风力发电机集团式接入电力系统的故障特征分析_张保会
内部控制论文参考文献
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风力发电系统短路故障特征分析及对保护的影响
风力发电系统短路故障特征分析及对保护的影响摘要：“双碳”战略目标背景下，我国对于可再生清洁能源的使用愈发重视，风力发电逐渐成为主流供电方式。
与火力发电、核发电相比，风力发电更加清洁、健康，在为社会提供优质电能的同时，能够维护环境健康，促进生态的可持续发展。
但由于风力发电机组结构十分复杂，再加上叶片长时间受外力作用，因此很容易出现各种故障，降低了风力发电的安全性和稳定性。
因此，如何对风力发电机组的故障进行有效诊断并精准预测，是当前风力发电行业需要研究的重点问题。
关键词：风力发电系统；短路故障特征；保护1风力发电与风力发电机组发展现状近年来，各国对新能源产业的呼声越来越大，并着力发展太阳能、风能等。
截止到2021年，全球资源中风能约为2.74×109MW，其中约为73%为可利用风能，其利用率相比水能具有超过十倍的优越性。
我国地域广阔，具有极为良好的风能开发条件，据初步统计，我国陆地可开发风能超过2.53千瓦，海上可开发风能为7.5亿千瓦，按照五十米范围推算，总风能可达到20亿千瓦，可利用风能可达到14.6亿千瓦，风能可开发总量仅次于俄罗斯与美国。
风能作为新能源的一种，不仅具有良好的开发机制，还兼备宝贵的清洁属性，与太阳能同属于新能源的核心种类。
随着我国科学技术水平的持续提升，风力发电设备装机容量持续加大，在技术水平的进一步提升下，风能开发成本将进一步压缩，并且将实现大规模普及。
2风力发电机状态监测和故障诊断技术研究2.1齿轮箱状态监测和故障诊断技术齿轮传动系统是风电机组主轴和机组之间的重要环节，其内部结构和受力状态十分复杂，是风电机组在长时间运行过程中极易出现故障的部位之一。
风力机的齿轮传动系统一旦出现故障，将直接导致风电机组的失效，并给风电机组带来重大的电力损失。
所以，对齿轮传动系统进行状态监控和故障诊断是非常有必要的。
齿轮传动中经常发生的故障有：打滑，齿面疲劳，轴承表面菠萝形，轴承裂纹，点蚀，齿轮断裂等。
风能发电保护控制装置的电气系统故障诊断与排除技术
风能发电保护控制装置的电气系统故障诊断与排除技术随着可再生能源对电力系统的重要性日益突显，风能发电作为一种清洁、可持续的能源形式，正逐渐得到广泛应用。
而风能发电保护控制装置的电气系统故障诊断与排除技术，对于保障风能发电设备的正常运行和安全性具有重要影响。
本文将从故障诊断的重要性、常见故障类型、故障诊断方法和排除技术等方面进行探讨。
首先，风能发电保护控制装置的电气系统故障诊断对于保障设备的正常运行至关重要。
风能发电装置的电气系统包括发电机、变流器、电缆等多个部件，任何一个部件出现故障都可能导致整个系统的失效。
故障诊断的目的在于准确地确定故障发生的位置和原因，只有通过对故障进行快速、准确的诊断，才能及时采取相应的措施进行修复和排除，从而保证风能发电系统的正常运行。
其次，风能发电保护控制装置的电气系统常见的故障类型主要包括电缆故障、传感器故障、开关和保护装置故障等。
其中，电缆故障是最为常见的一种故障类型，主要表现为电缆绝缘破损、短路或接触不良等问题。
传感器故障则会导致系统无法对实时数据进行准确测量和判断，从而影响到整个系统的控制和保护功能。
而开关和保护装置故障则会导致系统的开关操作异常或无法及时对故障进行切除保护。
在进行故障诊断时，可以采用多种方法来快速定位和判断故障的具体原因。
一种常用的方法是通过故障信息的收集和分析来进行诊断。
风能发电装置通常配备有数据监测系统，可以实时获取到各个部件的温度、电流、电压等参数数据，通过对这些数据的分析，可以判断出故障发生的具体位置和原因。
此外，还可以通过红外热像仪、声波检测仪等设备对故障进行定位和诊断，从而快速找到故障点。
在排除故障时，需要注意一些常用的技术和方法。
首先是正确使用各种测试仪器和工具，例如万用表、电压表、电流表等，在对设备进行检测和测量时要保证操作的准确性和安全性。
其次是合理选择修理措施，对于一些简单的故障可以通过更换或修复部件来解决，而对于较为复杂的故障则需要进行更为细致的检测和排除。
风力发电系统短路故障特征分析及对保护措施
风力发电系统短路故障特征分析及对保护措施社会与经济的快速发展离不开资源的提供，而资源并不是取之不尽用之不竭的，因此对可再生能源的开发和利用问题逐渐成为了社会重点关注和研究的核心。
风能是大自然赐予的可再生性资源，因为其的清洁和环保，因此被广泛的应用于世界各个领域。
其中风力发电技术更是得到了非常多的应用。
而在风力发电中有两个比较重要的系统，就是双馈异步风力发电系统和直驱同步风力发电系统。
本文就将通过对这两种发电系统的介绍，来进行对风力发电系统短路故障特征的分析，从而提出保护措施。
标签：风力发电；系统故障；短路；故障分析；保护措施引言：目前，世界上对于能源与环境问题的关注程度越来越高，正是在这种背景下，越来越多的对环境没有影响，对资源不够成浪费并且提供能源的方式被广泛的认同、接受、以及推行。
这其中就包括风能和水能，这两种能量的提供方式由于环保及提供能源较大、较快，因此备受青睐。
