双馈风力发电机风电场故障特征分析及对继电保护影响研究

张 悦，张 萍，孙瑞浩

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001；2.上海电力设计院有限公司，上海 200025）

双馈风力发电机风电场故障特征分析及对继电保护影响研究

张 悦1，张 萍2，孙瑞浩1

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001；2.上海电力设计院有限公司，上海 200025）

以山西朔州地区右玉风电场为例，根据右玉风电场实际参数，利用电力系统计算机辅助设计电磁暂态仿真软件，搭建了双馈风电场系统仿真模型，分析研究了双馈风力发电机风电场220 kV联络线故障特征及对继电保护的影响。

双馈风力发电机；故障特征；继电保护

0 引言

在风力发电初期，由于并网风电场的容量比较小，电力系统继电保护配置和整定计算一般不考虑风电场的影响，而是简单地将风电场作为一个负荷对待。大型风力发电场接入电网后，使本地区的电网结构发生了很大变化，在发生故障时风力发电机将向短路点提供一定的短路电流，在此情况下，如果系统保护配置和整定计算仍不考虑风电场的影响是不合理的，甚至可能导致保护装置的不正确动作。因此，传统的基于同步发电机的故障电流的分析方法已不能直接用于风电机组，建立正确的风力发电机模型，分析风电场接入电力系统后故障电流特征及对继电保护的影响具有重要意义。

1 风电场仿真系统模型建立

本文以山西朔州地区右玉风电场为例，根据右玉风电场实际参数，利用电力系统计算机辅助设计PSCAD（Power Systems Computer Aided Design） 电磁暂态仿真软件，搭建双馈风电场系统仿真模型。

右玉风电场装机总容量150MW，一期采用美国通用电气公司制造的1.5SLE型风机，二、三期采用国电联合动力生产的UP82/1500型风机，单机容量均为1.5MW。风力发电机采用1机1变的电气接线方式，每台风力发电机接1台箱式变压器，将机端电压由690 V升至35 kV，再通过35 kV架空集电线接至风电场升压站的35 kV母线。风电场共66台风机，每回集电线连接11台风机，总容量为99MW。风电场升压站为单母线接线方式，以单回220 kV输电线(山右线)送至右玉变电站接入山西电网。35 kV集电线长度为6 km，220 kV联络线长度为31 km。图1为右玉风电场一次系统接线图。

2 故障仿真及故障特征分析

双馈风机与其他风机不同，双馈风机配备Crowbar保护（即撬杠保护），当故障发生时，Crowbar保护动作与否将直接影响发电机的运行模式，从而导致故障特征不同。下面研究Crowbar保护投入情况下，双馈风力发电系统在220 kV联络线保持风速不变及满负荷运行时，不同故障点发生各种类型故障时的故障特征。

图1 右玉风电场一次系统接线图

仿真模拟220 kV联络线山右线，如图1所示，发生单相接地、两相短路、三相短路故障，故障点分别取在山右线系统侧和风场侧，统一设置故障起始时刻为2.5 s，持续时间0.1 s。

2.1 单相接地短路故障分析

2.1.1 220 kV联络线风场侧故障

仿真模拟220 kV联络线风场侧发生A相金属性接地故障。风场侧及系统侧观测结果如下。

图2 220 kV联络线风场侧发生A相金属性短路时风场侧波形图

图3 220 kV联络线风场侧发生A相金属性短路时系统侧波形图

从图2a和图3a可见，220 kV线路风场侧发生A相接地故障时，系统侧A相电压有所降低，而风场侧约为零；它们的非故障相电压略有下降。

从图2b和图3b可见，故障瞬间220 kV线路风场侧三相电流都有增大，且相位接近相同，这是风机控制策略、变压器Y/△接线形式、Crowbar动作等因素综合作用的结果。系统侧为常规电源，短路电流较大。

从图2c、3c可见，由于Crowbar保护动作，使得风机转入异步电机运行状态，风场侧故障相电流频率在故障后略微变大；而系统侧由于与系统等值电网提供短路电流，故障相电流频率不变。

2.1.2 220 kV联络线系统侧故障

仿真模拟220 kV联络线系统侧发生A相金属性接地故障。仿真结果表明，在系统侧发生单相接地故障情况下，其故障特征与线路风场侧故障特征基本一致，只是幅值大小不同。

2.2 相间短路故障分析

2.2.1 220 kV联络线风场侧故障

仿真模拟220 kV联络线风场侧B、C两相短路故障。风场侧及系统侧观测结果如下。

图4 220 kV联络线风场侧发生B、C两相短路风场侧波形图

图5 220kV联络线风场侧发生B、C两相短路系统侧波形图

故障特征分析如下。

从图4a和5a可见，故障发生时，220 kV线路风场侧B、C相电压大约相等并降低一半，220 kV线路系统侧B、C相电压有所降低，但高于风场侧电压。风场侧和系统侧的A相电压基本保持不变。

从图4b和5b可见，220 kV线路风场侧A相和B相电流突然增大，C相电流略有增大，这由于控制策略的作用、变压器Y/△接线形式、SVC的调节的结果。220 kV线路系统侧仅故障相电流剧烈增大，非故障相电流略有增加。

从图4c、5c可见，由于Crowbar保护动作，风机转为异步电机运行状态，风场侧故障相电流频率在故障后略微变大；系统侧由于系统等值电网提供短路电流，故障相电流频率不变。

