基于EMTP-RV的電網短路故障對風電場運行的影響研究

劉 勇

(大連供電公司，遼寧 大連116021)

0 引言

隨著能源危機和溫室效應等全球性問題的日趨凸顯，利用清潔無污染的風能發電已成為了一種有效的解決措施。特別是從2006 年的《可再生能源法》頒布以來，中國的風電事業得到了飛速發展［1，2］。如何研究整個風電場的并網運行與電網的相互影響，以及系統發生短路故障情況下風電場的暫態運行特性等，這對整個電力系統的安全穩定運行尤為重要［3，4］。本文以單臺風電機組模型為基礎，研究風電場的等值方法，搭建包含小型風電場的電力系統模型，分析風電場的并網運行時的功率輸出、公共連接點母線電壓波動以及系統頻率等。并著重分析了電網發生三相短路和單相短路故障導致風電場并網連接點母線發生電壓跌落和三相電壓不平衡時的暫態變化過程。

1 風電場等值

風電場等值的方法有很多，如參數變換單機等值法［5］、變尺度降階多機等值法［6］、容量加權單機等值法［7］以及在此基礎上的改進容量加權單機等值法［8，9］等。

假定某風電場由n 臺雙饋式風電機組構成，且滿足以下條件［8］:(1)風電場中的風電機組類型單一且出口變壓器接在同一條母線上。(2)忽略連接相鄰兩臺風電機組的線路阻抗。于是可以對包含這n 臺風電機組的風電場可以進行等效處理［10，11］。由于雙饋電機也是一種異步電機，所以對雙饋電機的等效處理時可以借鑒異步電動機當負載時的等值方法，研究風電場的并網運行［12～14］。接在同一母線的n 臺異步電動機的等效過程如圖1 所示。圖1(a)為單臺異步電動機的T 型等值電路，根據電路等效變換知識，引入一個阻抗Zf，將圖1 (a)等效的變換為圖1 (b)，使得從外部看進去，圖1(b)與圖1 (a)等效，于是有:

假設風電場的n 臺風電機組都接在同一母線上，每臺風電機組經過圖1 (a)到圖1 (b)的等效變換后如圖1 (c)所示，再根據電路等效變化的基本知識可化簡圖1 (c)得到圖1(d)，再根據電路等效變換的原理將圖1 (d)變換成T 型等效電路的圖1 (e)，使得從外面看進去圖1 (e)和圖1 (d)等效，于是就得到了并聯在同一母線上的n 臺異步電機的單臺等效模型。

圖1 參數變換法等值過程Fig．1 Equivalent process of parameter transformation method

其中，圖1(a)～(e)中的參數分別為

式中:Zs，Zr，Zm分別為定子阻抗、轉子阻抗和勵磁阻抗;Z's，Z'r，Z'm分別為等效模型的定子阻抗、轉子阻抗和勵磁阻抗。

對于風電場的容量、風力機的風能利用系數以及單臺風電機組的等值風速，則可以采用改進的容量加權的風電場單臺等值方法，其具體的處理方法和步驟如下［8］:

設單臺風機的等值容量S'、等值掃風面積A'以及風能利用系數C'為

式中:Si，Ai，Ci分別為第i 臺風機容量、掃風面積和風能利用系數。對于風電機組的其他參數X'等值方法，則要引入加權系數

則風電場等值為單臺風機的某一等值參數X'為

2 軟件介紹

EMTP-RV 是基于Windows 平臺的新一代圖形化電磁暫態仿真工具，它是對經典電磁暫態工具EMTP 的重新構造，并且能有效簡化電力系統中暫態過程的研究工作，為復雜電力系統的仿真提供了有力支持。該軟件包括3 部分:EMTP-RV 核心計算引擎、EMTPWorks 圖形化編輯界面和ScopeView 可視化數據處理程序(如圖2 所示)。

圖2 EMPT-RV 組織結構圖Fig．2 Structure of EMTP-RV

EMTPWorks 圖形化編輯界面是提供給用戶一個圖形化的建模環境，它將用戶利用圖形模塊搭建的系統模型轉換為EMTP-RV 計算引擎可識別的網絡表* ．NET 文件。EMTP-RV 計算引擎則根據讀入的網絡表* ．NET 文件，分析網絡拓撲結構，解析元器件模型，構成系統計算矩陣并按給定的條件進行仿真，最后將仿真結果寫入二進制的數據文件* ．mda 和相關ASCII 文本繪圖文件* ．m。可視化數據處理程序ScopeView 對EMTPRV 計算引擎輸出的數據做進一步加工處理，最終以多組彩色曲線圖的形式顯示仿真結果。

