鼠笼式异步风力发电机组短路特性仿真研究

136鼠笼式异步风力发电机组短路特性仿真研究2014.№7鼠笼式异步风力发电机组短路特性仿真研究吕景顺，孙亚明，何世恩（国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃兰州，730050）[摘要]由于风电机组不同于常规同步发电机，其发生故障时的暂态特性与同步电机有很大不同。本文以酒泉风电基地为背景，分析了其机型之一的鼠笼式异步风力发电机组的特点；建立了该机组的并网模型，并进行了机组出口、风电场内集电线路、风电场并网线路故障的仿真，分别得出其短路特性，最后提出了进一步研究问题。[关键词]风电基地；鼠笼式异步风电机组；短路特性[中图分类号]TM315[文献标识码]B[文章编号]1000-3983(2014)07-0136-06TheSimulationResearchofShort-circuitCharacteristicsofSCIGsLVJingshun，SUNYaming，HEShien(StateGridGansuElectricPowerResearchInstitute,Lanzhou730050,China)Abstract：Thewindgeneratorisdifferentfromtheconventionalsynchronousgenerator,anditsfaulttransientcharacteristicsaredifferentfromthatoftheconventionalsynchronousgenerator.Inthispaper,theJiuquanWindPowerBaseasthebackground,thecharacteristicstheSCIGs(SquirrelCageInductionGenerators),whichistheoneofthewindpowergeneratortypesinJiuquanWindPowerBase,areanalyzed;ThemodelofSCIGintegratedintogridisbuilt,andsimulationsofshortcircuitfaultsoccurredatthegeneratoroutput,collectivelineandconnectionlinearecarriedoutandtheshortcircuitcharacteristicsofSCIGarepresented,finallythesubjectstofurtherresearchareputforward.Keywords：windpowerbase；SCIG；shortcircuitcharacteristics1前言2013年全球新增风电装机4471万千瓦，相比2012年4056万千瓦的新增装机容量增加9.28%，截止2013年底，全球风电累计并网装机容量达到2.82亿千瓦[1]。其中，中国累计并网装机容量为6300万千瓦，新增风电并网装机容量1500万千瓦，均居世界第一。虽然我国风电装机规模稳居世界第一，但风电在建设和运行中暴露出了许多问题，包括电网风电消纳能力有限、风电质量水平较低、运行管理经验缺乏等，需要对风电机组特性，尤其是机组短路特性进行研究，因为短路特性影响机组到电网各个元件及系统的保护配置和整定，影响并网系统的稳定水平进而影响输送能力，必须进行进一步研究。各种风电机组的短路特性与常规水、火电电机组差别很大[2]。酒泉风电基地投产运行的机组中有不少是定速定桨的鼠笼式机，本文着重分析其短路特性。目前国内外对风电并网问题的研究主要集中在风电接纳能力、风电场接入对系统无功和电能质量的影响等方面[3-5]，风电对配电网保护也开展了研究[6-8]，但大规模风电场的特点及短路特性方面文献不多。