3.3 风电场短路电流计算_风电场电气系统-QQ阅读男生都市网

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3.3 风电场短路电流计算

我国风能资源丰富的地区电网都较薄弱，负荷水平较低，风电并网对系统稳定的影响也较大。在风电场规划和运行时需要考虑电网条件，以保证风电场能够正常运行，同时不会对所接入的地区电网带来不可接受的负面影响。目前国内外电力系统关于短路电流的计算方法及软件都已经相当成熟，但大都不含风力发电机系统。随着风电注入功率的不断增加，准确计算风电场并网点发生短路故障时风电场所提供的短路电流，分析其对于电气设备的选型、导体的选择、继电保护的整定和校验的直接影响，关系到电力系统的安全与稳定。因此，将风电场作为独立系统进行短路电流的分析计算，并揭示其对风电场内系统配置的影响具有重要的现实意义。

风电场不仅风电机组模型复杂，而且在机组布置、运行方式、系统组成及配置等诸多方面与常规电厂差别较大，所以建立一套既能够满足工程精度又能反映风电场短路特性的短路电流计算方法有很好的工程应用价值。

影响短路电流变化规律的主要因素有：①发电机的特性；②发电机对短路点的电气距离。风电场短路电流计算国外都采用国际电工委员会标准IEC60909中规定的方法，但是我国目前还没有相关的标准，大多采用西北电力设计院编制的《电力工程电气设计手册》（1989.1）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。

3.3.1 风电场等值电路模型的建立

电气系统是由各种电气元件和导线连接而成，在短路过程中它们表现出来的电气特性各不相同，因此不可能精确求解出短路后任意时刻电气系统的短路电流值。在工程实际应用中，短路计算只能通过对整个电气系统中的组成元件进行合理的等值、简化，在不改变其主要电气特性的前提下，将复杂的电气网络简化成为可供计算的电路模型。

1．箱式变电站和主变压器的等值电路模型

箱式变电站和主变压器在系统中的作用和运行方式与火电工程相同，因此在风电场等值电路模型中，认为变压器的磁路不饱和，铁芯的电抗值不随电流大小发生变化，同时忽略励磁电流的影响，将其等效为一个电抗。

2．集电线路的等值电路模型

在风电场设计中主要有以下两种风电场集电线路等值电路模型的处理方式：

（1）从电力系统的角度考虑，将风电场等效为一个大的发电机组，在电力系统短路故障分析中，将风电场用PQ节点进行等值，认为风电场的功率因数与单台机组功率因数相同。但该方法忽略了风电场内部集电线路的影响，风电场的集电线路具有电压等级低、线路长度较长的特点，风电场的等值功率因数与单台机组存在较大差别。因此在风电场等值电路中，集电线路阻抗不能被忽略。随着风电场规模越来越大，如仍采用此种等效方式将带来较大的计算误差。

（2）有些潮流计算过程中，将风电场内所有风电机组（包括箱变）的高压侧汇集，经一条线路接到主变低压侧，而未考虑各个风力发电机之间的集电线路，这种等效方式与风电场的实际接线系统差别较大，因此这种等效方式也不可取。

由此可见，目前研究所选取的短路点大多是风电场升压站的主变高压侧，将风电场简化为一个或多个等值模型，而对于主变低压侧及风电场内各个风力发电机之间的短路计算少有研究。

若要求等值电路模型较为准确地描述风电场电气系统，一定要考虑集电线路因素。对现有工程的总结可以发现，对于风电场集电线路R＞X/3，即电阻对短路电流影响很大，此时，考虑用集电线路的阻抗来代替电抗X。

3．单台风电机组的等值电路模型

作为风电场的基本组成单元，单台风电机组的运行特性及其控制模式与火电机组完全不同。所以，不能简单地按照火电项目的等值方式来处理风电机组。现有工程中使用的风电机组大多为双馈异步发电机组，即风力机的转速随风速变化，通过其他控制方式得到恒频电能。其概念模型通常为“变速风力机+变速发电机（双馈异步发电机）”。由于此类风电机组转速可随风速做相应的调整，使其运行始终处于最佳状态，机组效率提高的同时，有功功率、无功功率均可调，对电网起到稳压、稳频的作用，提高发电质量。由于此类风电机组具有单机容量较大、效率较高的特点而被广泛选用。

