傅　旭,李　想,王笑飛

(1.中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075； 2.華中科技大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430074)

0　引言

由于風電機組和常規(guī)水、火電機組發(fā)電基本原理不同，出力特性具有很大的隨機性和不確定性，并網(wǎng)后對電力系統(tǒng)的影響與常規(guī)水火電機組也不同，加之風電場往往處于電網(wǎng)邊緣或末端，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對薄弱，大規(guī)模風電并網(wǎng)對電網(wǎng)運行的影響將日益突出[1-6]。風電接入后電網(wǎng)的有功頻率特性、暫態(tài)功角穩(wěn)定性、無功電壓特性、小干擾穩(wěn)定性、電能質(zhì)量、配電系統(tǒng)繼電保護等諸多方面都將產(chǎn)生重大影響[7-12]。風電機組類型主要包括鼠籠異步風機、雙饋風機和同步直驅(qū)風機。文獻[7]對雙饋風機的暫態(tài)過程和短路電流進行了分析，忽略了轉(zhuǎn)子側(cè)電壓對電流暫態(tài)分量的影響；文獻[8-9]分析了永磁同步直驅(qū)機組的短路電流特性；文獻[10-11]分析了異步式和雙饋式風電機組故障狀態(tài)下對電網(wǎng)繼電保護的影響。

光伏發(fā)電系統(tǒng)通過逆變器和電網(wǎng)相連，其輸出電流特性取決于逆變器控制策略。文獻[12-14]基于時域仿真結(jié)果分析了含光伏發(fā)電系統(tǒng)的短路特性，指出光伏逆變器可在故障期間助增短路電流，但影響有限；文獻[15-17]均對含逆變型電源的短路電流計算方法進行了改進。

本文研究風電機組和光伏發(fā)電對系統(tǒng)短路電流的影響：1)以簡單系統(tǒng)為例，分析不同類型的風電機組對電網(wǎng)短路電流的影響規(guī)律；2)以西北某實際電網(wǎng)為例，分析大量風電接入后電網(wǎng)短路電流的變化，以及風電場對短路點提供的短路電流大??；3)分析了單個光伏電站和大規(guī)模光伏電站接入系統(tǒng)后的短路電流變化情況。本文研究成果可為西北地區(qū)大規(guī)模的風電、光伏接入提供參考。

1　風電接入對短路電流的影響分析

首先以一單機系統(tǒng)為算例，分析不同類型機組提供短路電流的能力和衰減速度。然后以西北地區(qū)某實際風電場為算例分析大量風電場接入后短路電流的特性。仿真程序采用中國電力科學研究院開發(fā)的PSD-BPA仿真程序。

1.1　簡單系統(tǒng)仿真分析

簡單系統(tǒng)如圖1所示，短路點設置在220 kV高壓母線處。計算中采用不同類型的發(fā)電機組，分別為同步發(fā)電機組、鼠籠異步風電機組、雙饋風電機組、同步直驅(qū)風電機組，各種類型的機組的容量均為20 MW。

圖1　簡單系統(tǒng)接線示意圖Fig.1　Schematic diagram of a simple system

1) 同步發(fā)電機。

同步電機三相短路后，定子各相短路電流由基頻周期分量、非周期及2倍頻分量構(gòu)成。由于定子繞組存在電阻，定子繞組中的非周期電流和倍頻電流將以定子繞組的時間常數(shù)衰減至0。

采用PSD-PBA 計算三相短路后220 kV高壓母線的短路電流，10周波時發(fā)生三相永久故障，故障持續(xù)時間為0.2 s，接地電阻和電抗均為0。短路電流衰減特性如圖2所示,從短路電流的衰減特性來看，其0 s故障時的最大短路電流為180 A，然后開始衰減，50 ms時其短路電流衰減至117 A，約衰減35%。

圖2　同步發(fā)電機組提供的短路電流Fig.2　Short circuit current provided by synchronous generator

2) 鼠籠異步風電機組。

異步風電機組采用鼠籠式異步電機，發(fā)生三相對稱短路故障后，由于異步風機沒有勵磁，短路一定時間后異步風機提供的短路電流逐漸衰減為0。

上述例子，發(fā)電機組采用鼠籠異步風電機組，仿真得短路電流衰減特性如圖3所示。故障時的最大短路電流為150 A，然后開始衰減，50 ms時其短路電流衰減至78 A，約衰減48%。異步風電機組短路電流的衰減速度比同步機組要快。

