(国电南瑞科技股份有限公司 江苏南京 211106)
摘要：当今能源与环境问题日渐突出,风能作为一种清洁环保的可再生能源逐渐受到人们的青睐。随着我国能源供给环境的日益紧张，风力发电已经成为保证能源供应，降低电力资源消耗的重要方式，因此，对风力发电系统实施短路情况的分析，并对故障的特征进行研究，是很多风力发电业务领域高度关注的问题。
关键词：风力发电系统；短路故障；特征
前言：对风力发电系统实施短路故障的分析，并制定相关优化策略，能够很大程度上提升风力发电系统的运行质量，并保证系统的各项故障都能在研究的过程中得到优化处理，保证电力资源的长期有效供应。
一、构建风力发电系统结构模型
（一）双馈风力发电结构分析
首先，要对风力发电系统的全部技术性要素进行科学的整合，使建模工作可以有效的利用风力发电系统的优势进行双馈风力发电模型的设计，保证所有的发电机组都能适应转子的应用要求。
除此之外，要对系统运行过程中的能量馈送体系实施完整的设计，并保证电力资源可以有效的通过网络结构进行传输，以便风力发电系统的双馈风力发电结构能够适应电力资源的生发速度变化要求。在完成了基础性的电力资源能量馈送之后，必须加强对双馈发电机当前发电结构的关注，以便双馈发电系统可以凭借恒频的优势，对变速状态下的能量馈送体系进行处置，提升变频技术应用过程中的发电系统质量，并保证所有的风能控制系统都能适应发电机系统的技术应用要求。风能跟踪系统的应用必须与双馈发电机保持一致，以便发电机的系统构成特点可以适应风力机箱的技术应用要求，为双馈系统中齿轮机的应用创造良好的条件。
（二）直趋风力发电结构分析
首先，要对具备直趋发电特点的风力发电结构进行结构特征研究，以便后续的建模工作可以更好的适应直趋同步发电技术的应用要求。要结合风力发电硬件资源的应用要求，对全部的发电机种类特点加以研究，使发电机的故障条件能够更好的凭借故障的特点加以应对，提升风力发电体系的运行总质量，并保证电力系统能够更好的适应仿真体系的技术控制要求。要加强对风力发电体系故障特点的关注，切实保证所有的风力发电模型都可以借助风速研究结论进行发电机模式的设置，使风力发电的控制系统能够适应双馈发电机系统的运行要求。要对当前系统的运行模式加以研究，使全部的系统控制业务能够与发电机的联络模型保持一致，以便发电机可以在功率研究的过程中，更好的利用全功率控制业务的技术对故障原因进行深层次的分析，提升全功率控制体系的风力发电结构控制工作领域的应用价值。
二、风电系统结构及模型建立
（一）双馈风力发电结构及建模
双馈风力发电机组的定子与转子都与电网相连，并都有能量的馈送，因此称为双馈发电机，由于采用变速恒频技术，也称为变速恒频风力发电机，其调速范围较大，便于实现最大风能跟踪。双馈发电机的构成主要包括风力机、齿轮箱、绕线式异步机、交直交变流器以及控制部分。
本文双馈风力发电系统仿真模型由风机经升压变压器T1，35kV集电线、升压变压器T2，330kV联络线连接到330kV交流系统。
在升压变压器T：的35kV侧并入总容量为12.5MVA的SVC进行无功补偿。分别在330kV联络线和35kV集电线上进行故障试验。
（二）直驱风力发电结构及建模
为了研究永磁直驱同步风力发电机在发生各种类型故障条件的故障特征，本文利用电力系统仿真软件PSCAD建立了永磁同步直驱风力发电系统模型，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。发电机通过全功率控制的交一直一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藕控制，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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆本文直驱风力发电系统并网模型由33台永磁同步直驱风力发电机构成的风电场经升压变压器T，接入35kV集电线，再经升压变压器T2，330kV线路与无穷大系统相连。在升压变压器T：的35kV钡1并入总容量为12.5MVA的SVC进行无功补偿。
