风电场短路试验与风电短路特性分析

曹增功，牟宏，王春义，赵鹏，徐志，王洪涛

（1．国网山东省电力公司，济南250001；2．国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250002；3．山东大学电气工程学院，济南250061）

·试验研究·

风电场短路试验与风电短路特性分析

曹增功1，牟宏1，王春义1，赵鹏2，徐志3，王洪涛3

（1．国网山东省电力公司，济南250001；2．国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250002；3．山东大学电气工程学院，济南250061）

为验证风电高集中汇集在电网故障时的短路特性和对电网的影响，山东电网开展了接入荣成站110 kV风电场送出线路单相接地短路和风电场35kV馈线三相短路试验。依据短路故障录波数据，分析比较不同类型风电机组的短路电流特性，分别得出了含鼠笼型、双馈型和直驱型风机的风电场在不同短路条件下短路电流的特性规律，对于今后实际电网中风电集中接入下短路电流水平的评估具有重要的指导意义。

风机；风电场；短路试验；短路特性

0 引言

山东省风能资源丰富，近年来风电装机一直保持较快增长速度。山东电网共有84座并网风电场，装机容量582.3万kW，占全省统调机组总容量的9.47%。2014年1月到9月，山东电网共接纳风力发电63.95亿kWh，同比增长7.91%。据山东电力工业“十二五”规划和山东省千万千瓦级风电基地规划报告显示，山东省初步规划了鲁北、莱州湾、渤中、长岛、半岛北和半岛南六大百万千瓦级海上风电基地，山东风电将迎来新一轮的快速发展。

随着山东电网中风电场装机容量的增加，大规模风电接入系统对电力系统电能质量影响较大，风电所占系统容量份额增加的同时，向系统提供的短路电流也越来越大，由不同风电机组组成的风电场对电网的影响也不同。因此，研究不同风电机组组成的风电场的短路特性是非常必要的。到目前为止，国内外许多专家对电网发生故障时对风电场的影响及不同类型风机的短路特性进行了研究。

文献［1-2］通过实际算例说明风电场接入系统后增加了邻近母线的短路电流，文献［3］比较了异步定速风电机组与双馈变速发电机组的短路电流波形，指出双馈变速风电机组的短路电流特性与转子侧变流器的转子短路器保护设置相关。当转子短路器动作将机组转子短路后，机组的短路电流特性与固定转速风电机组类似，呈现出很快的衰减特性。文献［4］对三相对称短路故障情况下风力发电机组的运行特性进行了研究，表明采用全功率变频器的直驱式风电机组在三相对称短路故障情况下，变频器可以实现故障的有效隔离，其注入电网的短路电流是可以控制的。文献［5］通过建立D-PMSG和DFIG风电机组详细的电磁暂态模型，仿真分析了D-PMSG和DFIG风电机组在单相、三相短路故障下的故障特性，指出D-PMSG在电网发生故障时能向电网提供几乎恒定的持续故障电流和一定的无功支持，DFIG在电网发生故障时能提供持续的故障电流，但故障电流呈衰减特性。文献［6］在MATLAB/Simulink环境下分别搭建了由双馈异步风电机组、普通异步风电机组和直驱永磁同步风电机组组成的单机无穷大系统，仿真得到了相同容量的3种风电机组在不同故障下的短路电流，分析了其短路特性及对所接入电网电流保护的影响。文献［7］建立了D-PMSG的模型，提出了网侧逆变器附加暂态电压控制器以及直流电压耦合控制系统以增强机组的暂态电压稳定性，分析了双馈风电机组与直驱风电机组的风电场短路电流特性。文献［8］分析了D-PMSG在系统电压降落和风电场邻近母线单相、三相短路故障时的暂态运行特性。

为准确把握风电高集中接入对于山东电网安全稳定运行的影响，调查电网故障时不同类型风机的短路电流特性，在制订了严密措施的前提下，2014年6月12日在山东电网风电场成功开展了人工短路试验，完成了35 kV三相完全金属性接地短路试验和110 kV单相短路试验。基于现场实测数据，分析不同类型风机及风电场在电网故障期间和故障切除后的动态特性。

1 荣成电网概况

荣成电网位于威海市东部，通过220 kV威海电厂—荣成I、II线，以及昆嵛—荣成、石岛线路接入威海电网。目前已形成以220 kV荣成站、石岛站为主供电源，以110 kV、35 kV、10 kV为配电线路的辐射形供电网络。荣成电网地理接线如图1所示。