圖3　鼠籠異步風力發(fā)電機組提供的短路電流Fig.3　Short circuit current provided by squirrel cage asynchronous wind turbine

3) 雙饋異步風電機組。

雙饋異步風機的故障特性有異步電機和同步電機的雙重特性，因為雙饋風電機的轉(zhuǎn)子側(cè)設置了外加變流器勵磁系統(tǒng)，三相短路瞬間，在雙饋風機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器保護Crowbar動作前，雙饋電機轉(zhuǎn)子仍有勵磁電流直至轉(zhuǎn)子電流越限超過設定時間后，轉(zhuǎn)子Crowbar動作旁路轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器，轉(zhuǎn)子繞組相當于經(jīng)過電阻短路，雙饋電機此刻呈現(xiàn)出與鼠籠異步機相同的特性，短路電流中周期分量和非周期分量都會很快衰減。

圖4　雙饋異步風力發(fā)電機組提供的短路電流1Fig.4　Short circuit current 1 provided by doubly fed asynchronous wind turbine

上述算例，發(fā)電機組采用雙饋異步風電機組，其短路電流衰減特性如圖4所示。從雙饋異步風電機組提供的短路電流的衰減特性來看，故障時的最大短路電流為200 A，比異步風機提供的短路電流要大約1/3，但衰減速度很快。50 ms時其短路電流衰減至5 A，約衰減97%，原因是雙饋異步風機在故障期間通過短接轉(zhuǎn)子側(cè)的Crowbar旁路轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器，呈現(xiàn)的短路特性和異步風機基本類似，但轉(zhuǎn)子繞組相當于經(jīng)過電阻短路，其衰減速度要比鼠籠異步風機快得多。

4) 直驅(qū)同步風電機組。

直驅(qū)永磁同步電機由一臺以永磁體作為勵磁的多級同步電機和一組背靠背的變流器組件構(gòu)成。電機側(cè)變換器由三相不可控整流橋和Boost變換器構(gòu)成，控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)最大風功率跟蹤。Boost升壓電路主要是為防止低風速下逆變器側(cè)發(fā)生換向失敗。采用全功率變換器的直驅(qū)式風電機組，電網(wǎng)側(cè)故障對于發(fā)電機的影響較小。

上述算例，發(fā)電機組采用直驅(qū)同步風電機組，短路電流衰減特性如圖5所示。從直驅(qū)同步風電機組提供的短路電流衰減特性來看，同步直驅(qū)風電機組基本不提供短路電流，短路時的短路電流和故障前電流基本相同。50 ms時其短路電流衰減至0，衰減約100%。

圖5　直驅(qū)同步風電機組提供的短路電流1Fig.5　Short circuit current 1 provided by direct drive synchronous wind turbine

通過上述分析可看出：

1) 同步發(fā)電機向故障點提供的短路電流大，且衰減最慢，50 ms時一般衰減近35%。故障開斷時刻，同步機組提供的短路電流較風電機組高。

2) 風電機組提供的短路電流較同步機組小。3種類型風機中，普通異步風機提供的短路電流較大，在50 ms時一般可衰減近50%。雙饋異步風機故障瞬間提供的短路電流較異步風機大，但衰減速度非常快，50 ms時一般可衰減近97%左右。直驅(qū)永磁同步風機的短路電流最小,衰減最快，50 ms時基本不提供短路電流。

1.2　某實際系統(tǒng)仿真分析

以西北地區(qū)某變電站為研究對象，分析大規(guī)模風電接入后電網(wǎng)短路電流的變化。風電場合計有功出力為4 000 MW，并網(wǎng)風電機組臺數(shù)為3 500臺。三相永久故障持續(xù)時間為0.3 s，接地電阻和電抗均為0，重點關(guān)注短路故障發(fā)生后最大短路電流的有效值。

1) 雙饋異步風電機組。

330 kV短路點的短路電流值和風電場提供的短路電流的仿真分析結(jié)果如圖6所示。由圖6可看出，短路點最大短路電流約為35 kA，風電場提供的最大短路電流約為16 kA。

圖6　雙饋異步風電機組短路電流2Fig.6　Short circuit current 2 provided by doubly fed asynchronous wind turbine

