风电机组短路故障特性及其对继电保护的影响研究

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能源短缺和环境污染等问题使可再生能源发电迅速发展,其中风力发电发展最为迅速,全世界风电装机容量不断增大。随着风电高渗透率接入,对电力系统安全运行、保护控制等方面带来了很多问题。尤其是风电场中广泛应用的双馈感应发电机(Doubly-Fed Iduction Generator,DFIG)与传统同步电机在结构和故障特性等方面存在较大差异,因此有必要探究DFIG故障特性及对传统保护产生的影响。本文根据DFIG数学模型以及故障电磁暂态过程,推导了电网不同短路故障下定转子短路电流表达式,分析故障电流特性。针对故障电流特性,对送出线传统电流保护从四方面进行了改进。  DFIG组成结构及数学模型是开展研究的基础,本文对DFIG各部分结构以及运行原理进行了分析,研究了DFIG稳态和暂态数学模型、变流器控制策略及撬棒(Crowbar)保护动作原理。DFIG短路电流推导将以此为基础。DFIG特殊的结构及控制策略使其在不同故障情况下的暂态过程存在差异,本文根据不同暂态过程中电压、磁链的变化以及变流器的控制,推导了在电网对称短路和不对称短路下DFIG电流的表达式并分析了短路电流故障特性。最后,结合仿真算例验证短路电流特性。  基于风电场短路电流衰减快且稳态值小的特性,分析风电场并网对送出线传统电流保护的影响,进而对送出线传统电流保护从保护元件启动、自保持、自保持解除及基于极差的短路电流突变检测四方面进行改进。首先,对电流保护安装处短路电流仿真,通过分析发现风电会使传统电流保护Ⅱ、Ⅲ段发生拒动。针对存在的问题对传统保护进行改进,在保护元件启动后加设自保持功能,避免短路电流衰减引起的保护拒动问题;增设故障切除后的自保持解除环节,避免故障切除后自保持引起的电流保护误动问题;利用极差捕捉故障切除时短路电流突变的特性,实现故障切除判断,解除自保持。最后对改进电流保护的各参数进行合理取值分析。通过算例仿真验证了改进电流保护动作的可靠性。
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