截至2013年底，荣成电网有220kV变电站2座，变电容量600 MVA；110 kV公用变电站11座，容量698MVA；35kV公用变电站27座，容量320.55MVA；地方公用小火电站4座，装机容量总计69 MW。

图1 荣成电网地理接线

荣成220 kV变电站安装2台主变，220 kV侧并列运行，110 kV、35 kV侧分列运行：1号主变120 MVA、2号主变150 MVA，110 kV双母线接线，主变分段运行。荣成站110 kV规划出线9回，现有出线6回：至港中、俚工、国华风电、蜊江、崖头、崖西各1回，其中，1号主变、国华风电、俚工站在同一段母线（1号母线）；2号主变、港中、蜊江、崖头站、崖西风电在同一段母线（2号母线）。1号主变所带母线已接入风电147.75 MW，即国华1～3期；2号主变所带母线已接入风电168 MW，即华能中电风电和崖西风电。荣成变电站接线如图2所示。

图2 荣成变电站接线图

2 试验风电场机组

电网分别接入鼠笼异步风电机组、双馈异步风电机组和永磁直驱风电机组成的风电场，当电网发生故障时，由于不同机组具有不同的动态特性，对系统暂态特性的影响也不同。

荣成电网并网风电场基于多种风机类型，其中国华二、三期和崖西二、三期风电场均采用永磁直驱风力发电机组，总装机容量为198 MW；国华一期风电场采用鼠笼异步风力发电机组，总装机容量为48.75 MW；华能中电威海风电场采用双馈异步风力发电机组，总装机容量为75 MW。本次人工短路试验将故障点设置在110 kV荣华线上，将对周围基于不同类型风机的风电场造成不同影响，不同风电机组也将表现出不同的短路特性，对电网的影响也将不同。

2.1 永磁直驱风电机组

国华二、三期和崖西二、三期风电场均采用永磁直驱风力发电机组，风电场风机采用金风直驱型风机，单个机组满发功率为1.5 MW。风力发电机组均采用一机一变单元接线方式，经箱式变压器升压后接至35 kV集电线路后，分别经2回35 kV集电线路汇接至风电场110 kV升压变电站35 kV母线，通过2台主变升压后经1回110 kV荣华线接至220 kV荣成站。

永磁直驱风电机组（D-PMSG）的基本结构如图3所示，主要包括风轮机、永磁同步发电机、全功率变流器。直驱式永磁同步风力发电机是由永磁体直接励磁的多极同步直驱风电机组，发电机通过全载的变流器与电网连接。变流器由通过IGBT控制的发电机侧变流器和电网侧变流器组成，发电机侧变流器采用双环（即电压环和电流环）控制，电压外环的作用是控制PWM的直流侧电压udc和交流侧电压uac，电流内环的作用是按电压外环输出的电流参考值来控制变流器的有功功率和无功功率。电网侧变流器通过其电流在d、q轴的分量控制变流器与电网之间交换的有功功率与无功功率。

风电场出口发生三相短路故障时，变流器控制出口电压跟踪电网电压下降，而由于风力机和发电机的惯性，发电机的输入功率基本保持不变，如果要保持功率平衡，则流过变流器的电流将显著增大，巨大的短路电流将损坏变流器的功率器件，因此逆变器一般都装有限流环节，使得流过变流器的电流一般不超过1.5倍额定值，而将多余的能量存储于风力机和发电机转子中，或通过卸流环节消耗或释放掉。由此可见，由于变频器限流环节的作用，使得D-PMSG风电场对附近节点短路容量的影响较小，粗略计算情况下甚至可以忽略，即不考虑D-PMSG向电网提供的短路电流。

图3 基于双PWM变流器的永磁直驱风力发电系统结构

2.2 鼠笼异步风电机组

国华一期风电场采用鼠笼异步风电机组，单个机组满发功率为1.25 MW。风力发电机组均采用一机一变单元接线方式，经箱式变压器升压后接至35 kV集电线路后，分别经1回35 kV集电线路汇接至110 kV成山变电站35 kV母线，通过1台主变升压后经1回110 kV荣工线接至220 kV荣成站。鼠笼异步电机的结构如图4所示。

