袁梽鈞，施偉鋒，卓金寶，張 威

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風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)短路故障分析

袁梽鈞，施偉鋒，卓金寶，張 威

（上海海事大學(xué)，上海201306）

本文研究了一種適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，介紹了工作原理，分析了仿真模型。通過加入故障模塊，模擬了當(dāng)風(fēng)機(jī)側(cè)發(fā)生單相、兩相、三相短路故障時，系統(tǒng)頻率等參數(shù)的變化情況。然后繪制出了這些參數(shù)的波形曲線，簡要分析了波形變化情況，仿真結(jié)果證明該系統(tǒng)在發(fā)生各種簡單短路故障時，具有一定的暫態(tài)穩(wěn)定性，對于偏遠(yuǎn)地區(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的故障分析有一定的參考價值。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 建模 故障分析 穩(wěn)定性

0 引言

隨著化石能源的消耗和全球生態(tài)環(huán)境的快速惡化，風(fēng)能作為無污染和可再生的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ陙硎澜绺鲊鴮︼L(fēng)能的研究取得了長足發(fā)展。

目前我們開發(fā)利用風(fēng)能的主要形式是風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電的類型有很多種，主要原理是風(fēng)力帶動風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電[1]。風(fēng)力發(fā)電特別適用于沿海島嶼、交通不便的邊遠(yuǎn)山區(qū)、地廣人稀的草原牧場、以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)的農(nóng)村和邊疆，它作為一種解決生活能源的可靠途徑，有著十分重要的意義。本文研究的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，就適用于這些偏遠(yuǎn)地區(qū)。隨著風(fēng)電基地的不斷建設(shè)，我們希望風(fēng)電系統(tǒng)能夠穩(wěn)定安全的運(yùn)行，保證供電的連續(xù)性。一般電力系統(tǒng)中短路故障頻發(fā)，對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響極大，因此，對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行短路故障分析顯得十分重要。

在Matlab/Simulink 軟件中構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型，添加故障模塊，設(shè)置故障類型更改相應(yīng)的參數(shù)，模擬了系統(tǒng)發(fā)生簡單故障的運(yùn)行工況，分析比較了該系統(tǒng)各項參數(shù)變化時的波形曲線，得出了該系統(tǒng)發(fā)生短路故障時具有一定穩(wěn)定性的結(jié)論。

1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理簡述

本文研究的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)供電部分由異步電機(jī)（風(fēng)力機(jī)驅(qū)動）和同步發(fā)電機(jī)（柴油機(jī)驅(qū)動）組成，配以頻率調(diào)節(jié)器和負(fù)載（三部分）。當(dāng)風(fēng)速較低時，異步電機(jī)不能提供足夠的電能時，柴油機(jī)驅(qū)動的同步電機(jī)也需要運(yùn)轉(zhuǎn)來滿足負(fù)荷側(cè)供電需求；而當(dāng)風(fēng)速較高時，風(fēng)力機(jī)驅(qū)動的異步電機(jī)能夠給所有負(fù)荷提供足夠的電能時，我們就不需要柴油機(jī)驅(qū)動同步電機(jī)發(fā)電，即可以關(guān)閉柴油發(fā)動機(jī)，由異步電機(jī)單獨供給負(fù)載電能；當(dāng)發(fā)電量大于負(fù)荷用電量時，此時同步電機(jī)就當(dāng)于同步調(diào)相機(jī)，調(diào)節(jié)功率因數(shù)，并通過勵磁調(diào)節(jié)裝置來維持系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型

Matlab工具箱提供了異步電機(jī)、同步電機(jī)，斷路器，短路故障等元件的數(shù)學(xué)模型，只要將需要的對象拖入仿真文件工作窗口，接線，雙擊元件后即可輸入想設(shè)定的參數(shù)。

風(fēng)機(jī)，由風(fēng)力帶動葉片旋轉(zhuǎn)，起到原動機(jī)的作用。風(fēng)機(jī)的特性，簡單來說就是一定的風(fēng)葉轉(zhuǎn)速（風(fēng)速）對應(yīng)一個機(jī)械功率，本文中我們給定風(fēng)速10 m/s，由風(fēng)機(jī)特性曲線可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為每分鐘1900轉(zhuǎn)時，風(fēng)速10 m/s（或高于此數(shù)值），我們能夠獲得獲得比較理想的風(fēng)能電能轉(zhuǎn)換效率[2]。

圖1 風(fēng)機(jī)特性曲線

風(fēng)速和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速同時影響著輸出功率的變化，風(fēng)速過大，轉(zhuǎn)速過快，容易導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的損壞，必須通過一定的控制維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，保持輸出功率的恒定。風(fēng)機(jī)仿真結(jié)構(gòu)圖，如下圖2。