风能发电随着科学技术的进步也在逐渐的完善和发展，使风电场的装机容量越来越大，这有好的影响也存在不利问题，如果风电场中出现故障，就会对继电保护造成严重影响。
因此对于该问题的研究在安全性上至关重要。
一、风电系统结构及模型建立在风力发电中，能根据风能从而实现动能转化的设备很多，直驱式永磁同步风力发电机组就是其中的一种，这种发电系统具有很多方面的优势，其同步转速较低，结构简洁，没有齿轮箱，并且在能量转化方面，有着很特殊的优势，并且能够最大程度上的适应电网波动，同时在功率控制上也极为灵活，這在很大程度上提高的运行的效率和可靠性，因此已经成为目前主流的风力发电技术。
并且随着科学技术的不断提高，对直驱式永磁同步风电机组的研究也是逐渐深入。
目前，主要的研究方向为换流器的控制特性对发生故障时的故障特征的影响。
双馈异步风力发电系统是随着电力电技术和计算机控制技术的快速发展，交流励磁双馈发电机变速恒频发电系统越来越多的得到了应用，并且由理论到实践取得了一定的成果，提高了电力系统的稳定性和可靠性。
电力系统继电保护(张保会)资料.ppt 530页
一句话：限时电流速断保护作为本线路首段的近后备、 本线路末端的主保护、相邻下一线路首端的远后备。
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2.1.5 （定时限 ）过电流保护
过电流保护是指启动电流按躲最大负 荷电流来整定的保护。它是三段式电流保 护的第Ⅲ段。
该保护不仅能保护本线路全长，且能 保护相邻线路的全长。可作为本线路主保 护的近后备保护以及相邻下一路保护的远 后备保护
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1 启动电流的整定
I II set.2 76
2 动作时限的选择
应比下一条线路速断保护的动作时限高出 一个时间阶梯△t
t2II t1 t
△t通常取0.5S
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78
A 2
QF2 I
3 灵敏性校验
B 1
C
D
I K.B.min
K sen
II
I set .2
要求：Ksen 1.3 ~ 1.5
I (2) k
3 E前 提：Z1Z2
2 Zs Z1lk
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2.1.3 电流速断保护
• 对于仅反应于电流幅值增大而瞬时动作电 流保护，称为电流速断保护。它是三段式 电流保护的第一段
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1电流速断保护动作电流的整的整定
II set.2
I k . B. max
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1电流速断保护动作电流的整的整定
记忆时间： 对于LG-11型，当模拟保护出口处短路在灵敏角 下，突然增加额定电流至10倍额定电流，电压自 100V同时突然降到0的情况下，继电器应可靠动 作，其极化继电器动作保持时间不小于50ms
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继电保护课后习题答案第二-张保会-尹项根
电力系统如果没有配备完善的继电保护系统，想象一下会出现什么情景？答：现代的电力系统离开完善的继电保护系统是不能运行的。
当电力系统发生故障时，电源至故障点之间的电力设备中将流过很大的短路电流，若没有完善的继电保护系统将故障快速切除，则会引起故障元件和流过故障电流的其他电气设备的损坏；当电力系统发生故障时，发电机端电压降低造成发电机的输入机械功率和输出电磁功率的不平衡，可能引起电力系统稳定性的破坏，甚至引起电网的崩溃、造成人身伤亡。
如果电力系统没有配备完善的继电保护系统，则当电力系统出现不正常运行时，不能及时地发出信号通知值班人员进行合理的处理。
继电保护装置在电力系统中所起的作用是什么?答:继电保护装置就是指能反应电力系统中设备发生故障或不正常运行状态,并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置.它的作用包括:1.电力系统正常运行时不动作;2.电力系统部正常运行时发报警信号,通知值班人员处理,使电力系统尽快恢复正常运行;3.电力系统故障时,甄别出发生故障的电力设备,并向故障点与电源点之间、最靠近故障点断路器发出跳闸指令,将故障部分与电网的其他部分隔离。
继电保护装置通过哪些主要环节完成预定的保护功能,各环节的作用是什么?答:继电保护装置一般通过测量比较、逻辑判断和执行输出三个部分完成预定的保护功能。
测量比较环节是册来那个被保护电器元件的物理参量，并与给定的值进行比较，根据比较的结果，给出“是”、“非”、“0”或“1”性质的一组逻辑信号，从而判别保护装置是否应该启动。
逻辑判断环节是根据测量环节输出的逻辑信号，使保护装置按一定的逻辑关系判定故障的类型和范围，最后确定是否应该使断路器跳闸。
执行输出环节是根据逻辑部分传来的指令，发出跳开断路器的跳闸脉冲及相应的动作信息、发出警报或不动作。
