基于EMTP-RV的电网短路故障对风电场运行的影响研究

刘 勇

(大连供电公司，辽宁 大连116021)

0 引言

随着能源危机和温室效应等全球性问题的日趋凸显，利用清洁无污染的风能发电已成为了一种有效的解决措施。特别是从2006 年的《可再生能源法》颁布以来，中国的风电事业得到了飞速发展［1，2］。如何研究整个风电场的并网运行与电网的相互影响，以及系统发生短路故障情况下风电场的暂态运行特性等，这对整个电力系统的安全稳定运行尤为重要［3，4］。本文以单台风电机组模型为基础，研究风电场的等值方法，搭建包含小型风电场的电力系统模型，分析风电场的并网运行时的功率输出、公共连接点母线电压波动以及系统频率等。并着重分析了电网发生三相短路和单相短路故障导致风电场并网连接点母线发生电压跌落和三相电压不平衡时的暂态变化过程。

1 风电场等值

风电场等值的方法有很多，如参数变换单机等值法［5］、变尺度降阶多机等值法［6］、容量加权单机等值法［7］以及在此基础上的改进容量加权单机等值法［8，9］等。

假定某风电场由n 台双馈式风电机组构成，且满足以下条件［8］:(1)风电场中的风电机组类型单一且出口变压器接在同一条母线上。(2)忽略连接相邻两台风电机组的线路阻抗。于是可以对包含这n 台风电机组的风电场可以进行等效处理［10，11］。由于双馈电机也是一种异步电机，所以对双馈电机的等效处理时可以借鉴异步电动机当负载时的等值方法，研究风电场的并网运行［12～14］。接在同一母线的n 台异步电动机的等效过程如图1 所示。图1(a)为单台异步电动机的T 型等值电路，根据电路等效变换知识，引入一个阻抗Zf，将图1 (a)等效的变换为图1 (b)，使得从外部看进去，图1(b)与图1 (a)等效，于是有:

假设风电场的n 台风电机组都接在同一母线上，每台风电机组经过图1 (a)到图1 (b)的等效变换后如图1 (c)所示，再根据电路等效变化的基本知识可化简图1 (c)得到图1(d)，再根据电路等效变换的原理将图1 (d)变换成T 型等效电路的图1 (e)，使得从外面看进去图1 (e)和图1 (d)等效，于是就得到了并联在同一母线上的n 台异步电机的单台等效模型。

图1 参数变换法等值过程Fig．1 Equivalent process of parameter transformation method

其中，图1(a)～(e)中的参数分别为

式中:Zs，Zr，Zm分别为定子阻抗、转子阻抗和励磁阻抗;Z's，Z'r，Z'm分别为等效模型的定子阻抗、转子阻抗和励磁阻抗。

对于风电场的容量、风力机的风能利用系数以及单台风电机组的等值风速，则可以采用改进的容量加权的风电场单台等值方法，其具体的处理方法和步骤如下［8］:

设单台风机的等值容量S'、等值扫风面积A'以及风能利用系数C'为

式中:Si，Ai，Ci分别为第i 台风机容量、扫风面积和风能利用系数。对于风电机组的其他参数X'等值方法，则要引入加权系数

则风电场等值为单台风机的某一等值参数X'为

2 软件介绍

EMTP-RV 是基于Windows 平台的新一代图形化电磁暂态仿真工具，它是对经典电磁暂态工具EMTP 的重新构造，并且能有效简化电力系统中暂态过程的研究工作，为复杂电力系统的仿真提供了有力支持。该软件包括3 部分:EMTP-RV 核心计算引擎、EMTPWorks 图形化编辑界面和ScopeView 可视化数据处理程序(如图2 所示)。

