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风电场三相短路电流计算方法研究

时间:2016-05-03来源: 作者: 点击: 417次


王吉祥,祖志杰,宗玉鹏,马书宝,刘洪勋,杨晓东

 (国网山东省电力公司德州供电公司,山东省 德州 253100)


摘要:针对风电场并网点三相短路后风电场对故障点提供的短路电流计算给出三种不同的计算方法,分别为基本标幺值法、基于IEC60909标准的等效电压源法、短路容量法等。本文简要介绍上述三种方法的原理及在风电场短路电流计算中的应用过程,对三种计算方法的优缺点及适用场合进行概述。根据风电场中双馈风电机组网侧换流器的无功控制策略来决定短路计算时是否考虑网侧换流器对其计算结果的影响。

关键词:风电场;短路电流计算;标幺值;等效电压源;短路容量;网侧换流器

ABSTRACT:    In order to calculate the short-circuit current supplied by wind power plants during the short-circuit faults occurred at the grid connection point of wind power plants ,three different calculation methods are provided which include the basic per-unit value、the equivalent voltage source based on the standard of IEC60909、the capacity of short-circuit .The article briefly describes the principle of those three methods and the application process of the wind power plants’s short-circuit calculation ,also takes a summary on those methods’s advantage and disadvantage besides the application situations .Depending on the control strategies for the reactive power of the DFIG’s grid-side inverter to decide whether consider the influence of the DFIG’s grid-side inverter according to the result of the calculation .Taking a certain wind power plants for the case ,the short-circuit current is calculated with those different methods and analyse its calculation results .

KEY WORDSwind power plants; calculation of short-circuit current; per-unit value; equivalent voltage source; capacity of short-circuit ;grid-side inverter

0  引言

目前国内外电力系统关于短路电流的计算方法及软件都已经相当成熟,但大都不含风力发电系统。随着风电注入功率的不断增加,准确地计算风电场短路故障后风电场对短路点所提供的短路电流对于风电场开关设备的选型、导体的选择、继电保护的整定和校验有直接影响[1]。风电场不仅风机模型复杂,而且其运行方式、系统组成也有诸多因素与常规电厂差别较大,因而建立一套既能满足工程精度又能反映风电场短路特性的短路电流计算方法具有很好的工程应用价值。

双馈风电机组是当前应用最为广泛的风电机组类型之一,其定子侧直接接入电网,转子侧通过双PWM变频器接入电网。当机端发生三相短路故障时,发电机自身发生一系列暂态电磁变化,引起机端电流瞬间增大。同时,双PWM变频器中网侧换流器在双馈风机机端短路故障期间会因其无功控制策略的不同而表现出相应的特性,从而使网侧换流器对双馈风机短路电流产生不同的影响。由于双馈风机转子中不含阻尼绕组,因而其机端短路后的短路电流只包含暂态过程而没有次暂态过程,这一点与同步发电机机端短路后短路电流的次暂态过程有所不同。文献[2]分析了风机运行特性和风场的电气系统,结合某一工程实际特点对风电场内的电气系统进行了合理简化并利用ETAP软件建立了风电场的数学模型,计算了风电场电气系统内各关键点短路电流。计算时双馈风电发电机有两种处理思路:一种是认为风机不提供短路电流;另一种把风机当做同步发电机处理。文献[3]全面分析了双馈型风电机组网侧换流器在正常工作和故障情况下的无功调节能力,认为应充分利用网侧换流器的无功调节能力来改善风电场的无功特性。

基于上述分析,本文针对风电场送出线三相短路故障后风电场对短路点注入的短路电流值,给出3种不同的短路电流计算方法,即基本标幺值法、基于IEC60909标准的等效电压源法和短路容量法。首先讲述了风电场中基本标幺值法的计算原理与计算步骤;其次分析了IEC60909标准的主要内容,并将此标准应用到风电场的短路电流计算中来;然后介绍了短路容量法计算系统三相短路电流的原理与计算过程,定义了风电场短路电流计算中各设备短路容量的计算公式以及网络化简公式;最后讲述了双馈风电机组网侧换流器在风电场短路电流计算中的处理方式。

