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摘要:通过分析风力发电机种类，得出目前普遍用于风电发电的发电机类型，并通过电流模型仿真故障时风电场提供短路电流的特点，分析出风电接入系统时，对系统典型配置保护的影响，结合实例研究在整定计算时一套可行的方案。
关键词: 风力发电；短路电流；整定计算
引言:
近年随着节能减排、减少能源消耗受到社会越来越多的重视，作为目前最成熟、经济效益最好的可再生能源的风力发电再次进入人们的视野，也受到国家政策的大力扶持。受此影响，我国风力发电进入了快速发展时期，也导致越来越多在电网从事继电保护的整定人员接触到风力发电系统。
虽然中国风电发展历史已有近二十年，但由于此前风电发展较有地域性，并网风电场的容量也比较小，在电力系统保护配置及整定计算时，基本是将风电场简化为一个负荷。但近年并网的风场规模都比较大，在电网发生故障时风力发电机将向短路点提供一定的短路电流，因此在整定计算时，需要充分考虑风电场的影响。纵观目前短路电流计算软件及成熟的短路电流计算方法，都没有涉及风力发电系统，整定人员面对风电场并网时都难于整定，因此研究风电场接入系统对继电保护整定计算的影响，推出适用于大部分电网的继电保护整定计算解决方案，具有很重要的意义。
本文通过介绍目前应用于国内电网的风力发电机的种类特点，分析风电场在系统发生短路时的电流模型，并具体分析系统发生故障时风电场提供的短路电流对各种保护的影响，得出通用可行的解决方案。
1 风力发电机的种类及数学模型
1.1风力发电机的种类
目前投入商业运行的并网风力发电机组可分为定桨定速型和变桨变速型两大类，主要采用笼式异步发电机、双馈异步发电机和永磁同步发电机三种发电机。双馈异步发电机的工作原理是由变频器在转子绕组中产生一个低速旋转磁场，这个旋转磁场的转速与转子由风力带动所产生的机械转速相叠加，在转子绕组中形成一个合成的旋转磁场，最终在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频（50 Hz）电压输出到电网。当风速发生变化时，由系统自动调节，保持输出到电网的频率恒定不变。由于双馈异步发电机在变频器中仅流过转差功率，因此变频器所需容量比较小，一般为发电机额定功率的10%～30%左右，变频器的损耗小投资也相对较低，技术相对比较成熟，是当前最主流的风机。目前世界上绝大多数的风电制造企业生产双馈型风机，近年并网运行的风机也为该类型居多。本文就以双馈异步风力发电机为模型，研究系统发生短路时，短路电流的特性。
图1为目前风力发电建设项目中广泛采用的基于双馈感应电机的变速风电机组模型，在普通绕线式异步感应电机的基础上外加了连接在转子滑环与定子之间的变频器及其控制系统。
图1 双馈异步风力发电机模型
1.2风力发电机的数学模型
经过推导和化简得出双馈式异步机的暂态数学模型，在d-q-0坐标系统下基本方程为：
式中：Uds、Uqs、Udr、Uqr分别为定子绕组和转子绕组电压的d轴和q轴分量；Ids、Iqs、Idr、Iqr分别为定子绕组和转子绕组电流的d轴和q轴分量；Rs、Rr分别为定子、转子相电阻；θs、θr分别为定子、转子转角；Ψds、Ψqs、Ψdr、Ψqr分别为定子绕组和转子绕组组合成磁链的d轴和q轴分量；Ls、Lr为各定子、转子绕组间的互感；Tm、Te为机械转矩和电磁转距；J为发电机转子的转动惯量；f为频率；P为极对数。
2 双馈异步风力发电机在系统故障时的短路电流
假设图1为容量10MW的双馈异步风机组，通过升压箱变升至35kV，再通过长为15km的输电线路送至升压站，电压升至110kV，最终接入无穷大系统，两条线路在6s时刻发生0.15S的短路故障。将图1的系统放入Matlab/Simulink7.0 的仿真系统，结果如图 2、3所示。由图可知异步发电机在三相短路故障时仅能提供很小的持续短路电流(I≈0)，两相短路时异步发电机提供的持续短路电流也很小，但瞬间性短路电流很大。原因是双馈风电机组与基于普通异步发电机的定速风电机组的短路电流特性有很大区别，并网运行的异步发电机没有独立的励磁机构，在电网发生短路故障时，由于机端电压显著降低，发电机失去励磁，故很难向电网输送持续短路电流。
