风力发电继电保护ppt课件.ppt

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1、风力发电系统的保护,目录,1、了解风力发电2、双馈风电机组的结构及工作原理3、双馈风机的运行状态功率关系4、风电场对继电保护的影响5、风电场电流速断保护的整定,1、了解风力发电,风力发电系统的组成风电场电气一次系统组成包括：风电机组、集电系统、升压变压器及厂用电系统。,1风力机2发电机3变流器4母线5线路6厂用电7升压变压器8电网,风力发电系统组成,1、了解风力发电,风电机组包括：风力机、发电机、变流器、机组升压变压器。,风机的内部结构,风机的外部结构,1、了解风力发电,风力发电系统的特点：1、风力发电机组的单机容量小 (目前国内单机容量主要为1.5 MW)2、风电场电能生产方式比较分散，发电

2、机数目多。3、风电机组电压等级低。 （发电机出口电压主要为690V）4、风力发电机组类型多样化5、风电场得功率输出特性复杂 （风的波动性和随机性）6、风电并网需要电力电子换流设备,2、双馈风电机组的结构及工作原理,并网型风力发电机组可分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统。 变速恒频风力发电系统又分为变速恒频直驱同步发电系统和变速恒频双馈发电系统。,恒速恒频风力发电机系统,直驱同步发电系统,2、双馈风电机组的结构及工作原理,双馈式风力发电机系统结构示意图,2、双馈风电机组的结构及工作原理,双馈风电机组的内部结构图,2、双馈风电机组的结构及工作原理,恒速恒频风力机组 优点：投资少，结构简

3、单，运行维护方便。 缺点：风能利用率低，风电机组直接与电网耦合风电特性直接 对电网产生影响。 变速恒频风力机组 优点：风能利用率高，降低了发电与电网之间的影响。 缺点：结构复杂，成本高，技术难度大。 目前市场上主流的风力发电机组是：变速恒频风力发电机组。,2、双馈风电机组的结构及工作原理,以双馈风力发电系统为例，介绍双馈风电机组的结构及工作原理风力机：主要部分有叶片、轮毂、齿轮箱等。双馈感应发电机：双馈风力发电机的定子侧直接接入电网,转子侧经双向变频器接入所需低频励磁电流。因为定子与转子两侧都可能有能量的馈送, 所以称为双馈风力发电机。变频器：变频器采用功率可双向流动的 PWM 控制的、电压源

4、型交直交变频形式。电网侧变频器的主要任务是保证电流波形和功率因数满足要求以及保证直流母线电压的稳定，转子侧变频器的主要任务是调节有功功率，实现最大风能捕获以及为转子回路提供励磁，调节定子无功功率。,2、双馈风电机组的结构及工作原理,变速恒频双馈风力发电机的定子绕组直接接入电网，转子绕组由一台频率，电压可调的低频电源供给三相低频励磁电流。当转子绕组通过三相低频电流时，在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场的旋转速度 与转子的机械转速 相叠加，使其等于定子的同步转速 从而在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。由上式可以看出：当发电机的转速变化时，可以通过调节 来维持 不变，以保证与电网

5、频率相同，实现变速恒频控制。,2、双馈风电机组的结构及工作原理,双馈风力发电机的转子侧具有功率双向流动的能力，因此它的运行状态有别于恒速恒频发电机和同步发电机。运行于不同工况时，其功率传递关系也不同。根据转子转速的快慢，可将双馈发电机分为三种运行状态：次同步运行、同步运行、超同步运行。,2、双馈风电机组的结构及工作原理,双馈风电系统图,2、双馈风电机组的结构及工作原理,1.同步运行状态 该状态下转子转速等于同步转速 ，滑差为0，此时转子绕组中励磁电流频率为0，即为直流电流。此时，就等同于同步发电机，此时功率流向很明确，即电机等同于同步电机。 2. 亚同步运行状态( ) 励磁电流产生的旋转磁场转