三、短路故障特征分析
（一）双馈风力发电系统故障特征的仿真分析
1.Crowbar保护不动作的工况分析
本篇文章在Crowbar不进行保护时，分析在330kV的线路与35kV的线路上的不同地点发生故障时的特征情况，因为实验的部分过多，只对35kV的线路系统BC相短路故障时风机侧的进行记录，连线中点故障结果与系统故障结果类似。
Crowbar保护不进行动作的情况下，发生故障之后，BC相的瞬时电流增加到正常水平的两倍左右，A相的电流显示为先降低，再逐步升高至正常数值。在用相同容量的同步发电机对风力发电进行发生故障代替时，其短路电流是风力发电机故障时的两倍之多，超出风机能够提供的短路电流水平。Crowbar不进行保护动作时，发生故障以后，其正序阻抗要比负序阻抗强，负序阻抗比较稳定，正序阻抗的数值显示先增加在减少。故障的相电流不变，保持在一个稳定的数值上。
2.Crowbar保护动作的工况分析
本文在Crowbar保护动作的情况，同样研究了在330kV联络线和35kV集电线上不同故障点发生各种类型故障时的故障特征，线路中点与风机侧故障结果与系统侧类似。Crowbar保护动作时，故障后，故障相电流增大到故障前电流的5倍左右，之后A相电流超过BC相电流成为最大。正序阻抗大于负序阻抗，负序较为稳定，而正序阻抗幅值先增大后减小，有所波动。
（二）直驱风力发电系统故障特征的仿真分析
通过对不同风电系统在不同位置、不同故障类型下进行仿真，可以发现大规模风电场风机侧发生故障后，有以下几点较为典型的故障特征：
1.Crowbar未进行保护动作和直驱风力发电机的双馈风力发电机的阻抗比较强，对比相同容量的火力发电厂的电机要大上很多，进而不能够供给较强的短路电流，其提供短路电流的电源比较小。
2.风场侧等效交流正负序阻抗不再相等，且阻抗随着时间波动。
3.双馈风机Crowbar保护投入时，系统频率将发生变化，不再是工频。
四、风电接入对保护的影响
通过仿真得到的典型故障特征可知，这些特征将会对现在投入使用的保护产生一定影响，有可能导致保护误动，具体影响分析如下：
1.距离元件包括全量距离元件和故障分量距离元件。当风电接入时全量距离元件基本不受影响，而故障分量距离元件保护原理会由于背侧系统阻抗的不稳定受到影响，在区外故障时，保护可能会进入动作区内，出现误动。
2.方向元件包括功率方向元件和故障分量方向元件。当风电接入时功率方向元件基本不受影响，而故障分量方向元件保护原理也会由于背侧系统阻抗的不稳定受到影响，在正向故障时，AB相相分量和正序序分量故障分量电压和电流相角差在0度到一180度范围内，故障方向判断为反向，判断错误。
3.选相元件包括序分量选相元件、突变量选相元件、分相差动选相元件和全量距离选相元件等。差动保护元件包括基于时域算法的差动保护元件和基于频域算法的差动保护元件。
五、结束语
风力发电系统的有效运转对有效保证电力资源供应十分重要，因此，对风力发电系统的短路故障进行完整的分析，并对相关特征进行保护措施的制定，对于提升风力系统的故障处理质量，确保电力资源的合理有效供应，具有十分重要的意义。
参考文献：
[1]何倩.双馈风电场并网对送出线路继电保护的影响及改善措施[D].华北电力大学,2014.
[2]郑建军.系统参数对双馈感应风电机组低电压穿越影响的分析与研究[D].重庆大学,2012.
[3]盛雨.不同故障情况对并网型半直驱永磁风力发电机影响的研究[D].北京交通大学,2016.
论文作者:潘晨
论文发表刊物:《电力设备》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/10
标签：故障论文; 风力发电论文; 系统论文; 元件论文; 发电机论文; 阻抗论文; 特征论文; 《电力设备》2017年第35期论文;