含风电分布式电源接入配网故障特性分析

含风电分布式电源接入配网故障特性分析1.1双馈感应发电机风力发电系统风电的随机性使风电场输入系统的有功功率处于不易控制的变化中，相应的风电场吸收的无功功率也处于变化之中。在系统重负荷或者临近功率极限运行时，风速的突然变化将成为系统电压失稳的扰动[54]。风电场所在地区往往远离负荷中心，处于供电网络的末端，而且需要消耗感应无功功率，系统的电压稳定问题更加突出。目前世界上流行的风力发电技术大体上可以分为恒速恒频(CSCF)和变速恒频(VSCF)两大类。恒速恒频系统采用同步发电机或感应发电机，风速变化时，系统通过一定的调节，保持风力机转速恒定，从而实现发电频率[55]的恒定。变速恒频风力发电技术将电力电子技术、矢量变换控制技术和微机信息处理技术引入发电机的控制中来获取高质量的电能，已成为近年来的研究热点。在新安装的变速恒频风力发电机中，现在最常用的是双馈感应发电机(DFIG)。双馈感应变速恒频风力发电技术可以提高风能捕获能力和转换效率，改善并优化风力发电机组的运行条件，便于顺利实现并网操作，是一种优化的具有良好应用前景的风力发电解决方案[56]。双馈发电机[57-59]又称为交流励磁发电机，它的结构类似于绕线式异步电机，定子和转子均安放对称三相绕组。定子绕组有频率恒定的对称三相电源激励，转子绕组由频率可调的对称三相电源激励，电机的转速由定子和转子之间的转差频率确定。定子侧直接与电网侧相连接，转子侧采用三相对称绕组，经过交直交变频器与电网侧相连接，以提供发电机交流励磁，励磁电流的幅值、相位、频率均可变，其中励磁频率为转差频率。其中交-直-交变频器为双PWM换流器，可实现四象限运行。双馈发电机除通过定子向电网溃入功率之外，还通过部分功率变频器与电网之间交换转差功率，并可以通过变频器的控制对整个双馈电机的有功功率和无功功率分别进行控制。双馈风力发电机组系统主要由风力机、双馈发电机、变流器、控制检测系统等组成，结构图如图3-1所示。图3-1双馈风力发电机系统结构示意图Fig.3-1Theschematicdiagramofdouble-fedwindgenerator(1)风力机：主要部分有叶片、轮毂、齿轮箱等。叶片用于捕捉风能并通过轮毂、齿轮箱等转化为机械能进行传递。(2)双馈感应发电机：双馈风力发电机的定子侧直接接入电网，转子侧经双向变流器接入所需低频励磁电流[60]。因为定子与转子两侧都可能有能量的馈送，所以称为双馈风力发电机。(3)变流器：变流器采用功率可双向流动的电压源型交-直-交PWM变流器。网侧变频器主要是保证电流波形和功率因数满足要求以及保证直流母线处电压的稳定。转子变流器主要任务一是调节有功功率，实现对风能的最大捕获；二是可以通过改变励磁电流的幅值和相位，调节定子无功功率。(4)控制系统：双馈感应发电机控制系统包括电气控制与变桨距角控制。当风速小于额定风速时采用最大功率跟踪策略来实现对最大风能的捕获；当风速增加到大于额定风速时，变桨距装置动作，桨距角逐渐变大，将发电机的输出功率限制在额定功率附近。1.2双馈发电机的建模与仿真1.2.1风速模型作用在风力机叶片上的空气流，也称之为风能，是风电系统的原动力，具有随机性和间歇性的特点[61-63]。为了能精确描述风速具有随机性和间歇性的特点，在研究中，通常用四种成分的风速来模拟：基本风、阵风、渐变风和随机风。(1)基本风可由风电场测风所得的威布尔(Weibull)分布参数近似确定：(3-1)式中：为基本风速(m/s)；C、k为威布尔分布的尺度参数和形状参数；为伽马函数。当考虑秒级时间段的计算时，基本风速可视为常数。基本风速用Simulink中的常量模型模拟如下：图3-2基本风模型图Fig.3-2Themodeldiagramofmeanwind(2)阵风描述风速突然变化的特性一般用阵风来表示：(3-2)(3-3)式中：为阵风风速最大值(m/s)；为周期(s)；为启动时间(s)。取参数，，，阵风用Simulink中的模块模拟如下：图3-3阵风模型图Fig.3-3Themodeldiagramofgustwind(3)渐变风对风速的渐变特性可以用渐变风成分来模拟：(3-4)(3-5)式中：为最大值(m/s)；为起始时间(s)；为终止时间(s)，为保持时间(s)。取参数，，，，阵风用Simulink中的模块模拟如下：图3-4渐变风模型图Fig.3-4Themodeloframpwind(4)随机风风速变化的随机性可用随机噪声风速成分来表示：