1  基本标幺值法

1.1  基本标幺值法原理与计算步骤

基本标幺值法是把风电场至短路故障点的所有阻抗元件用基于同一基准容量的标幺值表示,然后利用风电场等值风力发电机的暂态电势来计算风电场短路电流的一种方法。此时系统网络简化为单一的电路图,利用电路知识就可以解出短路点的短路电流标幺值,再将标幺值转化为有名值即可得到短路点的短路电流值。

基本标幺值法的计算过程:首先选定系统容量基准值,通常为100MVA;然后利用风电场稳态信息得到风电场等值风力发电机的暂态电势值;其次将系统中阻抗元件标幺化,包括风电场等值风力发电机的暂态电抗及其网侧换流器的等值暂态电抗、变压器阻抗、线路阻抗等;最后形成系统的标幺电路图,利用电路知识求解短路点的电流值。

1.2  风电场等值风力发电机的暂态电势计算

双馈风力发电机暂态简化等值模型[4]如图1所示。图中为双馈风力发电机暂态电势值、为双馈风力发电机暂态电抗值、为双馈风力发电机机端电压值、为双馈风力发电机机端电流值。

1  双馈风力发电机暂态等值电路

Fig. 1 Transient equivalent circuit of DFIG

由图1可以看出以下关系式:

                  1

式中,为双馈风力发电机定子漏抗,为转子漏抗,为定转子互抗。

从式(1)看出,若已知故障前双馈风力发电机机端电压值与电流值便可以得出双馈风机故障前的暂态电势值,由于故障瞬间暂态电势值不发生突变,因此,也就得到故障瞬间双馈风机起始暂态电势值。

在已知风电场内单台风力发电机暂态电势值的基础上很容易根据风电场内风力电机的布局与配置得出整个风电场等值风力发电机的暂态电势值。若风电场的等值处理过程仅是简单的加权等值,则风电场等值风力发电机的暂态电势值与单台风力发电机的暂态电势值相等,只是风电场等值风力发电机的暂态电抗值为单台风力发电机暂态电抗值的1/n

2  基于IEC60909标准的等效电压源法

2.1  IEC60909标准内容

IEC60909标准是国际电工协会(IEC)于2001年制定的短路计算新国际标准,目的是在通常可以接受的精度下,建立一个普遍性的,实用并简洁的求取结果的过程。算法的主要内容有[5] [6]

1)电压修正系数c

当电力系统内部某一点发生短路故障时,在该点引入一个虚拟的电压源,该电压源的电压值由下式确定:

                    (2

式中,为短路前该点的额定标称电压,c为电压修正系数,计算最大短路电流时,取,计算最小短路电流时,取。该电压源为网络的唯一的电压源,其它电源,如同步发电机、同步电动机、异步电动机和馈电网络的电势等都视为零并用自身内阻抗代替。可不考虑非旋转负载的运行数据和发电机励磁方式。除零序网络外,线路电容和非旋转负载的并联导纳都可忽略。

因此,故障点的起始短路电流都可由下式计算

                  (3

式中,为起始短路电流、为归算至短路点的短路阻抗。

2)发电机阻抗修正

系统发生短路时,发电机总有一个暂态过程,尤其是发电机近端短路时,此时的暂态过程不应忽视,短路瞬间发电机有较大的次暂态电势。假定短路瞬间的纵分量不变,可以推出发电机阻抗修正公式:

   (4

        (5

式中,为校正系数;为发电机校正阻抗;为发电机次暂态阻抗;为发电机次暂态电抗;为发电机次暂态电抗标幺值;为发电机额定电压;为发电机额定电流与相电压之间的相角。

3)网络变压器阻抗的修正

网络变压器的短路阻抗需按下面的经验公式进行修正:

                  6

            7

式中,为修正后变压器短路阻抗;为修正前变压器短路阻抗;为变压器修正系数;为变压器短路电抗标幺值,对于三绕组变压器,将改为

4)基于IEC60909标准的短路电流计算流程

1)确定故障点等效电压源的电压修正系数c

2)修正系统中发电机及变压器的阻抗;

3)得到系统短路后的等值电路图,求解电路图得到短路电流值,计算可采用有名值或标幺值。

2  基于IEC60909标准的短路电流计算示意图

Fig. 2 Schematic diagram for the calculation of short circuit current based on the standard of IEC60909