由异步电机的特性可知，当异步电机定子侧突然短路时，转子由于惯性，其转速会在一定时间内保持不变，因此异步电机的定子和转子绕组的磁链也不会突变。如异步电机用暂态电动势以及相应的暂态电抗表示，因暂态电动势的值在短路前后瞬间不变，因此可用暂态电动势和暂态电抗计算短路电流周期分量起始值。由于异步电机本身没有励磁电源，周期分量电流衰减很快，一般为 3至5个周波。
3 风電场并网时的整定计算思路
目前国内风电场的设计及风机厂家很多给不出具体参数，加上风电场风机分散，整定人员计算时通常无法用常规的整定计算软件还原风力发电机的参数模型，出于工程计算的简化思路，可以结合风电场配置考虑简化风电场在整定计算时的影响。
如图1的系统，我们可以具体把电网故障分为风机出口短路和集电线路短路两种情况分析：
（一）风机出口短路
1） 风机为异步电机，当系统短路时，风机出口电压大幅下降，风机的无功电源是通过自身的补偿电容器提供的，如果系统电压降低，则无功来源大幅度下降，风机出口电压将进一步降低直至崩溃，没有了励磁磁场，则风机无法发电。
2） 风机设有快速保护，低电压或过流都会很快地动作。
3） 风机出口电压大都是0.69kV的低压系统，折算到35kV侧的等值电路来看，风机、箱变及相应的低压线路相当于一个很大的限流电抗，短路电流无法送出。
因此，风场的实际运行情况是：若风机出口0.69kV侧发生短路，相连的风电机组退出运行，而系统侧经过箱式变压器向故障点提供短路电流。
（二）35kV集电线路及外部系统短路
风电场中，风电机组普遍采用1机1变的单元接线，当35kV集电线路或升压站内某点发生短路故障时，把每个风力发电机和箱式变压器看成电源与阻抗的组合，并经集电线路连接到35kV母线。当系统故障时，风机能向各短路点提供短暂的短路电流，但用此方法计算出的短路电流可能偏大。由于在整定计算软件中没有准确的参数模型，在实际整定计算时可以采用定性处理的方法。
由短路电流模型及在实际整定时的思路我们可以分析出，风机在系统短路时能提供的短路电流的时间很短，大概在5个周波之内，所以在整定计算时，如果保护装置的动作时间很快，必须考虑风电场的影响，而当保护装置动作时间大于5个周波时，可以不考虑风电场短路电流对保护装置的影响，因为风电场短路电流衰减很快，保护装置从时间上已经躲过。
4 实例及保护分析
图4为某市一个风电场并网的实例简化图，110kV线路配置有常规保护及光纤差动保护。由上面分析可知，受风电场影响的保护是动作时间在100ms以下的，由此可知有可能受影响的保护有差动保护，瞬时距离Ⅰ段、瞬时零序过流Ⅰ段及电流速断保护。
K1点故障，风电场能为保护2提供短路电流，由基尔霍夫定律定律可知，风电场提供的短路电流不会对差动保护正确动作有影响；同理当保护区外故障，例如K2点故障，风电场向保护装置2、3均提供相同的短路电流，不会引起保护装置2、3的差动保护误动。
而对于电流速断或快速零序Ⅰ段保护，当K2接地故障时，风电场除向保护装置4提供短路电流外，也向保护装置2、3提供短路电流，如达到保护装置2的动作值并且方向正确，保护装置2将快速动作，即风电场可能会引起保护装置2的误动，所以在整定时不能把风电场仅看作一个负荷。在实际整定时，可考虑退出电流速断保护和瞬时零序Ⅰ段保护，或设置0.15秒时限躲过风电场的影响。
对于距离保护，例如K2点接地故障时，保护装置3继电器的测量阻抗除了包括从保护安装处到短路点的线路正序阻抗外，还包括两侧电势相位差和过渡电阻引起的附加分量，参数的变化会引起继电器测量阻抗的变化，为避免保护误动或拒动，在整定瞬时距离Ⅰ段时，应充分考虑风电场的影响，对距离保护的动作边界作出相应的校正。在实际工程计算时，可以将距离Ⅰ段的保护范围缩减或将距离Ⅰ段设置0.15秒以躲过风电场的影响，避免风电场助增造成误动。
5 结论
1)当有大规模的风电场接入系统，系统故障时风电场可能向短路点提供短时的短路电流，因此在整定计算时不能简单地将风电场看作一个负荷，应充分考虑风电场对继电保护的影响；
2）由风电场短路的模型可知，在实际工程整定计算时，风电场仅会对电流速断保护、瞬时零序过流Ⅰ段及瞬时距离Ⅰ段有影响。在实际整定时，可采取退出该保护或设置一个短时限躲过风电场的影响。