图2 EMPT-RV 组织结构图Fig．2 Structure of EMTP-RV

EMTPWorks 图形化编辑界面是提供给用户一个图形化的建模环境，它将用户利用图形模块搭建的系统模型转换为EMTP-RV 计算引擎可识别的网络表* ．NET 文件。EMTP-RV 计算引擎则根据读入的网络表* ．NET 文件，分析网络拓扑结构，解析元器件模型，构成系统计算矩阵并按给定的条件进行仿真，最后将仿真结果写入二进制的数据文件* ．mda 和相关ASCII 文本绘图文件* ．m。可视化数据处理程序ScopeView 对EMTPRV 计算引擎输出的数据做进一步加工处理，最终以多组彩色曲线图的形式显示仿真结果。

ScopeView 可视化数据处理程序能够对MATLAB 和EMTP-RV 格式的数据文件进行处理。它提供了基本的图形缩放、叠印、多列和多页图形显示功能;能够动态跟踪显示光标所在处的数据值，显示节选图形区域内的最大值、最小值、均值和有效值。内建的函数编辑器可以对数据进行后处理，实现从简单的加减乘除类算术运算到复杂的离散傅立叶变换、谐波分析等函数功能。支持Windows 剪贴板功能，能够将图形拷贝到其他程序进行处理;并可使用 MATLAB binary，Comtrade，pdf，jpg，png 等多种图形格式导出显示数据，供其他程序进一步进行处理。

3 仿真分析

某小型风电场由26 台双馈风力发电机组构成，其中包含16 台同一型号的1.5 MW 的双馈式风力发电机组和10 台同一型号的2.0 MW 双馈式风力发电机组。

(1)1.5 MW 的双馈风力发电机组参数

风力机参数:

切入风速3 m/s，额定风速12 m/s，切出风速18 m/s，叶片半径37.5 m。

双馈电机参数:

额定容量1.5 MVA，额定电压0.69 kV，功率因数cos φ=0.98 (滞后)，频率50 Hz，定子电阻0.005 4 p．u．，定子电抗0.10 p．u．，转子电阻0.006 07 p．u．，转子电抗0.11 p．u．，励磁电抗3.1 p．u．。

(2)2.0 MW 的双馈风力发电机组参数

风力机参数:

切入风速3 m/s，额定风速12 m/s，切出风速20 m/s;叶片半径42 m。

双馈电机参数:

额定容量2.0 MVA，额定电压0.69 kV，功率因数cos φ=0.98 (滞后)，频率50 Hz，定子电阻0.006 62 p．u．，定子电抗0.080 5 p．u．，转子电阻0.01 p．u．，转子电抗0.101 p．u．，励磁电抗4.5 p．u．。

在仿真软件中搭建如图3 所示的电力系统。

图3 电力系统模型Fig．3 Model of power system

图3 中各元件参数如下:G1为带有自动励磁调节装置的同步发电机，额定容量10 MVA，额定电压10.8 kV;G2为理想电压源，额定电压110 kV，等效阻抗Xs=4 Ω;G3为等值风电场，额定容量44 MVA;S1是由RLC 构成的三相对称负荷，负荷功率15 +j3 MVA;S2为包含电动机的小型工业负荷，负荷功率8.8 +j1 MVA。

3.1 三相短路

在图3 所搭建的电力系统模型中，母线B5在第5.0 s 发生三相接地短路故障，接地电阻为1 Ω，故障持续0.1 s，第5.1 s 故障消除。

图4 中，Pwind，Qwind分别为正常运行时风电场输出的有功功率和无功功率;P，Q分别为故障时风电场输出的有功功率和无功功率;第5 s 发生三相短路故障时，风电场的有功输出突然降低，从16 MW 降到10 MW;第5.1 s 故障消除时，有功输出突然增加至20 MW，比非故障运行时高出约4 MW。故障消除后，有功输出出现短暂的波动，到第7 s 时和非故障运行时的输出曲线基本重合，达到稳定运行。发生三相故障时，风电场从电网中吸收的无功功率大幅增加，在短路瞬间，吸收的无功从5 MVar 骤升至10 MVar，然后逐渐减少，到第5.1 s 故障消除的时刻，吸收的无功功率突然减少至0。故障消除后，风电场从电网中吸收的无功上升，且吸收的无功出现波动，在故障消除后的0.4 s，无功吸收最多，再过0.4 s 无功吸收最少，到第7.2 s 时，无功吸收曲线和非故障运行时的曲线重合。

