風力發電機組并網運行短路故障仿真分析

崔洪遠，岳 亮，高 亮

(1.江西中電投新能源發電有限公司，江西 南昌 330038;2.上海電力學院電力與自動化工程學院，上海 200090)

近年來，以風力發電、太陽能光伏發電、燃氣輪機、燃料電池等為代表的分布式電源技術得到了迅速發展.其中，風力發電技術作為目前世界上可再生能源開發利用中技術最成熟、最具規模開發和商業化發展前景的發電方式之一，更是受到世界各國的重視并得到快速的發展.但當以風力發電為代表的分布式電源接入配電網時，必然將會改變配電網的潮流分布，也會給配電網的保護帶來影響.

目前，在電力系統的保護配置中尚未考慮風電場的影響，只是簡單地將風電場視為一個負荷或同等容量的同步發電機.然而，當大規模風電場接入系統后，在電網發生故障時，風力發電機將向短路點提供一定的短路電流［1］.如果此時仍然忽略風電場注入的短路電流，則將會對保護設備的動作產生影響.此外，不同類型的風電機組并入電網時對電網產生的影響也不相同.

本文利用Matlab中的動態仿真工具Simu-link，構建了3種不同的風電機組(雙饋異步風電機組、永磁同步風電機組和鼠籠式異步風電機組)并入電網后的模型，比較3者在相同故障下短路電流的特點，并對它們并網運行后的短路電流注入問題進行了探討.

1 風電機組簡介

目前，并網風力發電機組主要為變速恒頻風力發電系統.變速恒頻風力發電系統中風力機的轉速隨風速的變化而變化，系統通過電力電子變換技術使發電機頻率與系統頻率保持一致.該系統主要有雙饋異步發電機和直驅式永磁同步發電機兩種.

(1)雙饋異步發電機 其系統結構如圖1所示.風力機經齒輪箱驅動雙饋電機，發電機的定子繞組直接與電網連接，轉子繞組通過變頻器與電網相連.根據風速的變化和發電機轉速的變化，由變頻裝置調整轉子電流的頻率，以實現定子感應電勢的恒頻控制，即變速恒頻控制.

圖1 雙饋異步發電機組的結構示意

(2)直驅式永磁同步發電機 其系統結構如圖2所示.風力機與永磁同步發電機的轉子直接耦合，發電機的輸出端電壓和頻率隨風速的變化而變化，風力發電機的轉子由風力機直接拖動，省略了升速齒輪箱，因此增加了機組的可靠性，延長了機組的壽命.

圖2 永磁同步發電機組的結構示意

2 仿真分析

將風電場接入單機無窮大系統后，當聯絡線發生故障時對其進行動態仿真，仿真系統見圖3.

在相同故障情況下，比較同容量雙饋異步風電機組、永磁同步風電機組和鼠籠式異步風電機組的短路電流變化情況.其中，風電場由9 MW的風力發電機組組成，風力發電機出口電壓為575 V，通過升壓將其升至25 kV，再通過長為30 km的25 kV輸電線路送至升壓站，將電壓升至120 kV，最終接入無窮大系統.

圖3 風電場接入到無窮大系統示意

假設在圖3中的K處3 s時發生了三相故障，3.1 s時故障清除，則雙饋異步風電機組和永磁同步風電機組的短路電流分別見圖4和圖5.

圖4 K處發生故障時雙饋異步發電機的短路電流波形

圖5 K處發生故障時直驅式永磁發電機的短路電流波形

由圖4和圖5可知，當系統發生三相短路故障時，雙饋異步發電機的瞬間最大短路電流達到3.0 p.u.，而永磁同步發電機的瞬間最大短路電流為1.5 p.u..經過短時的波動后，當故障清除時，兩種風機的電流均達到新的穩定狀態.因此，風機控制系統的介入使電網具有更高的可控性，在一定程度上保證了風力場并網運行的可靠性和安全性.

在同樣情況下，鼠籠式異步發電機的短路電流曲線如圖6所示.

由圖6可以看出，發生三相短路故障時，鼠籠式異步發電機提供的瞬間最大短路電流達到3.5 p.u.，但由于發電機組配置了無功補償裝置，因此電流在經過波動后達到了新的穩定狀態.