6、速 与转子转速 方向相同。经过叠加后等于电网角速度 。,2.1 亚同步电动运行状态 电磁功率由电网输入到电机定子侧。输入的电磁功率，扣除损耗后 一部分为机械功率，另一部分通过变频器回馈电网。 2.2 亚同步发电运行状态 电机轴上的机械功率和转子转差功率一起构成电磁功率送到定子侧，扣除损耗后回馈电网。,功率关系:,定子输入能量-(定子铜耗+转子铜耗+机械损耗)= (输出的机械能+转子输出电能),功率关系:,(输入的机械能+转子输入电能)-(机械损耗+转子铜耗+定子铜耗)=定子输出能量,2、双馈风电机组的结构及工作原理,3. 超同步运行状态( ) 励磁电流产生的旋转磁场转速 与转子转速 方向相反。

7、经过叠加后等于电网角速度 。,2、双馈风电机组的结构及工作原理,3.1 超同步电动运行状态 电磁功率从电网流向定子，并从变频器向电机输入转差功率，扣除定 转子损耗后形成机械功率，再由电机轴输出。 3.2 超同步发电运行状态 超同步发电时，原动机传到异步电机轴上的机械功率，一部分转变成转差功率，通过转子侧变频器馈回电网;另一部分正比于同步转速的电磁功率扣除定子损耗后，由定子侧回馈电网。,功率关系:,(定子输出能量+转子输入电能)-(定子铜耗+转子铜耗+机械损耗)=输出的机械能,功率关系:,输入的机械能-（转子铜耗+定子铜耗+机械损耗）=（定子输出能量+转子输出电能）,2、双馈风电机组的结构及工作

8、原理,3、风电场常用保护配置,风电场的保护包括风力发电机的保护、升压变压器保护、风电场线路保护等。以双馈感应风力发电机为例，对其保护配置进行简要介绍双馈感应风力发电机的常用保护：撬杠保护、电压越限保护、频率越限保护、反时限过电流保护等。撬杠保护是是双馈风机变流器的主保护。其作用是保护变流器不被过电流烧毁。当风力发电机转子回路电流超过撬杠保护设定值时，撬杠保护动作，作用于晶闸管，将双馈感应发电机的三相转子绕组短接，四象限变流器退出运行。电压越限保护用于电压波动较大时，及时将风力发电机切除。频率越限保护用于频率波动较大时，及时将风力发电机切除。反时限过电流保护用于防止大电流对风力发电机造成损坏。发

9、电机内部及电网发生故障时，反时限过电流保护动作，风机退出运行。,3、风电场常用保护配置,风电场升压变压器保护：一般配置差动保护、定时限电流速断保护、定时限过电流保护、瓦斯保护等。线路保护：接人220 KV及以上系统的风电场，在送出线路的两侧装设分相电流差动保护。重合闸实用单相重合闸。接入220KV以下系统的风电场，系统侧保护应配置距离、电流等保护, 重合闸采用三相重合闸方式。,3、双馈风机系统保护图,4、风电场对继电保护的影响,4.1风电场的故障特性 风电场的故障特性与发电机的类型，风电场的装机容量和接入的电压等级有关。,4.1风电场的故障特性,3种发电机短路电流比较,与发电机类型的关系：,4

10、.1风电场的故障特性,结论：恒速异步风电机组提供的短路电流与双馈异步风电机组有很大的区别，但它们所提供的短路电流值都远小于等值为相同容量的同步机提供的短路电流。同步机提供的短路电流是恒速异步风电机组的 1 53 倍，恒速异步风电机组提供的短路电流是双馈异步风电机组的 1 5 倍。虽然风电场提供的瞬间短路电流很大，但经过很短的时间电流的周期分量和非周期分量都衰减为零，不能提供持续的短路电流; 同步机的瞬间短路电流最大，经过很短的时间非周期分量衰减，最后恒定不变，即可以提供持续的短路电流。,4.1风电场的故障特性,与风电场的装机容量的关系：,恒速异步风机在不同容量下的短路电流的变化曲线,双馈机在不