本文以酒泉风电基地为例，在介绍其基本情况及特点的基础上，重点分析了鼠笼式风电机组特点及短路特性，包括机组出口及并网点的特性，在此基础上展望了下一步的研究工作。2酒泉风电基地发展现状甘肃酒泉风电基地中主力风电场通过330kV电压等级接入750kV系统，见图1，2。其中图1为酒泉风电送出系统示意图，图2为风电基地典型风电场接线示意图。风力发电机2014.№7大电机技术137风电场及升压站330kV变750kV变330kV线路750kV线路图例主网西宁河西酒泉敦煌哈密武胜湖南沙洲鱼卡格尔木乌兰日月山官厅规划HVDC图1酒泉风电基地汇集及送出示意图SVC…………其他风电场风电场汇集母线风电机组箱变风电汇集架空线路升压站入站电缆35/330kV升压变750kV线路330kV母线330/750kV升压变330kV并网线路图2风电场接线示意图3鼠笼式异步机组及风电场短路特性鼠笼式异步风力发电机在额定转速附近运行，滑差变化范围较小，从而发电机输出频率变化也较小，所以也称为恒速恒频风力发电机组。典型的鼠笼式异步风力发电机组主要包括风能的吸收和转换装置—风轮机（叶片、轮毂及其控制器）、起连接作用的传动机构—传动轴、齿轮箱，能量转换装置—鼠笼式感应发电机以及偏航系统和制动系统等。风力发电过程是：自然风吹转叶轮，带动轮毂转动，将风能转变为机械能，然后通过传动机构将机械能送至发电机转子，带动着转子旋转发电，实现由机械能向电能的转换，最后风电场将电能通过区域变电站注入电网。其能量转换过程是：风能→机械能→电能。如图3所示。齿轮箱风力机电网鼠笼式异步发电机图3鼠笼异步机组风力发电机的结构示意图风在移动的过程中，既有动能的变化，又有势能的变化。在一定时间和空间范围内，风速的持续变化是随机的。为了能够仿真风速的变化，较精确地描述风能的随机性和间歇性的特点，以适应不同研究的需要，通常采用4种典型风速模型对风速进行描述，即：基本风、阵风风、渐变风和随机风。在暂态研究中，由于电力系统故障时间较短，可认为在暂态从发生到恢复过程中，通过风轮机的风速保持不变，故本文采用基本风恒风速模型。3.1异步机模型建立风电机的数学模型前，需要进行必要的假设：（1）忽略铁磁材料饱和、磁滞和涡流的影响以及铁磁材料和线路中的集肤效应；（2）定子的三相绕组结构相同，且空间位置彼此相差120°，电机气隙中产生正弦分布磁势；（3）转子为具有光滑表面的圆柱形，气隙均匀，不计齿槽等的影响。当电力系统发生故障时，表征系统运行状态的各种电磁参数都要发生急剧的变化，但是由于原动机调速器具有相当大的惯性，它必须经过一定时间后才能改变原动机的功率。这样，发电机的电磁功率与原动机的机械功率之间便失去了平衡，产生了不平衡转矩。在这个不平衡转矩的作用下，发电机开始改变转速（对异步发电机而言，转速变化直接导致滑差的变化，从而改变发电机的运行状态），转速的变化反过来又影响到电力系统中电流、电压和发电电磁功率的变化。所以，由短路故障引起的电力系统暂态过程，是一个电磁暂态过程和发电机转子间机械运动暂态过程交织在一起的复杂过程，需要建立异步发电机在d-q坐标系下的机电暂态模型。规定电机定子电流的正方向为电流流出电机为正，定子各相正值电流产生负值磁链，转子电流和磁链的正方向也按定子规则来选定。忽略定子绕组暂态过程，即令0dqpp，则定子电压方程如下式：138鼠笼式异步风力发电机组短路特性仿真研究2014.№7dsdsqqsqsdURIURI（1）其中：dU、qU分别为定子绕组d轴和q轴电压；dI、qI分别为定子绕组d轴和q轴电流；d、q分别为定子绕组d轴和q轴磁链；Rs为定子电阻；ωs为同步角速度。磁链与暂态电势'E和电流的关系：''''dqdqdqEIXEIX（2）其中：'dE、'qE分别为发电机的d轴和q轴的暂态电势；'/()srmrmXXXXXX为异步发电机的暂态电抗；sX、rX、mX分别为风力发电机定子漏抗、转子漏抗和激磁电抗。