2) 直驅(qū)同步風電機組。

計算條件同上，風機類型改為同步直驅(qū)風電機組。330 kV短路點短路電流和風電場提供的短路電流仿真結(jié)果如圖7所示。比較圖6、7可見，同步直驅(qū)機組提供的最大短路電流比雙饋機組低約2.5 kA。

圖7　同步直驅(qū)風電機組短路電流2Fig.7　Short circuit current 2 provided by direct drive synchronous wind turbine

2　光伏發(fā)電對短路電流的影響分析

由于單個光伏電站的規(guī)模一般較小，因此地區(qū)光伏電源的發(fā)展通常都是采取多個光伏電站匯集至110、220、330 kV變電站再全部送出，這樣顯然節(jié)約送出線路等資源。圖8為一個50 MW(p)的光伏電站，每個發(fā)電單元采用1臺1 000 kV·A、35 kV箱式升壓變壓器，5臺35 kV箱式變壓器組成1個光伏發(fā)電單元組匯集至35 kV母線，共10個光伏發(fā)電單元通過35 kV電壓等級送至地區(qū)變電站升壓330 kV送出；每個光伏發(fā)電單元組內(nèi)包含5個1 MW(p)光伏發(fā)電模塊。

針對前述50 MW(p)的光伏電站，分析光伏電站接入330 kV變電站后，其330 kV母線三相短路的變化情況。變電站330 kV側(cè)的短路電流及各分支短路電流如圖9—11所示，可看出，系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流占主要部分，光伏電站提供的短路電流很小。短路故障前50 MW(p)光伏電站送至330 kV變電站330 kV母線的正常工作電流為95.9 A,發(fā)生短路故障后1個周波時，光伏電站提供至黃河公司330 kV變電站330 kV母線的短路電流為2.7 A，而系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流為14.7 kA。因此，可得出如下結(jié)論：50 MW(p)的光伏電站35 kV匯集母線、光伏電站接入變電站330 kV母線短路時，短路電流主要由系統(tǒng)側(cè)提供，短路故障發(fā)生后，光伏電站提供的短路電流分量基本可忽略。

圖8　50 MW(p)的光伏電站電氣主接線示意圖Fig.8　Electrical main wiring of a 50 MW(p) photovoltaic power station

圖9　接入變電站的母線短路電流Fig.9　Bus short circuit current in substation

圖10　系統(tǒng)側(cè)提供給母線的短路電流Fig.10　Short circuit current provided to bus on system side

圖11　光伏電站提供給母線的短路電流Fig.11　Short-circuit current provided to bus by photovoltaic power station

對500 MW光伏電站匯集至330 kV電網(wǎng)的三相短路電流進行計算，短路電流變化情況如圖12、13所示?？煽闯?，系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流占主要部分，光伏電站支路的電流將迅速降至很小。

圖12　匯集母線的短路電流Fig.12　Short circuit current of bus

圖13　光伏電站提供給匯集母線的短路電流Fig.13　Short circuit current provided to pooled bus by photovoltaic power station

3　結(jié)論

本文通過一簡單系統(tǒng)和我國西北某實際系統(tǒng)，分析了風電場、光伏電站接入后對電網(wǎng)短路電流的影響，計算結(jié)果表明：

1) 對單臺風電機組而言，普通異步風機對故障點提供的短路電流在50 ms時一般可衰減近50%。雙饋異步風機提供的短路電流故障瞬間較異步風電機組大，但其衰減速度非?？?，50 ms時一般可衰減近97%左右。直驅(qū)永磁同步風機提供的短路電流較之前2類機型明顯較小，50 ms時基本不提供短路電流。但風電場規(guī)模達到一定程度后，對系統(tǒng)的短路電流有較大影響，文中算例，4 000 MW的風電場提供的短路電流約15 kA，具體數(shù)值需要根據(jù)電網(wǎng)實際情況計算而定。

2) 受光伏電站中逆變器等電力電子裝置的過載能力限制，光伏電站向系統(tǒng)提供的短路電流很小，光伏電站經(jīng)多級升壓后接入高壓送電網(wǎng)中的短路電流基本可忽略不計。在具體的工程計算中，光伏電站提供的短路電流可按額定電流的1.5倍估算。

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