含風電分布式電源接入配網(wǎng)故障特性分析

含風電分布式電源接入配網(wǎng)故障特性分析1.1雙饋感應發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)風電的隨機性使風電場輸入系統(tǒng)的有功功率處于不易控制的變化中，相應的風電場吸收的無功功率也處于變化之中。在系統(tǒng)重負荷或者臨近功率極限運行時，風速的突然變化將成為系統(tǒng)電壓失穩(wěn)的擾動[54]。風電場所在地區(qū)往往遠離負荷中心，處于供電網(wǎng)絡的末端，而且需要消耗感應無功功率，系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定問題更加突出。目前世界上流行的風力發(fā)電技術大體上可以分為恒速恒頻(CSCF)和變速恒頻(VSCF)兩大類。恒速恒頻系統(tǒng)采用同步發(fā)電機或感應發(fā)電機，風速變化時，系統(tǒng)通過一定的調節(jié)，保持風力機轉速恒定，從而實現(xiàn)發(fā)電頻率[55]的恒定。變速恒頻風力發(fā)電技術將電力電子技術、矢量變換控制技術和微機信息處理技術引入發(fā)電機的控制中來獲取高質量的電能，已成為近年來的研究熱點。在新安裝的變速恒頻風力發(fā)電機中，現(xiàn)在最常用的是雙饋感應發(fā)電機(DFIG)。雙饋感應變速恒頻風力發(fā)電技術可以提高風能捕獲能力和轉換效率，改善并優(yōu)化風力發(fā)電機組的運行條件，便于順利實現(xiàn)并網(wǎng)操作，是一種優(yōu)化的具有良好應用前景的風力發(fā)電解決方案[56]。雙饋發(fā)電機[57-59]又稱為交流勵磁發(fā)電機，它的結構類似于繞線式異步電機，定子和轉子均安放對稱三相繞組。定子繞組有頻率恒定的對稱三相電源激勵，轉子繞組由頻率可調的對稱三相電源激勵，電機的轉速由定子和轉子之間的轉差頻率確定。定子側直接與電網(wǎng)側相連接，轉子側采用三相對稱繞組，經(jīng)過交直交變頻器與電網(wǎng)側相連接，以提供發(fā)電機交流勵磁，勵磁電流的幅值、相位、頻率均可變，其中勵磁頻率為轉差頻率。其中交-直-交變頻器為雙PWM換流器，可實現(xiàn)四象限運行。雙饋發(fā)電機除通過定子向電網(wǎng)潰入功率之外，還通過部分功率變頻器與電網(wǎng)之間交換轉差功率，并可以通過變頻器的控制對整個雙饋電機的有功功率和無功功率分別進行控制。雙饋風力發(fā)電機組系統(tǒng)主要由風力機、雙饋發(fā)電機、變流器、控制檢測系統(tǒng)等組成，結構圖如圖3-1所示。圖3-1雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)結構示意圖Fig.3-1Theschematicdiagramofdouble-fedwindgenerator(1)風力機：主要部分有葉片、輪轂、齒輪箱等。葉片用于捕捉風能并通過輪轂、齒輪箱等轉化為機械能進行傳遞。(2)雙饋感應發(fā)電機：雙饋風力發(fā)電機的定子側直接接入電網(wǎng)，轉子側經(jīng)雙向變流器接入所需低頻勵磁電流[60]。因為定子與轉子兩側都可能有能量的饋送，所以稱為雙饋風力發(fā)電機。(3)變流器：變流器采用功率可雙向流動的電壓源型交-直-交PWM變流器。網(wǎng)側變頻器主要是保證電流波形和功率因數(shù)滿足要求以及保證直流母線處電壓的穩(wěn)定。轉子變流器主要任務一是調節(jié)有功功率，實現(xiàn)對風能的最大捕獲；二是可以通過改變勵磁電流的幅值和相位，調節(jié)定子無功功率。(4)控制系統(tǒng)：雙饋感應發(fā)電機控制系統(tǒng)包括電氣控制與變槳距角控制。當風速小于額定風速時采用最大功率跟蹤策略來實現(xiàn)對最大風能的捕獲；當風速增加到大于額定風速時，變槳距裝置動作，槳距角逐漸變大，將發(fā)電機的輸出功率限制在額定功率附近。1.2雙饋發(fā)電機的建模與仿真1.2.1風速模型作用在風力機葉片上的空氣流，也稱之為風能，是風電系統(tǒng)的原動力，具有隨機性和間歇性的特點[61-63]。為了能精確描述風速具有隨機性和間歇性的特點，在研究中，通常用四種成分的風速來模擬：基本風、陣風、漸變風和隨機風。(1)基本風可由風電場測風所得的威布爾(Weibull)分布參數(shù)近似確定：(3-1)式中：為基本風速(m/s)；C、k為威布爾分布的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)；為伽馬函數(shù)。當考慮秒級時間段的計算時，基本風速可視為常數(shù)?；撅L速用Simulink中的常量模型模擬如下：圖3-2基本風模型圖Fig.3-2Themodeldiagramofmeanwind(2)陣風描述風速突然變化的特性一般用陣風來表示：(3-2)(3-3)式中：為陣風風速最大值(m/s)；為周期(s)；為啟動時間(s)。取參數(shù)，，，陣風用Simulink中的模塊模擬如下：圖3-3陣風模型圖Fig.3-3Themodeldiagramofgustwind(3)漸變風對風速的漸變特性可以用漸變風成分來模擬：(3-4)(3-5)式中：為最大值(m/s)；為起始時間(s)；為終止時間(s)，為保持時間(s)。取參數(shù)，，，，陣風用Simulink中的模塊模擬如下：圖3-4漸變風模型圖Fig.3-4Themodeloframpwind(4)隨機風風速變化的隨機性可用隨機噪聲風速成分來表示：

