风电并网前后的系统短路故障特性分析与仿真

曾丽琼，匡洪海，张曙云，邱雨阳

（1.湖南工业大学，电气与信息工程学院，湖南株洲，412000；2.五凌电力有限公司五强溪水电厂，湖南怀化，419600）



风电并网前后的系统短路故障特性分析与仿真

曾丽琼1，匡洪海1，张曙云1，邱雨阳2

（1.湖南工业大学，电气与信息工程学院，湖南株洲，412000；2.五凌电力有限公司五强溪水电厂，湖南怀化，419600）

摘要：由于风力发电出力的不稳定性从而导致风电并网将对系统原有的运行控制方式产生了一系列的挑战，为了更清晰直观了解到风电并网后对系统运行所产生的各方面影响。本文首先对目前主流风机类型双馈感应发电机组原理进行分析，同时采用直接并网模式构建了双馈感应风力发电机组并网前后系统发生三相短路故障的Matlab / Simulink仿真模型，并运用FFT分析并网前后三相短路故障特性，观察风电并网对系统动态稳定性的影响。仿真结果表明风力发电机组并入系统后比未并入时，系统发生短路故障所引起系统电压电流出现短时震荡更大、谐波畸变率更高，同时电压出现闪变现象也更加明显。

关键词：风力发电；双馈感应发电机；系统动态稳定性；谐波畸变率

0　引言

风力发电正以它的清洁，环保逐步占领市场。目前看来，作为绿色能源代表的风电已然成为了世界上速度发展最快，势头发展最好的可再生能源。尽管在全球范围内寻求开发可再生能源解决世界能源、环境危机过程中，风电被选为最具潜力开发项。然而，由于风力发电在电网中应用的比例不断的攀升，其随机性、间歇性、波动性和不可控性对系统的动态影响变得不容忽视［1-3］。

随着电力电子技术的发展，我国风电发展迅速，大量新型大容量风力发电机组开始投入运行，风电装机容量迅猛发展，在一些地区风电规划及其使用的比例已经远远超过15%，而涉及到风电并网的电压和无功功率控制，有功调度，静态稳定性和动态稳定性等的问题相对突出［4］。从以往的运行经验来看，可以将风力发电接入系统带来的不利影响总结为三点，第一点是对电压稳定性的影响，在风力发电过程中电动机在供给系统有功功率时也需要向系统吸收的大量的无功功率，，同时系统无功功率将会减少，系统电压的稳定性将大大受其影响，特别是随着风力发电的大规模化，风力发电容量居高不下，势必导致无功功率的增大，这将严重的影响电压的稳定性。第二点是对系统频率稳定性的影响，当容量不满足系统的需求时需要启用备用容量，这样风电并网又将造成频率不稳定的现象，这多出现在小型的风电并网中。第三点是对谐波稳定性的影响，而谐波的不稳定也在一定程度上影响到电压的稳定性［5-6］。据悉，随着风力发电的比例在电网发电领域的日益大规模化，对于整个电力系统而言大规模风电输电线路长距离输送风能的需要已经成不可改变的现实。所以，探究风电并网对系统动态稳定性影响是非常有意义的。

基于对双馈风力发电机组短路故障特性分析的严格要求，主要选取三相短路故障进行风电并入前后的仿真，风电机组选择的是双馈异步发电机。由Matlab/Sinmulink进行仿真验证，首先在未接入风电之前，针对三相短路故障，通过软件建模，仿真分析在所设置的故障点的电压和电流波形，其次是在接入风电之后，分析同一故障点的电压和电流波形。通过图形比对分析风电并网前后故障点电压和电流的变化，从而探讨风电并网对电力系统动态稳定性的影响。

1　DFIG

目前市场上面的风力发电机组的主要发电机型有双馈异步发电机（DFIG）驱动的风力发电机组和永磁直驱式风力发电机组。永磁直驱式风力发电系统通过全功率变换器将电网与永磁同步发电机隔离，电网发生故障不会对发电机组产生直接的影响；而功率变换器对整个风力发电机组的控制能力也会更强。这样，在电网故障期间永磁直驱式风力发电机组可通过网侧变换器的改进控制策略，再配合直流环节耗能电阻的投切和紧急变桨距控制，就能非常容易地实现电网在故障期间的穿越运行。不过，由于其体积大、成本过高、运输及吊装又很困难，永磁材料有退磁的隐患，其整体技术水平不如双馈异步风力发电机组成熟。再加上我国对稀土永磁材料的限量开发和保护政策，这更导致了永磁直驱式风电机组的发展缓慢。我国新增的大型风电机组中，绝大部分仍为双馈异步式［7-9］。