2.2  IEC60909标准在风电场短路电流计算中应用

首先是确定故障点等效电压源修正系数c,由于风电场所处的电压等级都比较高,因此根据IEC标准的规定取

IEC60909标准对同步发电机的阻抗修正过程进行了详细的描述,但由于风力发电机结构与同步发电机有很大的不同,需对风力发电机的阻抗修正系数重新定义。采用IEC60909标准的风力发电机阻抗修正系数求取过程如下。

        8

式中,为风力发电机暂态电抗标幺值。

风电场内升压变压器与常规电力系统中变压器在结构及运行特点上并无差异,因而其升压变压器的阻抗修正系数与采用IEC60909标准中网络变压器的阻抗修正系数相同。即:

            9

IEC60909标准中对静止电力电子元件的等值阻抗未予修正,因此对于双馈型风电场中网侧换流器的等值暂态电抗同样未予修正。

此时便可得到类似图2所示的风电场短路后等值电路图,从而很方便地求得短路点的短路电流值。

3  短路容量法

3.1  短路容量法的基本知识

短路容量法又称兆伏安法(MVA),是指系统中各元件直接用短路容量来表示,如系统中是电源元件(如发电机及运行的电动机),用短路时输出的短路容量表示;如是阻抗元件用短路时的通过能力表示。再通过简单的四则运算就可以解决电力系统的短路电流计算。由于各元件用短路容量表示,与所在系统的电压无关,可省去电压换算环节,且比较直观地计算出故障点的短路电流。

电力系统某点三相短路电流kA)等于该点的短路容量MVA)与额定电压UkV)的比值:

                    10

由式(10)可以看出,确定短路容量是计算短路电流的关键。电力系统中无论是上游的电网、发电机、电动机这些主动释放能量的设备,还是像变压器、电缆等转换或被动吸收能量的设备,都可以通过各自等效的短路容量来描述。确定短路容量应考虑电网所有相关设备的影响,不仅有电源系统,还应包括变压器、线路等设备。

任一元件(发电机、变压器、线路等)的短路容量可以视作将其连接于无穷大系统后短接所求得的短路容量MVA),如图3所示[7]

图 3  计算元件短路容量示意图

Fig. 3 Schematic diagram for the calculation of the equipment’s capacity of short circuit

风力发电机短路容量

                     11

式中,为风力发电机额定容量(MVA),为风力发电机暂态电抗标幺值。

网侧换流器短路容量

                     12

式中,为网侧换流器额定容量(MVA),为网侧换流器等效暂态电抗标幺值。

双绕组变压器短路容量

                13

式中为变压器额定容量(MVA),%为变压器短路阻抗电压百分比。

三绕组变压器短路容量

                14

式中,%i=123)为三绕组变压器等值电抗百分比,i=123)为与其等值电抗对应的短路容量,为三绕组变压器额定容量。

架空线、电缆线路短路容量

                     15

式中,为线路的额定电压(kV),为线路阻抗的有名值(Ω)。

3.2  短路容量法的网络化简

短路容量法需经过网络化简才能计算出故障点的短路电流。网络化简包括串并联变换以及三角与星形变换。

式(10)可变换为 :

    (16

由式(16)可知的大小与Y的大小成正比,因此短路容量的串并联与导纳的串并联规则相同。以表示两个元件的短路容量,表示总的短路容量。

则元件串联时:

                  17

元件并联时:

                  18

三角与星形变换公式如下图所示:

4  三角与星形变换图

Fig. 4 The picture for the transformation between Δand Y

图中各变量定义如下:

19            

式中,D代表三角连接,Y代表星形连接,i=123

短路容量法的计算步骤:

1)绘制系统单线图,并标示故障点;

2)求出所有元件的短路容量;

3)对故障点做短路容量的网络变换,求出该点的短路容量

4)由式(10)求得该点的短路电流。

4  双馈风电机组网侧换流器在风电场短路计算中的处理

双馈风电机组网侧换流器作为静止电力电子元件其暂态电势值通常默认为1.0。等值暂态阻抗可由下式确定[6]

