风电机组短路故障及应对策略研究

Electric Power System EquipmentOperation And Maintenance运行与维护

2019年第10期

2019 No.10

风电机组短路故障及应对策略研究

王友深

（大唐（通辽）霍林河新能源有限公司，内蒙通辽 028000）

［摘 要］近年来，伴随社会各界对可再生能源重视程度的不断加深，并以此为契机，大力发展以风力发电为代表的新能源发电技术。风电场规模不断扩大，同时国家对风电机组的并网运行也提出了更高的要求。一直以来，短路故障是影响电网安全可靠运行的主要因素，电力系统在发生短路之后，电路结构也会随之发生改变，造成系统中功率分布的变化，从而影响发电机转速，破坏发电系统的稳定性，引起大片地区面临停电现象。本文在分析风电机组短路电流特性的前提下，对风电机组短路故障进行分析，并提出几点应对策略。［关键词］风电机组；短路故障；应对策略［中图分类号］TM76　　　　　［文献标志码］B　　　　　［文章编号］1001–523X（2019）10–0129–02

Research on Short Circuit Faults and Coping Strategies of Wind Turbines

Wang You-shen

［Abstract］In recent years, with the increasing emphasis on renewable energy in all walks of life, and taking this opportunity to vigorously develop new energy power generation technology represented by wind power generation, the scale of wind farms is expanding, and the country is connected to wind turbines. The operation also puts forward higher requirements. All along, short-circuit fault is the main factor affecting the safe and reliable operation of the power grid. After the short-circuit occurs in the power system, the circuit structure will also change, causing the power distribution in the system to change, thus affecting the generator speed and destroying the stability of the power generation system. Sex, causing power outages in large areas. Based on this, this paper analyzes the short-circuit fault of wind turbines under the premise of analyzing the short-circuit current characteristics of wind turbines, and puts forward some countermeasures.

［Keywords］wind turbine; short circuit fault; coping strategy在能源资源短缺以及环境污染严峻的双重压力下，人们认识到开发可再生新能源是实现可持续发展的必由之路。目前，除水电以外的可再生新能源中，风力发电是当前新能源发电中最具潜力、技术最成熟和最具备开发规模的发电方式之一，风力发电技术越来越得到社会各界的广泛重视，因此加强研究风电机组短路电流特性，以便及时发现风电机组短路故障，进而快速施行针对性措施，以确保风电机组正常运行。1 风电机组短路电流的特性

机的故障特征。故障发生时刻为0 s，故障前风机运行工况为转速0.7p.u.，故障类型为三相短路，故障持续时间200 ms，另外，故障期间系统侧电压、电流均保持工频。双馈机组在故障期间风场侧电压频率不再保持一致，其中电流频率取决于风机运行转速。2 风电机组短路故障

针对我国大规模开发、集中式并网、远距离输送的风电开发特性，基于VSC-HVDC的风电场并网方式以其优异的并网性能及抗干扰能力，得到了人们越来越多的关注。但过长的输电线路、复杂的环境使风电机组短路故障率极高。在电力系统中，突然短路是一种严重的故障也是一种重要的瞬变现象。这个过程一般持续时间不长。但却可能引起严重的后果。在突然短路的过程中，绕组中出现强大的冲击电流，其值可达额定值的十余倍以上，在某些情况下，由于时间短促，虽然这些电流并不会引起严重的温升，但却可能在电机绕组的端部引起很大的机械应力，严重危及电机。如其支固不良，可使线圈产生变形，乃至绝缘受损。庞大的电力系统中，同步电机失去稳定可能造成较大地区的停电事故和十分严重的损失。下面主要对定子两相短路作出详细分析。

在故障电路中，两相短路十分常见，突然短路时会产生巨大的冲击电流，这样的大电流对发电机本身及电力系统都是一个严重的破坏因素，不仅如此，还可能破坏电网的正常运行，影响到接入同一电网的其他设备的正常工作。在星接点和短路点之间的绕组长度≤150 m及在短路时行驶车辆在这个绕组范围内。以TRO8车辆风电机组为例，TRO8车辆风电机组双边表现既不是三相绕组短路又不是最不利的状况（短路点，短路瞬间，行驶速度，开关区段），而是单边两相短路时计算定子电流的不对称性。基于此种原因，考虑TRO8运行时满足于此条件的两相绕组短路情况，假设对地短路。短路点离星接点100 m，定子接地电压的零通道在A和B之间，以lmQ短路电阻接地。虽然长定子直线同步电机采用凸极结构，因为电枢反应电抗与漏电抗相比较小，因此可以应用一个隐极同步电机的等效电路近似表示。最终根据电流方程计算出

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1.1 普通异步风电机组短路电流特性

普通异步风电机组的转子绕组主要通过外接电阻闭合或直接短接，一般为三相对称绕组。与同步发电机相比，没有单独的励磁绕组，当机端三相短路后机端电压降低至接近于零，电机由于无外加励磁，定子电流将逐渐衰弱，稳态电流最终将衰竭至零。异步电机短路中电流包括衰减的直流分量和衰减的交流分量。直流分量按定子侧的时间常数衰减，交流分量按转子侧的时间常数衰减。建立基于普通异步风电机组的风电场无穷大模型，采用由33台额定容量为1.5 MW的异步风电机组组成的49.5 MW风电场接入无穷大电压源的模型。异步风电机组模型中包括风机、桨矩角控制、感应电机及偏航系统四部分。分析时采用电磁暂态仿真，不考虑故障后风机转速的变化。假设0.5 s时，机组的升压变低压侧出口发生三相短路。故障后，异步电机的短路电流中有衰减的直流及衰减的交流分量电流，若故障一直未清除且保护未动作，短路电流最终将衰减到零，与上述分析达成一致。

