風(fēng)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(xué)電氣工程學(xué)院，新疆維吾爾族自治區(qū)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(qū)烏魯木齊市 831100)

0 引言

風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，被世界各國廣泛的用來發(fā)電。由于風(fēng)力發(fā)電的迅猛發(fā)展，風(fēng)電的裝機容量在電力系統(tǒng)中所占的比例越來越高，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電成為發(fā)展的主要方向[1]。國內(nèi)外研究的課題主要是與風(fēng)電場并網(wǎng)相關(guān)的有功調(diào)度、無功控制、電壓、頻率及其穩(wěn)定性[2－8]。當風(fēng)電場接入系統(tǒng)之后，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化。但含風(fēng)電場的電網(wǎng)保護整定計算時，并沒有考慮風(fēng)電場的影響或者將其考慮為相同容量的同步發(fā)電機。所以當電網(wǎng)發(fā)生故障時，除了常規(guī)電源向故障點提供故障電流外，風(fēng)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(fēng)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(chǎn)生影響。因此，研究風(fēng)電場的故障特性及其對繼電保護的影響，對風(fēng)電系統(tǒng)的安全運行有重要的意義。

本文在DIgSILENT/Power Factory中構(gòu)建了含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)仿真模型[11，12]。對由不同類型風(fēng)力發(fā)電機組構(gòu)成的風(fēng)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(fēng)電場故障特性對繼電保護的影響。結(jié)果表明:不同類型的風(fēng)電場的故障特性是有區(qū)別的，并且都會對配電網(wǎng)的繼電保護產(chǎn)生很大的影響。

1 并網(wǎng)風(fēng)電機組動態(tài)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(fēng)電機組和雙饋異步風(fēng)電機組進行了建模。恒速異步風(fēng)電機組主要由風(fēng)力機模型、轉(zhuǎn)軸模型和異步發(fā)電機模型等幾部分組成，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示;雙饋異步風(fēng)電機組主要由風(fēng)力機模型、轉(zhuǎn)軸模型、雙饋感應(yīng)發(fā)電機模型和PWM控制模型等幾部分組成，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 恒速異步風(fēng)電機組拓撲結(jié)構(gòu)

圖2 雙饋異步風(fēng)電機組拓撲結(jié)構(gòu)

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

1.1 風(fēng)力機系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

風(fēng)葉從空氣中獲得的機械功率可以由下式描述[13]:

相應(yīng)的機械轉(zhuǎn)距可由下式描述:

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

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

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

風(fēng)力機的傳動機構(gòu)主要由輪轂、轉(zhuǎn)軸、齒轉(zhuǎn)箱和聯(lián)軸器等組成，將其考慮為剛性系統(tǒng)，可用一階慣性環(huán)節(jié)來描述:

其中，Tw是風(fēng)力機葉片側(cè)機械轉(zhuǎn)矩 (pu)，即傳動機構(gòu)輸入的機械轉(zhuǎn)矩;Tm是傳動機構(gòu)輸出的機械轉(zhuǎn)矩(pu)，即發(fā)電機輸入的機械轉(zhuǎn)矩;H1為輪轂的慣性時間常數(shù)(s);在本簡化模型中，將齒輪箱聯(lián)軸器慣性時間常數(shù)等效到發(fā)電機轉(zhuǎn)子中。

1.2 恒速異步發(fā)電機動態(tài)模型

異步發(fā)電機的電氣量都是以同步速旋轉(zhuǎn)，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(tài)方程來描述[16]:

磁鏈方程如下:

瞬時電磁功率方程如下:

發(fā)電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電壓;Ψds，Ψqs，Ψdr，Ψqr分別是定、轉(zhuǎn)子磁鏈;ids，iqs，idr，iqr分別是同步坐標下的定、轉(zhuǎn)子電流;Rs，Rr是定、轉(zhuǎn)子阻抗;Pe是發(fā)電機電磁功率;s是異步機轉(zhuǎn)差率;ωs是參考坐標系旋轉(zhuǎn)角速度，即同步轉(zhuǎn)速;ωr是發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;Te是發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩，可由式(12)計算得出;Tj是發(fā)電機轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù);p是微分算子;Lsσ，Lsσ是定、轉(zhuǎn)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(fā)電機動態(tài)模型

雙饋異步發(fā)電機模型與恒速異步發(fā)電機的模型類似，只是由于雙饋異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子上與變頻器相連，所以其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子吸收或發(fā)出的電磁功率，即對式(12)修改如下:

雙饋風(fēng)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(tǒng)等模型，限于篇幅，這里不再介紹。