综上分析，本次风电机组模型选择的是双馈异步发电机，基于Matlab/Sinmulink可所建的双馈异步发电机模型如图1所示；在风力发电中应用双馈感应电机能提高风能的利用效率，具有更好的经济效能，当风吹动风叶转动，风叶带动电机转动，但由于风速不是一成不变的，时大时小，风叶的转动速度也时快时慢，一般发电机在这种情况下发出的交流电是频率和幅值都不恒定的电能，但用双馈感应电机，通常可以在风速相对较小的情况下从电网中获取电，用来确保其转速恒定，特别是在风速大的时候可以把多出来的电能储存在大电容当中，保证发出的电压是保证恒幅恒频的。

基于Matlab/Sinmulink所建立双馈感应电机的详细风发电模型如图2所示。

图3是基于Matlab/Sinmulink仿真平台而搭建的含有风电并网的三相短路故障测试系统模型。在以前传统的发力发电机组中加入了间歇性相对较高的风力电源。该模型选取双馈感应电机，与此同时它在并网方式的选择上采用直接并网方式，选择在发电机的转速快接近同步转速的情况下直接并网。

图1　双馈感应电机模型Fig.1 Doubly-fed induction motor model

图2　双馈感应风力发电机详细模型Fig.2 Induction double-fed wind generator detailed model

图3　含有风电并网的三相短路测试系统模型Fig.3 Contains Three-phase short-circuit test system model of wind power grid

2　Matlab仿真模型搭建

Matlab作为在科学研究和工程应用中最为广泛的仿真软件，在国际上已经被列为科学与工程计算领域最为突出的应用软件工具之一。它数值计算能力强，图像处理功能多样。实现复杂的电力系统模型可以直接在Matlab上搭建，可以说matlab的仿真准确又细致，完全能反映了出很多别的软件不能反映的细微变化。同时，大多数电力系统故障主要由系统的短路引起，短路故障是系统中最为常见的故障，它主要包括三相短路故障，两相短路故障，两相接地短路和单相接地短路故障［10-12］。此次风电并入前后的仿真选择在三相短路故障下进行，具有指导性，针对性。

基于Matlab/Sinmulink建立电网接入风电前后三相短路故障的模型如图4所示，电源选取恒定电压源与风电并网源进行并联，通过开关进行切换。理想三相电压源采用“three-phase source”模型，理想三相电压源作为电路的供给电源与风电并网后的电源对继电保护系统的影响可以进行对比。输电线路故障的仿真平台是利用的分布参数输电线路实现的。

图4　接入风电前后三相短路故障的模型Fig.4 Three-phase fault of simulation model before and after

图5　短路故障设置图Fig.5 Short-circuit fault settings Figure

如图4所示，设置一下三相短路故障发生器元件（Three-Phase Fault），在其仿真窗口的模型中双击该元件，可以看到这个模型参数对话框设置如图5所示，主要设置内容包括：（1）故障相选择，Phase A Fault（A相故障）、Phase B Fault（B相故障）、Phase C Fault（C相故障），根据故障类型进行选择，这里选择三相故障。（2）故障点电阻，该故障点的相关电阻选项是用来设置该故障相断路器的内部电阻的。（3）故障相接地，选择这个故障相接地主要是用来设置单相短路接地故障，两相短路接地故障和三相短路接地故障。（4）转换时间，是指在所规定的时刻立即发生故障。

3　仿真算例分析

通过上面的风力发电并网模型建立及相关的参数设置，仿真将选用电压为120kV的参数模拟电网实现仿真实验。设置该电路的三相短路故障发生器在0.01s时关闭，该电路在此时发生三相短路故障，可以观察电压波形图和电流波形图，可以发现在发生三相短路故障点A相电流和电压的变化，在0.04s时设置三相短路故障发生器打开，排除该三相短路故障。在无风电接入发生三相短路运行和有风电接入发生三相短路运行两种情形对比进行研究分析。本文利用 Simulink 软件平台来进行系统建模，其在故障发生过程中测得端点，示波器V-I的波形及分析如图 6～图 9所示。

3.1情形1 ：无风电接入发生三相短路故障运行情况

如图6所示在没有风电接入的故障点电压波形和电流波形，以及图7所示对A相电压的波形采用FFT分析。设置该电路的三相短路故障发生器在0.01s时关闭，该电路在此时发生三相短路故障，故障点A相电流和电压的变化如图所示，在0.04s时设置三相短路故障发生器打开，排除该三相短路故障。在此过程中利用FFT分析A相电压中的谐波畸变率也控制在1.11%。通过示波器观测其电压电流波形以及FFT分析可见在无风力发电并网情况下发生三相短路故障系统的电压波形和电流波形的故障震荡小且在系统的自我调节可控范围内变化。

