基于MATLAB的牽引負荷對風電場運行的影響研究

漆家煒　夏欣倩　董惠婷　沈云

[摘要]隨著電氣化鐵路的普及以及風力發電的發展，我國較多地區電網將出現風力發電與牽引負荷并存的局面。與此同時，牽引負荷帶來的風電機組脫網問題在境內已經發生多起。本文在當前研究顯示的牽引負荷影響因素：負序電流、諧波等基礎上，結合MATLAB/Simulink中風電場平均值模型，仿真并分析了牽引負荷造成的負序電流和諧波對風電機組運行的影響。最后對上述諧波與負序電流的改善給出相關建議。

[關鍵詞]牽引負荷；風電場平均值模型；諧波；負序電流；simulink

“十一五”期間我國鐵路將建成新線1.7萬公里，2010年全國鐵路營業里程將達9萬公里以上，其中電氣化率達45%以上。根據《中長期鐵路網規劃》。到2020年中國鐵路營業里程將達到12萬公里，電氣化鐵路總里程將達到一半。而在能源緊缺與環境惡化的雙重壓力下，世界可再生能源發展迅速，其中技術較為成熟的當屬風電。隨著電氣化鐵路的普及以及風力發電的發展，我國較多地區電網將出現風力發電與牽引負荷同時并存的局面。牽引負荷屬于大功率單相整流負荷，諧波含量豐富，投入電網會產生深遠影響。由于負荷的劇烈波動性和隨機性以及牽引供電回路的不平衡性，目前實際電網已出現牽引負荷帶來的風電機組脫網的問題。本文利用MATLAB/simulink中風電場平均模型，研究牽引負荷對風電場運行特性的影響，并提出相應整改措施及建議。

1模型及仿真系統

1.1風電機組與風電場模型

基于DFIG的變速風電機組模型目前在風電機組并網研究中使用較多，DFIG其轉子與定子間接有變流器，通過控制系統調節，其結構如圖1所示。

研究中，由于研究內容為牽引負荷對風電場整體影響，并不關心風電場內部潮流分布，可將多臺風電機組并列運行視為風電場。

1.2牽引負荷模型

電力系統負荷分為常規負荷及特殊負荷，其中特殊負荷包括廣義負荷及沖擊性負荷（如煉鋼、硅鐵及電解鋁負荷等）。文獻采用“感應電動機并聯牽引電機和恒阻抗”的負荷模型描述牽引供電系統，文獻給出了韶山的SS8型電力機車主電路及數學模型。牽引負荷屬于電力系統特殊負荷，模型結構的確定是當前特殊負荷建模的難點。不同類型沖擊性負荷的物理特性差異較大，其模型結構也存在較大的差異。即使對于同一類型的特殊負荷，其模型結構目前也存在爭議。

本次研究中并未涉及詳細牽引負荷建模，而是根據現有的一些研究：（1）電氣化鐵路供電系統所產生的負序電流對沿途的風電場風電機組產生影響；（2）電氣化鐵路諧波對電力系統產生影響等采用等效思想，主要分析牽引負荷所引起的負序電流和諧波等問題，結合Simulink仿真來研究對風電場影響。對于負序電流影響，采用簡單的三相不對稱阻感性負載模擬；對于諧波影響，采用向DFIG網側變流器中A、C相分別注入3、5次諧波模擬。

1.3仿真系統

本文的研究對象是牽引負荷特性對沿途風電場的影響，采取的是基于MATLAB中附帶的風電場平均模型進行仿真研究，考慮各影響因素下進行模擬仿真，并未對應于實際電力系統。在Simulink中該模型可利用語句power_wind_dfig_avg直接調用，6臺1.5MW風電機組構成的風電場通過B575母線接入主變升壓并入無窮大電網，

2牽引負荷的負序電流對風電場運行的影響

與常規負荷相比，牽引負荷具有劇烈波動性和隨機性以及牽引供電回路的不平衡性，導致電網出現不對稱的負序和零序電流。因主變大都采用Yd11接線，零序電流無法流通到風電機組。故只有負序。模型仿真結構示意圖與simulink模型圖分別如圖2所示。

三相不對稱負載將導致風力發電機定子繞組中產生負序電流，使得發電機氣隙中建立相對于轉子2倍速的負序旋轉磁場，因此在轉子繞組、阻尼繞組以及轉子鐵芯等部件感應出100Hz的倍頻電流。該電流很可能灼傷轉子上電流密度較大的部位。此外，負序旋轉磁場與轉子電流之間以及正序氣隙旋轉磁場與定子負序電流之間所產生的100Hz交變電磁轉矩，將同時作用在轉子大軸和定子機座上，從而引起100Hz的振動，威脅電機的安全。

負序電流注入風電機組，導致風電機組出力與正常時顯示出不同。仿真結果如圖3、4所示。研究發現：正常即三相平衡時，機組輸出的有功和無功功率較平緩，而在接入三相不對稱負載后，機組輸出的有功功率和無功功率均出現倍頻波動。3牽引負荷的諧波對風電場運行的影響

牽引負荷為大功率單相整流負荷，屬于電網中典型的不對稱諧波源，其諧波含量豐富，以3、5、7次諧波為主。在電鐵運行過程中，其產生的不平衡諧波主要以電流形式存在。為此，在simulink模型仿真中，設定v次電流諧波表示為：

注入風機網側變流器A、C相的3、5次諧波電流仿真如圖5所示。其中諧波電流源大小考慮到負序電流從系統注入風機經過變壓器發生變化，可在網側將負序電流設定為400A。仿真結果：

4結論

本文基于牽引負荷帶來的風電機組脫網的問題，在當前研究的牽引負荷影響因素負序電流、諧波等基礎上，結合MATLAB/Simulink中風電場平均值模型，仿真分析了牽引負荷造成的負序電流和諧波對風電機組運行的影響。結果表明牽引負荷帶來的諧波使風電場低壓母線電流出現波動，其負序電流對風電機組輸出功率有較大影響。

基于諧波造成的影響，建議在電力機車牽引站母線上裝設靜止無功補償設備SVC，利用其濾波功能對大功率單相整流負荷帶來的諧波加以改善。同時可以改善負序電流對風電機組的影響。此外，建議鐵路部門在修繕鐵路時，適當偏離大規模并網的風電場，避免相近地點大功率牽引負荷與風電場同時接入電網，從根本上避免牽引負荷引起風電機組脫網問題。

[責任編輯：王偉平]