             20

式中,为双馈风力发电机的阻转电流值,为网侧换流器的额定电流值,一般计算中,默认为网侧换流器额定电压,为网侧换流器额定容量。由于中电阻成分很小,因此可以默认为为网侧换流器的等效暂态电抗。

含双馈风电机组的风电场短路计算时是否考虑其网侧换流器的影响应视网侧换流器的无功控制策略决定。网侧换流器无功采用单位功率因数控制策略时,故障期间,网侧换流器提供的无功功率很小,此时网侧换流器为维持其电容器直流母线电压的稳定会有部分的有功流动,从而引起有功电流的增大,这对于双馈风力发电机短路电流的增大不很明显,此时可以忽略网侧换流器对双馈风力发电机短路电流的影响,将含有网侧换流器的那一支路去掉即可。网侧换流器无功采用恒电压控制策略时,故障期间网侧换流器为使机端电压尽快恢复会在其容量允许的范围内尽可能多地发出无功功率,此时网侧换流器除了有部分有功电流的增大之外,还会产生很大部分的无功电流,这对于双馈风力发电机短路电流的增大会有一定的影响,此时便不可以忽略网侧换流器对双馈风力发电机短路电流的影响。

5  结论

本文针对风电场三相短路电流的计算给出了三种不同的方法,并对三种方法的原理与计算过程进行了详细的介绍。三种方法中,基本标幺值法得到的短路电流值最为准确,但需要知道风电场的实时信息且需要进行标幺值转化,因此比较耗时,可用于短路电流的在线计算。基于IEC60909标准的等效电压源法通过改变等效电压源的修正系数c就可以得到风电场的最大与最小短路电流值。该方法无需知道风电系统的实时信息,计算过程清晰,可采用标幺值计算,适合于在风电场初期规划时其短路电流值的计算。短路容量法计算前无需知道风电场的电压等级,无需进行系统元件的标幺化,只需知道风电场中各设备的额定参数即可。因此很适合风电场运行人员估算风电场短路电流值,该方法满足一定的工程精度且计算过程十分简易快速,也可用于对仿真软件计算结果的验证。同时在计算含双馈风电机组的风电场三相短路电流时,笔者认为应视风电场中双馈风电机组网侧换流器的无功控制策略来决定是否考虑网侧换流器对风电场短路计算结果的影响。

参 考 文 献

[1]   李晓涛.并网型风电场的短路电流计算及其低电压穿越能力分析.华北电力大学硕士学位论文,2011.

Li XiaoTao.Short-circuit Current Calculation and Low Voltage Ride through Capability Analysis of Grid Connected Wind Farms. North China Electric Power University,2011.

[2]   袁玮,李鸿路,韩笑等.风电场短路电流计算的应用研究.高科技与产业化,2009,06:82-85.

       Yuan Wei,Li HongLu,Nan Xiao,et al.Application research for the calculation of short-circuit current in wind farm.High- Technology&Industrialization,2009,06:82-85.

[3]   袁晓冬,邱志鹏,李群,周克亮等.双馈型风电机组网侧换流器无功功率调节控制策略.电力自动化设备,2011,31(8):16-19.

       Yuan Xiaodong,Qiu Zhipeng,Li Qun,Zhou Keliang,et al.Reactive power regulation strategy for grid-side converter of doubly-fed induction generation in wind farm.Electric Power Automation Equipment,2011,31(8):16-19.

[4] Vladislav Akhmatov. Induction Generators for Wind Power. Brentwood:Multi-Science Publishing Company, 2005:94-95.

[5]   谢文,朱永强,崔文进.IEC60909短路电流计算标准分析.电网技术,2005,26(2):23-25.

       Xie Wen,Zhu Yong qiang,Cui Wen jin.Analysis on Short-circuit Current Calculation Standard IEC 60909.Automation of Electric Power Systems,2005,26(2):23-25.

[6]   International Electrotechnical Commission. Short-circuit currents  in three-phase a.c.systems-Part0:Calculation of currents,IEC60909-0.

2001.

[7]  T.-H.Chen. Complex short circuit MVA method for power system studies. IEEE Proc-Cener.Transm.Distrib,1994,141(2):81-84.


