風力發電系統短路故障分析

袁梽鈞，施偉鋒，卓金寶，張 威

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風力發電系統短路故障分析

袁梽鈞，施偉鋒，卓金寶，張 威

（上海海事大學，上海201306）

本文研究了一種適用于偏遠地區的風力發電系統，介紹了工作原理，分析了仿真模型。通過加入故障模塊，模擬了當風機側發生單相、兩相、三相短路故障時，系統頻率等參數的變化情況。然后繪制出了這些參數的波形曲線，簡要分析了波形變化情況，仿真結果證明該系統在發生各種簡單短路故障時，具有一定的暫態穩定性，對于偏遠地區風電系統的故障分析有一定的參考價值。

風力發電系統 建模 故障分析 穩定性

0 引言

隨著化石能源的消耗和全球生態環境的快速惡化，風能作為無污染和可再生的新能源有著巨大的發展潛力，近年來世界各國對風能的研究取得了長足發展。

目前我們開發利用風能的主要形式是風力發電。風力發電的類型有很多種，主要原理是風力帶動風機葉片旋轉，進而驅動發電機發電[1]。風力發電特別適用于沿海島嶼、交通不便的邊遠山區、地廣人稀的草原牧場、以及遠離電網的農村和邊疆，它作為一種解決生活能源的可靠途徑，有著十分重要的意義。本文研究的風力發電系統，就適用于這些偏遠地區。隨著風電基地的不斷建設，我們希望風電系統能夠穩定安全的運行，保證供電的連續性。一般電力系統中短路故障頻發，對系統穩定性影響極大，因此，對風力發電系統進行短路故障分析顯得十分重要。

在Matlab/Simulink 軟件中構建風力發電系統模型，添加故障模塊，設置故障類型更改相應的參數，模擬了系統發生簡單故障的運行工況，分析比較了該系統各項參數變化時的波形曲線，得出了該系統發生短路故障時具有一定穩定性的結論。

1 風力發電系統原理簡述

本文研究的風力發電系統供電部分由異步電機（風力機驅動）和同步發電機（柴油機驅動）組成，配以頻率調節器和負載（三部分）。當風速較低時，異步電機不能提供足夠的電能時，柴油機驅動的同步電機也需要運轉來滿足負荷側供電需求；而當風速較高時，風力機驅動的異步電機能夠給所有負荷提供足夠的電能時，我們就不需要柴油機驅動同步電機發電，即可以關閉柴油發動機，由異步電機單獨供給負載電能；當發電量大于負荷用電量時，此時同步電機就當于同步調相機，調節功率因數，并通過勵磁調節裝置來維持系統電壓和頻率的穩定。

2 風力發電系統模型

Matlab工具箱提供了異步電機、同步電機，斷路器，短路故障等元件的數學模型，只要將需要的對象拖入仿真文件工作窗口，接線，雙擊元件后即可輸入想設定的參數。

風機，由風力帶動葉片旋轉，起到原動機的作用。風機的特性，簡單來說就是一定的風葉轉速（風速）對應一個機械功率，本文中我們給定風速10 m/s，由風機特性曲線可知，當風機轉速為每分鐘1900轉時，風速10 m/s（或高于此數值），我們能夠獲得獲得比較理想的風能電能轉換效率[2]。

圖1 風機特性曲線

風速和風機轉速同時影響著輸出功率的變化，風速過大，轉速過快，容易導致風機的損壞，必須通過一定的控制維持轉速穩定，保持輸出功率的恒定。風機仿真結構圖，如下圖2。

圖2 風機仿真結構圖

發電機，從本質上講是將原動機的機械能轉化成為電能的裝置。這樣風能傳輸系統也就可以組成：風機將捕獲的風能轉化成機械能，發電機將機械能轉換為電能。

異步電機模塊實現了一個三相異步電機（繞線轉子，鼠籠或雙鼠籠式）在一個可選擇的dq坐標系（轉子，定子，或同步）的建模。定子和轉子繞組以星形連接在內部中性點。

同步電機模塊實現了一個三相同步電機建模的dq轉子參考幀。定子繞組以星形接在內部中性點。

勵磁模塊實現了同步機電壓調節器結合一個勵磁機。起著提供勵磁功率，起著調節電壓、維持電網電壓恒定的作用。另外，勵磁系統還可控制并列運行的發電機無功功率的分配[3]。Matlab中可以直接使用勵磁模塊。

離散頻率調機器模塊的輸入值是相對地電壓，輸出值是24個邏輯信號，用于控制備用配平負載。我們使用一個可以分級調節的配平負載，這個負載是用來吸收超過實際負荷功率的風能，并且，此可調節的配平負載的實際投切量由頻率偏移的實際情況決定。

頻率調節器的使用，是為了測量系統的頻率，進而通過測量的頻率值與參考頻率值作比較，最終計算頻率誤差。此誤差信號經過積分運算將會得到相位誤差值，再與給定的容許相位誤差比較，再經比例微分環節產生一個模擬控制信號。這個模擬控制信號再經過數字化后最終會變成一個八位數字量。這個數字量可以用來配平負載的投切量，從而改變發電機端的電流大小，最終使發電機轉速以及電網頻率均保持穩定。在切換過程，應該選擇在交流電壓過零時，開關動作，這樣可以使得系統電壓波動最小[4]。仿真結構圖見圖3。

最后在異步電機側加入三相短路故障模塊（Matlab可直接使用該故障模塊），雙擊模塊可以設置具體的短路故障類型，包括單相短路故障，兩相短路故障，三相短路故障。還可以設置故障開始和結束時間。系統仿真結構圖如圖4。

