風(fēng)電場箱式變壓器高壓側(cè)短路電磁暫態(tài)過程研究

侯延鵬，許 鐸，劉振東，陳守貴

(1.國網(wǎng)本溪供電公司，遼寧 本溪 117000；2.國網(wǎng)長春供電公司，吉林 長春 130000)

應(yīng) 用 研 究

風(fēng)電場箱式變壓器高壓側(cè)短路電磁暫態(tài)過程研究

侯延鵬1，許 鐸2，劉振東1，陳守貴1

(1.國網(wǎng)本溪供電公司，遼寧 本溪 117000；2.國網(wǎng)長春供電公司，吉林 長春 130000)

能夠接納以風(fēng)力發(fā)電為代表的清潔能源發(fā)電是智能電網(wǎng)的重要特征。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般通過箱式變壓器將風(fēng)電機(jī)組出口較低電壓等級變換到較高的電壓等級后接入電網(wǎng)。箱式變壓器作為風(fēng)電機(jī)組能夠并網(wǎng)運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，其暫態(tài)運(yùn)行特性對風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。為了研究風(fēng)電場箱式變壓器高壓側(cè)短路時的電磁暫態(tài)過程，以單相變壓器的等效電路為基礎(chǔ)，從電路分析的角度研究了變壓器二次側(cè)突然短路時的暫態(tài)過程，建立了變壓器二次短路時的數(shù)學(xué)模型，并對模型進(jìn)行了求解和討論。基于PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)仿真平臺，搭建了風(fēng)電機(jī)組通過箱式變壓器接入電網(wǎng)的仿真模型，仿真分析了變壓器二次側(cè)短路時短路電流的變化規(guī)律，驗(yàn)證了模型的有效性。

風(fēng)力發(fā)電；箱式變壓器；電磁暫態(tài)；PSCAD/EMTDC

在氣候變暖和環(huán)境污染的雙重壓力下，在全球能源互聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)建設(shè)帶動下，以風(fēng)力發(fā)電為代表的清潔能源發(fā)電得到了迅猛發(fā)展[1]。隨著八大千萬kW級風(fēng)電基地的規(guī)劃和建成，中國已成為風(fēng)電裝機(jī)容量最多的國家[2]。預(yù)計(jì)到2020年，我國風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到1.5億kW，屆時風(fēng)電裝機(jī)將占全國總發(fā)電裝機(jī)的8.8%[3]。

變壓器是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)換過程中的重要組成部分，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能轉(zhuǎn)換成高電壓低電流形式，通過輸電線路傳輸?shù)截?fù)荷中心。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般出口電壓為690 V，經(jīng)由箱式變壓器將電壓升高至10 kV或35 kV后匯入風(fēng)電場內(nèi)的集電系統(tǒng)，然后通過風(fēng)電場出口升壓變壓器接入較高電壓等級(66 kV或220 kV)電網(wǎng)[4]。變壓器大大減少了電能在輸送過程中的損失，是實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電大規(guī)模開發(fā)利用的重要載體。

1 風(fēng)電機(jī)組—箱式變壓器并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)

典型的雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)如圖1所示。風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓一般為690 V，通過電力電纜與箱式變壓器接成單元接線，箱式變壓器將機(jī)組出口電壓由690 V升至10 kV或者35 kV，然后通過集電系統(tǒng)(海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)大多為電力電纜，陸上風(fēng)電場集電系統(tǒng)大多為架空線路)匯集到風(fēng)電場出口升壓站主變，升壓之后通過風(fēng)電場外送架空線路將風(fēng)電功率送入本地區(qū)主電網(wǎng)[5]。本文在分析中以架空線型集電線路的陸上風(fēng)電場為研究對象。

圖1 風(fēng)電機(jī)組—箱式變壓器并網(wǎng)運(yùn)行圖

2 箱式變壓器突然短路過程分析

2.1 二次側(cè)短路時箱式變壓器數(shù)學(xué)模型

圖2 箱式變壓器二次側(cè)突然短路等效電路

圖3 變壓器二次側(cè)突然短路簡化等效電路

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組箱式變壓器二次側(cè)突然三相短路時，為典型的R-L電路外加正弦激勵的過程，一次側(cè)電壓為