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图6　无风电接入发生三相短路故障的电压和电流波形Fig.6 Three phase short circuit fault voltage and current waveform

图7　A相电压波形采用FFT分析Fig.7 A phase voltage waveform by using FFT analysis

3.2情形2：有风电接入发生三相短路故障运行情况

如图8所示在有风电接入的故障点电压波形和电流波形和图9所示的对A相电压的波形采用FFT分析。引入风力发电机组的发电系统但在时间设置方面与情形1一样设置该电路的三相短路故障发生器在0.01s时关闭，该电路在此时发生三相短路故障，故障点A相电流和电压的变化如图所示，在0.04s时设置三相短路故障发生器打开，相当于排除故障。同样在此过程中通过示波器测量其波形，通过用FFT分析此情形A相电压中的谐波畸变率为10.67%，明显比情形1在未加入风电机组的发电系统中的发生电路时的系统的谐波更多，对系统的稳定性运行危害更大。

图8　有风电接入发生三相短路故障的电压和电流波形Fig.8 Three phase short circuit fault voltage and current waveform

图9　A相电压的波形采用FFT分析Fig.9 A phase voltage waveform by using FFT analysis

4　结论

本文选择在系统中发生最为严重的三相短路故障在风电并网前后的运行情况进行仿真研究分析。通过对无风电接入发生三相短路故障运行情况和有风电接入发生三相短路故障运行情况这两种情形进行研究可知，由于风力发电具有随机性和间歇性特点，双馈风力发电并网运行必然将对电网产生相对影响。通过建立Matlab/Simulink关于风力发电并网的仿真平台，利用FFT对故障点A相电压中的谐波畸变率进行分析。系统正常运行情况下发生三相短路故障，A相电压中的谐波畸变率为1.11%。而系统在有风电接入时发生三相短路故障，A相电压中的谐波畸变率为10.67%。明显在加入风电机组的发电系统中的发生电路时的系统的谐波更多，风电并网后系统的电压出闪变现象非常明显，同时电压电流出现短时故障震荡大。

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本文引用格式：曾丽琼，匡洪海，张曙云，等.风电并网前后的系统短路故障特性分析与仿真［J］. 新型工业化，2016，6（4）：27-33.

Citation: ZENG Li-qiong， KUANG Hong-hai， ZHANG Shu-yun， et al. Research on the Influence of Wind Power Integration by Matlab for System Dynamic Stability ［J］. The Journal of New Industrialization，2016，6（4）: 27-33.

Research on the Influence of Wind Power Integration by Matlab for System Dynamic Stability

ZENG Li-qiong1， KUANG Hong-hai1， ZHANG Shu-yun1， QIU Yu-yang2
（1.College of Electrical and Information， Hunan University of Technology， Hunan Zhuzhou 412000， China； 2.Wuqiangxi Hydropower Plant， Wuling Power Co.， Ltd. ， Hunan Huaihua 419600， China）

Abstract:Due to the instability of wind power output from the cause of grid connected wind power will be the original of the operation of the system control mode produces a series of challenges， in order to be more clear and intuitive understanding to grid connected wind power for the operation of the system arising from various aspects of the impact. Firstly the current mainstream fan type doubly fed induction generator principle analysis， while using direct grid connected mode construct a threephase short circuit fault of MATLAB / Simulink simulation model of grid connected doubly fed induction generator wind turbine and the system， and the use of the FFT analysis before and after the grid connected three-phase short circuit fault characteristics，to observe the impact of wind power integration on power system dynamic stability. Simulation results show that incorporated into the wind turbine system than not incorporated， short circuit fault caused by system voltage and current short-term shocks greater， harmonic distortion rate higher. At the same time， voltage flicker phenomenon is more obvious.

Keywords:Wind power generation； Doubly fed induction generator（DFIG； System dynamic stability； Harmonic distortion rate

DOI：10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.04.005

基金项目：湖南省自科基金项目（2015JJ5009）；湖南省教育厅科研项目（15C0395）；湖南工业大学研究生校级创新基金（CX1502）

作者简介：曾丽琼（1991-），女，研究生，研究方向为新能源并网技术；匡洪海（1972-），通信作者，女，博士，副教授，研究方向为新能源与分布式发电；张曙云（1992-），男，研究生，研究方向为微网并网控制；邱雨阳（1991-），女，本科生，研究方向为水利发电科技