ScopeView 可視化數據處理程序能夠對MATLAB 和EMTP-RV 格式的數據文件進行處理。它提供了基本的圖形縮放、疊印、多列和多頁圖形顯示功能;能夠動態跟蹤顯示光標所在處的數據值，顯示節選圖形區域內的最大值、最小值、均值和有效值。內建的函數編輯器可以對數據進行后處理，實現從簡單的加減乘除類算術運算到復雜的離散傅立葉變換、諧波分析等函數功能。支持Windows 剪貼板功能，能夠將圖形拷貝到其他程序進行處理;并可使用 MATLAB binary，Comtrade，pdf，jpg，png 等多種圖形格式導出顯示數據，供其他程序進一步進行處理。

3 仿真分析

某小型風電場由26 臺雙饋風力發電機組構成，其中包含16 臺同一型號的1.5 MW 的雙饋式風力發電機組和10 臺同一型號的2.0 MW 雙饋式風力發電機組。

(1)1.5 MW 的雙饋風力發電機組參數

風力機參數:

切入風速3 m/s，額定風速12 m/s，切出風速18 m/s，葉片半徑37.5 m。

雙饋電機參數:

額定容量1.5 MVA，額定電壓0.69 kV，功率因數cos φ=0.98 (滯后)，頻率50 Hz，定子電阻0.005 4 p．u．，定子電抗0.10 p．u．，轉子電阻0.006 07 p．u．，轉子電抗0.11 p．u．，勵磁電抗3.1 p．u．。

(2)2.0 MW 的雙饋風力發電機組參數

風力機參數:

切入風速3 m/s，額定風速12 m/s，切出風速20 m/s;葉片半徑42 m。

雙饋電機參數:

額定容量2.0 MVA，額定電壓0.69 kV，功率因數cos φ=0.98 (滯后)，頻率50 Hz，定子電阻0.006 62 p．u．，定子電抗0.080 5 p．u．，轉子電阻0.01 p．u．，轉子電抗0.101 p．u．，勵磁電抗4.5 p．u．。

在仿真軟件中搭建如圖3 所示的電力系統。

圖3 電力系統模型Fig．3 Model of power system

圖3 中各元件參數如下:G1為帶有自動勵磁調節裝置的同步發電機，額定容量10 MVA，額定電壓10.8 kV;G2為理想電壓源，額定電壓110 kV，等效阻抗Xs=4 Ω;G3為等值風電場，額定容量44 MVA;S1是由RLC 構成的三相對稱負荷，負荷功率15 +j3 MVA;S2為包含電動機的小型工業負荷，負荷功率8.8 +j1 MVA。

3.1 三相短路

在圖3 所搭建的電力系統模型中，母線B5在第5.0 s 發生三相接地短路故障，接地電阻為1 Ω，故障持續0.1 s，第5.1 s 故障消除。

圖4 中，Pwind，Qwind分別為正常運行時風電場輸出的有功功率和無功功率;P，Q分別為故障時風電場輸出的有功功率和無功功率;第5 s 發生三相短路故障時，風電場的有功輸出突然降低，從16 MW 降到10 MW;第5.1 s 故障消除時，有功輸出突然增加至20 MW，比非故障運行時高出約4 MW。故障消除后，有功輸出出現短暫的波動，到第7 s 時和非故障運行時的輸出曲線基本重合，達到穩定運行。發生三相故障時，風電場從電網中吸收的無功功率大幅增加，在短路瞬間，吸收的無功從5 MVar 驟升至10 MVar，然后逐漸減少，到第5.1 s 故障消除的時刻，吸收的無功功率突然減少至0。故障消除后，風電場從電網中吸收的無功上升，且吸收的無功出現波動，在故障消除后的0.4 s，無功吸收最多，再過0.4 s 無功吸收最少，到第7.2 s 時，無功吸收曲線和非故障運行時的曲線重合。

圖4 三相短路故障時風電場輸出的有功功率和無功功率Fig．4 Active power and reactive power of wind farm output when three-phase ground fault occurs

圖5 中，IL1，為分別為正常運行和發生三相短路故障時的線路L1電流。發生三相接地故障時線路L1的電流急劇增加，故障期間，線路L1電流從350 A 上升到500 A，最大值達到非故障時的兩倍。故障消除后，線路L1電流有所波動，到第7 s 時，線路L1電流和非故障時的電流曲線重合，達到新的穩定運行狀態。

圖5 三相短路故障時線路電流Fig．5 Current of line L1 when three-phase ground fault occurs

圖6 中，VB1，分別為正常運行和發生三相短路故障時的母線B1電壓。第5 s 發生三相接地故障時35 kV 母線B1的電壓從1.05 p．u．驟降至0.55 p．u．，故障期間，電壓繼續下降，至第5.1 s跌落到0.4 p．u．。故障消除后，電壓回升，并出現波動，第5.6 s 時電壓最低至0.85 p．u．，第6 s 時電壓最高至1.10 p．u．，到第7.2 s時母線電壓曲線和非故障運行時的電壓曲線重合，達到新的平衡狀態穩態運行。