3.3.2 基本思想

现在还没有一个明确的、被普遍认可的风电机组等值模型。主要有以下基本思想：

（1）将风电机组作为负荷考虑，即不提供短路电流。但实际上风电机组在风电场电气网络中是电源，而不是负荷，因此在短路瞬间认为风电机组不向短路点提供短路电流并不合适。

（2）将风力发电机作为同步发电机处理。目前在风电场设计中大多采用此方法。但实际上大部分风力发电机是异步发电机，提供的短路电流及继电保护整定计算与同步发电机是否相同，有待进一步研究分析。有的资料在简单短路故障分析时，将异步感应发电机用一个“变压器等值”，即T形等值电路来表示。但采用这种等值方式产生的电路模型较复杂，不利于计算。所以，在风电机组的短路电流计算中，核心问题是如何对风电机组异步发电机建立有效、实用的短路计算等值模型。

综上所述，就双馈感应异步发电机而言，基本思路是：由于双馈发电机运行的稳定性，箱式变压器高压侧到升压站母线的集电线路及主变压器高、低压侧短路时，把发电机组作为同步发电机处理，风力发电机出口到箱式变压器低压侧的线路短路时，直接相连的风力发电机不提供短路电流。

3.3.3 具体分析

1．双馈式异步发电机短路电流分析

并网双馈风电机组是当前应用较为广泛的一种风电机组类型。双馈感应发电机的定子侧直接接入电网，转子侧通过双PWM变频器接入电网。当机端发生三相对地短路故障时，发电机内部引起一系列暂态电磁变化，其中最重要的变化就是定子、转子磁链变化。

故障前发电机处于稳态运行，此时定子、转子磁链在空间保持相对静止。机端故障发生时，定子电压将突然减小为0，根据磁链守恒原理，尽管发电机定子电压在故障时发生突变，但在故障瞬间定子磁链仍将保持恒定不变。在忽略定子电阻的前提下，发电机的定子磁链随时间的变化率近似等于定子电压。由于机端故障后定子电压突然下降，因此定子绕组中将出现不随时间变化的磁链直流分量。该磁链分量在空间保持静止且幅值不变（在忽略定子电阻的条件下），若进一步考虑定子电阻的作用，定子磁链直流分量将逐渐衰减，其衰减的速度取决于发电机的参数。

对于转子磁链在故障过程中的变化规律，在忽略转子电阻的前提下，转子磁链的变化率近似等于转子电压的变化率。由于故障前后转子励磁电压维持不变，因此，故障过程中转子磁链相对于转子绕组的运动将保持基本不变，此时转子绕组中将出现不随时间变化的磁链直流分量。该磁链分量在空间相对于转子保持静止，即相对于定子以转子角频率旋转，且幅值不变，若进一步考虑转子电阻的作用，在转子轴系下，发电机转子磁链暂态直流分量将逐渐衰减，其衰减的速度取决于发电机的参数。

图3-3所示为短路故障瞬间定子、转子的磁链，其中α、β分别是短路故障瞬间定子A相电压与q轴的夹角以及转子a相电压与q轴的夹角，由短路前发生的瞬间状态决定。

图3-3 短路瞬间磁链方程

双馈感应发电机与普通异步机最大的不同就是其转子回路通过发电机滑环可以外接外部电压源，并且通过控制转子外接电压的值便可以控制双馈感应发电机发出的有功与无功功率。同步旋转坐标系下双馈感应电机的磁链方程为

