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摘要：随着我国经济、科技、生产力的持续提升，对环境造成的负面影响也越来越严重，能源环境问题已经成了当前一大重要问题，在此背景下，再生能源以及风能的开发和研究也受到了越来越多的关注。在风电系统当中，发电系统是非常重要的一环，想要对发电系统的短路故障问题进行更加深入的探索，就要对发电系统展开具体的探究，本文利用PSCAD仿真软件来建立模型，进一步研究风力发电系统的短路故障问题，从而分析故障特点和成因，对风力发电系统的两大主要发电系统：双馈发电系统和直驱发电系统进行分析，找到系统故障特征。
关键词：风力发电系统；短路故障；故障特征
一、引言
能源问题与环境问题是当前世界范围内普遍存在的问题，风能的特点是可再生、清洁，所以风能逐渐受到了越来越多的重视。随着经济水平及科学水平的持续提升，利用风能发电的技术也有了改进，单台风机的容量也得到了进一步扩大，所以风电场中的装机容量也随之扩大，这种科技的进步同时也产生了一些列的负面影响。比如在风电场出现故障的情况下，电力系统当中的继电保护就会受到影响，从而妨碍安全自动装置的正确动作。
二、风力发电系统的结构与建模分析
（一）关于双馈风力发电系统结构和建模分析
所谓双馈发电机，具体来讲就是因为其定子和转子能够实现与电网的连接，继而传递所需能量，所以叫做双馈风电机。另外，双馈发电机还叫做变速恒频发电机，因为它所使用的是频率固定，但速度会发生变化的技术，由此得名变速恒频发电机。啥UN钢盔发电机的调速范围很大，能够有效跟踪风能。双馈发电机的主要是由通过控制的部分和齿轮箱，再加上风力机这三大部分构成。本文所涉及到的双馈发电系统的模型，风机是由35千伏和330千伏的联络线间连接，同时还有T1与T2变压器，将其连接到330千伏的交流系统中去。这种情况下，12.5MVA总容量的SVA和升压变压器T2就进行了并入处理，从而实现无功补偿的目的，故障分析的方式是在35千伏集电线与330千伏联络线上同时展开。
（二）关于直驱风力发电系统结构和建模分析
为了对永磁直驱同步发电机当中存在的各种故障情况展开深入的研究，本文利用仿真软件建设了相应的模型，比如发电机模型、联络线模型以及控制系统的模型，另外还有风速模型等。具体的研究过程为：通过全功率控制电路实现发电机和电网的连接，电路由整流器、PWM逆变器以及中间的直流电路这三个主要部分构成，电机侧的变换器是由三项不控整流桥和Boost变换器共同组成。使用网侧的经过d轴和a轴的电流来实现PWM变换其的解耦控制和调节效果，从而保障其在单位功率因数的状态下可以平稳运行。本文主要对每个存在故障隐患的部位进行分析，并总结故障特点，通常情况下，故障会在330千伏联络线和系统侧出现，另外，也有可能在35千伏集电线位置和风机侧出现。
三、风力发电系统短路故障的特征分析
3.1关于双馈风力发电系统故障特征的仿真分析
在发电机出现故障的情况下，因为Crowbar自身有一定的保护功能，由此会产生各类故障问题，呈现出不同的特点，所以，要针对故障类型对其保护动作的故障情况和保护不动作的情况分别展开探讨。
①Crowbar保护动作的故障分析
在Crowbar的保护动作方面，因其内容较为多样，所以这里针对35千伏集电线的系统侧上的BC在两相发生短路的情况下，对风机侧的仿真结果展开进一步探究。
在Crowbar开启保护动作的状态后，如果遇到故障，故障相的电流便会大大增加，大约是之前的五倍之多，紧接着，A相上的电流量也会迅速加大，超过BC相上的电流，成为最大电流。同时，负序阻抗也会超过正序阻抗，负序的稳定性较强，但是正序的阻抗幅值会呈现先加大之后再缩小的状态，出现一定程度的波动。Crowbar进入到保护状态后，如果遇到故障，两个故障中的相，其间电流差频率不再是工频，而是出现了相应的改变。