圖6 三相短路故障時母線B1 電壓Fig．6 Voltage of bus B1 when three-phase ground fault occurs

圖7 三相短路故障時母線B1 基波正序電壓和負序電壓Fig．7 Positive sequence and negative sequence of fundamental voltage of bus B1 when three-phase ground fault occurs

圖8 中，f，f(3)分別為正常運行和發生三相短路故障時的系統頻率。第5 s 發生三相接地故障時，系統頻率從50.1 Hz 開始下降，到第5.1 s時，頻率減少至48.4 Hz。第5.1 s 故障消除后，頻率上升并出現暫態波動過程，第5.2 s 出現波峰，頻率達到52.4 Hz，第5.3 s 時出現波谷，頻率跌至49.7 Hz。到第6.2 s 時頻率曲線和非故障運行時的曲線重合。

圖8 三相短路故障時系統頻率Fig．8 Power frequency when three-phase ground fault occurs

圖9 中，PG2，QG2分別為正常運行時理想電壓源G2輸出的有功功率和無功功率，P，Q分別為發生三相短路故障時理想電壓源G2輸出的有功功率和無功功率。正常運行時，系統向外界輸出有功功率、吸收無功功率。系統發生三相接地故障期間，系統向外界輸出有功功率變為從外界吸收有功功率，而從外界吸收的無功功率也增加。故障消除后在第5.1 s ～5.8 s 之間，從外界吸收有功迅速變為向外界發出有功，在第5.4 s時，發出的有功達到18 MW，比非故障運行時高出6 MW;而這期間，吸收的無功功率基本維持在8 MVar 左右不變。故障后的與外界交換的有功功率和無功功率曲線在第7.2 s 時和非故障時的曲線基本重合。

圖9 三相短路故障時電壓源G2 輸出有功功率和無功功率Fig．9 Active power and reactive power of voltage source G2 when three-phase ground fault occurs

3.2 單相短路

在圖3 所搭建的電力系統模型中，母線B5在5.0 s 發生A 相接地短路，接地電阻為1 Ω，故障持續0.1 s，5.1 s 故障消除。

圖10 中，Pwind，Qwind分別為正常運行時風電場輸出的有功功率和無功功率，P(1)wind，Q(1)wind分別為發生單相接地短路故障時風電場輸出的有功功率和無功功率。第5 s 發生單相接地短路故障時，風電場的有功輸出略有減少，從第5.1 s 故障消除后，有功輸出迅速上升，至第5.2 s 有功功率曲線和非故障運行時的風電場有功輸出曲線基本重合。故障時風電場從電網中吸收的無功功率略有增加，增加幅度很小，到第5.1 s 故障消除時，吸收的無功功率減少至4 MVar。故障消除后，風電場從電網中吸收的無功出現很小的波動，到第6 s 時，無功吸收曲線和非故障運行時的曲線已近基本重合，達到穩態運行。

圖10 單相接地故障時風電場輸出的有功功率和無功功率Fig．10 Active power and reactive power of wind farm output when single-phase ground fault occurs

圖11 中，IA為正常運行時的線路L1的A 相電流，I，I，I分別為發生單相接地短路故障時線路L1的A 相、B 相、C 相電流。發生A 相接地短路故障時，線路L1的C 相電流升高到400 A，A 相電流上升到340 A，B 相電流變為240 A。與非故障時的電流(非故障時A 相電流250 A)相比，A 相、C 相電流上升，B 相電流略有減少。

圖11 單相短路故障時線路L1 電流Fig．11 Current of line L1 when single-phase ground fault occurs

圖12 中，V 為正常運行時的母線B1的電壓，V，V，V分別為發生單相接地短路故障時母線B1出口的連接線路A 相、B 相、C 相電壓。第5 s 發生單相接地故障時35 kV 母線的故障相A相電壓從1.05 p．u．驟降至0.75 p．u．，故障期間，電壓繼續下降，至第5.1 s 跌落到0.7 p．u．;非故障相B 相電壓和C 相電壓也發生跌落，至第5.1 s 時分別降至0.9 p．u．和0.75 p．u．。故障消除后，ABC 三相電壓回升并出現較小的波動，到第6 s 時母線電壓曲線和非故障運行時的電壓曲線重合，達到新的平衡狀態穩態運行。

圖12 單相短路故障時母線B1 電壓Fig．12 Voltage of bus B1 when single-phase ground fault occurs

圖13 單相短路故障時母線B1 基波正序電壓和負序電壓Fig．13 Positive sequence and negative sequence of fundamental voltage of bus B1 when single-phase ground fault occurs