图4 鼠笼异步电机的结构

大规模直接并网的鼠笼异步风力发电系统由4部分组成：风速、风力机、异步发电机和补偿电容器组。风力机通过传动机构与异步发电机相耦合，由于异步机转子的旋转速度与风轮的转速相差很大，所以传动机构是必不可少的。此外，发电机的定子绕组直接与电网相连，定子绕组频率等于电网频率，而发电机的滑差率一般小于5%，因此发电机转子轴的转速实际上是不变化的（即使有速度变化，其范围大概1%～2%），故此种类型的风力发电机组也叫做“恒速”型风力机。异步发电机消耗无功功率，当风力发电机组的容量较大或者是风力机系统是与“弱电网”相连接的时候，需要接入补偿电容器组来增加异步发电机的励磁电流，提高整个风力发电系统的功率因数。

鼠笼异步风力发电机没有励磁回路，只能通过外部电源进行励磁。在给定转速的条件下感应发电机的电磁转矩Te与机组出口电压U的平方成正比，即有

式中：K为与发电机参数有关的常数；s为发电机转差率。

异步发电机的转子运动方程为

式中：J为发电机旋转模块的转动惯量；Tm为作用在与发电机相连的风机转子上的机械转矩；ω为发电机转子转速。

电网发生故障使机端电压降低时发电机的输出转矩减小，在机械转矩保持不变的情况下，发电机电磁转矩的减小会造成转子加速。在切除电网故障后的系统电压恢复过程中，发电机要从电网中吸收大量无功电流以重建发电机内部电磁场，这样就导致了电网中出现较大的冲击电流，并在风电机组（或风电场）和与其相连的变电站的联络线上产生很大电压降，从而进一步降低了风电机组（或风电场）出口电压。

2.3 双馈异步风电机组

港西华能一、二期风电场采用双馈异步电机，单个机组满发功率为1.5 MW。风力发电机组均采用一机一变单元接线方式，经箱式变压器升压后接至35 kV集电线路后，分别经1回35 kV集电线路汇接至风电场110 kV升压变电站35 kV母线，通过1台主变升压后通过1回110 kV荣港线接至220 kV荣成站。

双馈异步风力发电机是以双馈异步电机作为发电机的风电机组，与定速感应风电机组不同的是，双馈发电机的转子通过一个背靠背的部分负载变流器（变流器容量为发电机额定容量的25%～30%）与电网相连。变流器由通过绝缘栅双极晶体管控制的转子侧变流器和电网侧变流器组成。双馈异步风力发电系统结构如图5所示。

图5 双馈异步风力发电系统结构

转子侧变流器利用转子电流在同步旋转坐标系d轴、q轴上的分量控制定子绕组的有功功率和无功功率，从而实现了发电机有功功率和无功功率的解耦控制。电网侧变流器通过电网电流在d轴、q轴上的分量控制电网侧变流器与电网之间交换的有功功率与无功功率，并通过有功电流控制直流电压，通过无功电流控制交流侧电压与电流的相位。故障切除后机组利用重新启动的变流器控制有功功率和无功功率，减小了发电机磁场重建时所造成的电网冲击电流以及机组出口的电压降，另外通过变流器还可以控制双馈感应风电机组的转速。可见在外部条件相同的情况下，与恒速风电机组相比双馈机组提高了系统的稳定性。

为保障转子回路四象限功率变流器的安全运行，双馈异步风电机组中的双馈感应发电机配置了撬棒保护。撬棒保护启动后，转子三相绕组被短接，四象限变流器被旁路。由于撬棒保护动作快速（μs级），定子并网接触器尚未跳闸前，DFIG将存在短时鼠笼异步运行状态，这样将导致双馈感应风电机组需从电网吸收无功功率，从而可能影响接入点电压水平，当吸收无功功率很大时，甚至可能危及电网电压稳定。

3 风电场短路电流特性分析

110 kV荣华线C相接地短路期间，荣成变电站及输电线路上的短路电流变化如表1所示，其中荣成站2号主变110 kV侧电流由故障前的0.065 kA增加至1.9 kA，增加幅度达到29倍；汇接至荣成220 kV变电站的荣华线、国华线、荣港线等110 kV风电场送出线的三相电流同步变大，C相故障电流变化最显著；汇接至荣成220 kV变电站的荣蜊线等110 kV非风电场送出线路电流变化较小。

表1 110kV单相短路故障线路电流

3.1 含永磁直驱风机的风电场短路电流特性

国华荣成二、三期风电场与国华崖西二、三期风电场，风机类型、风机数量、风电场装机容量完全一致。并且，在短路故障时，两个风电场出力非常接近，都在23 MW左右，约为额定出力的23%。

