含風(fēng)電分布式電源接入配網(wǎng)故障特性分析

含風(fēng)電分布式電源接入配網(wǎng)故障特性分析1.1雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)電的隨機(jī)性使風(fēng)電場輸入系統(tǒng)的有功功率處于不易控制的變化中，相應(yīng)的風(fēng)電場吸收的無功功率也處于變化之中。在系統(tǒng)重負(fù)荷或者臨近功率極限運(yùn)行時(shí)，風(fēng)速的突然變化將成為系統(tǒng)電壓失穩(wěn)的擾動(dòng)[54]。風(fēng)電場所在地區(qū)往往遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，處于供電網(wǎng)絡(luò)的末端，而且需要消耗感應(yīng)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(fēng)力發(fā)電技術(shù)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(jī)或感應(yīng)發(fā)電機(jī)，風(fēng)速變化時(shí)，系統(tǒng)通過一定的調(diào)節(jié)，保持風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電頻率[55]的恒定。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)將電力電子技術(shù)、矢量變換控制技術(shù)和微機(jī)信息處理技術(shù)引入發(fā)電機(jī)的控制中來獲取高質(zhì)量的電能，已成為近年來的研究熱點(diǎn)。在新安裝的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，現(xiàn)在最常用的是雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)。雙饋感應(yīng)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可以提高風(fēng)能捕獲能力和轉(zhuǎn)換效率，改善并優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行條件，便于順利實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)操作，是一種優(yōu)化的具有良好應(yīng)用前景的風(fēng)力發(fā)電解決方案[56]。雙饋發(fā)電機(jī)[57-59]又稱為交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，它的結(jié)構(gòu)類似于繞線式異步電機(jī)，定子和轉(zhuǎn)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(lì)，轉(zhuǎn)子繞組由頻率可調(diào)的對稱三相電源激勵(lì)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由定子和轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)差頻率確定。定子側(cè)直接與電網(wǎng)側(cè)相連接，轉(zhuǎn)子側(cè)采用三相對稱繞組，經(jīng)過交直交變頻器與電網(wǎng)側(cè)相連接，以提供發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁，勵(lì)磁電流的幅值、相位、頻率均可變，其中勵(lì)磁頻率為轉(zhuǎn)差頻率。其中交-直-交變頻器為雙PWM換流器，可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。雙饋發(fā)電機(jī)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(zhuǎn)差功率，并可以通過變頻器的控制對整個(gè)雙饋電機(jī)的有功功率和無功功率分別進(jìn)行控制。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、雙饋發(fā)電機(jī)、變流器、控制檢測系統(tǒng)等組成，結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示。圖3-1雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3-1Theschematicdiagramofdouble-fedwindgenerator(1)風(fēng)力機(jī)：主要部分有葉片、輪轂、齒輪箱等。葉片用于捕捉風(fēng)能并通過輪轂、齒輪箱等轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)行傳遞。(2)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)：雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子側(cè)直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)經(jīng)雙向變流器接入所需低頻勵(lì)磁電流[60]。因?yàn)槎ㄗ优c轉(zhuǎn)子兩側(cè)都可能有能量的饋送，所以稱為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)。(3)變流器：變流器采用功率可雙向流動(dòng)的電壓源型交-直-交PWM變流器。網(wǎng)側(cè)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(zhuǎn)子變流器主要任務(wù)一是調(diào)節(jié)有功功率，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)能的最大捕獲；二是可以通過改變勵(lì)磁電流的幅值和相位，調(diào)節(jié)定子無功功率。(4)控制系統(tǒng)：雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)包括電氣控制與變槳距角控制。當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)采用最大功率跟蹤策略來實(shí)現(xiàn)對最大風(fēng)能的捕獲；當(dāng)風(fēng)速增加到大于額定風(fēng)速時(shí)，變槳距裝置動(dòng)作，槳距角逐漸變大，將發(fā)電機(jī)的輸出功率限制在額定功率附近。1.2雙饋發(fā)電機(jī)的建模與仿真1.2.1風(fēng)速模型作用在風(fēng)力機(jī)葉片上的空氣流，也稱之為風(fēng)能，是風(fēng)電系統(tǒng)的原動(dòng)力，具有隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)[61-63]。為了能精確描述風(fēng)速具有隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，在研究中，通常用四種成分的風(fēng)速來模擬：基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)。