(3-6)(3-7)(3-8)式中：為之間均勻分布的隨機變量；為第個分量的角頻率；機變量的離散間距；為風場表面阻力系數(shù)；為風速波動規(guī)模系數(shù)(m2)；為相對高度的平均風速(m/s)；為風速隨機分量分布譜密度(m/s)。綜合上述四種風速成分，模擬實際作用在風力機上的風速[64]為(3-9)1.2.2風力機模型風力機是一種將風能轉變換為機械能的能量裝置，是實現(xiàn)風能發(fā)電的重要設備。風力機主要由風輪、傳動系統(tǒng)、對風裝置（偏航系統(tǒng)）、液壓系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、控制與安全系統(tǒng)等組成。風力機的吸收功率是風速的函數(shù)，可表示為：(3-10)式中：為空氣密度()；為風能利用系數(shù)；為風力機掃風面積；為風速()。由風力驅動而產(chǎn)生的葉片轉矩可表示為：(3-11)式中：為風力機葉片轉矩(p.u.)；為葉片半徑(m)；為風力機額定機械角速度(rad/s)；為風力機額定功率(kw)；為風速()。通過以上對風力機原理及特性的分析，建立風力渦輪機模型如圖3-5所示：圖3-5風力機的模型圖Fig.3-5Themodelofwindturbine1.2.3雙饋發(fā)電機模型雙饋電機轉子均為三相對稱繞組，電路、磁路呈對稱分布，并且d軸和q軸的阻抗是完全相等的，可列出其dq方程如下：電壓方程如下：(3-12)式中：下標為s的表示定子量，下標為r的表示轉子量，下標為1的表示電網(wǎng)量，p為微分算子。繞組磁鏈方程如下：(3-13)式中：表示勵磁電感。電磁轉矩方程為：(3-14)轉子運動方程為：(3-15)式中：表示慣性時間常數(shù)，D表示阻尼系數(shù)。聯(lián)立(3-12)-(3-15)，求解就可準確描述雙饋式發(fā)電機的全部動態(tài)行為。1.2.4傳動機構模型風力機和發(fā)電機之間通過傳動機構相連，傳動機構一般由輪轂、傳動軸和齒輪箱組成。在建模中，一般用一階慣性環(huán)節(jié)表示其特性。傳動機構的運動方程可以表示為：(3-16)式中：為風力機葉片轉矩(p.u.)；為傳動機構輸出轉矩(p.u.)；為輪轂時間常數(shù)(s)。傳動機構的搭建Simulink模型如圖3-6所示：圖3-6傳動機構模型圖Fig.3-6Themodelofdrivegear1.3風力發(fā)電機并網(wǎng)分析MATLAB是矩陣實驗室(MatrixLaboratory)的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境。MATLAB軟件已推出了電力系統(tǒng)仿真工具箱(SimPower)、控制系統(tǒng)工具箱(ControlSystemToolbox)、信號處理工具箱(SignalProcessingToolbox)、數(shù)字信號處理模塊(DSPBlock)、濾波器設計工具箱(FilterDesignToolbox)、小波分析工具箱(WaveletToolbox)和神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱(NeuralNetworkToolbox)，在電力系統(tǒng)方面[65,66]的應用已經(jīng)成熟。對比多種仿真軟件，本文選用電力軟件MATLAB對含分布式電源的配電網(wǎng)進行仿真分析。使用MATLAB軟件進行電力系統(tǒng)數(shù)字仿真，具有3個突出的優(yōu)勢。電力系統(tǒng)仿真工具箱(SimPower)功能強大，工具箱內(nèi)部的元件庫提供了經(jīng)常使用的各種電力元件數(shù)學模型，并提供了可自己變成的方式創(chuàng)建適合的元件模型。強大的MATLAB平臺。在相同的平臺上，MATLAB的數(shù)值運算功能為進行電力工程方面的運算提供了強有力的后盾。友好的界面。從電力系統(tǒng)仿真、到數(shù)值計算、圖形處理、再到信號分析，MATLAB不僅提供了各類問題的解決方案，更重要的是使這些技術變得尤為輕松簡單。首先，對沒有接入風電的110kV配電網(wǎng)線路進行仿真，具體模型如圖3-7所示。無窮大系統(tǒng)取為110kV電源經(jīng)線路和變壓器降壓為35kV和690V(方便與風電并網(wǎng)后比較)。圖3-7配電線路的simulink模擬圖Fig.3-7Thesimulinkmodeldiagramofdistributionline當系統(tǒng)正常運行時，配電線路(line2)仿真所得的電壓、電流波形如圖3-8所示(藍色代表A相，綠色代表B相，紅色代表C相)，橫坐標表示仿真時間，縱坐標采用標幺值(pu)來表示，易于進行計算和對結果的分析比較。