荣华线国华荣成二、三期风电场侧母线电压及短路电流如图6所示，110kV荣华线C相接地短路发生后，国华荣成二、三期风电场升压站高压侧C相电压由故障前的66.7kV跌落至12.5 kV，跌落深度达到81%；A相和B相电压略微下降，跌落深度分别为8%和12%。荣华线的国华荣成二、三期风电场侧的C相短路电流由故障前的0.12 kA增加至1.02 kA，增加幅度达到8.5倍，短路电流在故障期间并未发生衰减现象，在短路切除瞬间，短路值仍然维持在1.09 kA的幅值。约76.67 ms后荣成站110 kV荣华线线路保护动作，线路切除，风电场110 kV电压进入暂态过程，电压、频率振荡变化，7 100 ms后三相电压跌落至零。

图6 荣华线国华荣成二、三期风电场侧母线电压及短路电流

国华线崖西二、三期风电场侧母线电压及短路电流如图7所示，110 kV荣华线C相接地短路发生后，崖西二、三期风电场升压站高压侧C相电压由故障前的66.3 kV跌落至40.88 kV，跌落深度达到38%；A相和B相电压略微下降，跌落深度都为8%。国华线的崖西二、三期风电场侧的C相短路电流由故障前的0.12 kA增加至0.19 kA，增加幅度达到1.6倍，短路电流在故障期间并未发生衰减现象，在短路切除瞬间，短路值仍然维持在0.19 kA的幅值。约76.67 ms后荣成站110 kV荣华线线路保护动作，故障线路切除，国华崖西二、三期风电场的输出电压、电流和功率恢复正常。

图7 国华线崖西二、三期风电场侧母线电压及短路电流

通过相同机型、容量和出力的两个风电场在短路故障中电流波形图可以看出，直驱型风机由于通过全功率变流器与电网相连，其故障电流受全功率变流器控制，在故障前后具有保持恒定输出功率的特性，因此随着短路电流与母线电压呈反比，风电场越接近短路点，母线电压下降幅度越大，直驱型风机提供的短路电流越大。在短路期间，风机输入功率即风速可认为保持不变，从而风机输出的短路电流没有衰减现象，一直保持在同一幅值水平。通过理论分析，还可以得出直驱型风机所提供的短路电流将受全功率变流器容量和安全约束的限制，最大限值为1.5 pu。随着短路点位置前移更靠近风电场时，将使风机机端电压进一步下降，直驱风机提供的短路电流将呈反比上升，直到稳定至全功率变流器的输出上限1.5倍额定电流为止。

3.2 含鼠笼异步风机的风电场短路电流特性

成山国华一期风电场采用鼠笼异步风电机组，经2回35 kV出线接入110 kV成山站。以35 kV 1号出线为例，在110 kV荣华线C相接地短路发生后，C相电压由故障前的21 kV跌落至16.26 kV，跌落深度达到21.18%，A相和B相电压略微下降，跌落深度都为5.58%；C相短路电流由故障前的0.10 kA增加至0.30 kA，增加幅度达到3倍，短路电流在故障期间发生快速衰减现象，在短路切除瞬间，短路电流值已降至0.08 kA，如图8所示。

图8 成山国华一期风电场35 kV 1号出线电压及电流变化

对比国华一期风电场和国华崖西二、三期风电场的母线电压、短路电流波形可以看出，故障前国华一期风电场和国华崖西二、三期风电场送出线的电流相同，升压站母线电压相近；单相短路故障期间，国华一期风电场和国华崖西二、三期风电场的升压站母线电压变化情况基本相同，但短路电流有较大的差别：成山国华一期风电场35 kV 1号出线C相短路电流增至3倍，故障期间存在快速衰减现象；国华线的国华崖西二、三期风电场侧的C相短路电流增至1.6倍，故障期间并未发生衰减。

通过理论分析，在同一短路故障导致母线电压跌落至同一水平时，鼠笼型风电机组将会提供相当于直驱式永磁风电机组2倍的短路电流，故障清除后快速衰减。

3.3 含双馈异步风机的风电场短路电流特性

港西华能风电场采用双馈异步风电机组，如图9所示，在110 kV荣华线C相接地短路故障发生后，港西华能风电场升压站高压侧C相电压由故障前的66.1 kV跌落至41.57 kV，跌落深度达到36.5%；A相和B相电压略微下降，跌落深度都为6.1%。荣港线的港西华能风电场的C相短路电流由故障前的0.02 kA增加至0.21 kA，增加幅度达到10倍，短路电流在故障期间发生衰减现象，在短路切除后73 ms，短路电流逐渐衰减，最终恢复至正常值。