 



 

 风电场三相短路电流计算方法研究

王吉祥,祖志杰,宗玉鹏,马书宝,刘洪勋,杨晓东

 (国网山东省电力公司德州供电公司,山东省 德州 253100)


摘要:针对风电场并网点三相短路后风电场对故障点提供的短路电流计算给出三种不同的计算方法,分别为基本标幺值法、基于IEC60909标准的等效电压源法、短路容量法等。本文简要介绍上述三种方法的原理及在风电场短路电流计算中的应用过程,对三种计算方法的优缺点及适用场合进行概述。根据风电场中双馈风电机组网侧换流器的无功控制策略来决定短路计算时是否考虑网侧换流器对其计算结果的影响。

关键词:风电场;短路电流计算;标幺值;等效电压源;短路容量;网侧换流器

ABSTRACT:    In order to calculate the short-circuit current supplied by wind power plants during the short-circuit faults occurred at the grid connection point of wind power plants ,three different calculation methods are provided which include the basic per-unit value、the equivalent voltage source based on the standard of IEC60909、the capacity of short-circuit .The article briefly describes the principle of those three methods and the application process of the wind power plants’s short-circuit calculation ,also takes a summary on those methods’s advantage and disadvantage besides the application situations .Depending on the control strategies for the reactive power of the DFIG’s grid-side inverter to decide whether consider the influence of the DFIG’s grid-side inverter according to the result of the calculation .Taking a certain wind power plants for the case ,the short-circuit current is calculated with those different methods and analyse its calculation results .

KEY WORDSwind power plants; calculation of short-circuit current; per-unit value; equivalent voltage source; capacity of short-circuit ;grid-side inverter

0  引言

目前国内外电力系统关于短路电流的计算方法及软件都已经相当成熟,但大都不含风力发电系统。随着风电注入功率的不断增加,准确地计算风电场短路故障后风电场对短路点所提供的短路电流对于风电场开关设备的选型、导体的选择、继电保护的整定和校验有直接影响[1]。风电场不仅风机模型复杂,而且其运行方式、系统组成也有诸多因素与常规电厂差别较大,因而建立一套既能满足工程精度又能反映风电场短路特性的短路电流计算方法具有很好的工程应用价值。

双馈风电机组是当前应用最为广泛的风电机组类型之一,其定子侧直接接入电网,转子侧通过双PWM变频器接入电网。当机端发生三相短路故障时,发电机自身发生一系列暂态电磁变化,引起机端电流瞬间增大。同时,双PWM变频器中网侧换流器在双馈风机机端短路故障期间会因其无功控制策略的不同而表现出相应的特性,从而使网侧换流器对双馈风机短路电流产生不同的影响。由于双馈风机转子中不含阻尼绕组,因而其机端短路后的短路电流只包含暂态过程而没有次暂态过程,这一点与同步发电机机端短路后短路电流的次暂态过程有所不同。文献[2]分析了风机运行特性和风场的电气系统,结合某一工程实际特点对风电场内的电气系统进行了合理简化并利用ETAP软件建立了风电场的数学模型,计算了风电场电气系统内各关键点短路电流。计算时双馈风电发电机有两种处理思路:一种是认为风机不提供短路电流;另一种把风机当做同步发电机处理。文献[3]全面分析了双馈型风电机组网侧换流器在正常工作和故障情况下的无功调节能力,认为应充分利用网侧换流器的无功调节能力来改善风电场的无功特性。

基于上述分析,本文针对风电场送出线三相短路故障后风电场对短路点注入的短路电流值,给出3种不同的短路电流计算方法,即基本标幺值法、基于IEC60909标准的等效电压源法和短路容量法。首先讲述了风电场中基本标幺值法的计算原理与计算步骤;其次分析了IEC60909标准的主要内容,并将此标准应用到风电场的短路电流计算中来;然后介绍了短路容量法计算系统三相短路电流的原理与计算过程,定义了风电场短路电流计算中各设备短路容量的计算公式以及网络化简公式;最后讲述了双馈风电机组网侧换流器在风电场短路电流计算中的处理方式。