依据电力元件正常工作、不正常工作和短路状态下的电气量复制差异，已经构成哪些原理的保护，这些保护单靠保护整定值能求出保护范围内任意点的故障吗？答：利用流过被保护元件电流幅值的增大，构成了过电流保护;利用短路时电压幅值的降低，构成了低电压保护；利用电压幅值的异常升高，构成了过电压保护；利用测量阻抗的降低和阻抗角的变大，构成了低阻抗保护。
电力系统继电保护课后习题解析 第二版 张保会 尹项根主编 实用版
过电流继电器返回系数过小时，在相同的动作电流下起返回值较小。一旦动作以后要使 继电器返回，过电流继电器的电流就必须小于返回电流，真阳在外故障切除后负荷电流的作 用下继电器可能不会返回，最终导致误动跳闸；而返回系数过高时，动作电流恶和返回电流 很接近，不能保证可靠动作，输入电流正好在动作值附近时，可能回出现“抖动”现象，使 后续电路无法正常工作。
-1-
答：利用电力元件两端电流的差别，可以构成电流差动保护；利用电力元件两端电流相位的 差别可以构成电流相位差动保护；利两侧功率方向的差别，可以构成纵联方向比较式保护； 利用两侧测量阻抗的大小和方向的差别，可以构成纵联距离保护。 1.6 如图 1-1 所示，线路上装设两组电流互感器，线路保护和母线保护应各接哪组互感器？ 答：线路保护应接 TA1，母线保护应接 TA2。因为母线保护和线路保护的保护区必须重叠， 使得任意点的故障都处于保护区内。
电力系统继电保护即是一门理论性很强，又是工程实践性很强的学科。首先继电保护工 作者要掌握电力系统、电气设备的基本原理、运行特性和分析方法，特别要掌握电力系统故 障时的电气量变化的规律和分析方法，通过寻求电力系统的不同运行状态下电气量变化的特 点和差异来“甄别“故障或不正常状态的原理和方法，应用不同的原理和判据实现继电保护 的基本方法，所以需要很强的理论性。
在集成电路型继电器中，“继电特性”的获得是靠施密特触发器实现的，施密特触发器 的特性，就是继电特性。
在数字型继电器中，“继电特性”的获得是靠分别设定动作值和返回值两个不同的整定 值而实现的。 2.3 解释“动作电流”和“返回系数”，过电流继电器的返回系数过低或高各有何缺点？ 答：在过电流继电器中，为使继电器启动并闭合其触点，就必须增大通过继电器线圈的电流 Ik ，以增大电磁转矩，能使继电器动作的最小电流称之为动作电流 Iop 。
电力系统继电保护(张保会)资料.[优质ppt]
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不正常工作状态的危害
• 1、过负荷：因负荷超过电气设备的额定值造成的 电流增大 危害：造成载流导体的熔断或加速绝缘材料的老 化和损坏从而导致故障
• 2、频率降低：由于系统中出现有功功率缺额而引 起的危害 1）影响产品质量 2）降到47~48Hz以下会引起频率崩溃 3）使电压下降可能引发电压崩溃
Mth Mm
Mm C
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动作电流：能使继电器动作的最小电流值，记作Iop
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返回电流：能使继电器返回（原位）的最大电流值Ire
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2.1.2单侧电源网络相间短路时电流量值特征
• 目前，我国电力系统主要的电压等级： 500kV, 330kV, 220kV, 110kV, 66kV, 35kV, 10kV, 6kV, 380/220V。
备用 供电方式
中 性 点 非 直 接 接 地 （ 为 什 么 ？ ）
主 保 护 采 用 阶 段 式 特 性 的 电 流 保 护 承 担
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f (1) f (2) f (1.1)
f (3)
f (1)
U f0 z (1) z
U f0 z (1) z
U f0 z (1) z
2.1.4限时电流速断保护
定义： 是带时限动作的保护，用来切除本线路上速断保 护范围之外的故障，且作为速断保护的后备保 护。
要求： ① 任何情况下能保护线路全长，并具有足够的灵
敏性； ② 在满足要求①的前提下，可以带一定时间延时，
但力求动作时限最小； ③ 在下级线路发生短路时，保证下级保护优先切
除故障，满足选择性要求。
U f0 z (1) z
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输电线路 风电场侧保护
220 kV母线
风电场主变
35 kV汇流母线
……
……
10台
10台
10台
发生故障时，从高压侧等值电路来看，风力发电 机、箱式变压器及相应低压电缆相当于一个很大 的限流电抗，而风电场主变高压侧中性点一般直 接接地(或者间隙接地，在故障瞬间被击穿)，并且 有一绕组接成三角形，从而造成故障期间风电场 送出线保护背侧的正负序阻抗较零序阻抗(只有风 电场主变阻抗)非常大， 属于典型的弱馈电源系统， 风电场送出线保护感受到的故障电流几乎全部为 零序分量，非故障相电流在幅值和相位上都近似 和故障相电流相同，使保护的正确动作受到很大 影响。 在实际风电场运行时，由于上述现象造成保护 不正确动作的情况经常发生。本文以某风电场送出 线故障为例，对该现象进行分析，并在 PSCAD/ EMTDC 下搭建风力发电机模型，进而建立实际风 电场模型，对这一现象进行仿真再现。