3）本文提供的整定思路是建立在风机厂家给不出风电场具体参数所作的一种较为简便的工程简化方案，如有足够的参数或有包含风电场风机的整定计算软件，可另行详细计算。
注：文章内所涉及的公式和图表请用PDF格式打开
关键词: 风力发电；短路电流；整定计算
引言:
近年随着节能减排、减少能源消耗受到社会越来越多的重视，作为目前最成熟、经济效益最好的可再生能源的风力发电再次进入人们的视野，也受到国家政策的大力扶持。受此影响，我国风力发电进入了快速发展时期，也导致越来越多在电网从事继电保护的整定人员接触到风力发电系统。
虽然中国风电发展历史已有近二十年，但由于此前风电发展较有地域性，并网风电场的容量也比较小，在电力系统保护配置及整定计算时，基本是将风电场简化为一个负荷。但近年并网的风场规模都比较大，在电网发生故障时风力发电机将向短路点提供一定的短路电流，因此在整定计算时，需要充分考虑风电场的影响。纵观目前短路电流计算软件及成熟的短路电流计算方法，都没有涉及风力发电系统，整定人员面对风电场并网时都难于整定，因此研究风电场接入系统对继电保护整定计算的影响，推出适用于大部分电网的继电保护整定计算解决方案，具有很重要的意义。
本文通过介绍目前应用于国内电网的风力发电机的种类特点，分析风电场在系统发生短路时的电流模型，并具体分析系统发生故障时风电场提供的短路电流对各种保护的影响，得出通用可行的解决方案。
1 风力发电机的种类及数学模型
1.1风力发电机的种类
目前投入商业运行的并网风力发电机组可分为定桨定速型和变桨变速型两大类，主要采用笼式异步发电机、双馈异步发电机和永磁同步发电机三种发电机。双馈异步发电机的工作原理是由变频器在转子绕组中产生一个低速旋转磁场，这个旋转磁场的转速与转子由风力带动所产生的机械转速相叠加，在转子绕组中形成一个合成的旋转磁场，最终在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频（50 Hz）电压输出到电网。当风速发生变化时，由系统自动调节，保持输出到电网的频率恒定不变。由于双馈异步发电机在变频器中仅流过转差功率，因此变频器所需容量比较小，一般为发电机额定功率的10%～30%左右，变频器的损耗小投资也相对较低，技术相对比较成熟，是当前最主流的风机。目前世界上绝大多数的风电制造企业生产双馈型风机，近年并网运行的风机也为该类型居多。本文就以双馈异步风力发电机为模型，研究系统发生短路时，短路电流的特性。
图1为目前风力发电建设项目中广泛采用的基于双馈感应电机的变速风电机组模型，在普通绕线式异步感应电机的基础上外加了连接在转子滑环与定子之间的变频器及其控制系统。
图1 双馈异步风力发电机模型
1.2风力发电机的数学模型
经过推导和化简得出双馈式异步机的暂态数学模型，在d-q-0坐标系统下基本方程为：
式中：Uds、Uqs、Udr、Uqr分别为定子绕组和转子绕组电压的d轴和q轴分量；Ids、Iqs、Idr、Iqr分别为定子绕组和转子绕组电流的d轴和q轴分量；Rs、Rr分别为定子、转子相电阻；θs、θr分别为定子、转子转角；Ψds、Ψqs、Ψdr、Ψqr分别为定子绕组和转子绕组组合成磁链的d轴和q轴分量；Ls、Lr为各定子、转子绕组间的互感；Tm、Te为机械转矩和电磁转距；J为发电机转子的转动惯量；f为频率；P为极对数。
2 双馈异步风力发电机在系统故障时的短路电流
假设图1为容量10MW的双馈异步风机组，通过升压箱变升至35kV，再通过长为15km的输电线路送至升压站，电压升至110kV，最终接入无穷大系统，两条线路在6s时刻发生0.15S的短路故障。将图1的系统放入Matlab/Simulink7.0 的仿真系统，结果如图 2、3所示。由图可知异步发电机在三相短路故障时仅能提供很小的持续短路电流(I≈0)，两相短路时异步发电机提供的持续短路电流也很小，但瞬间性短路电流很大。原因是双馈风电机组与基于普通异步发电机的定速风电机组的短路电流特性有很大区别，并网运行的异步发电机没有独立的励磁机构，在电网发生短路故障时，由于机端电压显著降低，发电机失去励磁，故很难向电网输送持续短路电流。