圖14 中，f，f(1)分別為正常運行和發生單相接地短路故障時的系統頻率。第5 s 發生單相接地故障時，系統頻率從50.1 Hz 開始下降，到第5.1 s時，頻率減少至49.7 Hz。第5.1 s 故障消除后，頻率上升并出現暫態波動過程，第5.2 s 出現頻率的最大值，達到50.6 Hz，到第5.7 s 時頻率曲線和非故障運行時的曲線重合。

圖14 三相短路故障時系統頻率Fig．14 Power frequency when single-phase ground fault occurs

圖15 中，PG2，QG2分別為正常運行時理想電壓源G2輸出的有功功率和無功功率，P，Q分別為發生單相接地短路故障時理想電壓源G2輸出的有功功率和無功功率。正常運行時，系統向外界輸出有功功率、吸收無功功率。系統發生單相接地故障期間，向外界輸出有功功率迅速減少，從外界吸收有功功率迅速增加。故障消除后，向外界輸出有功功率迅速增加，從外界吸收有功功率迅速減少。到第6 s 時，與外界交換的有功功率和無功功率曲線和非故障時的曲線重合。

圖15 單相短路故障時電壓源G2 輸出有功功率和無功功率Fig．15 Active power and reactive power of voltage source G2 when single-phase ground fault occurs

4 結束語

本文首先研究了風電場的等值模型，搭建了包含由26 臺不同容量、參數的雙饋風電機組構成的風電場的電力系統模型，分析了等值風電場的功率輸出、無功電壓以及系統頻率特性。研究了電網發生三相接地短路和單相接地短路時風電場的有功輸出、公共連接點無功電壓變化和系統頻率變化暫態過程，對風電場的并網運行以及對電網的規劃都有一定的指導意義。

［1］李俊峰，施鵬飛，高虎．中國風電發展報告2010 ［R］．海口:海南出版社，2010．

［2］國家電網公司風電場接入電網技術規定［S］．2009．

［3］肖湘寧．電能質量分析與控制［M］．北京:中國電力出版社，2010．

［4］李建林，許洪華．風力發電系統低電壓運行技術［M］．北京:機械工業出版社，2009．130-135．

［5］Shafiu A，Anaya-Lara O，Bathurst G，et al．Aggregated wind turbine models for power system dynamic studies ［J］．Wind Engineering，2006，30 (3):171-185．

［6］劉力卿，李秀錦，余洋，等．變速恒頻雙饋風電機組動態出力特性建模方法［J］．電力科學與工程，2011，27(12):7-11，16．Liu Liqing，Li Xiujin，YuYang，et al．Dynamic output characteristic modeling method of VSCF doubly － fed wind generators wind farm ［J］．Electric Power Science and Engineering，2011，27 (12):7-11，16．

［7］劉沛燦，朱曉榮．雙饋感應發電機頻率控制策略的研究及 對 比 ［J］．電 力 科 學 與 工 程，2011，27(11):12-17．Liu Peican，Zhu Xiaorong．Research and contrast on doubly － fed induction generator frequency control strategies［J］．Electric Power Science and Engineering，2011，27(11):12-17．

［8］吳學光，張學成，印永華，等．異步風力發電系統動態穩定性分析的數學模型及其應用［J］．電網技術，1998，22 (6):68-72．Wu Xueguang，Zhang Xuecheng，Yin Yonghua，et al．Application of models of the wind turbine induction generators (wtigs)to wind power system dynamic stability analysis［J］．Power System Technology，1998，22 (6):68-72．

［9］Morren J，Haan S W．H．d．Short-circuit current of wind turbines with turbines with doubly fed induction generator［J］．IEEE Transactions on on Energy conversion，2007，22(1):174-180．

［10］向大偉，楊順昌，冉力．電網對稱故障時雙饋感應發電機不脫網運行的系統仿真研究［J］．中國電機工程學報，2006，26 (10):130-134．Xiang Dawei，Yang Shunchang，Ranli．System simulation of a doubly fed induction generator ride-through control for symmetrical grid fault ［J］．Proceedings of the CSEE，2006，26 (10):130-135．

［11］Muljadi E，Yildirim D，Batan T．Understanding the unbalanced-voltage problem in wind turbine generation ［C］．Phoenix，USA:Proceedings of the International /conference on Industry Application，1999．1359-1365．

［12］Kearney J，Conlon M．Performance of a variable speed double-fed induction generator wind turbine during network voltage unbalance conditions ［C］．Newcastle upon Tyne，U．K．:41st International Universities Power Engineeringconference，2006．36-40．

［13］Sun T，Chen Z，Blaabjerg F．Transient stability of DFIG at an external short-circuit fault ［J］．Wind Energy，2005，8(3):345-360．

［14］Xu L，Ersen B R，Cartwright P．VSCF transmission system operating under unbalanced AC conditions:analysis and control design ［J］．IEEE Trans on Power Delivery，2005，20 (1):427-434．