(3-6)(3-7)(3-8)式中：为之间均匀分布的随机变量；为第个分量的角频率；机变量的离散间距；为风场表面阻力系数；为风速波动规模系数(m2)；为相对高度的平均风速(m/s)；为风速随机分量分布谱密度(m/s)。综合上述四种风速成分，模拟实际作用在风力机上的风速[64]为(3-9)1.2.2风力机模型风力机是一种将风能转变换为机械能的能量装置，是实现风能发电的重要设备。风力机主要由风轮、传动系统、对风装置（偏航系统）、液压系统、制动系统、控制与安全系统等组成。风力机的吸收功率是风速的函数，可表示为：(3-10)式中：为空气密度()；为风能利用系数；为风力机扫风面积；为风速()。由风力驱动而产生的叶片转矩可表示为：(3-11)式中：为风力机叶片转矩(p.u.)；为叶片半径(m)；为风力机额定机械角速度(rad/s)；为风力机额定功率(kw)；为风速()。通过以上对风力机原理及特性的分析，建立风力涡轮机模型如图3-5所示：图3-5风力机的模型图Fig.3-5Themodelofwindturbine1.2.3双馈发电机模型双馈电机转子均为三相对称绕组，电路、磁路呈对称分布，并且d轴和q轴的阻抗是完全相等的，可列出其dq方程如下：电压方程如下：(3-12)式中：下标为s的表示定子量，下标为r的表示转子量，下标为1的表示电网量，p为微分算子。绕组磁链方程如下：(3-13)式中：表示励磁电感。电磁转矩方程为：(3-14)转子运动方程为：(3-15)式中：表示惯性时间常数，D表示阻尼系数。联立(3-12)-(3-15)，求解就可准确描述双馈式发电机的全部动态行为。1.2.4传动机构模型风力机和发电机之间通过传动机构相连，传动机构一般由轮毂、传动轴和齿轮箱组成。在建模中，一般用一阶惯性环节表示其特性。传动机构的运动方程可以表示为：(3-16)式中：为风力机叶片转矩(p.u.)；为传动机构输出转矩(p.u.)；为轮毂时间常数(s)。传动机构的搭建Simulink模型如图3-6所示：图3-6传动机构模型图Fig.3-6Themodelofdrivegear1.3风力发电机并网分析MATLAB是矩阵实验室(MatrixLaboratory)的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。MATLAB软件已推出了电力系统仿真工具箱(SimPower)、控制系统工具箱(ControlSystemToolbox)、信号处理工具箱(SignalProcessingToolbox)、数字信号处理模块(DSPBlock)、滤波器设计工具箱(FilterDesignToolbox)、小波分析工具箱(WaveletToolbox)和神经网络工具箱(NeuralNetworkToolbox)，在电力系统方面[65,66]的应用已经成熟。对比多种仿真软件，本文选用电力软件MATLAB对含分布式电源的配电网进行仿真分析。使用MATLAB软件进行电力系统数字仿真，具有3个突出的优势。电力系统仿真工具箱(SimPower)功能强大，工具箱内部的元件库提供了经常使用的各种电力元件数学模型，并提供了可自己变成的方式创建适合的元件模型。强大的MATLAB平台。在相同的平台上，MATLAB的数值运算功能为进行电力工程方面的运算提供了强有力的后盾。友好的界面。从电力系统仿真、到数值计算、图形处理、再到信号分析，MATLAB不仅提供了各类问题的解决方案，更重要的是使这些技术变得尤为轻松简单。首先，对没有接入风电的110kV配电网线路进行仿真，具体模型如图3-7所示。无穷大系统取为110kV电源经线路和变压器降压为35kV和690V(方便与风电并网后比较)。图3-7配电线路的simulink模拟图Fig.3-7Thesimulinkmodeldiagramofdistributionline当系统正常运行时，配电线路(line2)仿真所得的电压、电流波形如图3-8所示(蓝色代表A相，绿色代表B相，红色代表C相)，横坐标表示仿真时间，纵坐标采用标幺值(pu)来表示，易于进行计算和对结果的分析比较。(a)正常运行下电压波形(b)正常运行下电流波形图3-8正常运行线路电压、电流波形Fig.3-8Thevoltageandcurrentwaveformsofnormaloperationoftheline当配电线路(line2)发生各种故障时，仿真所得的电压、电流波形如图3-9、图3-10、图3-11所示。在0.05s时刻发生故障，0.08s时刻清除故障。