图9 港西华能风电场荣港线电压及出线电流

3.4 三种类型风电场短路电流特性对比分析

对比港西华能风电场（双馈异步风电机组）、国华一期风电场（鼠笼异步风电机组）和国华崖西二、三期（永磁直驱风电机组）风电场的母线电压、短路电流波形可以看出，故障前三个风电场升压站母线电压基本相同，但由于输电线功率不同，港西华能风电场出线电流在故障前数值较小，单相短路故障期间，3个风电场的升压站母线电压变化情况基本相同，但短路电流变化有较大差别。其中含双馈异步风机的港西华能风电场短路电流增至故障前的10倍以上，增幅较大；含鼠笼异步风电机组的国华一期风电场短路电流增加幅度达到3倍；而含永磁直驱风电机组的崖西二、三期风电场短路电流增加幅度为到1.6倍。试验表明，在同一短路故障导致母线电压跌落至同一水平时，不同类型的风电机组的短路特性有较大差别，且短路电流的幅值增加倍数与故障前风机的出力水平直接相关。其中短路故障期间，双馈异步风电机组将提供较大的短路电流，且逐渐衰减，故障切除后经较长时间恢复至稳态值；鼠笼异步风电机组提供的短路电流小于双馈风机，大于直驱风机，短路电流衰减较快；永磁直驱风电机组提供的短路电流较小，且故障期间基本不衰减，理论分析表明直驱式风机短路电流受全功率变流器的控制，短路电流的上限被限定为1.1～1.5倍额定电流。

4 结语

为验证山东荣成电网风电高集中接入荣成站的风电场在电网故障时的短路特性及对电网的影响，于2014年6月12日组织开展了风电场送出线路单相接地短路和三相短路试验。依据短路故障录波数据，分析比较不同类型风电机组的短路电流特性，分别得出了含鼠笼型、双馈型和永磁直驱型风机的风电场在不同短路条件下短路电流的特性规律。

当外部条件相同时，当电网中某点发生短路故障时，分别由永磁直驱、双馈感应和鼠笼异步风电机组组成的风电场的短路特性不同，对电网稳定性的影响不同；短路故障期间，双馈感应风电机组将提供较大的短路电流，且逐渐衰减，故障切除后经较长时间恢复至稳态值；鼠笼异步风电机组提供的短路电流小于双馈风机，大于直驱风机，短路电流衰减较快；永磁直驱风电机组提供的短路电流较小，且故障期间基本不衰减。直驱式风机短路电流受全功率变流器的控制，短路电流的上限被限定为1.1～1.5倍倍额定电流。

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Tests and Characteristics Analysis of Wind Farm Short Circuit

CAO Zenggong1，MU Hong1，WANG Chunyi1，ZHAO Peng2，XU Zhi3，WANG Hongtao3
（1.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；2.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250002，China；3.School of Electrical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China）

In order to verify the wind farm short circuit current characteristic and its influence on power grid due to large scale wind farms integration on Rongcheng power station，Shandong electric power company organizes three-phase and single-phase short circuit tests.By comparing the short circuit current characteristics of different type wind turbines with the field test data from the digital fault recorder，the wind turbine’s contributions to the system short circuit current are determined with squirrelcage induction generator（SCIG），doubly fed induction generator（DFIG）and permanent magnet synchronous generator（PMSG）. In addition，the short circuit current characteristics of wind farm are summarized and deepen understood from the field test data. With the analysis result，Shandong Rongcheng wind farm short circuit field test would have very good reference and directive significance for large scale wind power centralized integration to the actual power grid.

wind turbine；wind farm；short-circuit test；short-circuit current characteristic

TM713

A

1007－9904（2015）02－0008－07

2015-12-10

曹增功（1963），男，高级工程师，主要从事电网规划和电力系统运行分析工作；

牟宏（1968），男，高级工程师，主要从事电网规划和电力系统运行分析工作；

王春义（1980），男，高级工程师，主要从事电网规划和电力系统运行分析工作；

赵鹏（1985），男，工程师，主要从事新能源并网、电力系统安全与稳定研究工作。