11、同容量下短路电流的变化曲线,箭头方向表示风电组装机容量逐渐增大,随着风电场装机容量的增加，风电场所提供的短路电流也越来越大。从相同容量的风电装机来看，恒速异步风电机组所提供的短路电流大于双馈异步风力发电机组。,4.1风电场的故障特性,与接入的电压等级的关系：,恒速异步风机在不同电压等级下的短路电流的变化曲线,双馈风机在不同电压等级下的短路电流的变化曲线,箭头方向表示风电场接入电压等级逐渐增大,结论：接入的电压等级越高，提供的故障电流越小，并且恒速异步风电机组提供的短 路电流更大。,4.2风电场对配网继电保护的影响,风电场对配网继电保护的影响：在风电场接入配电网后，电力系统的拓 扑结构就发生了变

12、化，若将风电场容量小，则考虑为负荷，相当于一个大电机，对于继电保护影响较小。但是在高渗透率风电的配网中，系统故障时风电场会提供瞬时很大的短路电流，所以对配电网的电流保护产生很大的影响。一方面，若保护整定时考虑了风电场短路电流的影响，在风电场退出运行时，就会使保护范围缩小，而若忽略了风电场的影响，就会使保护范围扩大到下级线路，从而造成保护的拒动或误动。另一方面，风电机组可以短时电动机运行，导致联络线的功率是双向流动的，所以继电保护的整定与配置最好按双电源考虑，必要的时候需要加装方向元件。,4.2风电场对继电保护的影响,简单回顾传统的电流速断保护：,系统等效电源相电势,系统电源侧的最小阻抗,被保护

13、线路的阻抗,可靠系数,动作条件,（1）,简单回顾传统的电流速断保护：,保护范围：设在线路上 处短路，则短路电流为：,故障位置系数,故障时的实际系统阻抗,故障类型，三相短路时取1，两相短路时取,（2）,令（1）和（2）相等，则得出实际运行方式下电流速断保护的范围：,得出保护范围随着 减小和 增大而缩短。即保护范围受故障类型和运行方式的影响较大。,4.2风电场对继电保护的影响,风电场对继电保护的影响举例：,风电场接入对保护2的影响,保护 2 的保护范围受系统运行方式和风电场接入的双重影响，风电电源提供的短路电流使保护2安装处测量到的短路电流增大，保护范围增大，速断保护的范围可能延伸至下级线路，造成

14、下级线路无选择性跳闸，并且风电场容量越大，影响越明显。1、2为未接入风电场时，系统分别运行在最大、最小方式流过保护安装处得短路电流曲线。3、4为接入风电场后，系统分别运行在最大、最小方式流过保护2的短路电流曲线。,4.2风电场对继电保护的影响,风电场接入对保护1的影响,由于接入了风电电源，流过保护2的电流增大，母线B的残压升高，流过保护1的电流减小。又图可见，系统运行在非最大运行方式下时，保护1的限时电流速断保护范围将缩小。风电场在B处接入后有可能在BC线路发生故障时不能动作。1、2为未接入风电场时，系统分别运行在最大、最小方式流过保护安装处得短路电流曲线。3、4为接入风电场后，系统分别运行在

15、最大、最小方式流过保护1的短路电流曲线。,4.2风电场对继电保护的影响,4.2风电场对继电保护的影响,结论：1）对于PCC点下游保护可能导致保护 范围的扩大，使保护误动作。2） 对于PCC点上游保护的而言，会使之段保护的范围缩小，使保护拒动。3）风电注入上游保护的逆电流会使保护误动作。,5、自适应电流速断保护的方案：,某风电场（双馈机）的机位布置、装机容量(33x1.5 MW= 49.5 MW)，如图所示,选取距离风电场1 km处的k点作为故障点。,5.1自适应电流速断保护的提出：,5.1自适应电流速断保护的提出：,为研究不同运行方式下的短路特性，选取以下典型运行方式进行仿真分析。方式1:风电