1.2 双馈式风电机组短路电流特性分析

双馈式风电机组利用投入转子Crowbar旁路电阻实现低电压穿越。当投入Crowbar电路后，DFIG风机相当于一个鼠笼式电机，其故障电流具有鼠笼式异步发电机故障电流的特征。其中主要有两方面差异：（1）Crowbar电路是在故障数毫秒之后才投入的，而在此之前转子电流是受变流器的矢量解耦控制规律影响；（2）在DFIG风机正常工作的转速变化范围更大，并不局限于在同步速附近。在PSCAD/EMTDC平台搭建简单的双馈式风机接入等值系统仿真模型，研究双馈式风

2019年第10期

2019 No.10

Operation And Maintenance运行与维护

Electric Power System Equipment电力系统装备

交流海底电缆载流量影响因素分析

刘松华1，李 特2，邓显波1，刘红武1，程 睿3

（1.中国电力科学研究院有限公司，湖北武汉 430074；2.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江杭州 310014；3.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400044）

［摘 要］本文根据工程设计的敷设方式和500 kV海底电缆的结构参数，核算了交流海底电缆登陆段载流量，并针对登陆段采用的沟道直埋敷设方式，计算分析了环境温度、敷设深度、土壤热阻系数等典型的环境参数取值对登陆段载流量的影响。计算结果可以为载流量提升方案提供技术依据。［关键词］交流海缆；登陆段；环境温度；土壤热阻系数［中图分类号］P756.1　　　　　［文献标志码］B　　　　　［文章编号］1001–523X（2019）10–0130–02

Analysis of Influencing Factors of AC Submarine Cable Carrier Flow

Liu Song-hua，Li Te，Deng Xian-bo，Liu Hong-wu，Cheng Rui

［Abstract］According to the laying mode of engineering design and the structural parameters of 500 kV true submarine cable, the carrying capacity of AC submarine cable landing section is calculated, and the influence of typical environmental parameters such as ambient temperature, laying depth and soil thermal resistance coefficient on the carrying capacity of landing section is calculated and analyzed according to the directly buried channel laying mode adopted in landing section. The calculation results can provide technical basis for the scheme of carrying capacity lifting.

［Keywords］AC submarine cable; landing section; ambient temperature; soil thermal resistance coefficient根据500 kV工程海缆的结构参数，核算了3种型号电缆在登陆段和陆上段的载流量，并针对登陆段采用的沟道直埋敷设方式，计算分析了环境温度、敷设深度、土壤热阻系数等典型的环境参数取值对登陆段载流量的影响。

基金项目：项目名称： 交流500 kV交联聚乙烯（XLPE）海缆关键技

术研究与应用；项目编号：52110417000N；项目类型：国家电网有限公司总部科技项目。

1 理论计算方法

根据IEC 60287标准[1，2]，交流电缆的稳态允许载流量可由下式计算：

I=(θc−θ0)−Wd(0.5T1+T2+T3+T4)RT1+R(1+λ1)T2+R(1+λ1+λ2)(T3+T4) （1）

式（1）中，I为电缆载流量（A），θc为电缆线芯允许工

作温度（℃），θ0为环境温度（℃），Wd为单根电缆单位长度

该列车风电机组短路时的短路电流，算出短路电流对推力和

支撑力的影响。

3 风电机组短路故障的处理

3.1 改进矢量控制方法

3.4 引入Crowbar保护

基于定子磁链定向或定子电压定向的矢量控制是风电机组常用的矢量控制方法，该控制方法通过采用比例积分控制器，实现有功、无功功率调节。当电网电压跌落幅度较大时，产生的转子过电流需要较大的转子励磁电压进行控制，该值易超过PI控制器的输出范围，使DFIG处于非闭环的失控状态。因此，为了控制这一缺点，又研发出了新的控制励磁电压的方法，定子磁链暂态直流和负序分量相反的转子电流空间矢量及相应的漏磁场分量进行抵消，以此来短路过程中的过电流，提高风电机组的LVRT能力。

3.2 加强变桨控制

DFIG的转速是由风力机的输入功率和DFIG的输出功率之差决定的。电网电压发生骤降之后，DFIG输出功率减小，而风力机的输入功率不变，所以DFIG转速将快速上升。此时可通过实行变桨距控制来增大桨叶的桨距角以减小风力机吸收的风能，从而阻止转速升高。

3.3 加强对直流侧的保护

引入Crowbar保护是基于电网电压跌落程度较深的情况而言的。引入Crowbar保护，通过旁路开关在电机的转子绕组中串入Crowbar电阻来释放磁场储能并加快磁链的衰减，从而缓解故障对机组的冲击。尽管较大的转子保护电阻能够有效地抑制转子电流峰值，更快地吸收转子磁场的储能，然而旁路电阻过大又会使转子电压过高，会引起对直流侧电容的反充电从而损坏变流器，而且还有可能击穿发电机转子绕组绝缘。4 结语

风力发电作为最具规模和发展前景的新能源发电方式之一，是保障未来电力供应和解决全球环境问题的关键，我国不仅风能资源丰富，电网条件、风力发电设备以及电力和环境也都有利于风电的发展。本文从风电机组短路电流的特性出发，对风电机组短路故障进行了分析，并提出了相关解决对策，望起到有效参考价值。

参考文献

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从风电机组直流输电的角度，引入静止同步补偿器，发现

STATCOM能有效抑制暂态过电压，从而改善直流系统的暂态运行特性。变流器的直流环节由滤波电容和电感组成。当持续故障使得直流侧出现过电压时，可以投入并联的Choppcr电路，消耗直流侧多余的能量，从而将直流母线电压控制在安全范围内。

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