圖2 風(fēng)機(jī)仿真結(jié)構(gòu)圖

發(fā)電機(jī)，從本質(zhì)上講是將原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成為電能的裝置。這樣風(fēng)能傳輸系統(tǒng)也就可以組成：風(fēng)機(jī)將捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

異步電機(jī)模塊實現(xiàn)了一個三相異步電機(jī)（繞線轉(zhuǎn)子，鼠籠或雙鼠籠式）在一個可選擇的dq坐標(biāo)系（轉(zhuǎn)子，定子，或同步）的建模。定子和轉(zhuǎn)子繞組以星形連接在內(nèi)部中性點。

同步電機(jī)模塊實現(xiàn)了一個三相同步電機(jī)建模的dq轉(zhuǎn)子參考幀。定子繞組以星形接在內(nèi)部中性點。

勵磁模塊實現(xiàn)了同步機(jī)電壓調(diào)節(jié)器結(jié)合一個勵磁機(jī)。起著提供勵磁功率，起著調(diào)節(jié)電壓、維持電網(wǎng)電壓恒定的作用。另外，勵磁系統(tǒng)還可控制并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)無功功率的分配[3]。Matlab中可以直接使用勵磁模塊。

離散頻率調(diào)機(jī)器模塊的輸入值是相對地電壓，輸出值是24個邏輯信號，用于控制備用配平負(fù)載。我們使用一個可以分級調(diào)節(jié)的配平負(fù)載，這個負(fù)載是用來吸收超過實際負(fù)荷功率的風(fēng)能，并且，此可調(diào)節(jié)的配平負(fù)載的實際投切量由頻率偏移的實際情況決定。

頻率調(diào)節(jié)器的使用，是為了測量系統(tǒng)的頻率，進(jìn)而通過測量的頻率值與參考頻率值作比較，最終計算頻率誤差。此誤差信號經(jīng)過積分運(yùn)算將會得到相位誤差值，再與給定的容許相位誤差比較，再經(jīng)比例微分環(huán)節(jié)產(chǎn)生一個模擬控制信號。這個模擬控制信號再經(jīng)過數(shù)字化后最終會變成一個八位數(shù)字量。這個數(shù)字量可以用來配平負(fù)載的投切量，從而改變發(fā)電機(jī)端的電流大小，最終使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及電網(wǎng)頻率均保持穩(wěn)定。在切換過程，應(yīng)該選擇在交流電壓過零時，開關(guān)動作，這樣可以使得系統(tǒng)電壓波動最小[4]。仿真結(jié)構(gòu)圖見圖3。

最后在異步電機(jī)側(cè)加入三相短路故障模塊（Matlab可直接使用該故障模塊），雙擊模塊可以設(shè)置具體的短路故障類型，包括單相短路故障，兩相短路故障，三相短路故障。還可以設(shè)置故障開始和結(jié)束時間。系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖如圖4。

對于該系統(tǒng)，系統(tǒng)的額定頻率是60 Hz，風(fēng)機(jī)側(cè)給定風(fēng)速10，并且做出如下假設(shè)：第一，風(fēng)力發(fā)電的供給足夠負(fù)載使用時，同步電機(jī)處于電動調(diào)相運(yùn)行狀態(tài)。第二，異步電機(jī)的功率因數(shù)無法自主調(diào)節(jié)，須通過調(diào)節(jié)同步電機(jī)的勵磁來調(diào)節(jié)（基本原理是：通過測量電網(wǎng)電壓與給定電壓之間的差值，調(diào)節(jié)同步機(jī)的勵磁電流的大小來改變轉(zhuǎn)子功率以及電機(jī)端電壓）。

系統(tǒng)還使用了三相電壓和三相電流的測量單元，方便顯示有功功率和無功功率的波形變化。

3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真與分析

3.1 短路故障分析

短路是電力系統(tǒng)最常見的嚴(yán)重故障。所謂短路，就是系統(tǒng)中各種類型不正常的相與相之間或相與地之間的短接。系統(tǒng)發(fā)生短路的原因很多，主要有：

1）電氣設(shè)備、元件的損壞。

2）自然的原因。如：氣候惡劣，遭受直擊雷或雷電感應(yīng)，設(shè)備過電壓，絕緣被擊穿等。

3）人為事故。如：工作人員誤操作。

3.2 系統(tǒng)模型參數(shù)

