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类型风电系统故障特征分析.docx

  • 上传人:拉拉链
  • 文档编号:18604230
  • 上传时间:2023-03-11
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    风电系统故障特征分析.docx
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    1、风电系统故障特征分析 【摘要】风电机组种类和控制策略各不相同,本文基于风电控制理论和电网低电压穿越要求,并结合风电机组低电压测试数据,给出了不同控制策略和风电机组共有的一般故障特征。风电系统电磁暂态仿真数据和风电场实际录波数据验证了故障特征的确切一般性。鉴于此,本文对风电系统故障的特征进行了分析探讨。 【关键词】风电系统;故障特征;分析 一、风电机组故障特征 本文主要基于风电电源的一般控制规律而非具体某种控制策略,并结合双馈和直驱单台风电机组低电压穿越的故障录波数据,对风电机组的故障过程进行了分析,以获得风电电源在故障时的一般规律。下面分别对双馈和直驱风电机组的故障特征进行研究。 1、双馈风电

    2、机组故障特征 双馈风电机组在故障期间的控制目标为:防止转子过流和转子变流器直流过压;按低电压穿越要求提供无功电流。其中前者通过主动投切C r o w b A r电路实现,即当超过转子过流或直流过压限值时投入C r o w b A r电路,投入后当转子电流和直流电压降低至设定限值时,C r o w b A r保护切除。在故障期间,C r o w b A r保护电路可能进行多次投切,因此,双馈风电机组的故障特征按投切状态的改变具有明显的分段性。同时在C r o w b A r一次动作过程,可采用脉动式和持续式对多余能量进行卸放。但无论采用何种方式,其目的都是为了卸放故障过程中变流器中的过剩能量,以

    3、防止变流器过流和直流侧过压。因此在控制目标相同的情况下,即使采用的手段有所差别,其故障特征仍将相同,最多在小时间尺度上存在细微差别。图1所示为双馈风电机组在端口电压跌至3 5%时的出口电压电流波形。 如图1所示,风电机组出口电压跌至3 5%的瞬间,C r o w b A r保护电路投入,并于t 1时刻切除。在故障初始时刻,电压波形有明显高次谐波,同时由于电机内磁链守恒,定子中产生衰减的直流分量和基频交流分量。由于变流器中C r o w b A r保护的投入,转子电流迅速衰减,即励磁电流降低,双馈风机作为异步电机运行。转子绕组中由于磁势守恒将感应出衰减的直流电流,该电流在定转子间产生与转子相对静

    4、止的旋转磁场,在定子上感应出与转子电角速度对应频率的暂态电势,从而造成定子电流频率发生偏移。C ro w b A r在投入一两个周期后切除,变流器控制重新投入对发电机励磁进行控制,转子侧变流器发出对称的三相励磁电流,电机中的剩磁叠加,励磁电流形成新的磁势。此时风电机组按照低电压穿越的要求提供一定的无功电流以支撑出口电压,如图1所示,此时故障电流约为额定电流。表1所示为双馈风电机组机端发生三相故障且C r o w b A r保护投入过程中,用矩阵束算法提取A相故障电流的频谱。表中的电流幅值为以正常电流为基准的标幺值。 如表1所示,故障发生瞬间,双馈风电机组提供的短路电流有较大的衰减直流分量,幅值

    5、为额定电流的1.3 4倍;C r o w b A r保护投入下的双馈风电机组提供的故障电流频率偏移至了5 6HZ,其幅值仅为额定电流的2.1 4倍,且该分量电流衰减较快。不同于同步发电机,故障过程中,风电机组并没有稳定的暂态电势。因此,若采用叠加定理将故障网络分解为正常网络和故障附加网络,故障附加网络中的风电机组除自身序阻抗Z W 1外还有因控制产生的附加电源eW,见附录A图A 2。 二、风电系统故障特征 通过大量的仿真试验,总结并验证了风电系统的故障特征,下面分别进行阐述。限于篇幅,每种故障特征仅给出典型的仿真结果。为便于表述,联络线G D表示双馈风电接入系统联络线,联络线G P表示直驱风电

    6、接入系统联络线。 1、弱馈特征 直驱风电联络线中点发生三相短路时,三相电流仅略有增加;双馈风电联络线单相接地故障时,风电侧三相电流基本同相位,说明零序电流很大,而正序电流相对很小。因此风电接入联络线发生故障后,风电侧提供正负序短路电流能力较弱,表现为弱馈性。 2、频率偏移,谐波较大 C r o w b A r动作期间的双馈风电机组将产生与转差率相关的暂态电势,该暂态电势在网络中的分布和工频分量进行叠加,造成了联络线上风电场侧的系统频率偏移。风电中大量使用的电力电子器件本身会产生较大的谐波,在风电系统弱馈的影响下,谐波电流会对电流工频量的提取造成很大的影响。双馈风电接入联络线发生三相短路故障时,

    7、C r o w b A r动作后的故障电流i A电压u A和工频参考值的相位比较可以看出,故障电流明显偏离工频,而故障电压基本保持在工频。 三、风电系统故障特征对保护的影响 结合各种保护正确动作的条件,从理论上可以得出以下结论。 1)风电机组提供短路电流能力较弱且电流频率可能会发生变化,将严重影响电流保护和距离保护的选择性。2)目前电网中应用的继电保护原理大都基于背侧系统正负序阻抗近似相等,即背侧系统的正负序阻抗幅值比接近1和相位差接近0。而由上述分析可知,风电接入系统联络线风电侧正负序阻抗幅值和相角相差较大,这使得基于背侧系统正负序阻抗近似相等的保护原理用于风电接入系统联络线时存在适应性问题

    8、。3)双馈风电系统发生故障时,风电侧电流频率发生变化,同时大量电力电子器件的引入带来的高次谐波会对工频量的准确提取产生影响,从而影响频域保护的性能。 结束语 为缓解能源危机与环境污染,包括风电在内的可再生绿色能源的大力发展成为必然选择。中国的风力发电发展迅速,风电装机容量已居世界首位。风电的送出方式分为分布式和集中式两种。风电分布式接入配电网时,因其容量小对电网的影响不大,而大规模风电集中接入的问题则不能忽视。继电保护是电网安全运行的第一道防线,风电电源的特殊结构使其特性与常规电源有较大差异,常规保护在风电接入系统中存在适应性问题,研究风电接入系统的继电保护问题显得尤为重要。 参考文献 1孔祥平.含分布式电源的电网故障分析方法与保护原理研究D.华中科技大学,2014. 2王晨清,宋国兵,刘凯,汪冬辉,康小宁,焦在滨.突变量保护对风电接入系统的适应性分析J.中国电机工程学报,2014,31:5485-5492.第 5 页 共 5 页

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