风力发电机组并网运行短路故障仿真分析

崔洪远，岳 亮，高 亮

(1.江西中电投新能源发电有限公司，江西 南昌 330038;2.上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090)

近年来，以风力发电、太阳能光伏发电、燃气轮机、燃料电池等为代表的分布式电源技术得到了迅速发展.其中，风力发电技术作为目前世界上可再生能源开发利用中技术最成熟、最具规模开发和商业化发展前景的发电方式之一，更是受到世界各国的重视并得到快速的发展.但当以风力发电为代表的分布式电源接入配电网时，必然将会改变配电网的潮流分布，也会给配电网的保护带来影响.

目前，在电力系统的保护配置中尚未考虑风电场的影响，只是简单地将风电场视为一个负荷或同等容量的同步发电机.然而，当大规模风电场接入系统后，在电网发生故障时，风力发电机将向短路点提供一定的短路电流［1］.如果此时仍然忽略风电场注入的短路电流，则将会对保护设备的动作产生影响.此外，不同类型的风电机组并入电网时对电网产生的影响也不相同.

本文利用Matlab中的动态仿真工具Simu-link，构建了3种不同的风电机组(双馈异步风电机组、永磁同步风电机组和鼠笼式异步风电机组)并入电网后的模型，比较3者在相同故障下短路电流的特点，并对它们并网运行后的短路电流注入问题进行了探讨.

1 风电机组简介

目前，并网风力发电机组主要为变速恒频风力发电系统.变速恒频风力发电系统中风力机的转速随风速的变化而变化，系统通过电力电子变换技术使发电机频率与系统频率保持一致.该系统主要有双馈异步发电机和直驱式永磁同步发电机两种.

(1)双馈异步发电机 其系统结构如图1所示.风力机经齿轮箱驱动双馈电机，发电机的定子绕组直接与电网连接，转子绕组通过变频器与电网相连.根据风速的变化和发电机转速的变化，由变频装置调整转子电流的频率，以实现定子感应电势的恒频控制，即变速恒频控制.

图1 双馈异步发电机组的结构示意

(2)直驱式永磁同步发电机 其系统结构如图2所示.风力机与永磁同步发电机的转子直接耦合，发电机的输出端电压和频率随风速的变化而变化，风力发电机的转子由风力机直接拖动，省略了升速齿轮箱，因此增加了机组的可靠性，延长了机组的寿命.

图2 永磁同步发电机组的结构示意

2 仿真分析

将风电场接入单机无穷大系统后，当联络线发生故障时对其进行动态仿真，仿真系统见图3.

在相同故障情况下，比较同容量双馈异步风电机组、永磁同步风电机组和鼠笼式异步风电机组的短路电流变化情况.其中，风电场由9 MW的风力发电机组组成，风力发电机出口电压为575 V，通过升压将其升至25 kV，再通过长为30 km的25 kV输电线路送至升压站，将电压升至120 kV，最终接入无穷大系统.

图3 风电场接入到无穷大系统示意

假设在图3中的K处3 s时发生了三相故障，3.1 s时故障清除，则双馈异步风电机组和永磁同步风电机组的短路电流分别见图4和图5.

图4 K处发生故障时双馈异步发电机的短路电流波形

图5 K处发生故障时直驱式永磁发电机的短路电流波形

由图4和图5可知，当系统发生三相短路故障时，双馈异步发电机的瞬间最大短路电流达到3.0 p.u.，而永磁同步发电机的瞬间最大短路电流为1.5 p.u..经过短时的波动后，当故障清除时，两种风机的电流均达到新的稳定状态.因此，风机控制系统的介入使电网具有更高的可控性，在一定程度上保证了风力场并网运行的可靠性和安全性.

在同样情况下，鼠笼式异步发电机的短路电流曲线如图6所示.

由图6可以看出，发生三相短路故障时，鼠笼式异步发电机提供的瞬间最大短路电流达到3.5 p.u.，但由于发电机组配置了无功补偿装置，因此电流在经过波动后达到了新的稳定状态.

