風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行短路故障仿真分析

崔洪遠(yuǎn)，岳 亮，高 亮

(1.江西中電投新能源發(fā)電有限公司，江西 南昌 330038;2.上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090)

近年來(lái)，以風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池等為代表的分布式電源技術(shù)得到了迅速發(fā)展.其中，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)作為目前世界上可再生能源開(kāi)發(fā)利用中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開(kāi)發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一，更是受到世界各國(guó)的重視并得到快速的發(fā)展.但當(dāng)以風(fēng)力發(fā)電為代表的分布式電源接入配電網(wǎng)時(shí)，必然將會(huì)改變配電網(wǎng)的潮流分布，也會(huì)給配電網(wǎng)的保護(hù)帶來(lái)影響.

目前，在電力系統(tǒng)的保護(hù)配置中尚未考慮風(fēng)電場(chǎng)的影響，只是簡(jiǎn)單地將風(fēng)電場(chǎng)視為一個(gè)負(fù)荷或同等容量的同步發(fā)電機(jī).然而，當(dāng)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)后，在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將向短路點(diǎn)提供一定的短路電流［1］.如果此時(shí)仍然忽略風(fēng)電場(chǎng)注入的短路電流，則將會(huì)對(duì)保護(hù)設(shè)備的動(dòng)作產(chǎn)生影響.此外，不同類型的風(fēng)電機(jī)組并入電網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響也不相同.

本文利用Matlab中的動(dòng)態(tài)仿真工具Simu-link，構(gòu)建了3種不同的風(fēng)電機(jī)組(雙饋異步風(fēng)電機(jī)組、永磁同步風(fēng)電機(jī)組和鼠籠式異步風(fēng)電機(jī)組)并入電網(wǎng)后的模型，比較3者在相同故障下短路電流的特點(diǎn)，并對(duì)它們并網(wǎng)運(yùn)行后的短路電流注入問(wèn)題進(jìn)行了探討.

1 風(fēng)電機(jī)組簡(jiǎn)介

目前，并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng).變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化而變化，系統(tǒng)通過(guò)電力電子變換技術(shù)使發(fā)電機(jī)頻率與系統(tǒng)頻率保持一致.該系統(tǒng)主要有雙饋異步發(fā)電機(jī)和直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)兩種.

(1)雙饋異步發(fā)電機(jī) 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.風(fēng)力機(jī)經(jīng)齒輪箱驅(qū)動(dòng)雙饋電機(jī)，發(fā)電機(jī)的定子繞組直接與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)變頻器與電網(wǎng)相連.根據(jù)風(fēng)速的變化和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，由變頻裝置調(diào)整轉(zhuǎn)子電流的頻率，以實(shí)現(xiàn)定子感應(yīng)電勢(shì)的恒頻控制，即變速恒頻控制.

圖1 雙饋異步發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意

(2)直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī) 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.風(fēng)力機(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子直接耦合，發(fā)電機(jī)的輸出端電壓和頻率隨風(fēng)速的變化而變化，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子由風(fēng)力機(jī)直接拖動(dòng)，省略了升速齒輪箱，因此增加了機(jī)組的可靠性，延長(zhǎng)了機(jī)組的壽命.

圖2 永磁同步發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意

2 仿真分析

將風(fēng)電場(chǎng)接入單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)后，當(dāng)聯(lián)絡(luò)線發(fā)生故障時(shí)對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，仿真系統(tǒng)見(jiàn)圖3.

在相同故障情況下，比較同容量雙饋異步風(fēng)電機(jī)組、永磁同步風(fēng)電機(jī)組和鼠籠式異步風(fēng)電機(jī)組的短路電流變化情況.其中，風(fēng)電場(chǎng)由9 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組成，風(fēng)力發(fā)電機(jī)出口電壓為575 V，通過(guò)升壓將其升至25 kV，再通過(guò)長(zhǎng)為30 km的25 kV輸電線路送至升壓站，將電壓升至120 kV，最終接入無(wú)窮大系統(tǒng).

