因此我国应该对风力发电系统进行深入的实验与研究，吸收并借鉴国内外先进的风力发电技术，为我国电力行业的稳定发展提供有利的技术支持。

1风力发电系统结构简述

1.1双馈风力发电系统

定子与转子是双馈风力发电机的重要组成部分，而且与电网紧密相连，并都具有能量馈送的功能。双馈风力发电机的调速范围相对较大，有利于进行有效的风能跟踪。双馈风力发电机结构主要包括风力机、齿轮箱、绕线式异步机、交直交变流器以及控制部分。具体结构如图1所示。

图1：双馈风力发电结构

1.2 直驱风力发电系统

本文主要采用电力系统仿真软件PSCAD ，创建了永磁同步直驱风力发电系统模型，并对其发生的各种故障特征进行科学的分析与研究。永磁同步直驱风力发电系统包括风速模型、风力机模型、发电机模型、控制系统模型和联络线模型。全功率在永磁同步直驱风力发电运行中起着重要的控制作用，凭借全功率控制交-直-交电路连接到电网上，该电路由整流器中间直流电路环节和 PWM 逆变器组成。电机侧变换器由三相不控整流桥和Boost变换器构成；网侧PWM变换器通过调节网侧的d轴和q轴电流，实现有功和无功的解耦控制，通常设定直驱式永磁同步电机与系统不交换无功，使之运行在单位功率因数状态。具体结构如图2所示。

图2：直驱风力发电结构

2风力发电系统短路故障特征分析

2.1双馈风力发电系统短路故障

Crowbar保护动作在双馈风力发电机运行过程中起着重要的决定性作用，该设备保护动作与否将对发电机系统故障特征造成严重的影响，因此在进行发电机系统故障研究时，应该充分考虑Crowbar保护动作情况。本文通过对330kV联络线和35kV集电线上不同位置产生的不同故障进行系统的分析与研究，并总结发电系统各个类型短路故障特征，为以后的风力发电研究工作提供有利于的依据。一是在Crowbar保护不动作时发生的双馈风力发电机短路故障。故障发生后，B、C相电流大幅增长，高达故障前电流的2倍，而A相电流则成曲线发展状态，慢慢减少后在持续增长，与故障前的电流持平。另外，在此情况下负序阻抗小于正序阻抗，负序阻抗始终平稳运行，而正序阻抗不断变化，幅值先增大后减小，同时故障相电流频率变化较小，相对稳定。二是在Crowbar保护动作时发生的双馈风力发电机发生短路故障。发生故障后，故障相电流急剧增长，最高到故障前电流的5倍，同时A相电流逐渐超过BC相电流达到最大值。除上述情况与Crowbar保护不动作时有所差异，负序阻抗、正序阻抗以及两故障相电流差频率等方面情况基本相同。

2.2直驱风力发电系统短路故障

虽然直驱风力发电系统与双馈风力发电系统都是重要的风力发电系统，但是二者在结构与性能上存在一定的差异性，特别是系统故障特征存在明显的不同。直驱风力发电系统故障发生后，负序阻抗保持平稳状态，没有改变，而且在两个工频周期内，负序阻抗小于正序阻抗。本文通过对直驱风力发电系统故障特征进行科学的分析与研究发现，一些大型风电场风机侧在发生故障后都具有以下特点：一是Crowbar保护不动作的情况下，直驱风力发电机暂态阻抗较小，低于同容量双馈风力发电机，能够有效提供充足的短路电流。二是风电场侧的等效交流正序和负序阻抗不相等，阻抗随时间变化。

3提升风力发电系统短路故障保护的有效对策

3.1加强断路器整定值的精准性

断电器在实际运行过程中，不可避免的出现断路现象，该现象的短路电流整定值由于受到外界的影响，可能出现偏差，因此需要全面参考断电器的运行状况进行其短路电流整定值的计算，促进计算的精准性与有效性。为了加强断路器短路电流整定值的优化与完善，还应该综合考虑机组的电路结构、风电场最小短路容量以及电网电压最低波动值等影响因素，从而促进断路器的稳定运行。

3.2提升高压侧熔断器选型标准

智能断电器是机械电子装置的重要组成部分，有利于提高使用的安全性与稳定性，但是也存在失效而拒动的现象，如果发生此类现象，就是失去对电气系统的保护作用，这时候就应该充分发挥高压侧熔断器的后备保护功能。不同于低压侧熔断器选型，高压侧熔断器依据低压侧熔断器的短路计算结果，同时结合自身的实际功能进行科学的选型，最大化发挥后备保护性能。高压侧熔断器保护范围相对较小，最小熔断电流与额定电流具有较大的差异性，如果故障电流低于最小熔断电流，将延长熔断器熔断时间或者无法按照标准进行熔断，严重的话还会引发爆炸，失去后备保护功效。

3.3加大无保护区域的辅助保护工作

一般情况下，保护区域内都有固定的安全电器进行防护，而无保护区域内，由于缺少安全电器的防护可能出现机舱罩或泄露的油脂被引燃的现象。另外，由于高压侧后备保护不及时，导致电弧短路能量快速增加，将对阻燃层造成严重的损坏，进而扩大材料燃烧时间与范围，危及人员与财产安全。因此在进行风力发电系统短路故障保护设计时，应该加强无保护区域的重视度，例如增加泄弧口，电弧短路不会影响电气柜结构造成大的改变，有效的将电路短路故障控制在电气柜内，进而加大无保护区域的辅助保护工作。

结束语：

总而言之，风力发电系统是一种先进的供电方式，能够为人们提供充足的、清洁的电力资源，同时提高自然能源的利用率。但是现阶段我国科学技术水平有限，导致风力发电系统还没有得到全面的普及，因此在应用过程中会出现各种各样的短路故障，因此应该不断提升风力发电技术，加强工作人员的技能培训，使其能够掌握充足的风电发力理论知识与专业的实践技能，能够有效解决各种短路故障。另外，还需要加强风力发电系统保护力度，进行科学合理的防护设计，降低安全事故发生率，促进我国风力发电事业的稳定发展。

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