②Crowbar保护不动作的状态研究
想要探究Crowbar在保护不动作的状态之下是怎样的，就需要对35千伏集电线和330千伏联络线当中的各类故障展开相应的分析。由于内容非常丰富，因为仅展开了35千伏集电线侧的方针结果探究。从而就可以展开同一容量同步发电机故障的仿真结果分析。
在Crowbar进入到保护不动作的状态，我们可以发现，当产生故障时，B、C相之间的电流就会呈现增长的趋势，基本可以达到之前的两倍之多，此时，A相的电流会呈现先降低，再提升的趋势，最终还会恢复到未发生故障时的电流值。
在用同一容量的同步发电机代替风力发电机之后，如果再产生同样的故障，此时的短路电流会扩大成为风机的两倍大小，要远远超过了风机产生的电流。
另外，在Crowbar保护不动作的情况下，一旦出现故障，正序阻抗便会大于负序阻抗，负序呈现较为稳定的状态，不过正序阻抗的幅值会呈现出加大再缩小的状况，形状为一尖峰。
3.2关于直驱风力发电系统故障特征的仿真分析
直驱风电系统在遇到故障时，是一定的复杂性，本文针对35千伏集电线系统侧产生的短路故障问题，展开风机侧的仿真结果探究。
在遇到故障的情况下，35千伏集电线风机侧端的B、C相会呈现出电流迅速加大的状态。
如果产生故障，负序阻抗的稳定性很高，而当故障产生两个工频周期之后，正序阻抗的大小便会超过负序阻抗。
在进行上述仿真实验之后，可以总结出下列几个主要故障特点：首先是不在保护状态下的Crowbar其双馈风机和直驱风机同时都产生了很大的暂态阻抗，这个暂态阻抗的比同等容量火电厂所用到的发电机还要大得多。由此看来，它能够供应的短路电流极为有限，而且它的提供效率也远远地域常规电流。另一种故障会呈现以下特点：风场侧中的等效交流不具备同样的正负序阻抗，同时在时间推荐的情况下，阻抗也呈现出一定的变化趋势。最后一种故障特征表现为：如果在双馈风机当中使用Crowbar，那么之前的系统工频频率则会发生变化。
四、风电接入的情况下，对保护产生的影响
如果风电机产生了故障，那么当前使用中的保护也会发生变化，也会出现保护误动的情况，具体表现为以下几种情况：首先，故障分量原件和全量都在距离原件的范围内。全量距离原件不会因为风电的接入而产生变化，不过，由于被测系统的不稳定抗阻的特性，故障分量距离原件会受到相应的影响，在出现区外故障的情况下，一定概率会有保护到达动作区当中，从而出现误动。另外一种保护误动的表现为：方向原件有两种形式，分别为故障分量方向和功率方向，功率方向原件一般不会因接入风电而出现变化，不过由于北侧系统后不稳定的抗阻存在，所以，会导致故障分量方向的原件产生一定的变化。在风电接入的情况下对保护产生的第三个影响为：突变量选相原件和有序分量选相原件都在选相原件的范围内，所以，全量距离选相元件和分相差动选相元件通常不会因为风电接入的原因而产生变化，不过突变量选相元件和序分量选相元件有一定的概率会产生变化，这是由于背侧系统的不稳定性造成的。风电接入对保护造成的第四个影响是：首先基于频域算法和基于时域算法是差动保护元件的两大形式。在风电接入的情况下，保护元件通常不会产生变化，由此可以保证保护的正确动作。
五、结论
无论Crowbar有没有进入到保护状态，在使用双馈发电机展开风力发电工作时，一旦联络线当中出现接地故障，联络线的风场侧便会有较大的电流出现。对于直驱发电系统来说，无论何种故障类型，都仅会出现正序分量短路电流。在进行仿真分析之后，得到的相关研究工作对于电网运行管理来说将会起到一定的参考作用，在风电发电机遇到故障时，可以进行借鉴。
参考文献
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