風電并網前后的系統(tǒng)短路故障特性分析與仿真

曾麗瓊，匡洪海，張曙云，邱雨陽

（1.湖南工業(yè)大學，電氣與信息工程學院，湖南株洲，412000；2.五凌電力有限公司五強溪水電廠，湖南懷化，419600）

?

風電并網前后的系統(tǒng)短路故障特性分析與仿真

曾麗瓊1，匡洪海1，張曙云1，邱雨陽2

（1.湖南工業(yè)大學，電氣與信息工程學院，湖南株洲，412000；2.五凌電力有限公司五強溪水電廠，湖南懷化，419600）

摘要：由于風力發(fā)電出力的不穩(wěn)定性從而導致風電并網將對系統(tǒng)原有的運行控制方式產生了一系列的挑戰(zhàn)，為了更清晰直觀了解到風電并網后對系統(tǒng)運行所產生的各方面影響。本文首先對目前主流風機類型雙饋感應發(fā)電機組原理進行分析，同時采用直接并網模式構建了雙饋感應風力發(fā)電機組并網前后系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障的Matlab / Simulink仿真模型，并運用FFT分析并網前后三相短路故障特性，觀察風電并網對系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的影響。仿真結果表明風力發(fā)電機組并入系統(tǒng)后比未并入時，系統(tǒng)發(fā)生短路故障所引起系統(tǒng)電壓電流出現短時震蕩更大、諧波畸變率更高，同時電壓出現閃變現象也更加明顯。

關鍵詞：風力發(fā)電；雙饋感應發(fā)電機；系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性；諧波畸變率

0　引言

風力發(fā)電正以它的清潔，環(huán)保逐步占領市場。目前看來，作為綠色能源代表的風電已然成為了世界上速度發(fā)展最快，勢頭發(fā)展最好的可再生能源。盡管在全球范圍內尋求開發(fā)可再生能源解決世界能源、環(huán)境危機過程中，風電被選為最具潛力開發(fā)項。然而，由于風力發(fā)電在電網中應用的比例不斷的攀升，其隨機性、間歇性、波動性和不可控性對系統(tǒng)的動態(tài)影響變得不容忽視［1-3］。

隨著電力電子技術的發(fā)展，我國風電發(fā)展迅速，大量新型大容量風力發(fā)電機組開始投入運行，風電裝機容量迅猛發(fā)展，在一些地區(qū)風電規(guī)劃及其使用的比例已經遠遠超過15%，而涉及到風電并網的電壓和無功功率控制，有功調度，靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性等的問題相對突出［4］。從以往的運行經驗來看，可以將風力發(fā)電接入系統(tǒng)帶來的不利影響總結為三點，第一點是對電壓穩(wěn)定性的影響，在風力發(fā)電過程中電動機在供給系統(tǒng)有功功率時也需要向系統(tǒng)吸收的大量的無功功率，，同時系統(tǒng)無功功率將會減少，系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性將大大受其影響，特別是隨著風力發(fā)電的大規(guī)模化，風力發(fā)電容量居高不下，勢必導致無功功率的增大，這將嚴重的影響電壓的穩(wěn)定性。第二點是對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的影響，當容量不滿足系統(tǒng)的需求時需要啟用備用容量，這樣風電并網又將造成頻率不穩(wěn)定的現象，這多出現在小型的風電并網中。第三點是對諧波穩(wěn)定性的影響，而諧波的不穩(wěn)定也在一定程度上影響到電壓的穩(wěn)定性［5-6］。據悉，隨著風力發(fā)電的比例在電網發(fā)電領域的日益大規(guī)模化，對于整個電力系統(tǒng)而言大規(guī)模風電輸電線路長距離輸送風能的需要已經成不可改變的現實。所以，探究風電并網對系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性影響是非常有意義的。