图4 三相短路故障时风电场输出的有功功率和无功功率Fig．4 Active power and reactive power of wind farm output when three-phase ground fault occurs

图5 中，IL1，为分别为正常运行和发生三相短路故障时的线路L1电流。发生三相接地故障时线路L1的电流急剧增加，故障期间，线路L1电流从350 A 上升到500 A，最大值达到非故障时的两倍。故障消除后，线路L1电流有所波动，到第7 s 时，线路L1电流和非故障时的电流曲线重合，达到新的稳定运行状态。

图5 三相短路故障时线路电流Fig．5 Current of line L1 when three-phase ground fault occurs

图6 中，VB1，分别为正常运行和发生三相短路故障时的母线B1电压。第5 s 发生三相接地故障时35 kV 母线B1的电压从1.05 p．u．骤降至0.55 p．u．，故障期间，电压继续下降，至第5.1 s跌落到0.4 p．u．。故障消除后，电压回升，并出现波动，第5.6 s 时电压最低至0.85 p．u．，第6 s 时电压最高至1.10 p．u．，到第7.2 s时母线电压曲线和非故障运行时的电压曲线重合，达到新的平衡状态稳态运行。

图6 三相短路故障时母线B1 电压Fig．6 Voltage of bus B1 when three-phase ground fault occurs

图7 三相短路故障时母线B1 基波正序电压和负序电压Fig．7 Positive sequence and negative sequence of fundamental voltage of bus B1 when three-phase ground fault occurs

图8 中，f，f(3)分别为正常运行和发生三相短路故障时的系统频率。第5 s 发生三相接地故障时，系统频率从50.1 Hz 开始下降，到第5.1 s时，频率减少至48.4 Hz。第5.1 s 故障消除后，频率上升并出现暂态波动过程，第5.2 s 出现波峰，频率达到52.4 Hz，第5.3 s 时出现波谷，频率跌至49.7 Hz。到第6.2 s 时频率曲线和非故障运行时的曲线重合。

图8 三相短路故障时系统频率Fig．8 Power frequency when three-phase ground fault occurs

图9 中，PG2，QG2分别为正常运行时理想电压源G2输出的有功功率和无功功率，P，Q分别为发生三相短路故障时理想电压源G2输出的有功功率和无功功率。正常运行时，系统向外界输出有功功率、吸收无功功率。系统发生三相接地故障期间，系统向外界输出有功功率变为从外界吸收有功功率，而从外界吸收的无功功率也增加。故障消除后在第5.1 s ～5.8 s 之间，从外界吸收有功迅速变为向外界发出有功，在第5.4 s时，发出的有功达到18 MW，比非故障运行时高出6 MW;而这期间，吸收的无功功率基本维持在8 MVar 左右不变。故障后的与外界交换的有功功率和无功功率曲线在第7.2 s 时和非故障时的曲线基本重合。

图9 三相短路故障时电压源G2 输出有功功率和无功功率Fig．9 Active power and reactive power of voltage source G2 when three-phase ground fault occurs

