變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障特性與保護(hù)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(fēng)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(fēng)電場(chǎng)的大規(guī)模并網(wǎng)將給電力系統(tǒng)在規(guī)劃設(shè)計(jì)、調(diào)度運(yùn)行、保護(hù)控制等方面帶來許多新的問題。尤其是當(dāng)高滲透率接入時(shí)，對(duì)配電網(wǎng)的故障特性、保護(hù)構(gòu)建模式帶來了深刻的影響，從而使傳統(tǒng)的故障檢測(cè)和保護(hù)模式難以滿足電網(wǎng)安全運(yùn)行要求，已成為制約風(fēng)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(duì)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及所接配電網(wǎng)復(fù)雜故障特性進(jìn)行了

2、研究，并提出相關(guān)保護(hù)的構(gòu)建方案，實(shí)現(xiàn)原理等。本文是針對(duì)含有高滲透率風(fēng)電場(chǎng)的配電網(wǎng)安全運(yùn)行的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，對(duì)我國新能源的高效利用具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)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(fēng)電行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，指出在風(fēng)機(jī)制造、風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行和風(fēng)能消納等方面存在的問題。隨后分析了以風(fēng)電場(chǎng)為典型的分布式電源（DG）接入大電網(wǎng)后，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(hù)面臨的主要問題和目前的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述分析。
　　 在變速恒頻風(fēng)電場(chǎng)的控制和低壓穿越方面，研究了雙饋式發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)運(yùn)行機(jī)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(diǎn)就其轉(zhuǎn)子側(cè)功率解耦控制機(jī)理及風(fēng)速變化下的小擾動(dòng)下轉(zhuǎn)子逆變器的調(diào)節(jié)過程進(jìn)行了分析并進(jìn)行了仿真；對(duì)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越問題，深入研究了機(jī)組在外部電網(wǎng)故障時(shí)，導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)子回路產(chǎn)生過流、過壓的機(jī)理，及目前多種提升雙饋風(fēng)電機(jī)組低壓穿越運(yùn)行能力的

4、控制和保護(hù)技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，建立了主動(dòng)crowbar保護(hù)的仿真模型，并考慮了其中釋能電阻大小的選取，啟動(dòng)值的整定原則等因素，對(duì)風(fēng)機(jī)低壓運(yùn)行范圍和外部故障特征的影響進(jìn)行了分析討論和仿真驗(yàn)證。
　　 在雙饋式風(fēng)電場(chǎng)的故障特性的研究方面，首先針對(duì)變速恒頻機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)交流勵(lì)磁的特點(diǎn)，理論分析了電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)定子短路電流呈現(xiàn)的“多態(tài)”故障特征，論述了故障點(diǎn)距離、crowbar保護(hù)動(dòng)作門檻值以及勵(lì)磁逆變器控制系數(shù)等因素對(duì)雙饋電機(jī)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(hù)的角度分析了雙饋電機(jī)故障電流對(duì)保護(hù)性能的影響，提出在為風(fēng)電場(chǎng)構(gòu)建保護(hù)時(shí)應(yīng)注意的關(guān)鍵問題。
　　 以構(gòu)建雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)處的保護(hù)為研究目標(biāo)，從提高雙饋電機(jī)故障穿越能力的角度出發(fā)，提出了一套適合于雙饋電機(jī)“多態(tài)”故障電流特征的新型復(fù)合式電流-電壓保護(hù)方案。通過對(duì)傳統(tǒng)電流保護(hù)的改進(jìn)和構(gòu)建低故障穿越運(yùn)行特性的電壓保護(hù)，使其能夠滿足風(fēng)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線上故障的可靠切除及配電系統(tǒng)內(nèi)故障時(shí)風(fēng)

6、電場(chǎng)的低壓穿越運(yùn)行，對(duì)實(shí)現(xiàn)含雙饋風(fēng)電機(jī)組的電網(wǎng)穩(wěn)定及故障后的快速恢復(fù)具有重要意義。
　　 為防止由于風(fēng)電接入引起電網(wǎng)保護(hù)誤動(dòng)和非同期合閘，進(jìn)一步增加風(fēng)電系統(tǒng)的低壓穿越能力，對(duì)電網(wǎng)側(cè)饋線保護(hù)及重合閘提出了多種改進(jìn)措施。為防止風(fēng)電場(chǎng)接入后可能引起的饋線保護(hù)反向故障誤動(dòng)，提出了以校驗(yàn)所接入的風(fēng)電場(chǎng)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(duì)策略。從防止非同期合閘的角度，提出了重合閘與風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)處保護(hù)的配合原則以及實(shí)現(xiàn)該原則的兩種

7、技術(shù)方案。最后通過仿真計(jì)算驗(yàn)證了所提出的技術(shù)措施的有效性。
　　 針對(duì)DG的高滲透率接入，傳統(tǒng)電流保護(hù)存在重新調(diào)整動(dòng)作值和時(shí)限配合關(guān)系，整定工作復(fù)雜困難這一問題。構(gòu)建了一種利用廣域信息進(jìn)行故障定位的保護(hù)系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了此保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能劃分，重點(diǎn)論述了保護(hù)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(hù)系統(tǒng)能夠在高滲透DG接入配電網(wǎng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)故障元件的可靠識(shí)別與切除，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。