電網短路故障對并網雙饋風電場的影響

劉勇

(大連供電公司，遼寧省大連市 116001)

0 引言

隨著能源危機和溫室效應等問題的日趨凸顯，利用清潔無污染的風能發電成為一種有效的解決措施。從2006年的《可再生能源法》頒布以來，我國的風電事業得到了快速發展［1-2］，大型風電場接連涌現。研究整個風電場的并網運行與電網的相互影響，以及系統發生短路故障情況下風電場的暫態運行特性等，對整個電力系統的安全穩定運行非常重要［3-4］。本文從單臺風電機組模型入手，研究風電場的等值方法，搭建包含風電場的電力系統模型，分析電網發生三相短路和單相短路故障時并網風電場的暫態特性。

1 風電場等值方法

風電場等值方法有參數變換單機等值法［5］、變尺度降階多機等值法［6］、容量加權單機等值法［7］以及在此基礎上的改進容量加權單機等值法［8-9］等。

假定某風電場由n臺雙饋風電機組構成，且滿足以下條件［8］:(1)風電場中的風電機組類型單一且出口變壓器接在同一條母線上;(2)忽略連接相鄰2臺風電機組的線路阻抗。由此可對包含這n臺風電機組的風電場進行等效處理［10-11］。由于雙饋電機也是一種異步電機，所以可以借鑒異步電動機作為負載時的等值方法，研究風電場的并網運行。接在同一母線的n臺雙饋風電機組的等效過程如圖1所示。

圖1(a)為單臺異步電動機的T型等值電路，根據電路等效變換原理，引入阻抗Zf，將圖1(a)等效變換為圖1(b)，有

圖1 參數變換法Fig.1Parameter transformation method

式中:Zs為定子阻抗;Zr為轉子阻抗;Zm為勵磁阻抗。當風電場的n臺風電機組都接在同一母線上時，每臺風電機組經過等效變換后的電路如圖1(c)所示，化簡后如圖1(d)所示，可將圖1(d)的電路變換成如圖1(e)所示的T型等效電路，于是得到了并聯在同一母線上的n臺風電機組的單機等值模型。圖1(a)～(e)的參數分別為

式中:Zs、Zr、Zm分別為定子阻抗、轉子阻抗和勵磁阻抗;Z's、Z'r、Z'm分別為等效模型的定子阻抗、轉子阻抗和勵磁阻抗。

風電場的容量、風力機的風能利用系數計算則采用改進的容量加權風電場單臺等值方法［8］。設單臺風機的等值容量為S'和風能利用系數為C'，則有

式中Si、Ci分別為第i臺風機容量和風能利用系數。

對于風電機組其他參數X'的等值方法，則要引入加權系數ξi，為

考慮到風電場的尾流效應，假定風電場布置在地域開闊、地形變化比較平緩的區域，選用典型的風速尾流效應Jensen模型，為

式中:V1為第1排(列)的風速;Vn為第n排(列)的風速;Ct為風力機推力系數;D為風力機直徑;X為每排(列)相鄰風力機間的軸向距離;K為尾流衰減常數，K=0.5/ln(h/z0)，其中h為風力機的輪轂高度，z0為粗糙度，z0=2 mm。

當風力發電機組呈N列M行規則分布，即可以通過(i，j)進行標記，其中i代表風電機組所在的列，j代表風電機組所在的行。在風電場內某行或某列機組參數完全相同時，可采用參數變換法將其等值為單機模型，為

式中:下標i和j為風電場內第j行第i臺風力發電機參數;標示為第j行其對應的等值機組參數。

2 算例分析

2.1 仿真模型

風電場包括同一型號的16臺1.5 MW和10臺2 MW雙饋式風力發電機組。搭建的仿真模型如圖2所示。

圖2 仿真模型Fig.2Simulation Model

圖2中G1為帶有自動勵磁調節裝置的同步發電機，額定容量為10 MVA，額定電壓為10.8 kV;G2為理想電壓源，額定電壓為110 kV，等效阻抗Xs=4 Ω;G3為等值風電場，額定容量為44 MVA;S1為RLC構成的三相對稱負荷，負荷功率為15+j3 MVA;S2為包含電動機的小型工業負荷，負荷功率為8.8+j1 MVA。