(a)正常運行下電壓波形(b)正常運行下電流波形圖3-8正常運行線路電壓、電流波形Fig.3-8Thevoltageandcurrentwaveformsofnormaloperationoftheline當配電線路(line2)發(fā)生各種故障時，仿真所得的電壓、電流波形如圖3-9、圖3-10、圖3-11所示。在0.05s時刻發(fā)生故障，0.08s時刻清除故障。(a)三相故障時電壓波形(b)三相故障時電流波形圖3-9三相故障時線路電壓、電流波形Fig.3-9Thevoltageandcurrentwaveformsofthree-phasefaultoftheline(a)BC兩相故障時電壓波形(b)BC兩相故障時電流波形圖3-10BC兩相故障時線路電壓、電流波形Fig.3-10ThevoltageandcurrentwaveformsofBCtwo-phasefaultoftheline(a)單相接地故障時電壓波形(b)單相接地故障時電流波形圖3-11A相單相接地故障時線路電壓、電流波形Fig.3-11ThevoltageandcurrentwaveformsofAphasegroundfaultoftheline由圖3-9可以看出，配電線路(line2)上發(fā)生三相短路時，故障電流達到近4pu，電壓下降，接近于0。清除故障后，線路電流電壓峰值恢復正常。由圖3-10可以看出，配電線路(line2)上發(fā)生BC兩相短路時，故障電流達到0.75pu，正常相電壓變化較小，故障相電壓降為0.5倍左右的正常值。清除故障后，線路電流電壓峰值恢復正常。由圖3-11可以看出，配電線路(line2)上發(fā)生單相接地短路時，故障電流達到0.45pu，故障相電壓降為0，正常相電壓達到1.8倍的正常值。清除故障后，線路電流電壓峰值恢復正常。大規(guī)模風電接入系統(tǒng)對電力系統(tǒng)電能質量影響較大，由于風能的隨機性和不可控性，向系統(tǒng)提供的短路電流也越來越大，對原有的系統(tǒng)保護會產(chǎn)生影響，可能導致保護誤動。本節(jié)使用MATLAB中的SIMULINK環(huán)境，選擇雙饋式風電機組作為此處仿真的模型[67]，對圖3-12所示的帶有風電機組作為分布式電源的配電網(wǎng)線路進行仿真，具體如圖3-13所示，仿真模型的主要參數(shù)如下：(1)取雙饋異步風力發(fā)電機的額定功率為1.5MVA，發(fā)電機出口電壓有效值為0.69kV，額定頻率為50Hz，通過升壓將電壓升至35kV，再通過升壓將電壓由110kV與系統(tǒng)相連。(2)風力渦輪機參數(shù)：取基本風速為12m/s，額定機械輸出容量為1.5MW。(3)風速參數(shù)：風速輸入設為基本風速為8m/s，從1s開始輸入陣風，陣風幅值為4m/s，持續(xù)1s。(4)在配電線路末端接500KW三相串聯(lián)RLC負載。圖3-12雙饋風力發(fā)電機與系統(tǒng)連接示意圖Fig.3-12Thediagramofdouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem圖3-13雙饋風力發(fā)電機并網(wǎng)的simulink模擬圖Fig.3-13Thesimulinkmodeldiagramofdouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem當系統(tǒng)正常運行時，配電線路(line2)仿真所得的電壓、電流波形如圖3-14所示。(a)正常運行時電壓波形(b)正常運行時電流波形圖3-14風機并網(wǎng)后正常運行線路電壓、電流波形Fig.3-14Thevoltageandcurrentwaveformsofnormaloperationofthelineafterthedouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem當配電線路(line2)發(fā)生各種故障時，仿真所得的電壓、電流波形如圖3-15、3-16、3-17所示。在0.05s時刻發(fā)生故障，0.08s時刻清除故障。(a)三相故障時電壓波形(b)三相故障時電流波形圖3-15風機并網(wǎng)后三相故障時線路電壓、電流波形Fig.3-15Thevoltageandcurrentwaveformsofthree-phasefaultofthelineafterthedouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem(a)BC兩相故障時電壓波形(b)BC兩相故障時電流波形圖3-16風機并網(wǎng)后BC兩相故障時線路電壓、電流波形Fig.3-16ThevoltageandcurrentwaveformsofBCtwo-phasefaultofthelineafterthedouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem(a)單相接地故障時電壓波形(b)單相接地故障時電流波形圖3-17風機并網(wǎng)后A相單相接地故障時線路電壓、電流波形Fig.3-17ThevoltageandcurrentwaveformsofAphasegroundfaultofthelineafterthedouble-fedwindgeneratorconnectedtopo