16、机组全部投运，最高风速为12. 59 m/ s，风电场出力为47.8 MW。方式2:风电机组全部投运，风速为8. 5 m/ s，风电场出力为25. 83 M W。方式3:风电场部分机组(WG1)退出运行，19台投运，风速为12. 61 m/ s(与方式1最高风速接近)，风电场出力为27. 87 M W。 3种运行方式下，k点发生二相接地故障时，运行方式1, 2, 3下风电场母线处的短路电流曲线如图所示(故障时间为150 ms)。,5.1自适应电流速断保护的提出：,不同运行方式下风电场母线处短路电流,结论: 1)比较方式1与方式3的曲线可知:风电场投运风电机组数直接影响故障时短路电流大小。 2)

17、比较方式1与方式2的曲线可知:投运风电机组数相同时，短路电流随着风速增大而增大;运行方式2的故障电流与运行方式1的稳定运行电流幅值接近，约为0. 35 kA。,总结： 风电机组的投运与退出、实时风速大小对风电场故障时提供的短路电流影响大。对于系统而言相当于系统的运行方式变化很大，传统恒定保护定值的方案很难适应这一实际系统。因此，采取自适应保护整定，以避免继电保护拒动或误动。,5.2自适应电流速断保护的介绍：,自适应电流速断保护根据系统实际的运行方式和故障类型实时、自动整定计算。根据实时判断得到的综合阻抗和故障类型、故障位置,实时确定整定值。自适应电流速断保护的电流整定值为：,可自动估计的故障类

18、型系数；三相短路时取1，两相短路时取可自动估计的故障发生时系统阻抗；,系统等效电势E可由下式算出：,分别为被保护线路故障时保护安装处的电压、电流,（3）,5.2自适应电流速断保护的介绍：,自适应电流速断保护自动整定步骤如下：有故障类型确定系数 ；由故障分量计算出系统综合阻抗 ；设定或者按 在线计算E；可靠系数 与 事先存入；求解（3），可得有保护装置在线求的短路电流,当满足,时，自适应电流速断保护保护动作。,5.2自适应电流速断保护特点：,保护引入了电压量，从装置上来说多了电压互感器。速断整定值不是常数，它由系统当前运行方式和故障状态决定，因此速断定值和保护范围能保持最佳整定值有微机保护装置自

19、动完成在线实时计算，不需要人工干预。,令（2）和（3）相等，则得出自适应电流速断保护的范围：,传统速断保护与自适应速断保护的保护范围的比较,其中,即,结论：1）自适应速断按保护的保护范围要比传统电流速断保护范围大。 2）自适应速断保护的最大保护范围为,5.2自适应电流速断保护的范围：,5.2自适应电流速断保护的方向性：,以前面例子为例,A端保护测出的系统综合阻抗为：,保护1正方向故障时网络的附加状态,5.2自适应电流速断保护的方向性：,保护1反方向故障时网络的附加状态,A端保护测出的系统综合阻抗为：,结论：可以利用系统综合阻抗的正负行来判别区内故障还是区外故障 ，充当方向元件，节省系统成本。,

20、风电场机组容量正逐年增加，大规模风电接入系统对电力系统电能质量影响较大，由于风能的随机性和不控性，使风电所占系统容量份额增加的同时，向系统提供的短路电流也越来越大，因此风电保护配置对电网的影响也是重要的。特别是近年来，低电压穿越技术越来越被重视，如何实现风机的低电压穿越以及适应低电压穿越要求的继电保护原理和方法，将使下一步研究工作的重点。,总结,参考文献1 王厚军，风电场保护性能的研究D,新疆：新疆大学，2010:35412 段晓田，张新燕，张俊，杨晓亮 .风电场故障特性仿真研究J.电力系统及其自动化，2010,32(8):56-59.3 张保会，尹项根. 电力系统继电保护M北京：中国电力出版

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