定子、转子绕组在d、q绕组的电压方程为

式中 ψsd、ψsq、ψrd、ψrq——定子、转子磁链的d、q轴电压分量；

usd、usq、urd、urq——定子、转子电压的d、q轴电压分量；

isd、isq、ird、irq——定子、转子电流的d、q轴电流分量；

ω——发电机的同步转速；

s——转差率，sω=ω-ωr表示旋转坐标系相对于转子的旋转角速度；

D——微分算子；

Lm——定子、转子互感；

Ls、Lr——定子、转子电感。

为了推导电网故障下双馈风电机组定子、转子磁链电流的表达式，由式（3-1）～式（3-4）可得到利用定子、转子磁链表示的定子、转子电流表达式为

其中

式中 Lls、Llr——定子、转子漏电感。

忽略暂态过程中发电机转速的变化，可以进一步得到短路故障后定子短路电流的近似表达式为

图3-4与图3-5分别描述了同步发电机和双馈式异步发电机的短路电流变化曲线，可以看出双馈式异步发电机由于短路初期变流器仍处于工作状态，此时的短路电流特性与同步机类似，但是同步发电机最大短路电流略大于双馈式异步发电机，并且同步发电机短路电流衰减较慢。在实际工程应用中电气设备的容量选择主要是依靠短路电流周期分量的有效值，而不需要考虑短路电流的衰减特性，因此在具体的短路电流计算中可以把双馈式异步发电机作同步发电机处理。

图3-4 同步发电机短路电流

图3-5 双馈式异步发电机短路电流

2．短路电流计算

过去在含风电场的电力系统短路故障分析中，由于风电场容量较小，缺乏风电场的详细模型，风电场不是被等效为一个负的负荷，就是等效为等容量的同步发电机，忽略了风电场内部集电线路的影响。但是随着风电场规模迅速扩大，并网容量增加，并且在机组布置、运行方式等诸多方面也与火电厂差别较大，风电场等值功率因数与单台机存在较大差别，所以风电场集电线路阻抗是不能忽略的。

下面介绍基于短路容量法的并网风电场短路电流分析方法。

电力网络某点三相短路电流Isc为

式中 Ssc——短路容量，MVA；

U——额定电压，kV；

Isc——短路电流，kV。

由式（3-13）可见，确定短路容量是计算短路电流的关键。电力系统中无论是电网、发电机、电动机这些主动释放能量的设备，还是像变压器、电缆等转换或被动吸收能量的设备，都可以通过各自等效的短路容量来描述。而确定短路容量应考虑电网所有相关设备的影响，不仅有电源系统，也包括变压器、线路等设备。

任一元件（发电机、变压器、线路等）的短路容量可以视作将其连接于无穷大系统后短接所求得的短路容量Ssc，如图3-6所示。

图3-6 计算个别元件短路容量示意图

（1）风力发电机短路容量。

式中 S——风力发电机等效容量，kVA；

x″d——风力发电机的直轴次暂态电抗；

UN——风力发电机平均额定电压，kV；

IN——风力发电机额定电流，A；

Ssc.G——风力发电机短路容量。

（2）变压器短路容量。

式中 Uk%——短路阻抗百分数；

SN——变压器额定容量，kA；

Ssc.T——变压器短路容量，kVA。

（3）架空线、电缆短路容量。

式中 UN——短路处额定电压，kV；

ZL——线路阻抗的模值，Ω；

Ssc.L——架空线、电缆短路容量。

（4）计算短路电流的步骤。将上述公式化简后即可得到故障点的短路容量，由此可得短路容量法计算短路电流的步骤为：

1）绘制系统单线图，并标示故障点。

2）求出所有元件的短路容量。

3）对故障点做短路容量的串并联计算，求出该点的短路容量Ssc。

4）由式（3-13）求得该点的短路电流。

3.3.4 计算实例

考虑到目前我国工程一般采用西北电力设计院编制的《电力工程电气设计手册》中的短路电流计算方法，基于这种计算方法下面给出两个工程实例。

《电力工程电气设计手册》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么值计算；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．案例一

50MW风电场短路电流计算主接线如图3-7所示，风电机组考虑采用1500kW双馈异步发电机和1500kW永磁直驱同步发电机两个方案，数量33台，集电线路分为三组，每组11台风电机组。各设备具体参数如下：