1  基本标幺值法

1.1  基本标幺值法原理与计算步骤

基本标幺值法是把风电场至短路故障点的所有阻抗元件用基于同一基准容量的标幺值表示,然后利用风电场等值风力发电机的暂态电势来计算风电场短路电流的一种方法。此时系统网络简化为单一的电路图,利用电路知识就可以解出短路点的短路电流标幺值,再将标幺值转化为有名值即可得到短路点的短路电流值。

基本标幺值法的计算过程:首先选定系统容量基准值,通常为100MVA;然后利用风电场稳态信息得到风电场等值风力发电机的暂态电势值;其次将系统中阻抗元件标幺化,包括风电场等值风力发电机的暂态电抗及其网侧换流器的等值暂态电抗、变压器阻抗、线路阻抗等;最后形成系统的标幺电路图,利用电路知识求解短路点的电流值。

1.2  风电场等值风力发电机的暂态电势计算

双馈风力发电机暂态简化等值模型[4]如图1所示。图中为双馈风力发电机暂态电势值、为双馈风力发电机暂态电抗值、为双馈风力发电机机端电压值、为双馈风力发电机机端电流值。

1  双馈风力发电机暂态等值电路

Fig. 1 Transient equivalent circuit of DFIG

由图1可以看出以下关系式:

                  1

式中,为双馈风力发电机定子漏抗,为转子漏抗,为定转子互抗。

从式(1)看出,若已知故障前双馈风力发电机机端电压值与电流值便可以得出双馈风机故障前的暂态电势值,由于故障瞬间暂态电势值不发生突变,因此,也就得到故障瞬间双馈风机起始暂态电势值。

在已知风电场内单台风力发电机暂态电势值的基础上很容易根据风电场内风力电机的布局与配置得出整个风电场等值风力发电机的暂态电势值。若风电场的等值处理过程仅是简单的加权等值,则风电场等值风力发电机的暂态电势值与单台风力发电机的暂态电势值相等,只是风电场等值风力发电机的暂态电抗值为单台风力发电机暂态电抗值的1/n

2  基于IEC60909标准的等效电压源法

2.1  IEC60909标准内容

IEC60909标准是国际电工协会(IEC)于2001年制定的短路计算新国际标准,目的是在通常可以接受的精度下,建立一个普遍性的,实用并简洁的求取结果的过程。算法的主要内容有[5] [6]

1)电压修正系数c

当电力系统内部某一点发生短路故障时,在该点引入一个虚拟的电压源,该电压源的电压值由下式确定:

                    (2

式中,为短路前该点的额定标称电压,c为电压修正系数,计算最大短路电流时,取,计算最小短路电流时,取。该电压源为网络的唯一的电压源,其它电源,如同步发电机、同步电动机、异步电动机和馈电网络的电势等都视为零并用自身内阻抗代替。可不考虑非旋转负载的运行数据和发电机励磁方式。除零序网络外,线路电容和非旋转负载的并联导纳都可忽略。

因此,故障点的起始短路电流都可由下式计算

                  (3

式中,为起始短路电流、为归算至短路点的短路阻抗。

2)发电机阻抗修正

系统发生短路时,发电机总有一个暂态过程,尤其是发电机近端短路时,此时的暂态过程不应忽视,短路瞬间发电机有较大的次暂态电势。假定短路瞬间的纵分量不变,可以推出发电机阻抗修正公式:

   (4

        (5

式中,为校正系数;为发电机校正阻抗;为发电机次暂态阻抗;为发电机次暂态电抗;为发电机次暂态电抗标幺值;为发电机额定电压;为发电机额定电流与相电压之间的相角。

3)网络变压器阻抗的修正

网络变压器的短路阻抗需按下面的经验公式进行修正:

                  6

            7

式中,为修正后变压器短路阻抗;为修正前变压器短路阻抗;为变压器修正系数;为变压器短路电抗标幺值,对于三绕组变压器,将改为

4)基于IEC60909标准的短路电流计算流程

1)确定故障点等效电压源的电压修正系数c

2)修正系统中发电机及变压器的阻抗;

3)得到系统短路后的等值电路图,求解电路图得到短路电流值,计算可采用有名值或标幺值。

2  基于IEC60909标准的短路电流计算示意图

Fig. 2 Schematic diagram for the calculation of short circuit current based on the standard of IEC60909