圖3 風(fēng)電場(chǎng)接入到無(wú)窮大系統(tǒng)示意

假設(shè)在圖3中的K處3 s時(shí)發(fā)生了三相故障，3.1 s時(shí)故障清除，則雙饋異步風(fēng)電機(jī)組和永磁同步風(fēng)電機(jī)組的短路電流分別見(jiàn)圖4和圖5.

圖4 K處發(fā)生故障時(shí)雙饋異步發(fā)電機(jī)的短路電流波形

圖5 K處發(fā)生故障時(shí)直驅(qū)式永磁發(fā)電機(jī)的短路電流波形

由圖4和圖5可知，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時(shí)，雙饋異步發(fā)電機(jī)的瞬間最大短路電流達(dá)到3.0 p.u.，而永磁同步發(fā)電機(jī)的瞬間最大短路電流為1.5 p.u..經(jīng)過(guò)短時(shí)的波動(dòng)后，當(dāng)故障清除時(shí)，兩種風(fēng)機(jī)的電流均達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài).因此，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的介入使電網(wǎng)具有更高的可控性，在一定程度上保證了風(fēng)力場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和安全性.

在同樣情況下，鼠籠式異步發(fā)電機(jī)的短路電流曲線如圖6所示.

由圖6可以看出，發(fā)生三相短路故障時(shí)，鼠籠式異步發(fā)電機(jī)提供的瞬間最大短路電流達(dá)到3.5 p.u.，但由于發(fā)電機(jī)組配置了無(wú)功補(bǔ)償裝置，因此電流在經(jīng)過(guò)波動(dòng)后達(dá)到了新的穩(wěn)定狀態(tài).

圖6 K處發(fā)生故障時(shí)鼠籠式異步發(fā)電機(jī)的短路電流波形

在相同的故障狀況下，不同風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)時(shí)注入短路電流的特性也不相同，且隨著風(fēng)力發(fā)電容量及其在發(fā)電總?cè)萘恐兴急戎氐脑龃螅鋾簯B(tài)電流等因素也需要在保護(hù)配置時(shí)加以考慮.通過(guò)對(duì)各種風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、并網(wǎng)方式及仿真結(jié)果的分析可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展方向?qū)⒁噪p饋異步發(fā)電機(jī)和直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)為主.

3 風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)繼電保護(hù)的影響及解決措施

3.1 風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)繼電保護(hù)的影響

目前，我國(guó)的中、低壓配電網(wǎng)主要是不接地(或經(jīng)消弧線圈接地)、單側(cè)電源、輻射型供電網(wǎng)絡(luò)［2］，這種配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資小且維護(hù)方便.而大多數(shù)的風(fēng)電場(chǎng)是通過(guò)配電網(wǎng)接入電網(wǎng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入配電網(wǎng)后將改變電網(wǎng)的原有結(jié)構(gòu)特征，對(duì)電網(wǎng)的短路電流分布和繼電保護(hù)之間的配合都會(huì)產(chǎn)生影響.

在配電網(wǎng)中，一般配置傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)，即電流速斷保護(hù)、限時(shí)電流速斷保護(hù)和定時(shí)限過(guò)電流保護(hù).其中，電流速斷保護(hù)是按照躲開(kāi)本線路末端的最大短路電流的方法對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行整定，不能保護(hù)線路全長(zhǎng);限時(shí)電流速斷保護(hù)是按照本線路末端故障有足夠靈敏度并與相鄰線路的瞬時(shí)電流速斷保護(hù)相配合的方法對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行整定，能夠保護(hù)本線路全長(zhǎng);定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)按照躲過(guò)本線路最大負(fù)荷電流并與相鄰線路的過(guò)電流保護(hù)相配合的方法對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行整定，作為相鄰線路保護(hù)的遠(yuǎn)后備，且能夠保護(hù)相鄰線路的全長(zhǎng)［3］.現(xiàn)有的配電系統(tǒng)引入風(fēng)力發(fā)電機(jī)組后，原有的配電網(wǎng)絡(luò)將不再是純粹的單電源、輻射型供電網(wǎng)絡(luò)，配電網(wǎng)絡(luò)中短路電流的大小、流向、分布等都將與風(fēng)電場(chǎng)接入之前有較大差別.風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)保護(hù)動(dòng)作的行為產(chǎn)生如下影響:

(1)導(dǎo)致線路保護(hù)動(dòng)作的靈敏度降低，嚴(yán)重時(shí)甚至拒動(dòng);

(2)導(dǎo)致線路保護(hù)誤動(dòng)作;

(3)導(dǎo)致相鄰線路的瞬時(shí)速斷保護(hù)誤動(dòng)作，從而失去選擇性.

3.2 基于多Agent系統(tǒng)的保護(hù)方案

Agent是一種具有知識(shí)、目標(biāo)和能力，并能單獨(dú)或在人的點(diǎn)撥下進(jìn)行推理決策的能動(dòng)實(shí)體，Agent系統(tǒng)具有自治性、可通信等特點(diǎn)［4］.而多Agent系統(tǒng)是一種智能化的開(kāi)放的分布式系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn):可在軟件、硬件上簡(jiǎn)化保護(hù)的配置;通過(guò)Agent之間的協(xié)作可以增強(qiáng)問(wèn)題的求解能力及求解的可靠性;多個(gè)智能體可并行操作，以提高效率;智能體之間相互通信協(xié)作，具有較好的容錯(cuò)能力;智能體既可協(xié)同工作，也可單獨(dú)工作，具有較高的靈活性［5］.因此，采用多Agent系統(tǒng)可以提高并改善保護(hù)性能.用于電力系統(tǒng)保護(hù)中的多Agent系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7.

圖7 用于協(xié)調(diào)保護(hù)的多Agent結(jié)構(gòu)示意

Agent不僅可以在同類之間進(jìn)行通信同時(shí)還可以在不同類之間進(jìn)行通信.這一結(jié)構(gòu)模式相當(dāng)于在傳統(tǒng)的保護(hù)裝置基礎(chǔ)上增加了網(wǎng)絡(luò)通信、同步相量測(cè)量、廣域后備保護(hù)算法等功能構(gòu)成的智能體，因此也需要可以為這些軟件Agent提供支持的硬件平臺(tái).隨著多Agent技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用，以及通信技術(shù)的快速發(fā)展，多Agent技術(shù)在配電網(wǎng)保護(hù)領(lǐng)域?qū)?huì)發(fā)揮更大的作用，得到廣泛應(yīng)用.

4 結(jié)語(yǔ)

筆者使用Matlab中的動(dòng)態(tài)仿真工具Simulink，對(duì)3種不同風(fēng)機(jī)接入電網(wǎng)的情況進(jìn)行了故障仿真，分析了其短路電流的特性，為電網(wǎng)的保護(hù)和整定提供了依據(jù).同時(shí)，隨著通信技術(shù)和智能電子裝置等的快速發(fā)展，基于多Agent的技術(shù)在繼電保護(hù)領(lǐng)域?qū)?huì)有很好的應(yīng)用前景，能解決以風(fēng)力發(fā)電為代表的分布式電源接入給電網(wǎng)保護(hù)帶來(lái)的諸多問(wèn)題.

［1］文玉玲，晁勤，吐?tīng)栠d·依不拉音，等.關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)適應(yīng)性繼電保護(hù)的探討［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(5):47-51.

［2］王明俊，劉廣一，于爾鏗.配電系統(tǒng)自動(dòng)化及其發(fā)展［J］.電網(wǎng)技術(shù)，1996，20(12):62-65.

［3］張保會(huì)，尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2005:20-28.

［4］盛萬(wàn)興，楊旭升.多Agent系統(tǒng)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2007:64-70.

［5］王慧芳.電網(wǎng)繼電保護(hù)整定技術(shù)及基于多Agent的保護(hù)新方法研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2006.