图6 K处发生故障时鼠笼式异步发电机的短路电流波形

在相同的故障状况下，不同风电机组接入电网时注入短路电流的特性也不相同，且随着风力发电容量及其在发电总容量中所占比重的增大，其暂态电流等因素也需要在保护配置时加以考虑.通过对各种风力发电机内部结构、并网方式及仿真结果的分析可知，风力发电机的发展方向将以双馈异步发电机和直驱式永磁同步发电机为主.

3 风电场接入对继电保护的影响及解决措施

3.1 风电场接入对继电保护的影响

目前，我国的中、低压配电网主要是不接地(或经消弧线圈接地)、单侧电源、辐射型供电网络［2］，这种配电网结构简单、投资小且维护方便.而大多数的风电场是通过配电网接入电网，风力发电机组接入配电网后将改变电网的原有结构特征，对电网的短路电流分布和继电保护之间的配合都会产生影响.

在配电网中，一般配置传统的三段式电流保护，即电流速断保护、限时电流速断保护和定时限过电流保护.其中，电流速断保护是按照躲开本线路末端的最大短路电流的方法对配电网进行整定，不能保护线路全长;限时电流速断保护是按照本线路末端故障有足够灵敏度并与相邻线路的瞬时电流速断保护相配合的方法对配电网进行整定，能够保护本线路全长;定时限过电流保护按照躲过本线路最大负荷电流并与相邻线路的过电流保护相配合的方法对配电网进行整定，作为相邻线路保护的远后备，且能够保护相邻线路的全长［3］.现有的配电系统引入风力发电机组后，原有的配电网络将不再是纯粹的单电源、辐射型供电网络，配电网络中短路电流的大小、流向、分布等都将与风电场接入之前有较大差别.风电场接入对保护动作的行为产生如下影响:

(1)导致线路保护动作的灵敏度降低，严重时甚至拒动;

(2)导致线路保护误动作;

(3)导致相邻线路的瞬时速断保护误动作，从而失去选择性.

3.2 基于多Agent系统的保护方案

Agent是一种具有知识、目标和能力，并能单独或在人的点拨下进行推理决策的能动实体，Agent系统具有自治性、可通信等特点［4］.而多Agent系统是一种智能化的开放的分布式系统，具有以下优点:可在软件、硬件上简化保护的配置;通过Agent之间的协作可以增强问题的求解能力及求解的可靠性;多个智能体可并行操作，以提高效率;智能体之间相互通信协作，具有较好的容错能力;智能体既可协同工作，也可单独工作，具有较高的灵活性［5］.因此，采用多Agent系统可以提高并改善保护性能.用于电力系统保护中的多Agent系统结构见图7.

图7 用于协调保护的多Agent结构示意

Agent不仅可以在同类之间进行通信同时还可以在不同类之间进行通信.这一结构模式相当于在传统的保护装置基础上增加了网络通信、同步相量测量、广域后备保护算法等功能构成的智能体，因此也需要可以为这些软件Agent提供支持的硬件平台.随着多Agent技术在配电网中的应用，以及通信技术的快速发展，多Agent技术在配电网保护领域将会发挥更大的作用，得到广泛应用.

4 结语

笔者使用Matlab中的动态仿真工具Simulink，对3种不同风机接入电网的情况进行了故障仿真，分析了其短路电流的特性，为电网的保护和整定提供了依据.同时，随着通信技术和智能电子装置等的快速发展，基于多Agent的技术在继电保护领域将会有很好的应用前景，能解决以风力发电为代表的分布式电源接入给电网保护带来的诸多问题.

［1］文玉玲，晁勤，吐尔逊·依不拉音，等.关于风电场适应性继电保护的探讨［J］.电力系统保护与控制，2009，37(5):47-51.

［2］王明俊，刘广一，于尔铿.配电系统自动化及其发展［J］.电网技术，1996，20(12):62-65.

［3］张保会，尹项根.电力系统继电保护［M］.北京:中国电力出版社，2005:20-28.

［4］盛万兴，杨旭升.多Agent系统及其在电力系统中的应用［M］.北京:中国电力出版社，2007:64-70.

［5］王慧芳.电网继电保护整定技术及基于多Agent的保护新方法研究［D］.杭州:浙江大学，2006.