2 風(fēng)電系統(tǒng)仿真分析

2.1 風(fēng)電場故障特性仿真分析

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

圖3 WSCC 9節(jié)點測試系統(tǒng)單線圖

本例中考慮的風(fēng)電場出口電壓是 690V，采用10kV的箱式變壓器升壓后輸送到風(fēng)電場自備的變電站接入PCC點。風(fēng)電場通過傳輸線接入到系統(tǒng)BUS4，并且在動態(tài)仿真過程中，還考慮了將風(fēng)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(jié)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(fēng)電機組提供的短路電流 (圖4中的黑色曲線)與雙饋異步風(fēng)電機組提供的短路電流 (圖4中的紅色曲線)有很大的區(qū)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(fēng)電機組的1.53倍，恒速異步風(fēng)電機組提供的短路電流是雙饋異步風(fēng)電機組的1.5倍。雖然風(fēng)電場提供的瞬間短路電流很大，但經(jīng)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(xù)的短路電流;同步機的瞬間短路電流最大，經(jīng)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(xù)的短路電流。

對于恒速異步風(fēng)力發(fā)電機而言，其勵磁電源是由系統(tǒng)提供的，當電網(wǎng)發(fā)生故障后，導(dǎo)致恒速異步風(fēng)電機組機端電壓降低，使異步發(fā)電機失去勵磁，在轉(zhuǎn)子剩磁的作用下，短路電流很快衰減，不能提供持續(xù)的短路電流。而在短路初期，由于雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機變換器仍在工作，其故障特性與同步機相似，但發(fā)電機機端電壓跌落后，轉(zhuǎn)子過電流保護啟動，將轉(zhuǎn)子及變換器通過外接電阻短路，由于轉(zhuǎn)子電阻增大發(fā)電機的短路電流急劇減小，此時的故障特性與恒速異步風(fēng)力發(fā)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(fēng)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(fēng)電場故障特性的影響因素分析

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

圖5 仿真系統(tǒng)圖

在動態(tài)仿真過程中，PCC母線發(fā)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(fēng)電場進行了仿真研究，故障持續(xù)時間0.15s。仿真結(jié)果如圖6～圖9所示:圖6、圖7是不同類型的風(fēng)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(fēng)電機組裝機容量逐漸增大;圖7、圖8是不同類型的風(fēng)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(fēng)電場接入電壓等級逐漸增大。

圖6 恒速異步風(fēng)電機組短路電流變化曲線1

圖7 雙饋異步風(fēng)電機組短路電流變化曲線1

由圖6、圖7可以看出，隨著風(fēng)電場裝機容量的增加，風(fēng)電場所提供的短路電流也越來越大。從相同容量的風(fēng)電裝機來看，恒速異步風(fēng)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(fēng)電場在不同電壓等級接入電網(wǎng)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(fēng)電機組提供的短路電流更大。

所以，在風(fēng)電接入系統(tǒng)的可階段應(yīng)當將風(fēng)電場接入當?shù)仉娋W(wǎng)的最高電壓等級，以減小系統(tǒng)故障時風(fēng)電場所提供的短路電流。

3 風(fēng)電場對繼電保護的影響

國內(nèi)的大部分風(fēng)電場都是接在系統(tǒng)的末端，大容量的風(fēng)電場在接入系統(tǒng)后再向負荷供電，而小容量的風(fēng)電則直接T接在系統(tǒng)的線路上[20]。在風(fēng)電場接入配電網(wǎng)后，電力系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)就發(fā)生了變化，若將風(fēng)電場考慮為負荷，就不會對原有的配電網(wǎng)繼電保護產(chǎn)生影響。但是在系統(tǒng)故障時風(fēng)電場會提供瞬時很大的短路電流，所以對配電網(wǎng)的電流保護產(chǎn)生很大的影響。一方面，若保護整定時考慮了風(fēng)電場短路電流的影響，在風(fēng)電場退出運行時，就會使保護范圍縮小，而若忽略了風(fēng)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(wǎng)的保護在時間上不能躲過風(fēng)電場的瞬時短路電流，則必須考慮風(fēng)電場的影響;同時，風(fēng)電機組可以短時電動機運行，導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)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(fēng)電機組短路電流變化曲線2

圖9 雙饋異步風(fēng)電機組短路電流變化曲線2

4 結(jié)論

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

1、隨著風(fēng)電在系統(tǒng)中所占的比例的增加，不能忽視了風(fēng)電場向電網(wǎng)提供的短路電流;也不能忽略風(fēng)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(fēng)電接入系統(tǒng)的可研階段不能簡單的將風(fēng)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(fēng)電場的故障特性是不同的。

2、風(fēng)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(shè)相容容量的風(fēng)電場而不是傳統(tǒng)的火電廠。

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

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