圖6 K處發生故障時鼠籠式異步發電機的短路電流波形

在相同的故障狀況下，不同風電機組接入電網時注入短路電流的特性也不相同，且隨著風力發電容量及其在發電總容量中所占比重的增大，其暫態電流等因素也需要在保護配置時加以考慮.通過對各種風力發電機內部結構、并網方式及仿真結果的分析可知，風力發電機的發展方向將以雙饋異步發電機和直驅式永磁同步發電機為主.

3 風電場接入對繼電保護的影響及解決措施

3.1 風電場接入對繼電保護的影響

目前，我國的中、低壓配電網主要是不接地(或經消弧線圈接地)、單側電源、輻射型供電網絡［2］，這種配電網結構簡單、投資小且維護方便.而大多數的風電場是通過配電網接入電網，風力發電機組接入配電網后將改變電網的原有結構特征，對電網的短路電流分布和繼電保護之間的配合都會產生影響.

在配電網中，一般配置傳統的三段式電流保護，即電流速斷保護、限時電流速斷保護和定時限過電流保護.其中，電流速斷保護是按照躲開本線路末端的最大短路電流的方法對配電網進行整定，不能保護線路全長;限時電流速斷保護是按照本線路末端故障有足夠靈敏度并與相鄰線路的瞬時電流速斷保護相配合的方法對配電網進行整定，能夠保護本線路全長;定時限過電流保護按照躲過本線路最大負荷電流并與相鄰線路的過電流保護相配合的方法對配電網進行整定，作為相鄰線路保護的遠后備，且能夠保護相鄰線路的全長［3］.現有的配電系統引入風力發電機組后，原有的配電網絡將不再是純粹的單電源、輻射型供電網絡，配電網絡中短路電流的大小、流向、分布等都將與風電場接入之前有較大差別.風電場接入對保護動作的行為產生如下影響:

(1)導致線路保護動作的靈敏度降低，嚴重時甚至拒動;

(2)導致線路保護誤動作;

(3)導致相鄰線路的瞬時速斷保護誤動作，從而失去選擇性.

3.2 基于多Agent系統的保護方案

Agent是一種具有知識、目標和能力，并能單獨或在人的點撥下進行推理決策的能動實體，Agent系統具有自治性、可通信等特點［4］.而多Agent系統是一種智能化的開放的分布式系統，具有以下優點:可在軟件、硬件上簡化保護的配置;通過Agent之間的協作可以增強問題的求解能力及求解的可靠性;多個智能體可并行操作，以提高效率;智能體之間相互通信協作，具有較好的容錯能力;智能體既可協同工作，也可單獨工作，具有較高的靈活性［5］.因此，采用多Agent系統可以提高并改善保護性能.用于電力系統保護中的多Agent系統結構見圖7.

圖7 用于協調保護的多Agent結構示意

Agent不僅可以在同類之間進行通信同時還可以在不同類之間進行通信.這一結構模式相當于在傳統的保護裝置基礎上增加了網絡通信、同步相量測量、廣域后備保護算法等功能構成的智能體，因此也需要可以為這些軟件Agent提供支持的硬件平臺.隨著多Agent技術在配電網中的應用，以及通信技術的快速發展，多Agent技術在配電網保護領域將會發揮更大的作用，得到廣泛應用.

4 結語

筆者使用Matlab中的動態仿真工具Simulink，對3種不同風機接入電網的情況進行了故障仿真，分析了其短路電流的特性，為電網的保護和整定提供了依據.同時，隨著通信技術和智能電子裝置等的快速發展，基于多Agent的技術在繼電保護領域將會有很好的應用前景，能解決以風力發電為代表的分布式電源接入給電網保護帶來的諸多問題.

［1］文玉玲，晁勤，吐爾遜·依不拉音，等.關于風電場適應性繼電保護的探討［J］.電力系統保護與控制，2009，37(5):47-51.

［2］王明俊，劉廣一，于爾鏗.配電系統自動化及其發展［J］.電網技術，1996，20(12):62-65.

［3］張保會，尹項根.電力系統繼電保護［M］.北京:中國電力出版社，2005:20-28.

［4］盛萬興，楊旭升.多Agent系統及其在電力系統中的應用［M］.北京:中國電力出版社，2007:64-70.

［5］王慧芳.電網繼電保護整定技術及基于多Agent的保護新方法研究［D］.杭州:浙江大學，2006.