风电场短路电流计算的探讨

石 巍，张彦昌

（中南电力设计院，武汉 430071）

短路电流计算是风电场设计中一项重要的内容，国外都采用国际电工委员会标准IEC 60909中规定的方法，但是我国目前还没有相关的标准，大多采用水利电力部西北电力设计院编制的《电力工程电气设计手册》所给出的方法，由于计算方法不尽相同，计算的结果自然也就不同。本文将结合风电工程的接线特点，比较和分析这两种短路电流计算方法，并通过分析计算结果，找出一种满足国外项目业主要求的、适用于风电项目的简化计算方法。

1 短路电流的计算方法

计算电力线路的短路电流，目前我国一般采用《电力工程电气设计手册》（以下简称手册）推荐的方法，国外一般采用IEC 60909规定的短路电流计算方法。

1.1 手册中的短路电流计算方法

手册中的短路电流计算方法也称为实用法，主要分为以下几个步骤：①设定计算条件；②电路元件参数计算。包括基准值计算和各元件参数标幺值计算；③网络变换；④三相短路电流周期分量计算。包括无限大电源供给的短路电流和有限电源供给的短路电流；⑤三相短路电流非周期分量计算；⑥冲击电流和全电流的计算。

1.2 IEC 60909中的短路电流计算方法

IEC 60909中的短路电流计算方法分为绝对值法、单元法和叠加法。

绝对值法分为远端短路系统和近端短路系统。主要分为以下几个步骤：①设定计算条件；②电路元件参数计算。计算电路各个元件参数的绝对值；③网络变换；④三相短路电流计算。对于远端短路系统，短路电流中交流分量不衰减。对于近端短路系统，短路电流中交流分量衰减。⑤短路电流峰值的计算。单元法和绝对值法的计算步骤一样，不同的是元件参数采用的是标幺值计算。叠加法就是采用叠加原理的绝对值法。

2 案例

本文将结合风电工程的接线特点，对实用法、绝对值法和单元法的计算过程和结果进行分析和比较。

2.1 案例一

案例一为50MW风电场，风电场由33台1.5MW的风电机组组成，其中发电机可以是双馈异步发电机也可以是永磁直驱同步发电机，案例一将对采用这两种发电机的风电场进行计算。风电机组采用1.5MW双馈异步发电机，风机堵转电流为7～9倍额定电流，这里取7倍；发电机组采用1.5MW永磁直驱同步发电机，受变流器的限制，短路电流为1.5～2倍额定电流，这里取1.5倍。每台机组配备一个36.75kV／0.69kV箱变，箱变容量1.6MVA，变压器的阻抗电压为6.5%，空载电流为0.85%。33台风力发电机组为三组，每组11台风机组成一个35kV集电线路，集电线路的阻抗相对于风机和箱变的阻抗较小，计算中可以忽略不计。三条集电线路将三组箱变汇总到一个110kV／36.75kV主变压器，变压器的容量为50MVA，变压器的阻抗电压为10.5%，空载电流为0.3%。图1为风电场常规接线方案。计算时220kV系统按50kA的断路器遮断水平进行计算；35kV系统以35kV为短路点计算短路电流。

图1 案例一的风电场接线

1）实用法 图2为采用实用法计算风电场的等效阻抗正序图（Sj＝100MVA）。计算结果见表1。

图2 采用实用法计算风电场短路电流的等效电路

表1 风电场短路电流和冲击电流（实用法）kA

可以看到：实用法由于没有进行系数修正，阻抗相对偏高，因此短路电流计算结果偏小。实用法比较适合于对系统进行粗略快速的计算。

2）绝对值法 图3为采用绝对值法计算风电场的等效阻抗正序图，计算结果见表2。

图3 采用绝对值法计算风电场短路电流的等效电路

表2 对风电场短路电流和冲击电流（绝对值法）kA

可以看到：绝对值法进行了系数修正，阻抗相对偏小，短路电流计算结果偏大。绝对值法的计算过程相对于实用法要复杂一些，比较适合于对系统进行详细和准确的计算。

3）单元法 图4为采用单元法计算风电场的等效阻抗正序图（Sj＝100MVA），计算结果见表3。

表3 风电场短路电流和冲击电流（单元法）kA

可以看到：单元法和实用法的计算方法比较接近，单元法进行了系数修正，阻抗相对偏小，因此短路电流计算结果和绝对值法比较一致。单元法相对绝对值法要简单一些，比较适合于进行常规短路水平计算。

图4 采用单元法计算风电场短路电流的等效电路

2.2 案例二

案例二为100MW风电场，风电场由66台1.5MW的风电机组组成。案例二同样对风电场采用双馈异步发电机和永磁直驱同步发电机时的短路电流和冲击电流进行计算。66台风力发电机组分为六组，每组11台，由6条集电线路将所有风力发电机组的1.6MVA箱变汇总到220 kV／36.75kV主变压器，见图5。

图5 案例二的风电场接线

主变压器容量为100MVA；变压器的阻抗电压为145%，空载电流为0.8%。风电场短路电流和冲击电流见表4。

表4 风电场短路电流和冲击电流 kA

可以看到：方案二和方案一的结论是一致的。

3 计算结果比较

案例一和案例二，分别采用实用法、绝对值法和单元法，对计算结果进行分析和比较，可以发现下面几点。

1）采用IEC 60909中绝对值法和单元法的计算结果非常接近。单元法忽略了电路中的电阻，计算比较简便，但不能计算非周期分量，绝对值法中的电路参数采用复数，计算比较复杂，但计算结果比较全面和准确。

2）采用IEC 60909中绝对值法和单元法的计算结果比采用实用法大。分析其原因有两点：一是IEC 60909中要考虑电源端的系数Cmax（取值一般为1.1），增大了短路电流；二是IEC 60909中要考虑变压器的阻抗系数Kt（取值一般小于1），减小了阻抗值，增大了短路电流。

3）IEC 60909中的单元法和实用法比较接近，但因基准电压不同电流的标幺值计算也不同。

4 结论

结合国外风电项目，对以上计算结果进行分析比较，可以看到采用国内规程中短路电流计算方法得到的结果较采用IEC 60909中短路电流计算方法得到的结果偏小。建议采用IEC 60909中的计算方法，以满足国外业主的要求；针对风电项目的特点，短路电流以周期性分量为主，建议采用IEC 60909中的单元法，以简化计算过程。