(1)基本風(fēng)可由風(fēng)電場測風(fēng)所得的威布爾(Weibull)分布參數(shù)近似確定：(3-1)式中：為基本風(fēng)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(dāng)考慮秒級時(shí)間段的計(jì)算時(shí)，基本風(fēng)速可視為常數(shù)?；撅L(fēng)速用Simulink中的常量模型模擬如下：圖3-2基本風(fēng)模型圖Fig.3-2Themodeldiagramofmeanwind(2)陣風(fēng)描述風(fēng)速突然變化的特性一般用陣風(fēng)來表示：(3-2)(3-3)式中：為陣風(fēng)風(fēng)速最大值(m/s)；為周期(s)；為啟動(dòng)時(shí)間(s)。取參數(shù)，，，陣風(fēng)用Simulink中的模塊模擬如下：圖3-3陣風(fēng)模型圖Fig.3-3Themodeldiagramofgustwind(3)漸變風(fēng)對風(fēng)速的漸變特性可以用漸變風(fēng)成分來模擬：(3-4)(3-5)式中：為最大值(m/s)；為起始時(shí)間(s)；為終止時(shí)間(s)，為保持時(shí)間(s)。取參數(shù)，，，，陣風(fēng)用Simulink中的模塊模擬如下：圖3-4漸變風(fēng)模型圖Fig.3-4Themodeloframpwind(4)隨機(jī)風(fēng)風(fēng)速變化的隨機(jī)性可用隨機(jī)噪聲風(fēng)速成分來表示：

(3-6)(3-7)(3-8)式中：為之間均勻分布的隨機(jī)變量；為第個(gè)分量的角頻率；機(jī)變量的離散間距；為風(fēng)場表面阻力系數(shù)；為風(fēng)速波動(dòng)規(guī)模系數(shù)(m2)；為相對高度的平均風(fēng)速(m/s)；為風(fēng)速隨機(jī)分量分布譜密度(m/s)。綜合上述四種風(fēng)速成分，模擬實(shí)際作用在風(fēng)力機(jī)上的風(fēng)速[64]為(3-9)1.2.2風(fēng)力機(jī)模型風(fēng)力機(jī)是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)變換為機(jī)械能的能量裝置，是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能發(fā)電的重要設(shè)備。風(fēng)力機(jī)主要由風(fēng)輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、對風(fēng)裝置（偏航系統(tǒng)）、液壓系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、控制與安全系統(tǒng)等組成。風(fēng)力機(jī)的吸收功率是風(fēng)速的函數(shù)，可表示為：(3-10)式中：為空氣密度()；為風(fēng)能利用系數(shù)；為風(fēng)力機(jī)掃風(fēng)面積；為風(fēng)速()。由風(fēng)力驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生的葉片轉(zhuǎn)矩可表示為：(3-11)式中：為風(fēng)力機(jī)葉片轉(zhuǎn)矩(p.u.)；為葉片半徑(m)；為風(fēng)力機(jī)額定機(jī)械角速度(rad/s)；為風(fēng)力機(jī)額定功率(kw)；為風(fēng)速()。通過以上對風(fēng)力機(jī)原理及特性的分析，建立風(fēng)力渦輪機(jī)模型如圖3-5所示：圖3-5風(fēng)力機(jī)的模型圖Fig.3-5Themodelofwindturbine1.2.3雙饋發(fā)電機(jī)模型雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)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(biāo)為s的表示定子量，下標(biāo)為r的表示轉(zhuǎn)子量，下標(biāo)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(lì)磁電感。電磁轉(zhuǎn)矩方程為：(3-14)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為：(3-15)式中：表示慣性時(shí)間常數(shù)，D表示阻尼系數(shù)。聯(lián)立(3-12)-(3-15)，求解就可準(zhǔn)確描述雙饋式發(fā)電機(jī)的全部動(dòng)態(tài)行為。1.2.4傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)之間通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般由輪轂、傳動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程可以表示為：(3-16)式中：為風(fēng)力機(jī)葉片轉(zhuǎn)矩(p.u.)；為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)矩(p.u.)；為輪轂時(shí)間常數(shù)(s)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的搭建Simulink模型如圖3-6所示：圖3-6傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型圖Fig.3-6Themodelofdrivegear1.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)分析MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室(MatrixLaboratory)的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)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(jì)算的高級技術(shù)計(jì)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(shè)計(jì)工具箱(FilterDesignToolbox)、小波分析工具箱(WaveletToolbox)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱(NeuralNetworkToolbox)，在電力系統(tǒng)方面[65,66]的應(yīng)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(jìn)行仿真分析。使用MATLAB軟件進(jìn)行電力系統(tǒng)數(shù)字仿真，具有3個(gè)突出的優(yōu)勢。電力系統(tǒng)仿真工具箱(SimPower)功能強(qiáng)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(xué)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(qiáng)大的MATLAB平臺(tái)。在相同的平臺(tái)上，MATLAB的數(shù)值運(yùn)算功能為進(jìn)行電力工程方面的運(yùn)算提供了強(qiáng)有力的后盾。友好的界面。