0 引言
随着风力发电技术的不断进步，单台风机的容 量越来越大。目前，世界上主流风电机组的额定容 量一般为 1~2.5 MW，有些机组的最大额定容量已 经达到 5~6 MW，因此风电场也正在逐渐具有更大 的装机容量[1-2]。 随着并网运行风电场容量的不断增 加， 风电场对电网运行的影响也越来越突出[3-6]。 当 有风电场接入电力系统时，系统发生故障时，风电 场所提供的故障电流是不容忽略的，并且具有不同
1 1 1 1 2
(1. School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi Province, China; 2. ALSTOM T&D Automation, Stafford ST17 4LX, UK) ABSTRACT: Most wind farm in China are connected to power grid in concentratedly way, so the grid-connected wind farms affects both secure operation of power grid and correct action of protective relayings more and more evidently. Due to relatively small capacities of wind farms and low terminal voltage of wind turbine generators, so relative to the high voltage side of power grid, the assembly of wind turbine generators, package transformers and low voltage cables is equivalent to a current-limiting reactor with high impedance, i.e., the equivalent positive- and negative-sequence impedances are far higher than equivalent impedance at grid side, however, due to direct grounding of main transformer neutrals in wind farm, so the equivalent zero-sequence impedance at wind farm side during faults only includes zero-sequence impedances of transmission lines and main transformers, thus the positive- and negative-sequence impedances at the back side of protections of wind farm is far higher than zero-sequence impedance, and for this reason the wind farm belongs to typical weak power-feed system, and the fault current felt by protections of wind farm is almost the total zero-sequence component of the fault current, meanwhile the currents of non-fault phases are almost the same as the current of fault-phase, so that the correct action of protection of wind farm will be greatly affected. Taking the fault occurred in outgoing line of a certain wind farm as example, the phenomenon that after the connecting the wind farm to power grid the maloperation of protections of wind farm occurred due to the felt current was very near to the total zero-sequence current is analyzed, and a model of the actual wind farm is built by PSCAD/EMTDC for the reappearance of the fault, and by use of the built model the
DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2012.07.042
第 36 卷73（2012）07-0176-08
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 615；TM 743 文献标志码：A
Vol. 36 No. 7 Jul. 2012 学科代码：470·4054
风力发电机集团式接入电力系统的故障特征分析
张保会 1，王进 1，李光辉 1，郝治国 1，薄志谦 2
（1．西安交通大学 电气工程学院，陕西省 西安市 710049； 2．阿尔斯通输配电有限公司，英国 斯坦福德市 ST17 4LX）
系统 系统侧保护
。
风电场并网方式一般有 2 种方式： 分散式接入 和集团式接入。分散式接入是传统并网方式，风 电场容量比较小，作为一种分布式电源，分散接 入地区配电网络，以就地消纳为主；集团式接入 是在风能资源丰富区集中开发风电基地，通过输 电通道集中外送，以异地消纳为主，接入电压等 级较高。 欧美发达国家风电场大多采用分散式接入，除 近期规划中的海上风电采用高电压远距离输送外， 风电大多分散式接入，就地消纳。而我国风能资源 主要分布于“三北”及东南沿海地区
第 36 卷 第 7 期
电
网
技
术
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于普通同步发电机故障电流的特点，对于电力系统 中现有的继电保护以及安全自动装置的正确动作 有很大的影响
[7-12]
1 250 kW，共装设 40 台风机，每 10 台风机“T”接 在一条集电线路上，风电场内通过 4 条集电线路将 风机发出的电能收集并输送至风电场变电站，通过 220 kV 高压输电线路接入系统。 风电场系统接线示 意如图 1 所示。 其中， 风电场主变 220 kV 侧中性点 经间隙接地运行，系统故障时中性点被击穿，系统 侧中性点直接接地运行。 2010 年 7 月 19 日 15:24， 在高压输电线路上发 生 a 相瞬时性接地故障，系统侧保护正确动作，对 应断路器 a 相跳闸并重合成功；风电场侧保护不正 确动作， 对应断路器三相跳闸未重合(线路投单相重 合闸)。 风电场侧保护动作异常， 通过其保护动作报 告发现，在线路瞬时性单相故障情况下，纵联距离 保护有三跳出口报告。
Analysis on Fault Features of Wind Turbine Generators Concentratedly Connected to Power Grid
ZHANG Baohui , WANG Jin , LI Guanghui , HAO Zhiguo , BO Zhiqian
[13]
，大多远离
负荷中心，风电场多为大规模、集团式接入。如我 国正在开发的内蒙古、甘肃、江苏沿海等千万 kW 级风电基地[14]。 我国现有集团式风电场的典型接线方式为风 电机组通过单机单变， 将出口电压(一般为 0.69 kV) 升高到中压(一般为 10 kV 或 35 kV)，多台风电机 组汇集到一个中压母线(10 kV 或 35 kV)， 通过风电 场主变升高到更高的电压等级，并通过风电场送
基 金 项 目 ： 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 项 目 (973 项 目 ) (2009CB219704)。 The National Basic Research Program (973 Program) (2009CB219704).
influencing factors of this phenomenon are analyzed. KEY WORDS: fault feature; wind turbine generator; concentrated grid-connection; PSCAD/EMTDC 摘要： 我国风电场多为集团式接入电力系统， 风电场并网对 系统安全运行及继电保护正确动作的影响越来越突出。 由于 风电场的容量相对较小， 而且风机出口电压很低， 从高压侧 来看， 风力发电机、 箱式变压器及相应低压电缆相当于一个 很大的限流电抗， 即风电场侧的正负序等值阻抗远远大于系 统侧的等值阻抗； 对于零序网络， 风电场主变压器的中性点 直接接地， 故障期间风电场侧的零序等值阻抗仅包括输电线 路与主变的零序阻抗。 因此风电场侧保护背侧的正负序阻抗 远大于零序阻抗， 属于典型的弱馈电源系统， 风电场侧保护 感受到的故障电流几乎全部为零序分量， 非故障相电流在幅 值与相位上均与故障相电流近乎相同， 使保护的正确动作受 到很大影响。 以某风电场送出线故障为例， 对风电场接入后， 风电场侧保护感受到几乎全部零序故障电流而不正确动作 的现象进行了分析，并在 PSCAD/EMTDC 下建立了实际风 电场模型， 对这一现象进行了仿真再现， 并对其影响因素进 行了分析。 关键词： 故障特征；风力发电机；集团式接入； PSCAD/ EMTDC