基于對雙饋風力發(fā)電機組短路故障特性分析的嚴格要求，主要選取三相短路故障進行風電并入前后的仿真，風電機組選擇的是雙饋異步發(fā)電機。由Matlab/Sinmulink進行仿真驗證，首先在未接入風電之前，針對三相短路故障，通過軟件建模，仿真分析在所設置的故障點的電壓和電流波形，其次是在接入風電之后，分析同一故障點的電壓和電流波形。通過圖形比對分析風電并網前后故障點電壓和電流的變化，從而探討風電并網對電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的影響。

1　DFIG

目前市場上面的風力發(fā)電機組的主要發(fā)電機型有雙饋異步發(fā)電機（DFIG）驅動的風力發(fā)電機組和永磁直驅式風力發(fā)電機組。永磁直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)通過全功率變換器將電網與永磁同步發(fā)電機隔離，電網發(fā)生故障不會對發(fā)電機組產生直接的影響；而功率變換器對整個風力發(fā)電機組的控制能力也會更強。這樣，在電網故障期間永磁直驅式風力發(fā)電機組可通過網側變換器的改進控制策略，再配合直流環(huán)節(jié)耗能電阻的投切和緊急變槳距控制，就能非常容易地實現電網在故障期間的穿越運行。不過，由于其體積大、成本過高、運輸及吊裝又很困難，永磁材料有退磁的隱患，其整體技術水平不如雙饋異步風力發(fā)電機組成熟。再加上我國對稀土永磁材料的限量開發(fā)和保護政策，這更導致了永磁直驅式風電機組的發(fā)展緩慢。我國新增的大型風電機組中，絕大部分仍為雙饋異步式［7-9］。

綜上分析，本次風電機組模型選擇的是雙饋異步發(fā)電機，基于Matlab/Sinmulink可所建的雙饋異步發(fā)電機模型如圖1所示；在風力發(fā)電中應用雙饋感應電機能提高風能的利用效率，具有更好的經濟效能，當風吹動風葉轉動，風葉帶動電機轉動，但由于風速不是一成不變的，時大時小，風葉的轉動速度也時快時慢，一般發(fā)電機在這種情況下發(fā)出的交流電是頻率和幅值都不恒定的電能，但用雙饋感應電機，通常可以在風速相對較小的情況下從電網中獲取電，用來確保其轉速恒定，特別是在風速大的時候可以把多出來的電能儲存在大電容當中，保證發(fā)出的電壓是保證恒幅恒頻的。

基于Matlab/Sinmulink所建立雙饋感應電機的詳細風發(fā)電模型如圖2所示。

圖3是基于Matlab/Sinmulink仿真平臺而搭建的含有風電并網的三相短路故障測試系統(tǒng)模型。在以前傳統(tǒng)的發(fā)力發(fā)電機組中加入了間歇性相對較高的風力電源。該模型選取雙饋感應電機，與此同時它在并網方式的選擇上采用直接并網方式，選擇在發(fā)電機的轉速快接近同步轉速的情況下直接并網。

圖1　雙饋感應電機模型Fig.1 Doubly-fed induction motor model

圖2　雙饋感應風力發(fā)電機詳細模型Fig.2 Induction double-fed wind generator detailed model

圖3　含有風電并網的三相短路測試系統(tǒng)模型Fig.3 Contains Three-phase short-circuit test system model of wind power grid

2　Matlab仿真模型搭建

Matlab作為在科學研究和工程應用中最為廣泛的仿真軟件，在國際上已經被列為科學與工程計算領域最為突出的應用軟件工具之一。它數值計算能力強，圖像處理功能多樣。實現復雜的電力系統(tǒng)模型可以直接在Matlab上搭建，可以說matlab的仿真準確又細致，完全能反映了出很多別的軟件不能反映的細微變化。同時，大多數電力系統(tǒng)故障主要由系統(tǒng)的短路引起，短路故障是系統(tǒng)中最為常見的故障，它主要包括三相短路故障，兩相短路故障，兩相接地短路和單相接地短路故障［10-12］。此次風電并入前后的仿真選擇在三相短路故障下進行，具有指導性，針對性。