2.2 三相短路

母線B5在5.0 s時發生三相接地短路，接地電阻為1 Ω，持續時間為0.1 s，風電場輸出有功功率和無功功率如圖3所示。

圖3 風電場輸出有功功率和無功功率Fig.3Active power and reactive power of wind farm output

圖3中Pwind、Qwind和分別為正常運行和發生故障時風電場輸出的有功功率和無功功率。在5 s時發生三相短路故障，風電場的有功輸出降低，從16 MW降到10 MW;5.1 s時故障消除，有功輸出增加至20 MW，比非故障運行時高出約4 MW;故障消除后有功輸出出現短暫的波動。發生三相故障時，風電場從電網中吸收的無功功率大幅增加，在短路瞬間，吸收的無功功率從5 Mvar驟升至10 Mvar，然后逐漸減少;到5.1 s時故障消除，吸收的無功功率減少至 0;故障消除后，風電場從電網中吸收的無功上升，且吸收的無功出現波動，在故障消除后的0.4 s時，無功吸收最多，再過0.4 s后無功吸收最少。線路L1的電流波形如圖4所示。

圖4 線路L1電流Fig.4Current of line L1

圖4中IL1、I(3)L1為分別為正常運行和發生三相短路故障時的線路L1電流。發生三相接地時線路L1的電流急劇增加，故障期間，線路L1電流從350 A上升到500 A，最大值為非故障時的2倍。故障消除后線路L1電流有所波動。母線B1的電壓波形如圖5所示。

圖5中UB1、U(3)B1分別為正常運行和發生三相短路故障時的母線B1電壓。發生三相接地時母線B1的電壓從1.05 pu驟降至0.55 pu，在5.1 s時跌落至0.4 pu。故障消除后電壓回升并出現波動，在5.6 s時電壓最低至0.85 pu，在6 s時電壓最高至1.1 pu。正常運行和發生三相短路時的系統頻率波形如圖6所示。

圖5 母線B1電壓Fig.5Voltage of bus B1

圖6 頻率Fig.6Frequency

圖6中f、f(3)分別為正常運行和發生三相短路時的系統頻率。在5 s時發生三相接地故障，系統頻率從50.1 Hz開始下降;在5.1 s時頻率減少至48.4 Hz;在5.1 s時故障消除，頻率上升并進入暫態波動過程;在5.2 s時出現波峰，頻率為52.4 Hz;在5.3 s時出現波谷，頻率跌至49.7 Hz。

2.3 單相短路

母線B5在5.0 s時發生A相接地，接地電阻為1 Ω，持續時間為0.1 s，風電場輸出的有功功率和無功功率如圖7所示。

圖7 風電場輸出有功功率和無功功率Fig.7Active power and reactive power of wind farm output

圖7中Pwind、Qwind和P(1)wind、Q(1)wind分別為正常運行和單相接地時風電場輸出的有功功率和無功功率。在5 s時發生單相接地，風電場的有功輸出略有減少;在5.1 s時故障消除，有功輸出迅速上升;在5.2 s時有功功率曲線和非故障運行時的風電場有功輸出曲線基本重合。故障時風電場從電網中吸收的無功功率略有增加，增加幅度很小;在5.1 s時故障消除，吸收的無功功率減少至4 Mvar;故障消除后，風電場從電網中吸收的無功功率出現很小的波動。線路L1的電流波形如圖8所示。

圖8 線路L1電流Fig.8Current of line L1

圖8中IA為正常運行時線路L1的A相電流分別為發生單相接地時線路L1的A相、B相、C相電流。A相發生接地短路故障時，線路L1的C相電流升高到400 A，A相電流上升到340 A，B相電流變為240 A。與非故障時的電流相比，A相、C相電流上升，B相電流略有減少。母線B1的電壓波形如圖9所示。

圖9 母線B1電壓Fig.9Voltage of bus B1

圖9中U為正常運行時的母線B1的電壓分別為單相接地時母線B1出口的連接線路A相、B相、C相電壓。在5 s時發生單相接地故障，35 kV母線B1的故障相(A相)電壓從1.05 pu驟降至0.75 pu;故障期間電壓繼續下降，在5.1 s時跌落到0.7 pu;B相電壓和C相電壓也發生跌落，在5.1 s時分別降至0.9和0.75 pu。故障消除后，三相電壓回升并出現較小的波動。風電場系統頻率如圖10所示。

圖10中f、f(1)分別為正常運行和發生單相接地時的系統頻率。在5 s時發生單相接地，系統頻率從50.1 Hz開始下降;在5.1 s時頻率減少至49.7 Hz;在5.1 s時故障消除，頻率上升并進入暫態波動過程;在5.2 s時出現頻率的最大值，為50.6 Hz。

圖10 系統頻率Fig.10System frequency

3 結論

當電網發生短路時，風電場的功率輸出、并網點母線電壓、故障線路電流以及系統頻率都會發生變化。短路時風電場的有功輸出驟減，從電網吸收的無功驟增，并網點母線電壓驟減;故障線路的電流變化和故障類型有關，并非故障線路的短路電流最大;短路時系統頻率驟減，故障消除后會發生波動，短路程度越大、波動幅值越大。

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(編輯：張磊)