摘要：近年来，随着环保意识和环保力度的不断加强，人们开始利用一些可再生资源，以保护环境，缓解能源危机。目前，受这种情况的影响，风力发电得到了人们的广泛重视，陈伟乐电力系统中发展最快的资源。但是，在实际的工作中，风力发电系统受各种因素的影响，存在短路故障。本文就风力发电系统短路故障特征分析及对保护的影响进行分析，在介绍两种具体的风力发电系统模型的基础上，介绍了它的具体短路故障，以供参考。
关键词：风力发电系统 短路故障特征分析 保护影响
近年来，随着环境问题日渐突出，社会各个行业都在开发利用新能源。而风能作为清洁能源，受到了人们的关注。另外，随着风力发电技术的进步，风力发电系统的工作量日渐增大。在这种背景下，风力发电系统常常会存在一些短路故障，这些故障发生时，会影响电力系统的保护操作的正常进行，从而对电路造成破坏。为此，工作人员必须要针对风力发电系统短路问题进行探讨，在清楚其故障特征的基础上，做好保护工作。
一、现阶段风力发电系统的结构及模型建立
1.1直驱风力发电系统的自身结构及模型建立
在以前的风力发电系统中，由于发电机转速范围较小，电厂常常会采用增速齿轮箱，以提高发电机的转速。在这个过程中，齿轮箱的应用会增加故障的发生几率，不利于风能的有效开发。为了解决这个问题，直驱风力发电系统应运而生。该系统采用了低速永磁同步电机，依靠永磁体励磁，消除了励磁损耗，提高工作效率。该系统在运行过程中，会通过功率变换电路直接并入电网，这样会改善电网的功率因数，提高系统的工作效率。另外，直驱风力发电系统没有使用齿轮箱，而是采用发电机直接驱动的方法，这样不仅可以减少噪音，还可以提高系统的运行效率和保证系统的可靠性。
在本文中，主要是利用PSCAD电力系统仿真软件，建立了永磁同步直驱风力发电系统模型。其中，该模型主要包括风速模型、风力机模型、发电机模型、控制系统模型和联络线模型等几部分。在这几部分中，整个发电机通过全功率控制的交-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。
1.2双馈风力发电系统的结构及模型建立
双馈风力发电系统让定子与转子都与电网相连，所以才称为双馈发电机。在该发电系统中，采用了变速恒频技术，该技术的使用使得双馈风力发电系统的发电机调速范围较大，可以实现最大风能的跟踪。双馈发电机主要包括风力机、齿轮箱、绕线式异步机、交直交变流器以及控制部分。
二、现阶段风力发电系统的短路故障特征分析以及对保护的影响
2.1直驱风力发电系统故障特征的具体分析以及对保护的影响
在本次的故障反分析中，主要采用的是35kv集电线的中压输电线路，该线路采用中性点不接地系统，主要研究了三相短路的故障特征。这次故障的故障点分别取在集电线中点、风场侧、系统侧。下面是具体的故障分析。
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首先我们先分析35kv集电线母线风机侧的电压、正序阻抗和电流值的变化。
我们可以发现在故障发生之前，35kv集电线风机侧、系统侧和风机出口电压均在额定值附近。在故障发生之后，35kv集电线三相电压降低，且风机出口三相电压略低于系统侧三相电压，风场侧三相电压略低于风机出口三相电压，这基本符合传统电网三相短路的电压特征。
集电线风机侧、系统侧和风机出口三相电流均有显著增大，且系统侧提供的短路电流较大，风机出口与风机侧短路电流大致相等。集电线风机侧和风机出口的正序阻抗故障后有一个小阶跃，之后不断减小。
2.2双馈风力发电系统故障特征的具体分析以及对保护的影响、
在双馈风力发电机中由于受到Crowbar的保护，在故障发生以后，Crowbar保护动作会对发电机的运行模式产生影响，从而呈现出不同的故障特征。本文就其保护动作与否带来的故障特征分别进行分析。
2.2.1Crowbar保护动作带来的故障特征分析以及保护影响
双馈风力发电系统也采用了35kV集电线，针对35kV集电线系统侧BC两相短路时风机侧进行故障分析。
当Crowbar保护动作时，在故障发生之后，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。观察图8会发现，Crowbar保护动作发生故障之后，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。当Crowbar保护动作发生故障之后，两故障相电流差频率发生波动。
2.2.2Crowbar保护不动作的故障特征分析以及保护影响
Crowbar保护不动作时也观察35kV集电线系统侧BC两相短路时风机侧的相关数值的变化，下面是具体的故障特征分析和描述。
当Crowbar保护不动作发生故障之后，B、C相电流增大到故障前电流的2倍左右，而A相电流则表现为先减小，再逐渐增大到故障前的水平。
当让同容量同步发电机代替风力发电机下相同故障时，同步机提供的短路电流约为风机的2倍，远大于风机提供的短路电流。
当Crowbar保护不动作发生故障之后，正序阻抗大于负序阻抗，而正序阻抗幅值先增大后减小，呈现为一尖峰，但负序较为稳定。
三、结束语
总而言之，本文就风力发电系统中的两种发电形式即双馈和直驱风力发电的短路故障进行了深入的分析，并记录其电压、电流、正序阻抗的变化，同时，也对其故障特征进行分析和描述。这些故障分析可以为风力发电系统的发展提供一些帮助，也帮助相关工作人员在电网的管理和运行中，需要考虑短路故障，从而采取保护继电器等设备的措施，提供风力发电系统的运行效率和质量。
参考文献
[1]吉雅图.风力发电系统短路故障特征分析及对保护的影响研究[J].科技展望,2017,27(22)
[2]吉雅图.风力发电系统短路故障特征分析及对保护的影响研究[J].科技展望,2017,27(22)
论文作者:古利华,王超
论文发表刊物:《基层建设》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/12
标签：故障论文; 系统论文; 风力发电论文; 特征论文; 风机论文; 阻抗论文; 发电机论文; 《基层建设》2018年第29期论文;