基于Matlab/Sinmulink建立電網接入風電前后三相短路故障的模型如圖4所示，電源選取恒定電壓源與風電并網源進行并聯，通過開關進行切換。理想三相電壓源采用“three-phase source”模型，理想三相電壓源作為電路的供給電源與風電并網后的電源對繼電保護系統(tǒng)的影響可以進行對比。輸電線路故障的仿真平臺是利用的分布參數輸電線路實現的。

圖4　接入風電前后三相短路故障的模型Fig.4 Three-phase fault of simulation model before and after

圖5　短路故障設置圖Fig.5 Short-circuit fault settings Figure

如圖4所示，設置一下三相短路故障發(fā)生器元件（Three-Phase Fault），在其仿真窗口的模型中雙擊該元件，可以看到這個模型參數對話框設置如圖5所示，主要設置內容包括：（1）故障相選擇，Phase A Fault（A相故障）、Phase B Fault（B相故障）、Phase C Fault（C相故障），根據故障類型進行選擇，這里選擇三相故障。（2）故障點電阻，該故障點的相關電阻選項是用來設置該故障相斷路器的內部電阻的。（3）故障相接地，選擇這個故障相接地主要是用來設置單相短路接地故障，兩相短路接地故障和三相短路接地故障。（4）轉換時間，是指在所規(guī)定的時刻立即發(fā)生故障。

3　仿真算例分析

通過上面的風力發(fā)電并網模型建立及相關的參數設置，仿真將選用電壓為120kV的參數模擬電網實現仿真實驗。設置該電路的三相短路故障發(fā)生器在0.01s時關閉，該電路在此時發(fā)生三相短路故障，可以觀察電壓波形圖和電流波形圖，可以發(fā)現在發(fā)生三相短路故障點A相電流和電壓的變化，在0.04s時設置三相短路故障發(fā)生器打開，排除該三相短路故障。在無風電接入發(fā)生三相短路運行和有風電接入發(fā)生三相短路運行兩種情形對比進行研究分析。本文利用 Simulink 軟件平臺來進行系統(tǒng)建模，其在故障發(fā)生過程中測得端點，示波器V-I的波形及分析如圖 6～圖 9所示。

3.1情形1 ：無風電接入發(fā)生三相短路故障運行情況

如圖6所示在沒有風電接入的故障點電壓波形和電流波形，以及圖7所示對A相電壓的波形采用FFT分析。設置該電路的三相短路故障發(fā)生器在0.01s時關閉，該電路在此時發(fā)生三相短路故障，故障點A相電流和電壓的變化如圖所示，在0.04s時設置三相短路故障發(fā)生器打開，排除該三相短路故障。在此過程中利用FFT分析A相電壓中的諧波畸變率也控制在1.11%。通過示波器觀測其電壓電流波形以及FFT分析可見在無風力發(fā)電并網情況下發(fā)生三相短路故障系統(tǒng)的電壓波形和電流波形的故障震蕩小且在系統(tǒng)的自我調節(jié)可控范圍內變化。

采油廠相關人員及技術水平具備了一定條件。參加了多次的相關技術與管理培訓，多年從事開發(fā)儲量技術管理、從事油氣勘探開發(fā)及靜、動態(tài)管理工作，經驗豐富。但還沒有從事全面的SEC儲量評估工作。

圖6　無風電接入發(fā)生三相短路故障的電壓和電流波形Fig.6 Three phase short circuit fault voltage and current waveform

圖7　A相電壓波形采用FFT分析Fig.7 A phase voltage waveform by using FFT analysis

3.2情形2：有風電接入發(fā)生三相短路故障運行情況

如圖8所示在有風電接入的故障點電壓波形和電流波形和圖9所示的對A相電壓的波形采用FFT分析。引入風力發(fā)電機組的發(fā)電系統(tǒng)但在時間設置方面與情形1一樣設置該電路的三相短路故障發(fā)生器在0.01s時關閉，該電路在此時發(fā)生三相短路故障，故障點A相電流和電壓的變化如圖所示，在0.04s時設置三相短路故障發(fā)生器打開，相當于排除故障。同樣在此過程中通過示波器測量其波形，通過用FFT分析此情形A相電壓中的諧波畸變率為10.67%，明顯比情形1在未加入風電機組的發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)生電路時的系統(tǒng)的諧波更多，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性運行危害更大。