(1)

式中：α為t=0發(fā)生突然短路時電壓u1的初始相角；ω為角速度；U1為箱式變壓器一次側(cè)電壓最大值。

短路電流ik的常微分方程為

(2)

2.2 數(shù)學(xué)模型求解

按電路理論，其解的形式為

(3)

其中：

(4)

(5)

(6)

(7)

2.3 數(shù)學(xué)模型解討論

由式(7)表明，變壓器突然短路電流的大小與發(fā)生短路時刻的電壓初相角α有關(guān)，下面討論兩種極限情況。

(8)

b. 短路發(fā)生時電壓初相角α=0，此時:

(9)

基于仿真系統(tǒng)中單相變壓器參數(shù)，式(9)對應(yīng)的電流變化曲線如圖4所示，經(jīng)過0.01 s(半個周期ωt=π)時，短路電流達(dá)最大值：

(10)

圖4 α=0時變壓器二次側(cè)突然一次側(cè)短路電流

3 算例分析

3.1 PSCAD/EMTDC系統(tǒng)

PSCAD/EMTDC(Power System Computer Aided Design/Electro-Magnetic Transient in DC System)是由加拿大Manitoba大學(xué)高壓直流輸電研究中心在1999年推出的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析軟件包，它包含有大量電力系統(tǒng)及電力電子元件模型、具有方便的數(shù)據(jù)輸入方式及強(qiáng)大的分析功能，是電力系統(tǒng)分析和工程研究的有力工具。PSCAD/EMTDC仿真系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中斷路器操作、故障及雷擊時出現(xiàn)的過電壓；可對包含復(fù)雜非線性元件(如直流輸電設(shè)備)的大型電力系統(tǒng)進(jìn)行全三相的精確模擬，其輸入、輸出界面非常直觀、方便；進(jìn)行電力系統(tǒng)時域或頻域計(jì)算仿真；電力系統(tǒng)諧波分析及電力電子領(lǐng)域的仿真計(jì)算；實(shí)現(xiàn)高壓直流輸電、FACTS控制器的設(shè)計(jì)[7-8]。

作為電磁暫態(tài)仿真軟件，PSCAD/EMTDC軟件具有微秒級的仿真能力，能夠正確刻畫電網(wǎng)設(shè)備正常運(yùn)行和故障時的電磁暫態(tài)過程[9]。

3.2 算例

以遼寧省風(fēng)電基地中某典型風(fēng)電機(jī)組出口箱式變壓器為研究對象，分析箱式變壓器二次側(cè)(10.5 kV側(cè))突然短路時暫態(tài)變化過程。箱式變壓器額定容量為1 MVA，變比為0.69 kV/10.5 kV。在PSCAD/EMTDC仿真平臺中搭建仿真模型如圖5所示。仿真系統(tǒng)中箱式變壓器參數(shù)如表1所示。

圖5 變壓器二次側(cè)突然短路仿真模型

表1 仿真系統(tǒng)箱式變壓器參數(shù)

3.3 仿真結(jié)果

3.3.1 初始運(yùn)行條件

通常在突然發(fā)生短路之前，變壓器已經(jīng)帶上負(fù)載，但由于負(fù)載電流比短路電流小得多，可以忽略負(fù)載電流，即認(rèn)為短路前變壓器是空載。

3.3.2 仿真擾動條件

仿真時間：3 s；

空載運(yùn)行時間：0～1 s；

短路發(fā)生時刻：t=1 s(電壓初相角為0)，t=1.005 s(電壓初相角為π/2)；

擾動持續(xù)時間：1 s；

仿真步長：20 μs。

3.3.3 仿真結(jié)果

a. 變壓器空載運(yùn)行時(t<1 s)仿真過程

變壓器空載運(yùn)行時，各電氣量運(yùn)行波形如圖6所示。

變壓器一次側(cè)電壓有效值E1=690 V，最大值976 V，頻率50 Hz，周期0.02 s；一次側(cè)空載電流10 A，最大值14.1 A，頻率50 Hz。