2.2  IEC60909标准在风电场短路电流计算中应用

首先是确定故障点等效电压源修正系数c,由于风电场所处的电压等级都比较高,因此根据IEC标准的规定取

IEC60909标准对同步发电机的阻抗修正过程进行了详细的描述,但由于风力发电机结构与同步发电机有很大的不同,需对风力发电机的阻抗修正系数重新定义。采用IEC60909标准的风力发电机阻抗修正系数求取过程如下。

        8

式中,为风力发电机暂态电抗标幺值。

风电场内升压变压器与常规电力系统中变压器在结构及运行特点上并无差异,因而其升压变压器的阻抗修正系数与采用IEC60909标准中网络变压器的阻抗修正系数相同。即:

            9

IEC60909标准中对静止电力电子元件的等值阻抗未予修正,因此对于双馈型风电场中网侧换流器的等值暂态电抗同样未予修正。

此时便可得到类似图2所示的风电场短路后等值电路图,从而很方便地求得短路点的短路电流值。

3  短路容量法

3.1  短路容量法的基本知识

短路容量法又称兆伏安法(MVA),是指系统中各元件直接用短路容量来表示,如系统中是电源元件(如发电机及运行的电动机),用短路时输出的短路容量表示;如是阻抗元件用短路时的通过能力表示。再通过简单的四则运算就可以解决电力系统的短路电流计算。由于各元件用短路容量表示,与所在系统的电压无关,可省去电压换算环节,且比较直观地计算出故障点的短路电流。

电力系统某点三相短路电流kA)等于该点的短路容量MVA)与额定电压UkV)的比值:

                    10

由式(10)可以看出,确定短路容量是计算短路电流的关键。电力系统中无论是上游的电网、发电机、电动机这些主动释放能量的设备,还是像变压器、电缆等转换或被动吸收能量的设备,都可以通过各自等效的短路容量来描述。确定短路容量应考虑电网所有相关设备的影响,不仅有电源系统,还应包括变压器、线路等设备。

任一元件(发电机、变压器、线路等)的短路容量可以视作将其连接于无穷大系统后短接所求得的短路容量MVA),如图3所示[7]

图 3  计算元件短路容量示意图

Fig. 3 Schematic diagram for the calculation of the equipment’s capacity of short circuit

风力发电机短路容量

                     11

式中,为风力发电机额定容量(MVA),为风力发电机暂态电抗标幺值。

网侧换流器短路容量

                     12

式中,为网侧换流器额定容量(MVA),为网侧换流器等效暂态电抗标幺值。

双绕组变压器短路容量

                13

式中为变压器额定容量(MVA),%为变压器短路阻抗电压百分比。

三绕组变压器短路容量

                14

式中,%i=123)为三绕组变压器等值电抗百分比,i=123)为与其等值电抗对应的短路容量,为三绕组变压器额定容量。

架空线、电缆线路短路容量

                     15

式中,为线路的额定电压(kV),为线路阻抗的有名值(Ω)。

3.2  短路容量法的网络化简

短路容量法需经过网络化简才能计算出故障点的短路电流。网络化简包括串并联变换以及三角与星形变换。

式(10)可变换为 :

    (16

由式(16)可知的大小与Y的大小成正比,因此短路容量的串并联与导纳的串并联规则相同。以表示两个元件的短路容量,表示总的短路容量。

则元件串联时:

                  17

元件并联时:

                  18

三角与星形变换公式如下图所示:

4  三角与星形变换图

Fig. 4 The picture for the transformation between Δand Y

图中各变量定义如下:

19            

式中,D代表三角连接,Y代表星形连接,i=123

短路容量法的计算步骤:

1)绘制系统单线图,并标示故障点;

2)求出所有元件的短路容量;

3)对故障点做短路容量的网络变换,求出该点的短路容量

4)由式(10)求得该点的短路电流。

4  双馈风电机组网侧换流器在风电场短路计算中的处理

双馈风电机组网侧换流器作为静止电力电子元件其暂态电势值通常默认为1.0。等值暂态阻抗可由下式确定[6]