圖8　有風電接入發(fā)生三相短路故障的電壓和電流波形Fig.8 Three phase short circuit fault voltage and current waveform

圖9　A相電壓的波形采用FFT分析Fig.9 A phase voltage waveform by using FFT analysis

4　結論

本文選擇在系統(tǒng)中發(fā)生最為嚴重的三相短路故障在風電并網前后的運行情況進行仿真研究分析。通過對無風電接入發(fā)生三相短路故障運行情況和有風電接入發(fā)生三相短路故障運行情況這兩種情形進行研究可知，由于風力發(fā)電具有隨機性和間歇性特點，雙饋風力發(fā)電并網運行必然將對電網產生相對影響。通過建立Matlab/Simulink關于風力發(fā)電并網的仿真平臺，利用FFT對故障點A相電壓中的諧波畸變率進行分析。系統(tǒng)正常運行情況下發(fā)生三相短路故障，A相電壓中的諧波畸變率為1.11%。而系統(tǒng)在有風電接入時發(fā)生三相短路故障，A相電壓中的諧波畸變率為10.67%。明顯在加入風電機組的發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)生電路時的系統(tǒng)的諧波更多，風電并網后系統(tǒng)的電壓出閃變現象非常明顯，同時電壓電流出現短時故障震蕩大。

參考文獻

［1］傅旭，李海偉，李冰寒.大規(guī)模風電場并網對電網的影響及對策綜述［J］.陜西電力，2010（1）：53-57. FU Xu，LI Haiwei，LI Binghan. Review on Influences of Large-scale Wind Farms Power Systems and Counter measures ［J］.Shanxi Electric Power，2010（1）：53-57.

［2］趙宏偉.風力發(fā)電機暫態(tài)特性及其對繼電保護的影響研究［D］.保定：華北電力大學電氣與電子工程學院，2007. Zhao Hongwei. Study on the transient characteristics of wind power generators and their effects on relay protection［D］.Baoding： North China Electric Power University，2007.

［3］Sujith Mohandas，Ashwani Kumar Chandel.Transient stability enhancement of the power system with wind generation［J］. TELKOMNIKA，2011，9（2）：267-278.

［4］郭健.大規(guī)模風電并入電網對電力系統(tǒng)的影響［J］.電氣自動化，2010，32（1）：47-50. Guo Jian.Study on impact of grid-connected win turbine & wind farm on power system［J］.Electrical Automation，2010，32（1）：47-50（in Chinese）.

［5］何勇，彭曉，曾麗瓊，等.基于并網型微電網多級儲能系統(tǒng)的設計［J］.新型工業(yè)化，2015，5（7）：64-70. HE Yong，PENG Xiao，ZENG Li-qiong，et al. A New Type of Multistage Energy Storage System Based on Grid-Connected Micro-grid［J］. The Journal of New Industrialization，2015，5（7）：64-70.

［6］張小坡，谷永春，安鵬.風電并網對電力系統(tǒng)的影響及其抑制措施［J］.電氣時代，2014 （1）：70-75. Zhang Xiaopo，Gu Yongchun，An Peng.Effect of wind power grid connected to power system and its suppression measures［J］.Electrical Age，2014（1）：70-75（in Chinese）.

［7］陳麗娟，唐勇奇，林軒，等.永磁直驅同步風力發(fā)電機變流器仿真分析［J］.新型工業(yè)化，2015，5（6）：19-26. CHEN Li-juan，TANG Yong-qi，LIN Xuan，et al.Simulation of the Converter of the Permanent Magnet Direct-drive Wind Power Generation System［J］.The Journal of New Industrializatio- n，2015，5（6）：19-26.

［8］劉其輝，李萬杰.雙饋風力發(fā)電及變流控制的數/?；旌戏抡娣桨阜治雠c設計［J］.電力系統(tǒng)自動化，2011.35（1）：83-95. LIU Qihui，LI Wanjie. Analysis and design of digital/physical hybrid simulation scheme for doubly-fed induction generator wind turbine and its converter control ［J］.Automation of Electric Power Systems，2011.35（1）：83-95.

