风电场故障特性仿真研究

段晓田 张新燕 张 俊 杨晓亮

(1.新疆大学电气工程学院，新疆维吾尔族自治区乌鲁木齐市 830047;2.新疆电力公司超高压公司，新疆维吾尔族自治区乌鲁木齐市 831100)

0 引言

风能是一种清洁的可再生能源，被世界各国广泛的用来发电。由于风力发电的迅猛发展，风电的装机容量在电力系统中所占的比例越来越高，并网型风力发电成为发展的主要方向[1]。国内外研究的课题主要是与风电场并网相关的有功调度、无功控制、电压、频率及其稳定性[2－8]。当风电场接入系统之后，电网的结构将发生变化。但含风电场的电网保护整定计算时，并没有考虑风电场的影响或者将其考虑为相同容量的同步发电机。所以当电网发生故障时，除了常规电源向故障点提供故障电流外，风电场也可能向故障点提供短路电流，这样就会影响继电保护的正常运行，使保护装置拒动或误动[9，10]。并且风电机组的类型、装机容量和接入电压等级等因素都会对继电保护装置产生影响。因此，研究风电场的故障特性及其对继电保护的影响，对风电系统的安全运行有重要的意义。

本文在DIgSILENT/Power Factory中构建了含风电场的电力系统仿真模型[11，12]。对由不同类型风力发电机组构成的风电场的故障特性及其影响因素进行了时域仿真研究，并分析了风电场故障特性对继电保护的影响。结果表明:不同类型的风电场的故障特性是有区别的，并且都会对配电网的继电保护产生很大的影响。

1 并网风电机组动态模型及原理

本文在DIgSILENT/Power Factory中对具有代表性和广泛使用的恒速异步风电机组和双馈异步风电机组进行了建模。恒速异步风电机组主要由风力机模型、转轴模型和异步发电机模型等几部分组成，其拓扑结构如图1所示;双馈异步风电机组主要由风力机模型、转轴模型、双馈感应发电机模型和PWM控制模型等几部分组成，其拓扑结构如图2所示。

图1 恒速异步风电机组拓扑结构

图2 双馈异步风电机组拓扑结构

本文中所构建的上述两类风电机组模型采用相同的风力机模型和轴系模型，不分机型统一介绍。双馈机组含桨距角控制模型，下面分别介绍。

1.1 风力机系统数学模型

风叶从空气中获得的机械功率可以由下式描述[13]:

相应的机械转距可由下式描述:

式中，ρ为空气密度，1.25kg/m3;r是风机半径，m;Vw是等效风速，m/s;λ是叶尖速比，即风轮叶尖速度与风速之比:

式中，ωw是风轮旋转机械角速度，rad/s;β是桨距角，deg;Cp是功率系数，在本文中恒速异步风电机组是定桨距失速控制，其Cp只与叶尖速比 λ有关，近似曲线由下式描述[14]:

而双馈风电机组采用桨距角控制，所以 Cp除了与叶尖速 λ有关外，还与桨距角 β变化有关，近似曲线可由下式描述[14，15]:

风力机的传动机构主要由轮毂、转轴、齿转箱和联轴器等组成，将其考虑为刚性系统，可用一阶惯性环节来描述:

其中，Tw是风力机叶片侧机械转矩 (pu)，即传动机构输入的机械转矩;Tm是传动机构输出的机械转矩(pu)，即发电机输入的机械转矩;H1为轮毂的惯性时间常数(s);在本简化模型中，将齿轮箱联轴器惯性时间常数等效到发电机转子中。

1.2 恒速异步发电机动态模型

异步发电机的电气量都是以同步速旋转，所以取同步速作为参考系可以简化建模的过程。本文所建的异步电机模型可由下述的电机状态方程来描述[16]:

磁链方程如下:

瞬时电磁功率方程如下:

发电机转子运动方程如下:

其中，uds，uqs，udr，uqr分别是同步坐标系下的定、转子电压;Ψds，Ψqs，Ψdr，Ψqr分别是定、转子磁链;ids，iqs，idr，iqr分别是同步坐标下的定、转子电流;Rs，Rr是定、转子阻抗;Pe是发电机电磁功率;s是异步机转差率;ωs是参考坐标系旋转角速度，即同步转速;ωr是发电机转子转速;Te是发电机电磁转矩，可由式(12)计算得出;Tj是发电机转子惯性时间常数;p是微分算子;Lsσ，Lsσ是定、转子漏电感;Lm是互感。

建模过程中只考虑了铜耗，忽略了其它损耗，并且也忽略了磁饱和。

1.3 双馈异步发电机动态模型

双馈异步发电机模型与恒速异步发电机的模型类似，只是由于双馈异步发电机的转子上与变频器相连，所以其转子电压 udr，uqr不为 0。即对式(10)修改如下[17，18]:

计算双馈电机的电磁功率时同时要考虑转子吸收或发出的电磁功率，即对式(12)修改如下:

双馈风电机组还包括变频器及其控制模型，桨距角控制模型和保护系统等模型，限于篇幅，这里不再介绍。

2 风电系统仿真分析

2.1 风电场故障特性仿真分析

本文在DIgSILENT/Power Factory中构建了上述两种类型风电场的动态仿真模型，将风电场接入WSCC(Western Systems Coordinating Council)9节点系统，WSCC 9节点系统是一常用的算例系统，为很多电力系统著作和文献所引用。具体接入方式如图3所示:

图3 WSCC 9节点测试系统单线图

本例中考虑的风电场出口电压是 690V，采用10kV的箱式变压器升压后输送到风电场自备的变电站接入PCC点。风电场通过传输线接入到系统BUS4，并且在动态仿真过程中，还考虑了将风电场等值为相同容量的同步机。针对上述三种情况，在PCC进行了三相永久短路故障仿真，仿真结果如图4所示:

图4 短路电流比较

由图4可以看出，恒速异步风电机组提供的短路电流 (图4中的黑色曲线)与双馈异步风电机组提供的短路电流 (图4中的红色曲线)有很大的区别，但它们所提供的短路电流值都远小于等值为相同容量的同步机提供的短路电流。同步机提供的短路电流是恒速异步风电机组的1.53倍，恒速异步风电机组提供的短路电流是双馈异步风电机组的1.5倍。虽然风电场提供的瞬间短路电流很大，但经过很短的时间电流的周期分量和非周期分量都衰减为零，不能提供持续的短路电流;同步机的瞬间短路电流最大，经过很短的时间非周期分量衰减，最后恒定不变，即可以提供持续的短路电流。

对于恒速异步风力发电机而言，其励磁电源是由系统提供的，当电网发生故障后，导致恒速异步风电机组机端电压降低，使异步发电机失去励磁，在转子剩磁的作用下，短路电流很快衰减，不能提供持续的短路电流。而在短路初期，由于双馈异步风力发电机变换器仍在工作，其故障特性与同步机相似，但发电机机端电压跌落后，转子过电流保护启动，将转子及变换器通过外接电阻短路，由于转子电阻增大发电机的短路电流急剧减小，此时的故障特性与恒速异步风力发电机相似[10，19]。由于电压型变换器不具备过电流的能力，因此双馈异步风电机组所提供的短路电流远小于相同容量的同步机组。

2.2 风电场故障特性的影响因素分析

为了进一步研究风电场的故障特性，对影响风电场故障特性的因素进行了分析，本文中考虑了风电场的装机容量和接入电压等级两个因素对风电场短路电流水平的影响。在DIgSILENT/Power Factory中构建了风电场单机无穷大仿真模型，如图5所示:

图5 仿真系统图

在动态仿真过程中，PCC母线发生三相短路故障，对不同装机容量和接入电压等级不同的风电场进行了仿真研究，故障持续时间0.15s。仿真结果如图6～图9所示:图6、图7是不同类型的风电场装机容量不同时短路电流变化曲线，图中箭头方向表示风电机组装机容量逐渐增大;图7、图8是不同类型的风电场接入不同电压等级时短路电流变化曲线，图中箭头方向表示风电场接入电压等级逐渐增大。

图6 恒速异步风电机组短路电流变化曲线1

图7 双馈异步风电机组短路电流变化曲线1

由图6、图7可以看出，随着风电场装机容量的增加，风电场所提供的短路电流也越来越大。从相同容量的风电装机来看，恒速异步风电机组所提供的短路电流更大。对比图8、图9可知，相同容量的不同风电场在不同电压等级接入电网所提供的故障电流大小不同。接入的电压等级越高，提供的故障电流越小，并且恒速异步风电机组提供的短路电流更大。

所以，在风电接入系统的可阶段应当将风电场接入当地电网的最高电压等级，以减小系统故障时风电场所提供的短路电流。

3 风电场对继电保护的影响

国内的大部分风电场都是接在系统的末端，大容量的风电场在接入系统后再向负荷供电，而小容量的风电则直接T接在系统的线路上[20]。在风电场接入配电网后，电力系统的拓扑结构就发生了变化，若将风电场考虑为负荷，就不会对原有的配电网继电保护产生影响。但是在系统故障时风电场会提供瞬时很大的短路电流，所以对配电网的电流保护产生很大的影响。一方面，若保护整定时考虑了风电场短路电流的影响，在风电场退出运行时，就会使保护范围缩小，而若忽略了风电场的影响，就会使保护范围扩大到下级线路，从而造成保护的拒动或误动。另一方面，如果配电网的保护在时间上不能躲过风电场的瞬时短路电流，则必须考虑风电场的影响;同时，风电机组可以短时电动机运行，导致联络线的功率是双向流动的，所以继电保护的整定与配置最好按双电源考虑，必要的时候需要加装方向元件[21]。

图8 恒速异步风电机组短路电流变化曲线2

图9 双馈异步风电机组短路电流变化曲线2

4 结论

本文在DIgSILENT/Power Factory中构建了风电系统仿真模型。对由不同类型风电机组构成的风电场的故障特性及其影响因素进行了仿真分析。研究结果表明:

1、随着风电在系统中所占的比例的增加，不能忽视了风电场向电网提供的短路电流;也不能忽略风电场对继电保护的影响，以保证继电保护动作的正确性;并且在风电接入系统的可研阶段不能简单的将风电场等值为负荷或者相同容量的同步机组，因为其故障特性与风电场的故障特性是不同的。

2、风电场所提供的短路电流比相同容量的同步机组要小得多，因此可以考虑在短路电流过大的地点建设相容容量的风电场而不是传统的火电厂。

3、与恒速异步风电机组相比，变速风电机组在故障时所提供的短路电流较小，所以在未来规划建设的风电场应考虑采用变速恒频风力发电机组，并接入高电压等级电网，以限制短路电流水平，可以简化配电网继电保护的配置。

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