變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)故障特性與保護技術(shù)研究.pdf

1、隨著我國能源短缺、能源安全以及節(jié)能減排等方面的問題日益突出，以風能為代表的可再生能源利用已成為重要的發(fā)展戰(zhàn)略之一。風電場的大規(guī)模并網(wǎng)將給電力系統(tǒng)在規(guī)劃設(shè)計、調(diào)度運行、保護控制等方面帶來許多新的問題。尤其是當高滲透率接入時，對配電網(wǎng)的故障特性、保護構(gòu)建模式帶來了深刻的影響，從而使傳統(tǒng)的故障檢測和保護模式難以滿足電網(wǎng)安全運行要求，已成為制約風能大規(guī)模高效利用的重要技術(shù)屏障。在此背景下，論文對變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)及所接配電網(wǎng)復雜故障特性進行了

2、研究，并提出相關(guān)保護的構(gòu)建方案，實現(xiàn)原理等。本文是針對含有高滲透率風電場的配電網(wǎng)安全運行的一項基礎(chǔ)性工作，對我國新能源的高效利用具有重要的理論意義和實用價值。
　　 結(jié)合我國新能源大規(guī)模利用、智能化電網(wǎng)研究所取得的成果，論文首先概括了風電行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，指出在風機制造、風場運行和風能消納等方面存在的問題。隨后分析了以風電場為典型的分布式電源（DG）接入大電網(wǎng)后，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行造成的影響，提出需要開展的研究課題。特別就DG接入

3、配電網(wǎng)后，繼電保護面臨的主要問題和目前的研究進展進行了綜述分析。
　　 在變速恒頻風電場的控制和低壓穿越方面，研究了雙饋式發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)運行機理，并建立較為完備的可用于故障暫態(tài)分析的仿真模型。重點就其轉(zhuǎn)子側(cè)功率解耦控制機理及風速變化下的小擾動下轉(zhuǎn)子逆變器的調(diào)節(jié)過程進行了分析并進行了仿真；對風電機組低電壓穿越問題，深入研究了機組在外部電網(wǎng)故障時，導致機組轉(zhuǎn)子回路產(chǎn)生過流、過壓的機理，及目前多種提升雙饋風電機組低壓穿越運行能力的

4、控制和保護技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，建立了主動crowbar保護的仿真模型，并考慮了其中釋能電阻大小的選取，啟動值的整定原則等因素，對風機低壓運行范圍和外部故障特征的影響進行了分析討論和仿真驗證。
　　 在雙饋式風電場的故障特性的研究方面，首先針對變速恒頻機組轉(zhuǎn)子側(cè)交流勵磁的特點，理論分析了電網(wǎng)發(fā)生故障時定子短路電流呈現(xiàn)的“多態(tài)”故障特征，論述了故障點距離、crowbar保護動作門檻值以及勵磁逆變器控制系數(shù)等因素對雙饋電機短路電流特性的

5、影響，并給出了各種條件下的故障電流仿真波形。最后從繼電保護的角度分析了雙饋電機故障電流對保護性能的影響，提出在為風電場構(gòu)建保護時應(yīng)注意的關(guān)鍵問題。
　　 以構(gòu)建雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)處的保護為研究目標，從提高雙饋電機故障穿越能力的角度出發(fā)，提出了一套適合于雙饋電機“多態(tài)”故障電流特征的新型復合式電流-電壓保護方案。通過對傳統(tǒng)電流保護的改進和構(gòu)建低故障穿越運行特性的電壓保護，使其能夠滿足風場聯(lián)絡(luò)線上故障的可靠切除及配電系統(tǒng)內(nèi)故障時風

6、電場的低壓穿越運行，對實現(xiàn)含雙饋風電機組的電網(wǎng)穩(wěn)定及故障后的快速恢復具有重要意義。
　　 為防止由于風電接入引起電網(wǎng)保護誤動和非同期合閘，進一步增加風電系統(tǒng)的低壓穿越能力，對電網(wǎng)側(cè)饋線保護及重合閘提出了多種改進措施。為防止風電場接入后可能引起的饋線保護反向故障誤動，提出了以校驗所接入的風電場的最大短路電流水平為主，增設(shè)功率方向元件為輔的應(yīng)對策略。從防止非同期合閘的角度，提出了重合閘與風電場并網(wǎng)處保護的配合原則以及實現(xiàn)該原則的兩種

7、技術(shù)方案。最后通過仿真計算驗證了所提出的技術(shù)措施的有效性。
　　 針對DG的高滲透率接入，傳統(tǒng)電流保護存在重新調(diào)整動作值和時限配合關(guān)系，整定工作復雜困難這一問題。構(gòu)建了一種利用廣域信息進行故障定位的保護系統(tǒng)。詳細介紹了此保護系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能劃分，重點論述了保護系統(tǒng)的核心-基于廣域信息的故障定位算法。算例結(jié)果表明，基于廣域信息的保護系統(tǒng)能夠在高滲透DG接入配電網(wǎng)時，實現(xiàn)故障元件的可靠識別與切除，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。