             20

式中,为双馈风力发电机的阻转电流值,为网侧换流器的额定电流值,一般计算中,默认为网侧换流器额定电压,为网侧换流器额定容量。由于中电阻成分很小,因此可以默认为为网侧换流器的等效暂态电抗。

含双馈风电机组的风电场短路计算时是否考虑其网侧换流器的影响应视网侧换流器的无功控制策略决定。网侧换流器无功采用单位功率因数控制策略时,故障期间,网侧换流器提供的无功功率很小,此时网侧换流器为维持其电容器直流母线电压的稳定会有部分的有功流动,从而引起有功电流的增大,这对于双馈风力发电机短路电流的增大不很明显,此时可以忽略网侧换流器对双馈风力发电机短路电流的影响,将含有网侧换流器的那一支路去掉即可。网侧换流器无功采用恒电压控制策略时,故障期间网侧换流器为使机端电压尽快恢复会在其容量允许的范围内尽可能多地发出无功功率,此时网侧换流器除了有部分有功电流的增大之外,还会产生很大部分的无功电流,这对于双馈风力发电机短路电流的增大会有一定的影响,此时便不可以忽略网侧换流器对双馈风力发电机短路电流的影响。

5  结论

本文针对风电场三相短路电流的计算给出了三种不同的方法,并对三种方法的原理与计算过程进行了详细的介绍。三种方法中,基本标幺值法得到的短路电流值最为准确,但需要知道风电场的实时信息且需要进行标幺值转化,因此比较耗时,可用于短路电流的在线计算。基于IEC60909标准的等效电压源法通过改变等效电压源的修正系数c就可以得到风电场的最大与最小短路电流值。该方法无需知道风电系统的实时信息,计算过程清晰,可采用标幺值计算,适合于在风电场初期规划时其短路电流值的计算。短路容量法计算前无需知道风电场的电压等级,无需进行系统元件的标幺化,只需知道风电场中各设备的额定参数即可。因此很适合风电场运行人员估算风电场短路电流值,该方法满足一定的工程精度且计算过程十分简易快速,也可用于对仿真软件计算结果的验证。同时在计算含双馈风电机组的风电场三相短路电流时,笔者认为应视风电场中双馈风电机组网侧换流器的无功控制策略来决定是否考虑网侧换流器对风电场短路计算结果的影响。

参 考 文 献

[1]   李晓涛.并网型风电场的短路电流计算及其低电压穿越能力分析.华北电力大学硕士学位论文,2011.

Li XiaoTao.Short-circuit Current Calculation and Low Voltage Ride through Capability Analysis of Grid Connected Wind Farms. North China Electric Power University,2011.

[2]   袁玮,李鸿路,韩笑等.风电场短路电流计算的应用研究.高科技与产业化,2009,06:82-85.

       Yuan Wei,Li HongLu,Nan Xiao,et al.Application research for the calculation of short-circuit current in wind farm.High- Technology&Industrialization,2009,06:82-85.

[3]   袁晓冬,邱志鹏,李群,周克亮等.双馈型风电机组网侧换流器无功功率调节控制策略.电力自动化设备,2011,31(8):16-19.

       Yuan Xiaodong,Qiu Zhipeng,Li Qun,Zhou Keliang,et al.Reactive power regulation strategy for grid-side converter of doubly-fed induction generation in wind farm.Electric Power Automation Equipment,2011,31(8):16-19.

[4] Vladislav Akhmatov. Induction Generators for Wind Power. Brentwood:Multi-Science Publishing Company, 2005:94-95.

[5]   谢文,朱永强,崔文进.IEC60909短路电流计算标准分析.电网技术,2005,26(2):23-25.

       Xie Wen,Zhu Yong qiang,Cui Wen jin.Analysis on Short-circuit Current Calculation Standard IEC 60909.Automation of Electric Power Systems,2005,26(2):23-25.

[6]   International Electrotechnical Commission. Short-circuit currents  in three-phase a.c.systems-Part0:Calculation of currents,IEC60909-0.

2001.

[7]  T.-H.Chen. Complex short circuit MVA method for power system studies. IEEE Proc-Cener.Transm.Distrib,1994,141(2):81-84.


 



 

 

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