對于該系統，系統的額定頻率是60 Hz，風機側給定風速10，并且做出如下假設：第一，風力發電的供給足夠負載使用時，同步電機處于電動調相運行狀態。第二，異步電機的功率因數無法自主調節，須通過調節同步電機的勵磁來調節（基本原理是：通過測量電網電壓與給定電壓之間的差值，調節同步機的勵磁電流的大小來改變轉子功率以及電機端電壓）。

系統還使用了三相電壓和三相電流的測量單元，方便顯示有功功率和無功功率的波形變化。

3 風力發電系統仿真與分析

3.1 短路故障分析

短路是電力系統最常見的嚴重故障。所謂短路，就是系統中各種類型不正常的相與相之間或相與地之間的短接。系統發生短路的原因很多，主要有：

1）電氣設備、元件的損壞。

2）自然的原因。如：氣候惡劣，遭受直擊雷或雷電感應，設備過電壓，絕緣被擊穿等。

3）人為事故。如：工作人員誤操作。

3.2 系統模型參數

仿真系統參數如下：

異步電機：n=275 kva，n=480 V，n=60 Hz

同步電機：n=300 kva，n=480 V，n=60 Hz

主負載：n=50 kW

可變負載：n=0~446.25 kW

次級負載：n=25 kW（在0.2 s時接入系統）

補償電容：n=75 kvar

故障模塊：發生時間0.4~0.7 s。

圖4 風力發電系統仿真結構圖

3.3 仿真分析

先通過風力發電系統模型正常運行的時下進行仿真來驗證該模型的正確性和穩定性，然后再分析系統發生短路時的各項參數變化[6]。

1）正常運行工況

系統頻率和異步電機轉速（標幺值）變化如圖5。

圖5 正常工況下系統頻率和異步電機轉速變化

從仿真波形可以看出：電網頻率在0.2s隨負載的投入發生了波動，3.5 s后又回到了原來頻率，這個過程中的電網電壓一直保持穩定且整個電網的功率一直保持平衡狀態。實驗結果證明了該系統可靠性以及良好的動態響應性能。

1）發生單相短路故障

對系統進行異步電機側單相短路故障仿真，設置故障發生時間是0.4 s，結束時間0.7 s，故障相為A相，系統頻率和異步電機轉速（標幺值）變化如圖6所示。

圖6 單相短路故障系統頻率和異步電機轉速變化

發生單相短路故障時，系統頻率和異步電機轉速波形和未發生故障時相比，差異很小，可以理解成，單相故障對該系統的穩定性影響很小。

2）發生兩相短路故障

對系統進行異步電機側兩相短路故障仿真，設置故障發生時間是0.4 s，結束時間0.7 s，故障相為AB相，系統頻率和異步電機轉速（標幺值）變化如圖7所示。

圖7 兩相短路故障系統頻率和異步電機轉速變化

由圖可知，故障發生時，系統頻率開始下降至最低值（接近56 Hz），然后快速上升并逐漸穩定。異步電機轉速短暫下降后突然上升，在故障結束時轉速達到最大值后繼續下降，最終在4 s后趨于穩定。相比于單相短路故障，發生兩相故障時，系統頻率和異步電機轉速變化范圍較大。

3）發生三相短路故障

異步電機側三相短路故障仿真，三相短路是對稱短路。對系統危害較大。設置故障發生時間是0.4 s，結束時間0.7 s。系統頻率和異步電機轉速（標幺值）變化如圖8所示。

由圖可知，故障發生時，系統頻率逐漸下降，經過短暫波動，到達最小值約為56.5 Hz，之后一直上升至其最大值約為61.5 Hz，系統頻率在4 s后逐漸穩定。可以看出三相短路時，異步電機轉速的最大值比前兩種情況更快，在故障結束后，系統需要更長的時間才能恢復原來的穩定狀態。

圖8 三相短路故障系統頻率和異步電機轉速變化

4 結語

本文基于在Matlab中建立的風力發電系統模型，著重進行了異步電機側的單相短路故障，兩相短路故障和三相短路故障仿真，得到了對應的系統頻率和異步機轉速的變化曲線。通過分析曲線可知不同故障類型對電力系統的影響不同。相比于單相短路和兩相短路，三相短路故障對系統危害更大，系統恢復穩態所需時間最長。這系統的各類型的短路故障研究，對保證風力發電系統安全可靠運行具有重要的指導意義。

[1] 程啟明, 程尹曼, 王映斐, 等. 風力發電系統技術的發展綜述[J]. 自動化儀表, 2012, 33(01):1-8.

[2] 劉迪. 異步電機數學模型與仿真分析[J]. 船電技術, 2015, 35(7):35-38.

[3] 賈宏杰, 王磊. 含大規模風電場的電力系統小擾動穩定性研究[J]. 電網技術, 2012, 36(10): 61-69.

[4] 李輝, 胡姚剛, 等. 大功率并網風電機組狀態監測與故障診斷研究綜述[J]. 電力自動化設備, 2016, 36(01): 6-16.

[5] 楊文廣, 蔣東翔. 大型風力機組遠程智能監測與診斷系統的研究與開發[J]. 中國工程科學, 2015, 17 (03): 24-29.

[6] 柳青. 風力發電機組故障診斷方法研究分析[J]. 能源與環境, 2015, (01): 31-32.

Short Circuit Fault Analysis of Wind Power Generation System

Yuan Zhijun, Shi Weifeng, Zhuo Jinbao, Zhang Wei

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TM614

A

1003-4862（2017）07-0077-04

2017-04-14

袁梽鈞，男，碩士。研究方向：風力發電技術。