2.2.2 220 kV联络线系统侧故障

仿真模拟220 kV联络线系统侧B、C两相短路故障。仿真结果表明，在系统侧发生两相短路故障情况下，其故障特征与线路风场侧故障特征基本一致，只是幅值大小不同。

2.3 三相短路故障仿真及分析

2.3.1 220 kV联络线风场侧故障

仿真模拟220 kV联络线风场侧发生三相短路故障。风场侧及系统侧观测结果如下。

图6 220 kV联络线风场侧发生三相短路故障时风场侧波形图

图7 220 kV联络线风场侧发生三相短路故障时系统侧波形图

故障特征分析如下。

从图6a、7a可见，故障发生瞬时，220 kV线路风场侧电压约为零，220 kV线路系统侧电压降低但残压较高。

从图6b、7b可见，220 kV线路发生三相短路后，220 kV线路风场侧电流突然增大，由于Crowbar保护投入，此时风机转为异步电机运行状态，由于失去系统侧提供的励磁作用，风场侧电流持续衰减；220 kV线路系统侧故障电流明显比风场侧大，且稳态电流幅值并不衰减。

从图6c、7c可见，由于Crowbar保护动作，风机转为异步电机运行状态，风场侧故障相电流频率在故障后略微变大；系统侧故障电流频率不变。

2.3.2 220 kV联络线系统侧故障

仿真模拟220 kV联络线系统侧发生三相短路故障。仿真结果表明，在系统侧发生三相短路故障情况下，其故障特征与线路风场侧故障特征基本一致，只是幅值大小不同。

通过对仿真结果进行分析，得到如下结论。

a）风电场侧具有弱电源特性。与系统侧相比，风电场提供的短路电流较小，其不仅表现为弱电源，且存在非故障相电流增加的问题。

b）风电场侧发生故障时电气量存在频率偏移。风电场侧的故障电压、电流不仅表现为波形质量差、谐波含量高，而且存在故障电流频率变化的问题。

3 风电场故障特征对继电保护影响

风电场作为一种非常规的电源形式，其接入电网并非都能够适应传统的继电保护原理，因此有必要对风电接入后的继电保护问题进行研究。

3.1 弱电源特性对继电保护的影响

由仿真结果可知，发生单相接地故障时，风电场侧的三相短路电流基本同相位，主要为零序分量。由于风电场的容量相对较小，风电场侧的正、负序等值阻抗包括220 kV输电线路、主变压器以及风电场内部35 kV线路与机组的阻抗，远大于系统侧的等值阻抗；而对于零序网络，由于风电场的主变压器的中性点直接接地，风电场侧的零序网等效阻抗仅包括线路与主变的零序阻抗，等值零序阻抗远小于正、负序阻抗。弱电源接入特性是风电场接入的普遍特性。

传统电网在发生故障的时候都会伴随电压降低、电流增大、相位变化，这些特点也成为电力系统继电保护构造判据、识别故障的基础。风电场在发生故障时具有弱馈特点，不仅提供短路电流的能力有限，而且非故障相电流也会增加。这些特点使得利用电流构造判据的单端电气量保护动作困难，正确性无法保证，存在适应性问题。具体受影响的保护元件包括：电流起动元件、过电流保护元件、距离保护元件、相电流选相元件、相电流差选相元件等。在我国的一些地区，已经出现了上述风电场弱电源特性导致的故障误选相与距离保护拒动问题，必须引起足够的重视[1]。

3.2 频率偏移对继电保护的影响

由于电压互感器与电流互感器频率特性存在差异，且二者仅在工频处传变特性相同，因此现有的继电保护装置多是基于工频量原理的。工频量保护性能稳定，但其正常工作的基础是工频量的快速、准确传变与提取。由于目前的继电保护在相量提取方面都假定待处理信号为正弦波，也就是说它们都基于待处理信号为工频正弦相量，因此继电保护的滤波算法会受到衰减直流分量、谐波、频率偏离工频等因素的影响。无论是谐波还是频率偏差都会带来相量提取的误差，这些误差将影响继电保护的动作性能。风电场侧的故障电压、电流不仅表现为波形质量差、谐波含量高，而且存在故障电流非工频的问题。这些问题的同时存在，使得负责相量提取的滤波算法的精度更无法保证，从而使所有利用工频量原理的保护性能受到影响。

4 结论

仿真研究可知，风电场与传统电网的故障特征存在差异。根据风电场故障特征及对继电保护的影响分析研究，得出以下结论。

a）由于风场侧故障电流可能存在频率偏移及暂态谐波含量，将影响以傅里叶算法为基础的工频量保护的性能，使得保护装置存在拒动或误动的可能性。

b）弱馈特性使得利用电流构造判据的单端电气量保护可能拒动。

［1］ 张岚，张悦白瑞.直驱风力发电机风电场故障特征分析及对继电保护影响研究［J］.山西电力，2014（5）：1-4.

Analysis on Fault Characteristics of theW ind Farm w ith Double-fed W ind Generator and Their Im pacts on Relay Protection

ZHANG Yue1，ZHANG Ping2，SUN Ruihao1
（1.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China；2.Shanghai Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200025，China）

According to the actual parameters of Youyu wind farm，a simulationmodel of double-fed wind farm system based on PSCADwasestablished.The faultcharacteristicsof220 kV tie-line inwind farm with double-fed wind generatorswere analyzed and their impactson relay protectionwere studied.

double-fed wind generator；faultcharacteristic；relay protection

TM76

A

1671-0320（2015）01-0001-04

2014-11-18，

2014-12-20

张 悦（1965），女，山西太原人，1988年毕业于太原工业大学电力系统及其自动化专业，高级工程师，从事继电保护工作；

张 萍（1962），女，山西太原人，1985年毕业于太原工业大学电力系统及其自动化专业，高级工程师，从事电气设计工作；

孙瑞浩（1987），男，山西运城人，2013年毕业于马来西亚理工大学电力工程及其自动化专业，从事继电保护工作。