摘要：近年来，我国的电力企业发展迅速，新能源发电也越来越受到重视，其中风能发电是重要的一项。本文首先分析了最常见的永磁同步发电机组和双馈发电机组的数学模型,并构建了一个9MW的风电场接入配电网的仿真模型,在仿真模型上对输电网处和风电场出口处进行了三相短路故障的仿真,在两种短路情况下,对有、无风电场接入时的情况进行了对比分析。仿真结果表明,为确保系统的稳定运行,不能忽略风电场接入对系统产生的影响。
关键词：风电场并网运行;配电网;继电保护;影响
引言
随着用电量的增加，并网运行风电场的容量也越来越大，风电场对电网的影响也越来也突出。包括风电场提供的短路电流及其对风电场的系统继电保护整定的影响等,必须对此进行研究,以确保保护整定计算的准确,防止继电保护装置的拒动或误动。配电网的系统运行方式、风电场容量、故障位置、故障类型等都会对继电保护装置的选择性、灵敏性等产生直接的影响,使安装在电网中不同位置的保护范围缩小或增大。因此,有必要对风电场接入后的故障电流进行分析,利用其特征来改进保护。
1风力发电系统的数学模型
1.1永磁同步发电机模型
在dq坐标系下建立PMSG的数学模型,对于分析PMSG控制过程系统的稳态和动态性能都十分方便。对PMSG在αβ坐标系下的数学模型进行2s-2r坐标换,就可以获得PMSG在dq坐标系下的数学模型。以同步发电机转子磁极为坐标系的d轴,q轴领先d轴90°,得到PMSG在d轴、q轴上的永磁同步电机稳态电压方程
式中ud、uq、id、iq———发电机定子输出电压和电流的d、q
Ld、Lq、Rs———定子电感和电阻;
ω———电机的电角速度;
———为永磁磁通。
电磁转矩方程
式中p———极对数;
Te———电磁转矩
1.2双馈异步发电机模型
把d、q轴放在同步旋转坐标系上来建立双馈风力发电机组的数学模型:
式中ωs———坐标系旋转角速度,等同于同步速ω0;
ωr———转子旋转角速度。
磁链方程
其中:Ls=Lls+Lm,Lr=Llr+Lm,Ls=1.5Lsr式中Lsr———定子、转子互感幅值;Ls———定子各相绕组电感;Lls、Llr———定子、转子每相漏感。双馈风力发电机组广泛应用于变速恒频风力发电系统中,采用矢量控制可实现最大风能追踪和有功、无功解耦调节,以获得优良的发电运行性能。永磁同步发电机组省去了变速箱,从而减少了噪音,节省了维护成本,在电网电压跌落的同时,还能提供一定的无功支持,具有较强的低电压穿越能力,不会对系统产生较大的冲击,从而减少了对电力系统继电保护装置的影响。
2风电场接入与否配电网的故障仿真
图1为风电场接入无穷大电源的示意图,风电场发出的575V电力送到一条汇流母线,由变压器升压后,经30km的线路送到25kV母线,再由25kV/120kV的变压器与无穷大电源相连接。图中,1～6为系统配置的保护,配电网一般为三段式电流保护,即电流速断保护、限时电流速断保护和定时限过电流保护。电流速断保护的整定原则是躲开本线路末端的最大短路电流;限时速断的整定原则是躲开下级各相相邻元件电流速断保护的最大动作范围;过电流保护则是按照躲开本元件最大负荷电流来整定。电流速断和限时电流速断保护主要作为本段线路的主保护,过电流保护作为本段限时速断保护的近后备和下段保护的远后备。
在图1示的电力系统中,当k2点发生短路时,应由保护5断开,把风电场从系统中切除。但当k2离保护4很近时的短路电流很容易超过,保护装置4的整定,将很快动作,即风电场的接入引起了保护装置的误动作。
2.1k2处发生三相短路故障的比较
仿真结果(见图2)可以看出,风电场未接入时,短路前575V母线电压和电流都很稳定;短路清除后,电压迅速恢复正常,在短路发生和结束瞬间,575V母线的电压和电流都有冲击(风电场接入前的正常电流为0.1pu.,冲击电流为0.5pu.),保护根据故障电流与实时计算的整定值进行判别,与传统配电网保护相同,系统能准确判别故障并准确动作。
风电场接入后,风电场的电压和电流均出现波动,短路前的正常电流最大值为1.5pu.,短路的冲击电流最大可达到3pu.。根据系统实时故障电流计算出保护整定值,故障电流大于整定值时保护可靠动作,故障电流小于整定值时保护可靠不动作。
2.2k1处(风电场出口)发生三相短路故障
k1处发生短路的情况和k2处短路相似,短路时575V母线的电压降低,电流增长很多。风电场接入后,575V电流和电压都产生了明显的波动。比较k2和k1不同地点发生短路时,同一母线电压都将降低,降低的幅度随距离短路点的远近而有所不同。
3风电场对电网继电保护的影响
3.1风电场接入后继电保护装置误动机理
风力发电的引入对配电网保护产生影响的根本原因就是以往的配电网是无源网络,当风力发电接入配电网以后,改变了配电网电流和故障电流的大小和方向,使配电网的潮流由原来的单向变为双向。另一重要原因就是配电网继电保护本身比较薄弱,仅以三段式电流保护为主,没有配备方向元件,薄弱的保护配置难以承受大规模风电的接入的冲击。图1中,当保护4和5之间的k2处发生三相短路故障在未接入风电场时,保护6右面线路因无故障电流流过,不应动作,只保护4动作切断电源;当有风电场介入后,除保护4动作外,由于保护6处有风电场提供的短路电流流过,如果该电流超过保护6的整定值,则会发生保护6的误动作。
3.2对电网电流保护的影响
由于恒速恒频异步发电机在故障后的几个周波内仅能产生很大的瞬时故障电流，而不能提供较大的持续短路电流，因此，恒速恒频异步机的风电场接入系统后，应考虑设置瞬时电流速断保护，而不应该设置限时电流速断保护。换言之，如果保护装置动作很快，则必须考虑风电场短路电流的影响，反之则不用考虑。同时，保护装置的整定和配置最好按照双电源来考虑，必要时可加装方向元件。
3.3对变压器保护的影响
3.3.1变压器零序保护
为了提高线路首端零序电流保护的灵敏度，当大容量风电接入之后，在大运行方式下，为防止220kV侧故障时产生的过电压影响变压器及相关设备的安全，该变压器220kV中性点需接地并投入零序过流保护，从而改变了配电网的零序网络。因此，相关线路和系统的零序保护都需要重新校核。
3.3.2变压器后备保护在配电网中，变压器的后备保护多为带低压闭锁或不带低压闭锁的过电流保护装置，并装设于电源侧，作为主变及相邻元件的后备保护。通常的情况下，不考虑主变高压侧母线及相邻元件的故障；但当低压侧接入风电后，上述后备保护的配置将难以适应这种变化，使保护之间的配合出现混乱，就可能造成保护误动。
结语
综上所述，本文对永磁机组和双馈机组的数学模型进行了创建,并在Matlab/Simulink中建立了包含一个9MW的风电场的电力系统模型,对电网的不同地点进行了三相短路仿真。仿真结果表明了当风电场接入电力系统后,会对原来的电力系统继电保护产生影响,风电场容量、故障位置等因素都会对保护有直接的影响,要使保护正确动作,必须分析对其产生作用的各种因素。实际运行中为确保继电保护装置的正确动作,不能忽视风电场向系统提供的短路电流。
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论文作者:储成娟,金明凤
论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/18
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