變壓器二次側(cè)電壓有效值10.5 kV，最大值14.8 kV，頻率50 Hz，周期0.02 s；二次側(cè)電流為0。

圖6 變壓器空載時一、二次側(cè)電壓、電流波形

b. 一次側(cè)電壓初相角為0時二次側(cè)突然短路

當(dāng)t=1.005 s，變壓器二次側(cè)電壓突然變?yōu)?，發(fā)生短路故障，此時一次側(cè)電壓初相角為0，一、二次側(cè)電壓、電流波形如圖7所示。短路電流中含有不斷衰減的直流分量，經(jīng)過0.01 s(ωt=π)時，短路電流達(dá)最大值(二次側(cè)為3.33 kA，一次側(cè)50.7 kA)。

經(jīng)過2個周期，直流分量衰減為0，短路電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。一次側(cè)電流有效值為22 kA，最大值31.15 kA，二次側(cè)電流有效值1.45 kA，最大值2.05 kA，頻率均為50 Hz。

圖7 t=1.0 s(電壓初相角為0)時二次側(cè)突然短路暫態(tài)波形

c. 一次側(cè)電壓初相角為π/2時二次側(cè)突然短路

當(dāng)t=1.0 s，變壓器二次側(cè)突然短路時，此時一次側(cè)電壓初相角為π/2，一、二次側(cè)電壓電流波形如圖8所示。此時短路電流中無暫態(tài)直流分量，短路發(fā)生時變壓器就進(jìn)入穩(wěn)態(tài)短路，一次側(cè)電流有效值為22 kA，最大值31.15 kA，二次側(cè)電流有效值1.45 kA，最大值2.05 kA，頻率均為50 Hz。

圖8 t=1.005 s(電壓初相角為π/2)時二次側(cè)突然短路暫態(tài)波形

4 結(jié)束語

作為風(fēng)電機(jī)組能夠并網(wǎng)運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，箱式變壓器的暫態(tài)運(yùn)行特性對風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。本文通過理論推導(dǎo)與仿真相結(jié)合研究了風(fēng)電機(jī)組出口箱式變壓器的暫態(tài)運(yùn)行特性。

從變壓器的等效電路出發(fā)，以電路分析的角度理論上研究了變壓器二次側(cè)突然短路時的電流變化規(guī)律?；赑SCAD/EMTDC搭建的仿真模型，分析了變壓器二次側(cè)突然短路時短路電流的暫態(tài)過程，驗(yàn)證了理論分析的正確性。變壓器二次側(cè)發(fā)生短路時，短路電流的變化規(guī)律與短路發(fā)生時電壓初始角有關(guān)，一次側(cè)為正弦電壓時，短路電流最嚴(yán)重情況出現(xiàn)在初相角為0時。電壓初始角為0時，短路電流中含有不斷衰減的暫態(tài)直流分量，經(jīng)過半個周期0.01 s時，短路電流達(dá)最大值。電壓初始角為π/2時，短路發(fā)生時變壓器就進(jìn)入穩(wěn)態(tài)短路。

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Research on Short Circuit Electromagnetic Transient Progress of the Wind Farm Box-type Transformer High Voltage Side

HOU Yanpeng1，XU Duo2,LIU Zhendong1CHEN Shougui1

(1.State Grid Benxi Power Supply Company，Benxi，Liaoning 117000，China; 2.State Grid Changchun Power Supply Company，Changchun，Jilin 130000，China)

Acceptance of clean energy is one of the features in smart grid.Wind power has become an important part of the sustainable development strategy. Wind turbines convert low voltage into high voltage by box-type transformer, electromagnetic transient characteristics of which plays the important role to the safety of wind turbines and integration. It is based on the equivalent circuit of single-phase transformer to analyses the short circuit transient characteristics of its high voltage side. Math method on secondary short circuit current has been set, calculated and discussed. With the help of PSCAD/EMTDC, the model that wind turbines integrate to the grid by box-type transformer has been simulated. The variation characteristics of transformer secondary short circuit current have been analyzed and this model has been validated by the simulation result.

wind power; box-type transformer; electromagnetic transient characteristics; PSCAD/EMTDC

TM614

A

1004-7913(2017)10-0009-04

侯延鵬(1987)，男，碩士，主要從事電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行工作。

2017-05-10)