風(fēng)電場短路電流計算的探討

石 巍，張彥昌

（中南電力設(shè)計院，武漢 430071）

短路電流計算是風(fēng)電場設(shè)計中一項重要的內(nèi)容，國外都采用國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC 60909中規(guī)定的方法，但是我國目前還沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，大多采用水利電力部西北電力設(shè)計院編制的《電力工程電氣設(shè)計手冊》所給出的方法，由于計算方法不盡相同，計算的結(jié)果自然也就不同。本文將結(jié)合風(fēng)電工程的接線特點，比較和分析這兩種短路電流計算方法，并通過分析計算結(jié)果，找出一種滿足國外項目業(yè)主要求的、適用于風(fēng)電項目的簡化計算方法。

1 短路電流的計算方法

計算電力線路的短路電流，目前我國一般采用《電力工程電氣設(shè)計手冊》（以下簡稱手冊）推薦的方法，國外一般采用IEC 60909規(guī)定的短路電流計算方法。

1.1 手冊中的短路電流計算方法

手冊中的短路電流計算方法也稱為實用法，主要分為以下幾個步驟：①設(shè)定計算條件；②電路元件參數(shù)計算。包括基準(zhǔn)值計算和各元件參數(shù)標(biāo)幺值計算；③網(wǎng)絡(luò)變換；④三相短路電流周期分量計算。包括無限大電源供給的短路電流和有限電源供給的短路電流；⑤三相短路電流非周期分量計算；⑥沖擊電流和全電流的計算。

1.2 IEC 60909中的短路電流計算方法

IEC 60909中的短路電流計算方法分為絕對值法、單元法和疊加法。

絕對值法分為遠端短路系統(tǒng)和近端短路系統(tǒng)。主要分為以下幾個步驟：①設(shè)定計算條件；②電路元件參數(shù)計算。計算電路各個元件參數(shù)的絕對值；③網(wǎng)絡(luò)變換；④三相短路電流計算。對于遠端短路系統(tǒng)，短路電流中交流分量不衰減。對于近端短路系統(tǒng)，短路電流中交流分量衰減。⑤短路電流峰值的計算。單元法和絕對值法的計算步驟一樣，不同的是元件參數(shù)采用的是標(biāo)幺值計算。疊加法就是采用疊加原理的絕對值法。

2 案例

本文將結(jié)合風(fēng)電工程的接線特點，對實用法、絕對值法和單元法的計算過程和結(jié)果進行分析和比較。

2.1 案例一

案例一為50MW風(fēng)電場，風(fēng)電場由33臺1.5MW的風(fēng)電機組組成，其中發(fā)電機可以是雙饋異步發(fā)電機也可以是永磁直驅(qū)同步發(fā)電機，案例一將對采用這兩種發(fā)電機的風(fēng)電場進行計算。風(fēng)電機組采用1.5MW雙饋異步發(fā)電機，風(fēng)機堵轉(zhuǎn)電流為7～9倍額定電流，這里取7倍；發(fā)電機組采用1.5MW永磁直驅(qū)同步發(fā)電機，受變流器的限制，短路電流為1.5～2倍額定電流，這里取1.5倍。每臺機組配備一個36.75kV／0.69kV箱變，箱變?nèi)萘?.6MVA，變壓器的阻抗電壓為6.5%，空載電流為0.85%。33臺風(fēng)力發(fā)電機組為三組，每組11臺風(fēng)機組成一個35kV集電線路，集電線路的阻抗相對于風(fēng)機和箱變的阻抗較小，計算中可以忽略不計。三條集電線路將三組箱變匯總到一個110kV／36.75kV主變壓器，變壓器的容量為50MVA，變壓器的阻抗電壓為10.5%，空載電流為0.3%。圖1為風(fēng)電場常規(guī)接線方案。計算時220kV系統(tǒng)按50kA的斷路器遮斷水平進行計算；35kV系統(tǒng)以35kV為短路點計算短路電流。