以暂态电势为状态变量，忽略定子绕组的暂态过程，则：''''''00''''''00()()()()dddrsqqqqrsdTpEEXXIETTpEEXXIET（3）式中：smXXX为定子的同步电抗；'0T为定子绕组开路时转子绕组时间常数。由以上推倒可以得到定子绕组电磁方程式，忽略定子绕组电磁暂态，即在机电暂态下，以定子中的状态量表示的异步发电机三阶数学模型如下式：''''''''''000''''''000()2()2dsdqdqsqdqddqqqqddURIIXEURIIXEdETEXXIfsETdtdETEXXIfsETdt（4）其中：下标为d表示直轴量，下标为q表示交轴量，s为发电机滑差，0f为系统频率(50Hz)，'E为暂态电势，X表示同步电抗，'X表示暂态电抗。转子运动方程反映了作用于转子的机械转矩和电磁转矩的关系。电机转子的机械角加速度与作用于转子的不平衡转矩之间的关系如下式所示：TEdJMMMdt（5）其中：M为作用在转子轴上的不平衡转矩，Ω为转子机械角速度，J为转子转动惯量。由此可得转子运动方程：01()(1)2TEJdMMdtTdfdt（6）其中：TM、EM分别为异步发电机机械转矩和电磁转矩，JT为异步发电机惯性时间常数。电磁转矩方程式为：EdqqdMII（7）鼠笼式异步发电机的定子绕组与电网直接相连，定子绕组电势和电流的频率决定于系统频率，而转子由风机拖动大于同步转速顺着旋转磁场方向旋转，转子绕组电势和电流的频率与转子的转速有关，它取决于空气隙旋转磁场与转子的相对速度。经频率折算和绕组折算，等值电路如图4所示。1U1I'2I2Rs1R1X2XmImX12EEmR图4异步发电机等值电路异步发电机转子转速高于同步转速，转差率s为负值，故转子等效电阻'2/Rs为负电阻，是一个有源器件。异步发电机的转子转动时，风力机通过转轴向异步机输入机械功率，异步机再将机械功率转化为电功率，输送到电网。经过频率折算，相当于异步机转子脱离风力机静止不动，转轴不再输入机械功率，这部分功率转移到附加电阻'2(1)/Rss上，附加电阻为负电阻，其上的功率等效为风力机为异步机输入的机械功率。鼠笼机参数如下：额定相电压0.398kV，额定相电流1.6kA；定子阻抗ssRjX=0.066+j0.046；转子上笼（启动笼）的电阻2R=0.298，电抗值太小忽略；转子下笼（运行笼）阻抗11RjX=0.018+j0.105；激磁电抗mX=3.86；转子互感抗12X=0.122。所有电阻2014.№7大电机技术139电抗值均是以鼠笼机额定值为基准的标幺值。对于风力机而言，在不影响仿真分析的前提下，为了简便起见设风速wV=12m/s；桨距角=0。代入鼠笼机参数后可得从定子端看入的等值阻抗：eqZ=eqR+eqjX=0.1065+j0.2421。3.2系统联络线模型本文仿真模型如图5所示，风机出口为补偿电容器，经升压变压器1T和2T连接到无穷大电源。故障分别发生在风力发电机机端k1、联络线中点k2和k3处。YY△△330KV,100km35KV,20km330KV无穷大电源风力异步发电机3kMNPQ2k1k1T2T图5异步风力发电机仿真模型（1）机端补偿电容器组风力异步发电机机端配备有无功补偿电容器组，并且与变压器相连并入风电场以提供感应发电机在并网和运行时所需要的激磁无功。电容器组最大无功补偿量是根据异步发电机在额定功率时的功率因数设计的。即在额定功率时无功补偿量必须保证功率因数达到设计的额定功率因数，一般为大于0.98。经过电容器补偿后，异步发电机从系统吸收的无功功率减少，若将异步发电机和补偿电容器组看成一个整体，即从系统侧看进去该整体的功率因数较异步发电机本身将有所提高。本文采用的是单机额定容量为2MW的异步风力发电机组，额定功率因数为0.89。额定电压下无功补偿容量与有功出力的比值为C，当C=29.7%时，风电机组功率因数可达到0.978。在实际计算中，并联补偿电容器组可当