由异步电机的特性可知，当异步电机定子侧突然短路时，转子由于惯性，其转速会在一定时间内保持不变，因此异步电机的定子和转子绕组的磁链也不会突变。如异步电机用暂态电动势以及相应的暂态电抗表示，因暂态电动势的值在短路前后瞬间不变，因此可用暂态电动势和暂态电抗计算短路电流周期分量起始值。由于异步电机本身没有励磁电源，周期分量电流衰减很快，一般为 3至5个周波。
3 风電场并网时的整定计算思路
目前国内风电场的设计及风机厂家很多给不出具体参数，加上风电场风机分散，整定人员计算时通常无法用常规的整定计算软件还原风力发电机的参数模型，出于工程计算的简化思路，可以结合风电场配置考虑简化风电场在整定计算时的影响。
如图1的系统，我们可以具体把电网故障分为风机出口短路和集电线路短路两种情况分析：
（一）风机出口短路
1） 风机为异步电机，当系统短路时，风机出口电压大幅下降，风机的无功电源是通过自身的补偿电容器提供的，如果系统电压降低，则无功来源大幅度下降，风机出口电压将进一步降低直至崩溃，没有了励磁磁场，则风机无法发电。
2） 风机设有快速保护，低电压或过流都会很快地动作。
3） 风机出口电压大都是0.69kV的低压系统，折算到35kV侧的等值电路来看，风机、箱变及相应的低压线路相当于一个很大的限流电抗，短路电流无法送出。
因此，风场的实际运行情况是：若风机出口0.69kV侧发生短路，相连的风电机组退出运行，而系统侧经过箱式变压器向故障点提供短路电流。
（二）35kV集电线路及外部系统短路
风电场中，风电机组普遍采用1机1变的单元接线，当35kV集电线路或升压站内某点发生短路故障时，把每个风力发电机和箱式变压器看成电源与阻抗的组合，并经集电线路连接到35kV母线。当系统故障时，风机能向各短路点提供短暂的短路电流，但用此方法计算出的短路电流可能偏大。由于在整定计算软件中没有准确的参数模型，在实际整定计算时可以采用定性处理的方法。
由短路电流模型及在实际整定时的思路我们可以分析出，风机在系统短路时能提供的短路电流的时间很短，大概在5个周波之内，所以在整定计算时，如果保护装置的动作时间很快，必须考虑风电场的影响，而当保护装置动作时间大于5个周波时，可以不考虑风电场短路电流对保护装置的影响，因为风电场短路电流衰减很快，保护装置从时间上已经躲过。
4 实例及保护分析
图4为某市一个风电场并网的实例简化图，110kV线路配置有常规保护及光纤差动保护。由上面分析可知，受风电场影响的保护是动作时间在100ms以下的，由此可知有可能受影响的保护有差动保护，瞬时距离Ⅰ段、瞬时零序过流Ⅰ段及电流速断保护。
K1点故障，风电场能为保护2提供短路电流，由基尔霍夫定律定律可知，风电场提供的短路电流不会对差动保护正确动作有影响；同理当保护区外故障，例如K2点故障，风电场向保护装置2、3均提供相同的短路电流，不会引起保护装置2、3的差动保护误动。
而对于电流速断或快速零序Ⅰ段保护，当K2接地故障时，风电场除向保护装置4提供短路电流外，也向保护装置2、3提供短路电流，如达到保护装置2的动作值并且方向正确，保护装置2将快速动作，即风电场可能会引起保护装置2的误动，所以在整定时不能把风电场仅看作一个负荷。在实际整定时，可考虑退出电流速断保护和瞬时零序Ⅰ段保护，或设置0.15秒时限躲过风电场的影响。
对于距离保护，例如K2点接地故障时，保护装置3继电器的测量阻抗除了包括从保护安装处到短路点的线路正序阻抗外，还包括两侧电势相位差和过渡电阻引起的附加分量，参数的变化会引起继电器测量阻抗的变化，为避免保护误动或拒动，在整定瞬时距离Ⅰ段时，应充分考虑风电场的影响，对距离保护的动作边界作出相应的校正。在实际工程计算时，可以将距离Ⅰ段的保护范围缩减或将距离Ⅰ段设置0.15秒以躲过风电场的影响，避免风电场助增造成误动。
5 结论
1)当有大规模的风电场接入系统，系统故障时风电场可能向短路点提供短时的短路电流，因此在整定计算时不能简单地将风电场看作一个负荷，应充分考虑风电场对继电保护的影响；
2）由风电场短路的模型可知，在实际工程整定计算时，风电场仅会对电流速断保护、瞬时零序过流Ⅰ段及瞬时距离Ⅰ段有影响。在实际整定时，可采取退出该保护或设置一个短时限躲过风电场的影响。
3）本文提供的整定思路是建立在风机厂家给不出风电场具体参数所作的一种较为简便的工程简化方案，如有足够的参数或有包含风电场风机的整定计算软件，可另行详细计算。
注：文章内所涉及的公式和图表请用PDF格式打开