從電力系統(tǒng)仿真、到數(shù)值計(jì)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(shù)變得尤為輕松簡單。首先，對沒有接入風(fēng)電的110kV配電網(wǎng)線路進(jìn)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(fēng)電并網(wǎng)后比較)。圖3-7配電線路的simulink模擬圖Fig.3-7Thesimulinkmodeldiagramofdistributionline當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，配電線路(line2)仿真所得的電壓、電流波形如圖3-8所示(藍(lán)色代表A相，綠色代表B相，紅色代表C相)，橫坐標(biāo)表示仿真時(shí)間，縱坐標(biāo)采用標(biāo)幺值(pu)來表示，易于進(jìn)行計(jì)算和對結(jié)果的分析比較。(a)正常運(yùn)行下電壓波形(b)正常運(yùn)行下電流波形圖3-8正常運(yùn)行線路電壓、電流波形Fig.3-8Thevoltageandcurrentwaveformsofnormaloperationoftheline當(dāng)配電線路(line2)發(fā)生各種故障時(shí)，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(shí)刻發(fā)生故障，0.08s時(shí)刻清除故障。(a)三相故障時(shí)電壓波形(b)三相故障時(shí)電流波形圖3-9三相故障時(shí)線路電壓、電流波形Fig.3-9Thevoltageandcurrentwaveformsofthree-phasefaultoftheline(a)BC兩相故障時(shí)電壓波形(b)BC兩相故障時(shí)電流波形圖3-10BC兩相故障時(shí)線路電壓、電流波形Fig.3-10ThevoltageandcurrentwaveformsofBCtwo-phasefaultoftheline(a)單相接地故障時(shí)電壓波形(b)單相接地故障時(shí)電流波形圖3-11A相單相接地故障時(shí)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(shí)，故障電流達(dá)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(fù)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(shí)，故障電流達(dá)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(fù)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(shí)，故障電流達(dá)到0.45pu，故障相電壓降為0，正常相電壓達(dá)到1.8倍的正常值。清除故障后，線路電流電壓峰值恢復(fù)正常。大規(guī)模風(fēng)電接入系統(tǒng)對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量影響較大，由于風(fēng)能的隨機(jī)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(hù)會(huì)產(chǎn)生影響，可能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。本節(jié)使用MATLAB中的SIMULINK環(huán)境，選擇雙饋式風(fēng)電機(jī)組作為此處仿真的模型[67]，對圖3-12所示的帶有風(fēng)電機(jī)組作為分布式電源的配電網(wǎng)線路進(jìn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率為1.5MVA，發(fā)電機(jī)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(fēng)力渦輪機(jī)參數(shù)：取基本風(fēng)速為12m/s，額定機(jī)械輸出容量為1.5MW。(3)風(fēng)速參數(shù)：風(fēng)速輸入設(shè)為基本風(fēng)速為8m/s，從1s開始輸入陣風(fēng)，陣風(fēng)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(fù)載。圖3-12雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)連接示意圖Fig.3-12Thediagramofdouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem圖3-13雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的simulink模擬圖Fig.3-13Thesimulinkmodeldiagramofdouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行時(shí)電壓波形(b)正常運(yùn)行時(shí)電流波形圖3-14風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后正常運(yùn)行線路電壓、電流波形Fig.3-14Thevoltageandcurrentwaveformsofnormaloperationofthelineafterthedouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem當(dāng)配電線路(line2)發(fā)生各種故障時(shí)，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(shí)刻發(fā)生故障，0.08s時(shí)刻清除故障。(a)三相故障時(shí)電壓波形(b)三相故障時(shí)電流波形圖3-15風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后三相故障時(shí)線路電壓、電流波形Fig.3-15Thevoltageandcurrentwaveformsofthree-phasefaultofthelineafterthedouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem(a)BC兩相故障時(shí)電壓波形(b)BC兩相故障時(shí)電流波形圖3-16風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后BC兩相故障時(shí)線路電壓、電流波形Fig.3-16ThevoltageandcurrentwaveformsofBCtwo-phasefaultofthelineafterthedouble-fedwindgeneratorconnectedtopowersystem(a)單相接地故障時(shí)電壓波形(b)單相接地故障時(shí)電流波形圖3-17風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后A相單相接地故障時(shí)線路電壓、電流波形Fig.3-17ThevoltageandcurrentwaveformsofAphasegroundfaultofthelineafterthedouble-fedwindgeneratorconnectedtopo