(a)三相故障时电压波形(b)三相故障时电流波形图3-9三相故障时线路电压、电流波形Fig.3-9Thevoltageandcurrentwaveformsofthree-phasefaultoftheline(a)BC两相故障时电压波形(b)BC两相故障时电流波形图3-10BC两相故障时线路电压、电流波形Fig.3-10ThevoltageandcurrentwaveformsofBCtwo-phasefaultoftheline(a)单相接地故障时电压波形(b)单相接地故障时电流波形图3-11A相单相接地故障时线路电压、电流波形Fig.3-11ThevoltageandcurrentwaveformsofAphasegroundfaultoftheline由图3-9可以看出，配电线路(line2)上发生三相短路时，故障电流达到近4pu，电压下降，接近于0。清除故障后，线路电流电压峰值恢复正常。由图3-10可以看出，配电线路(line2)上发生BC两相短路时，故障电流达到0.75pu，正常相电压变化较小，故障相电压降为0.5倍左右的正常值。清除故障后，线路电流电压峰值恢复正常。由图3-11可以看出，配电线路(line2)上发生单相接地短路时，故障电流达到0.45pu，故障相电压降为0，正常相电压达到1.8倍的正常值。清除故障后，线路电流电压峰值恢复正常。大规模风电接入系统对电力系统电能质量影响较大，由于风能的随机性和不可控性，向系统提供的短路电流也越来越大，对原有的系统保护会产生影响，可能导致保护误动。本节使用MATLAB中的SIMULINK环境，选择双馈式风电机组作为此处仿真的模型[67]，对图3-12所示的带有风电机组作为分布式电源的配电网线路进行仿真，具体如图3-13所示，仿真模型的主要参数如下：(1)取双馈异步风力发电机的额定功率为1.5MVA，发电机出口电压有效值为0.69kV，额定频率为50Hz，通过升压将电压升至35kV，再通过升压将电压由110kV与系统相连。(2)风力涡轮机参数：取基本风速为12m/s，额定机械输出容量为1.5MW。(3)风速参数：风速输入设为基本风速为8m/s，从1s开始输入阵风，阵风幅值为4m/s，持续1s。(4)在配电线路末端接500KW三相串联RLC负载。图3-12双馈风力发电机与系统连接示意图Fig.3-12Thediagramofdouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem图3-13双馈风力发电机并网的simulink模拟图Fig.3-13Thesimulinkmodeldiagramofdouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem当系统正常运行时，配电线路(line2)仿真所得的电压、电流波形如图3-14所示。(a)正常运行时电压波形(b)正常运行时电流波形图3-14风机并网后正常运行线路电压、电流波形Fig.3-14Thevoltageandcurrentwaveformsofnormaloperationofthelineafterthedouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem当配电线路(line2)发生各种故障时，仿真所得的电压、电流波形如图3-15、3-16、3-17所示。在0.05s时刻发生故障，0.08s时刻清除故障。(a)三相故障时电压波形(b)三相故障时电流波形图3-15风机并网后三相故障时线路电压、电流波形Fig.3-15Thevoltageandcurrentwaveformsofthree-phasefaultofthelineafterthedouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem(a)BC两相故障时电压波形(b)BC两相故障时电流波形图3-16风机并网后BC两相故障时线路电压、电流波形Fig.3-16ThevoltageandcurrentwaveformsofBCtwo-phasefaultofthelineafterthedouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem(a)单相接地故障时电压波形(b)单相接地故障时电流波形图3-17风机并网后A相单相接地故障时线路电压、电流波形Fig.3-17ThevoltageandcurrentwaveformsofAphasegroundfaultofthelineafterthedouble-fedwindgeneratorconnectedtopo