仿真系統(tǒng)參數(shù)如下：

異步電機(jī)：n=275 kva，n=480 V，n=60 Hz

同步電機(jī)：n=300 kva，n=480 V，n=60 Hz

主負(fù)載：n=50 kW

可變負(fù)載：n=0~446.25 kW

次級負(fù)載：n=25 kW（在0.2 s時接入系統(tǒng)）

補(bǔ)償電容：n=75 kvar

故障模塊：發(fā)生時間0.4~0.7 s。

圖4 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

3.3 仿真分析

先通過風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型正常運(yùn)行的時下進(jìn)行仿真來驗證該模型的正確性和穩(wěn)定性，然后再分析系統(tǒng)發(fā)生短路時的各項參數(shù)變化[6]。

1）正常運(yùn)行工況

系統(tǒng)頻率和異步電機(jī)轉(zhuǎn)速（標(biāo)幺值）變化如圖5。

圖5 正常工況下系統(tǒng)頻率和異步電機(jī)轉(zhuǎn)速變化

從仿真波形可以看出：電網(wǎng)頻率在0.2s隨負(fù)載的投入發(fā)生了波動，3.5 s后又回到了原來頻率，這個過程中的電網(wǎng)電壓一直保持穩(wěn)定且整個電網(wǎng)的功率一直保持平衡狀態(tài)。實驗結(jié)果證明了該系統(tǒng)可靠性以及良好的動態(tài)響應(yīng)性能。

1）發(fā)生單相短路故障

對系統(tǒng)進(jìn)行異步電機(jī)側(cè)單相短路故障仿真，設(shè)置故障發(fā)生時間是0.4 s，結(jié)束時間0.7 s，故障相為A相，系統(tǒng)頻率和異步電機(jī)轉(zhuǎn)速（標(biāo)幺值）變化如圖6所示。

圖6 單相短路故障系統(tǒng)頻率和異步電機(jī)轉(zhuǎn)速變化

發(fā)生單相短路故障時，系統(tǒng)頻率和異步電機(jī)轉(zhuǎn)速波形和未發(fā)生故障時相比，差異很小，可以理解成，單相故障對該系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很小。

2）發(fā)生兩相短路故障

對系統(tǒng)進(jìn)行異步電機(jī)側(cè)兩相短路故障仿真，設(shè)置故障發(fā)生時間是0.4 s，結(jié)束時間0.7 s，故障相為AB相，系統(tǒng)頻率和異步電機(jī)轉(zhuǎn)速（標(biāo)幺值）變化如圖7所示。

圖7 兩相短路故障系統(tǒng)頻率和異步電機(jī)轉(zhuǎn)速變化

由圖可知，故障發(fā)生時，系統(tǒng)頻率開始下降至最低值（接近56 Hz），然后快速上升并逐漸穩(wěn)定。異步電機(jī)轉(zhuǎn)速短暫下降后突然上升，在故障結(jié)束時轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值后繼續(xù)下降，最終在4 s后趨于穩(wěn)定。相比于單相短路故障，發(fā)生兩相故障時，系統(tǒng)頻率和異步電機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍較大。

3）發(fā)生三相短路故障

異步電機(jī)側(cè)三相短路故障仿真，三相短路是對稱短路。對系統(tǒng)危害較大。設(shè)置故障發(fā)生時間是0.4 s，結(jié)束時間0.7 s。系統(tǒng)頻率和異步電機(jī)轉(zhuǎn)速（標(biāo)幺值）變化如圖8所示。

由圖可知，故障發(fā)生時，系統(tǒng)頻率逐漸下降，經(jīng)過短暫波動，到達(dá)最小值約為56.5 Hz，之后一直上升至其最大值約為61.5 Hz，系統(tǒng)頻率在4 s后逐漸穩(wěn)定。可以看出三相短路時，異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的最大值比前兩種情況更快，在故障結(jié)束后，系統(tǒng)需要更長的時間才能恢復(fù)原來的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 三相短路故障系統(tǒng)頻率和異步電機(jī)轉(zhuǎn)速變化

4 結(jié)語

本文基于在Matlab中建立的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型，著重進(jìn)行了異步電機(jī)側(cè)的單相短路故障，兩相短路故障和三相短路故障仿真，得到了對應(yīng)的系統(tǒng)頻率和異步機(jī)轉(zhuǎn)速的變化曲線。通過分析曲線可知不同故障類型對電力系統(tǒng)的影響不同。相比于單相短路和兩相短路，三相短路故障對系統(tǒng)危害更大，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)所需時間最長。這系統(tǒng)的各類型的短路故障研究，對保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)意義。

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Short Circuit Fault Analysis of Wind Power Generation System

Yuan Zhijun, Shi Weifeng, Zhuo Jinbao, Zhang Wei

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TM614

A

1003-4862（2017）07-0077-04

2017-04-14

袁梽鈞，男，碩士。研究方向：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。