［9］張克勤，鐘鳴，王春宇.雙饋風電系統(tǒng)網側變流器控制策略的改進［J］.電源學報，2013，11 （1）：112-116. Zhang Keqin ，Zhong Ming，Wang Chunyu.An improved control strategy of grid-side converter for DFIG［J］.Jounalof Power Supply，2013，11（1）：112-116（in Chinese）.

［10］黃德琥，陳繼軍，張嵐.大規(guī)模風電并網對電力系統(tǒng)的影響［J］.廣東電力，2010，23（7）：27 -30. Huang Dehu，Chen Jijun，Zhang Lan.Impact of large-scale wind power integration on power system［J］.GuangDong Electric Power，2010，23（7）：27-30（in Chinese）.

［11］張寧，周天睿，段長剛，等.大規(guī)模風電場接入對電力系統(tǒng)調峰的影響［J］.電網技術， 2010，34（1）：152-158. Zhang Ning，Zhou Tianrui，Duan Changgang，et al.Im-pact of large-scale wind farm connecting with power grid on peak load regulation demand［J］.Power System Technology，2010，34 （1）：1 52-158（in Chinese）.

［12］汪寧渤，馬彥宏，王建東.大規(guī)模風電集中并網對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響［J］.電力建設，2011，32（11）：77-80. Wang Ningbo，Ma Yanghong，Wang Jiandong.Analysis of power system security and stability caused by large-scale wind power grid integration［J］.Electric Power Construction，2011，32 （1 1）：77-80（in Chinese）.

本文引用格式：曾麗瓊，匡洪海，張曙云，等.風電并網前后的系統(tǒng)短路故障特性分析與仿真［J］. 新型工業(yè)化，2016，6（4）：27-33.

Citation: ZENG Li-qiong， KUANG Hong-hai， ZHANG Shu-yun， et al. Research on the Influence of Wind Power Integration by Matlab for System Dynamic Stability ［J］. The Journal of New Industrialization，2016，6（4）: 27-33.

Research on the Influence of Wind Power Integration by Matlab for System Dynamic Stability

ZENG Li-qiong1， KUANG Hong-hai1， ZHANG Shu-yun1， QIU Yu-yang2
（1.College of Electrical and Information， Hunan University of Technology， Hunan Zhuzhou 412000， China； 2.Wuqiangxi Hydropower Plant， Wuling Power Co.， Ltd. ， Hunan Huaihua 419600， China）

Abstract:Due to the instability of wind power output from the cause of grid connected wind power will be the original of the operation of the system control mode produces a series of challenges， in order to be more clear and intuitive understanding to grid connected wind power for the operation of the system arising from various aspects of the impact. Firstly the current mainstream fan type doubly fed induction generator principle analysis， while using direct grid connected mode construct a threephase short circuit fault of MATLAB / Simulink simulation model of grid connected doubly fed induction generator wind turbine and the system， and the use of the FFT analysis before and after the grid connected three-phase short circuit fault characteristics，to observe the impact of wind power integration on power system dynamic stability. Simulation results show that incorporated into the wind turbine system than not incorporated， short circuit fault caused by system voltage and current short-term shocks greater， harmonic distortion rate higher. At the same time， voltage flicker phenomenon is more obvious.

Keywords:Wind power generation； Doubly fed induction generator（DFIG； System dynamic stability； Harmonic distortion rate

DOI：10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.04.005

基金項目：湖南省自科基金項目（2015JJ5009）；湖南省教育廳科研項目（15C0395）；湖南工業(yè)大學研究生校級創(chuàng)新基金（CX1502）

作者簡介：曾麗瓊（1991-），女，研究生，研究方向為新能源并網技術；匡洪海（1972-），通信作者，女，博士，副教授，研究方向為新能源與分布式發(fā)電；張曙云（1992-），男，研究生，研究方向為微網并網控制；邱雨陽（1991-），女，本科生，研究方向為水利發(fā)電科技