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(jī)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(dāng)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(hù)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(jī)。所以當(dāng)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(hù)的正常運行，使保護(hù)裝置拒動或誤動[9，10]。并且風(fēng)電機(jī)組的類型、裝機(jī)容量和接入電壓等級等因素都會對繼電保護(hù)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(hù)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(jī)組構(gòu)成的風(fēng)電場的故障特性及其影響因素進(jìn)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(hù)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(hù)產(chǎn)生很大的影響。

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

圖1 恒速異步風(fēng)電機(jī)組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 雙饋異步風(fēng)電機(jī)組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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

1.1 風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

風(fēng)葉從空氣中獲得的機(jī)械功率可以由下式描述[13]:

相應(yīng)的機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的傳動機(jī)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(jī)葉片側(cè)機(jī)械轉(zhuǎn)矩 (pu)，即傳動機(jī)構(gòu)輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)矩;Tm是傳動機(jī)構(gòu)輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩(pu)，即發(fā)電機(jī)輸入的機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子中。

1.2 恒速異步發(fā)電機(jī)動態(tài)模型

異步發(fā)電機(jī)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(jī)模型可由下述的電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子運動方程如下:

其中，uds，uqs，udr，uqr分別是同步坐標(biāo)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(biāo)下的定、轉(zhuǎn)子電流;Rs，Rr是定、轉(zhuǎn)子阻抗;Pe是發(fā)電機(jī)電磁功率;s是異步機(jī)轉(zhuǎn)差率;ωs是參考坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角速度，即同步轉(zhuǎn)速;ωr是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;Te是發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，可由式(12)計算得出;Tj是發(fā)電機(jī)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(jī)動態(tài)模型

雙饋異步發(fā)電機(jī)模型與恒速異步發(fā)電機(jī)的模型類似，只是由于雙饋異步發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)組還包括變頻器及其控制模型，槳距角控制模型和保護(hù)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(xiàn)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(jī)。針對上述三種情況，在PCC進(jìn)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(jī)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(jī)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(yuǎn)小于等值為相同容量的同步機(jī)提供的短路電流。同步機(jī)提供的短路電流是恒速異步風(fēng)電機(jī)組的1.53倍，恒速異步風(fēng)電機(jī)組提供的短路電流是雙饋異步風(fēng)電機(jī)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(jī)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(jī)而言，其勵磁電源是由系統(tǒng)提供的，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障后，導(dǎo)致恒速異步風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓降低，使異步發(fā)電機(jī)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(jī)變換器仍在工作，其故障特性與同步機(jī)相似，但發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓跌落后，轉(zhuǎn)子過電流保護(hù)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(jī)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(jī)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(jī)組所提供的短路電流遠(yuǎn)小于相同容量的同步機(jī)組。

2.2 風(fēng)電場故障特性的影響因素分析

為了進(jìn)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(jìn)行了分析，本文中考慮了風(fēng)電場的裝機(jī)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(jī)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(jī)容量和接入電壓等級不同的風(fēng)電場進(jìn)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(jī)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(jī)組裝機(jī)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(jī)組短路電流變化曲線1

圖7 雙饋異步風(fēng)電機(jī)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(jī)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(jī)來看，恒速異步風(fēng)電機(jī)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(jī)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(dāng)將風(fēng)電場接入當(dāng)?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(hù)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(fù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)就發(fā)生了變化，若將風(fēng)電場考慮為負(fù)荷，就不會對原有的配電網(wǎng)繼電保護(hù)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(hù)產(chǎn)生很大的影響。一方面，若保護(hù)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(hù)范圍縮小，而若忽略了風(fēng)電場的影響，就會使保護(hù)范圍擴(kuò)大到下級線路，從而造成保護(hù)的拒動或誤動。另一方面，如果配電網(wǎng)的保護(hù)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(jī)組可以短時電動機(jī)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(hù)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(jī)組短路電流變化曲線2

圖9 雙饋異步風(fēng)電機(jī)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(jī)組構(gòu)成的風(fēng)電場的故障特性及其影響因素進(jìn)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(hù)的影響，以保證繼電保護(hù)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(fù)荷或者相同容量的同步機(jī)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(jī)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(jī)組相比，變速風(fēng)電機(jī)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(jī)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(hù)的配置。

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