3.2 单相短路

在图3 所搭建的电力系统模型中，母线B5在5.0 s 发生A 相接地短路，接地电阻为1 Ω，故障持续0.1 s，5.1 s 故障消除。

图10 中，Pwind，Qwind分别为正常运行时风电场输出的有功功率和无功功率，P(1)wind，Q(1)wind分别为发生单相接地短路故障时风电场输出的有功功率和无功功率。第5 s 发生单相接地短路故障时，风电场的有功输出略有减少，从第5.1 s 故障消除后，有功输出迅速上升，至第5.2 s 有功功率曲线和非故障运行时的风电场有功输出曲线基本重合。故障时风电场从电网中吸收的无功功率略有增加，增加幅度很小，到第5.1 s 故障消除时，吸收的无功功率减少至4 MVar。故障消除后，风电场从电网中吸收的无功出现很小的波动，到第6 s 时，无功吸收曲线和非故障运行时的曲线已近基本重合，达到稳态运行。

图10 单相接地故障时风电场输出的有功功率和无功功率Fig．10 Active power and reactive power of wind farm output when single-phase ground fault occurs

图11 中，IA为正常运行时的线路L1的A 相电流，I，I，I分别为发生单相接地短路故障时线路L1的A 相、B 相、C 相电流。发生A 相接地短路故障时，线路L1的C 相电流升高到400 A，A 相电流上升到340 A，B 相电流变为240 A。与非故障时的电流(非故障时A 相电流250 A)相比，A 相、C 相电流上升，B 相电流略有减少。

图11 单相短路故障时线路L1 电流Fig．11 Current of line L1 when single-phase ground fault occurs

图12 中，V 为正常运行时的母线B1的电压，V，V，V分别为发生单相接地短路故障时母线B1出口的连接线路A 相、B 相、C 相电压。第5 s 发生单相接地故障时35 kV 母线的故障相A相电压从1.05 p．u．骤降至0.75 p．u．，故障期间，电压继续下降，至第5.1 s 跌落到0.7 p．u．;非故障相B 相电压和C 相电压也发生跌落，至第5.1 s 时分别降至0.9 p．u．和0.75 p．u．。故障消除后，ABC 三相电压回升并出现较小的波动，到第6 s 时母线电压曲线和非故障运行时的电压曲线重合，达到新的平衡状态稳态运行。

图12 单相短路故障时母线B1 电压Fig．12 Voltage of bus B1 when single-phase ground fault occurs

图13 单相短路故障时母线B1 基波正序电压和负序电压Fig．13 Positive sequence and negative sequence of fundamental voltage of bus B1 when single-phase ground fault occurs

图14 中，f，f(1)分别为正常运行和发生单相接地短路故障时的系统频率。第5 s 发生单相接地故障时，系统频率从50.1 Hz 开始下降，到第5.1 s时，频率减少至49.7 Hz。第5.1 s 故障消除后，频率上升并出现暂态波动过程，第5.2 s 出现频率的最大值，达到50.6 Hz，到第5.7 s 时频率曲线和非故障运行时的曲线重合。

图14 三相短路故障时系统频率Fig．14 Power frequency when single-phase ground fault occurs

图15 中，PG2，QG2分别为正常运行时理想电压源G2输出的有功功率和无功功率，P，Q分别为发生单相接地短路故障时理想电压源G2输出的有功功率和无功功率。正常运行时，系统向外界输出有功功率、吸收无功功率。系统发生单相接地故障期间，向外界输出有功功率迅速减少，从外界吸收有功功率迅速增加。故障消除后，向外界输出有功功率迅速增加，从外界吸收有功功率迅速减少。到第6 s 时，与外界交换的有功功率和无功功率曲线和非故障时的曲线重合。

图15 单相短路故障时电压源G2 输出有功功率和无功功率Fig．15 Active power and reactive power of voltage source G2 when single-phase ground fault occurs

4 结束语

本文首先研究了风电场的等值模型，搭建了包含由26 台不同容量、参数的双馈风电机组构成的风电场的电力系统模型，分析了等值风电场的功率输出、无功电压以及系统频率特性。研究了电网发生三相接地短路和单相接地短路时风电场的有功输出、公共连接点无功电压变化和系统频率变化暂态过程，对风电场的并网运行以及对电网的规划都有一定的指导意义。

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