圖1 案例一的風(fēng)電場接線

1）實用法 圖2為采用實用法計算風(fēng)電場的等效阻抗正序圖（Sj＝100MVA）。計算結(jié)果見表1。

圖2 采用實用法計算風(fēng)電場短路電流的等效電路

表1 風(fēng)電場短路電流和沖擊電流（實用法）kA

可以看到：實用法由于沒有進行系數(shù)修正，阻抗相對偏高，因此短路電流計算結(jié)果偏小。實用法比較適合于對系統(tǒng)進行粗略快速的計算。

2）絕對值法 圖3為采用絕對值法計算風(fēng)電場的等效阻抗正序圖，計算結(jié)果見表2。

圖3 采用絕對值法計算風(fēng)電場短路電流的等效電路

表2 對風(fēng)電場短路電流和沖擊電流（絕對值法）kA

可以看到：絕對值法進行了系數(shù)修正，阻抗相對偏小，短路電流計算結(jié)果偏大。絕對值法的計算過程相對于實用法要復(fù)雜一些，比較適合于對系統(tǒng)進行詳細和準(zhǔn)確的計算。

3）單元法 圖4為采用單元法計算風(fēng)電場的等效阻抗正序圖（Sj＝100MVA），計算結(jié)果見表3。

表3 風(fēng)電場短路電流和沖擊電流（單元法）kA

可以看到：單元法和實用法的計算方法比較接近，單元法進行了系數(shù)修正，阻抗相對偏小，因此短路電流計算結(jié)果和絕對值法比較一致。單元法相對絕對值法要簡單一些，比較適合于進行常規(guī)短路水平計算。

圖4 采用單元法計算風(fēng)電場短路電流的等效電路

2.2 案例二

案例二為100MW風(fēng)電場，風(fēng)電場由66臺1.5MW的風(fēng)電機組組成。案例二同樣對風(fēng)電場采用雙饋異步發(fā)電機和永磁直驅(qū)同步發(fā)電機時的短路電流和沖擊電流進行計算。66臺風(fēng)力發(fā)電機組分為六組，每組11臺，由6條集電線路將所有風(fēng)力發(fā)電機組的1.6MVA箱變匯總到220 kV／36.75kV主變壓器，見圖5。

圖5 案例二的風(fēng)電場接線

主變壓器容量為100MVA；變壓器的阻抗電壓為145%，空載電流為0.8%。風(fēng)電場短路電流和沖擊電流見表4。

表4 風(fēng)電場短路電流和沖擊電流 kA

可以看到：方案二和方案一的結(jié)論是一致的。

3 計算結(jié)果比較

案例一和案例二，分別采用實用法、絕對值法和單元法，對計算結(jié)果進行分析和比較，可以發(fā)現(xiàn)下面幾點。

1）采用IEC 60909中絕對值法和單元法的計算結(jié)果非常接近。單元法忽略了電路中的電阻，計算比較簡便，但不能計算非周期分量，絕對值法中的電路參數(shù)采用復(fù)數(shù)，計算比較復(fù)雜，但計算結(jié)果比較全面和準(zhǔn)確。

2）采用IEC 60909中絕對值法和單元法的計算結(jié)果比采用實用法大。分析其原因有兩點：一是IEC 60909中要考慮電源端的系數(shù)Cmax（取值一般為1.1），增大了短路電流；二是IEC 60909中要考慮變壓器的阻抗系數(shù)Kt（取值一般小于1），減小了阻抗值，增大了短路電流。

3）IEC 60909中的單元法和實用法比較接近，但因基準(zhǔn)電壓不同電流的標(biāo)幺值計算也不同。

4 結(jié)論

結(jié)合國外風(fēng)電項目，對以上計算結(jié)果進行分析比較，可以看到采用國內(nèi)規(guī)程中短路電流計算方法得到的結(jié)果較采用IEC 60909中短路電流計算方法得到的結(jié)果偏小。建議采用IEC 60909中的計算方法，以滿足國外業(yè)主的要求；針對風(fēng)電項目的特點，短路電流以周期性分量為主，建議采用IEC 60909中的單元法，以簡化計算過程。