風電場故障特性仿真研究

段曉田 張新燕 張 俊 楊曉亮

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆維吾爾族自治區烏魯木齊市 830047;2.新疆電力公司超高壓公司，新疆維吾爾族自治區烏魯木齊市 831100)

0 引言

風能是一種清潔的可再生能源，被世界各國廣泛的用來發電。由于風力發電的迅猛發展，風電的裝機容量在電力系統中所占的比例越來越高，并網型風力發電成為發展的主要方向[1]。國內外研究的課題主要是與風電場并網相關的有功調度、無功控制、電壓、頻率及其穩定性[2－8]。當風電場接入系統之后，電網的結構將發生變化。但含風電場的電網保護整定計算時，并沒有考慮風電場的影響或者將其考慮為相同容量的同步發電機。所以當電網發生故障時，除了常規電源向故障點提供故障電流外，風電場也可能向故障點提供短路電流，這樣就會影響繼電保護的正常運行，使保護裝置拒動或誤動[9，10]。并且風電機組的類型、裝機容量和接入電壓等級等因素都會對繼電保護裝置產生影響。因此，研究風電場的故障特性及其對繼電保護的影響，對風電系統的安全運行有重要的意義。

本文在DIgSILENT/Power Factory中構建了含風電場的電力系統仿真模型[11，12]。對由不同類型風力發電機組構成的風電場的故障特性及其影響因素進行了時域仿真研究，并分析了風電場故障特性對繼電保護的影響。結果表明:不同類型的風電場的故障特性是有區別的，并且都會對配電網的繼電保護產生很大的影響。

1 并網風電機組動態模型及原理

本文在DIgSILENT/Power Factory中對具有代表性和廣泛使用的恒速異步風電機組和雙饋異步風電機組進行了建模。恒速異步風電機組主要由風力機模型、轉軸模型和異步發電機模型等幾部分組成，其拓撲結構如圖1所示;雙饋異步風電機組主要由風力機模型、轉軸模型、雙饋感應發電機模型和PWM控制模型等幾部分組成，其拓撲結構如圖2所示。

圖1 恒速異步風電機組拓撲結構

圖2 雙饋異步風電機組拓撲結構

本文中所構建的上述兩類風電機組模型采用相同的風力機模型和軸系模型，不分機型統一介紹。雙饋機組含槳距角控制模型，下面分別介紹。

1.1 風力機系統數學模型

風葉從空氣中獲得的機械功率可以由下式描述[13]:

相應的機械轉距可由下式描述:

式中，ρ為空氣密度，1.25kg/m3;r是風機半徑，m;Vw是等效風速，m/s;λ是葉尖速比，即風輪葉尖速度與風速之比:

式中，ωw是風輪旋轉機械角速度，rad/s;β是槳距角，deg;Cp是功率系數，在本文中恒速異步風電機組是定槳距失速控制，其Cp只與葉尖速比 λ有關，近似曲線由下式描述[14]:

而雙饋風電機組采用槳距角控制，所以 Cp除了與葉尖速 λ有關外，還與槳距角 β變化有關，近似曲線可由下式描述[14，15]:

風力機的傳動機構主要由輪轂、轉軸、齒轉箱和聯軸器等組成，將其考慮為剛性系統，可用一階慣性環節來描述:

其中，Tw是風力機葉片側機械轉矩 (pu)，即傳動機構輸入的機械轉矩;Tm是傳動機構輸出的機械轉矩(pu)，即發電機輸入的機械轉矩;H1為輪轂的慣性時間常數(s);在本簡化模型中，將齒輪箱聯軸器慣性時間常數等效到發電機轉子中。

1.2 恒速異步發電機動態模型

異步發電機的電氣量都是以同步速旋轉，所以取同步速作為參考系可以簡化建模的過程。本文所建的異步電機模型可由下述的電機狀態方程來描述[16]:

磁鏈方程如下:

瞬時電磁功率方程如下:

發電機轉子運動方程如下:

其中，uds，uqs，udr，uqr分別是同步坐標系下的定、轉子電壓;Ψds，Ψqs，Ψdr，Ψqr分別是定、轉子磁鏈;ids，iqs，idr，iqr分別是同步坐標下的定、轉子電流;Rs，Rr是定、轉子阻抗;Pe是發電機電磁功率;s是異步機轉差率;ωs是參考坐標系旋轉角速度，即同步轉速;ωr是發電機轉子轉速;Te是發電機電磁轉矩，可由式(12)計算得出;Tj是發電機轉子慣性時間常數;p是微分算子;Lsσ，Lsσ是定、轉子漏電感;Lm是互感。

建模過程中只考慮了銅耗，忽略了其它損耗，并且也忽略了磁飽和。

1.3 雙饋異步發電機動態模型

雙饋異步發電機模型與恒速異步發電機的模型類似，只是由于雙饋異步發電機的轉子上與變頻器相連，所以其轉子電壓 udr，uqr不為 0。即對式(10)修改如下[17，18]:

計算雙饋電機的電磁功率時同時要考慮轉子吸收或發出的電磁功率，即對式(12)修改如下:

雙饋風電機組還包括變頻器及其控制模型，槳距角控制模型和保護系統等模型，限于篇幅，這里不再介紹。

2 風電系統仿真分析

2.1 風電場故障特性仿真分析

本文在DIgSILENT/Power Factory中構建了上述兩種類型風電場的動態仿真模型，將風電場接入WSCC(Western Systems Coordinating Council)9節點系統，WSCC 9節點系統是一常用的算例系統，為很多電力系統著作和文獻所引用。具體接入方式如圖3所示:

圖3 WSCC 9節點測試系統單線圖

本例中考慮的風電場出口電壓是 690V，采用10kV的箱式變壓器升壓后輸送到風電場自備的變電站接入PCC點。風電場通過傳輸線接入到系統BUS4，并且在動態仿真過程中，還考慮了將風電場等值為相同容量的同步機。針對上述三種情況，在PCC進行了三相永久短路故障仿真，仿真結果如圖4所示:

圖4 短路電流比較

由圖4可以看出，恒速異步風電機組提供的短路電流 (圖4中的黑色曲線)與雙饋異步風電機組提供的短路電流 (圖4中的紅色曲線)有很大的區別，但它們所提供的短路電流值都遠小于等值為相同容量的同步機提供的短路電流。同步機提供的短路電流是恒速異步風電機組的1.53倍，恒速異步風電機組提供的短路電流是雙饋異步風電機組的1.5倍。雖然風電場提供的瞬間短路電流很大，但經過很短的時間電流的周期分量和非周期分量都衰減為零，不能提供持續的短路電流;同步機的瞬間短路電流最大，經過很短的時間非周期分量衰減，最后恒定不變，即可以提供持續的短路電流。

對于恒速異步風力發電機而言，其勵磁電源是由系統提供的，當電網發生故障后，導致恒速異步風電機組機端電壓降低，使異步發電機失去勵磁，在轉子剩磁的作用下，短路電流很快衰減，不能提供持續的短路電流。而在短路初期，由于雙饋異步風力發電機變換器仍在工作，其故障特性與同步機相似，但發電機機端電壓跌落后，轉子過電流保護啟動，將轉子及變換器通過外接電阻短路，由于轉子電阻增大發電機的短路電流急劇減小，此時的故障特性與恒速異步風力發電機相似[10，19]。由于電壓型變換器不具備過電流的能力，因此雙饋異步風電機組所提供的短路電流遠小于相同容量的同步機組。

2.2 風電場故障特性的影響因素分析

為了進一步研究風電場的故障特性，對影響風電場故障特性的因素進行了分析，本文中考慮了風電場的裝機容量和接入電壓等級兩個因素對風電場短路電流水平的影響。在DIgSILENT/Power Factory中構建了風電場單機無窮大仿真模型，如圖5所示:

圖5 仿真系統圖

在動態仿真過程中，PCC母線發生三相短路故障，對不同裝機容量和接入電壓等級不同的風電場進行了仿真研究，故障持續時間0.15s。仿真結果如圖6～圖9所示:圖6、圖7是不同類型的風電場裝機容量不同時短路電流變化曲線，圖中箭頭方向表示風電機組裝機容量逐漸增大;圖7、圖8是不同類型的風電場接入不同電壓等級時短路電流變化曲線，圖中箭頭方向表示風電場接入電壓等級逐漸增大。

圖6 恒速異步風電機組短路電流變化曲線1

圖7 雙饋異步風電機組短路電流變化曲線1

由圖6、圖7可以看出，隨著風電場裝機容量的增加，風電場所提供的短路電流也越來越大。從相同容量的風電裝機來看，恒速異步風電機組所提供的短路電流更大。對比圖8、圖9可知，相同容量的不同風電場在不同電壓等級接入電網所提供的故障電流大小不同。接入的電壓等級越高，提供的故障電流越小，并且恒速異步風電機組提供的短路電流更大。

所以，在風電接入系統的可階段應當將風電場接入當地電網的最高電壓等級，以減小系統故障時風電場所提供的短路電流。

3 風電場對繼電保護的影響

國內的大部分風電場都是接在系統的末端，大容量的風電場在接入系統后再向負荷供電，而小容量的風電則直接T接在系統的線路上[20]。在風電場接入配電網后，電力系統的拓撲結構就發生了變化，若將風電場考慮為負荷，就不會對原有的配電網繼電保護產生影響。但是在系統故障時風電場會提供瞬時很大的短路電流，所以對配電網的電流保護產生很大的影響。一方面，若保護整定時考慮了風電場短路電流的影響，在風電場退出運行時，就會使保護范圍縮小，而若忽略了風電場的影響，就會使保護范圍擴大到下級線路，從而造成保護的拒動或誤動。另一方面，如果配電網的保護在時間上不能躲過風電場的瞬時短路電流，則必須考慮風電場的影響;同時，風電機組可以短時電動機運行，導致聯絡線的功率是雙向流動的，所以繼電保護的整定與配置最好按雙電源考慮，必要的時候需要加裝方向元件[21]。

圖8 恒速異步風電機組短路電流變化曲線2

圖9 雙饋異步風電機組短路電流變化曲線2

4 結論

本文在DIgSILENT/Power Factory中構建了風電系統仿真模型。對由不同類型風電機組構成的風電場的故障特性及其影響因素進行了仿真分析。研究結果表明:

1、隨著風電在系統中所占的比例的增加，不能忽視了風電場向電網提供的短路電流;也不能忽略風電場對繼電保護的影響，以保證繼電保護動作的正確性;并且在風電接入系統的可研階段不能簡單的將風電場等值為負荷或者相同容量的同步機組，因為其故障特性與風電場的故障特性是不同的。

2、風電場所提供的短路電流比相同容量的同步機組要小得多，因此可以考慮在短路電流過大的地點建設相容容量的風電場而不是傳統的火電廠。

3、與恒速異步風電機組相比，變速風電機組在故障時所提供的短路電流較小，所以在未來規劃建設的風電場應考慮采用變速恒頻風力發電機組，并接入高電壓等級電網，以限制短路電流水平，可以簡化配電網繼電保護的配置。

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