曹增功，牟宏，王春義，趙鵬，徐志，王洪濤

（1．國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南250001；2．國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250002；3．山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，濟(jì)南250061）

·試驗(yàn)研究·

風(fēng)電場(chǎng)短路試驗(yàn)與風(fēng)電短路特性分析

曹增功1，牟宏1，王春義1，趙鵬2，徐志3，王洪濤3

（1．國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南250001；2．國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250002；3．山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，濟(jì)南250061）

為驗(yàn)證風(fēng)電高集中匯集在電網(wǎng)故障時(shí)的短路特性和對(duì)電網(wǎng)的影響，山東電網(wǎng)開(kāi)展了接入榮成站110 kV風(fēng)電場(chǎng)送出線路單相接地短路和風(fēng)電場(chǎng)35kV饋線三相短路試驗(yàn)。依據(jù)短路故障錄波數(shù)據(jù)，分析比較不同類型風(fēng)電機(jī)組的短路電流特性，分別得出了含鼠籠型、雙饋型和直驅(qū)型風(fēng)機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)在不同短路條件下短路電流的特性規(guī)律，對(duì)于今后實(shí)際電網(wǎng)中風(fēng)電集中接入下短路電流水平的評(píng)估具有重要的指導(dǎo)意義。

風(fēng)機(jī)；風(fēng)電場(chǎng)；短路試驗(yàn)；短路特性

0 引言

山東省風(fēng)能資源豐富，近年來(lái)風(fēng)電裝機(jī)一直保持較快增長(zhǎng)速度。山東電網(wǎng)共有84座并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)，裝機(jī)容量582.3萬(wàn)kW，占全省統(tǒng)調(diào)機(jī)組總?cè)萘康?.47%。2014年1月到9月，山東電網(wǎng)共接納風(fēng)力發(fā)電63.95億kWh，同比增長(zhǎng)7.91%。據(jù)山東電力工業(yè)“十二五”規(guī)劃和山東省千萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電基地規(guī)劃報(bào)告顯示，山東省初步規(guī)劃了魯北、萊州灣、渤中、長(zhǎng)島、半島北和半島南六大百萬(wàn)千瓦級(jí)海上風(fēng)電基地，山東風(fēng)電將迎來(lái)新一輪的快速發(fā)展。

隨著山東電網(wǎng)中風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的增加，大規(guī)模風(fēng)電接入系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量影響較大，風(fēng)電所占系統(tǒng)容量份額增加的同時(shí)，向系統(tǒng)提供的短路電流也越來(lái)越大，由不同風(fēng)電機(jī)組組成的風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響也不同。因此，研究不同風(fēng)電機(jī)組組成的風(fēng)電場(chǎng)的短路特性是非常必要的。到目前為止，國(guó)內(nèi)外許多專家對(duì)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響及不同類型風(fēng)機(jī)的短路特性進(jìn)行了研究。

文獻(xiàn)［1-2］通過(guò)實(shí)際算例說(shuō)明風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)后增加了鄰近母線的短路電流，文獻(xiàn)［3］比較了異步定速風(fēng)電機(jī)組與雙饋?zhàn)兯侔l(fā)電機(jī)組的短路電流波形，指出雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組的短路電流特性與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的轉(zhuǎn)子短路器保護(hù)設(shè)置相關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)子短路器動(dòng)作將機(jī)組轉(zhuǎn)子短路后，機(jī)組的短路電流特性與固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組類似，呈現(xiàn)出很快的衰減特性。文獻(xiàn)［4］對(duì)三相對(duì)稱短路故障情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特性進(jìn)行了研究，表明采用全功率變頻器的直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組在三相對(duì)稱短路故障情況下，變頻器可以實(shí)現(xiàn)故障的有效隔離，其注入電網(wǎng)的短路電流是可以控制的。文獻(xiàn)［5］通過(guò)建立D-PMSG和DFIG風(fēng)電機(jī)組詳細(xì)的電磁暫態(tài)模型，仿真分析了D-PMSG和DFIG風(fēng)電機(jī)組在單相、三相短路故障下的故障特性，指出D-PMSG在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)能向電網(wǎng)提供幾乎恒定的持續(xù)故障電流和一定的無(wú)功支持，DFIG在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)能提供持續(xù)的故障電流，但故障電流呈衰減特性。文獻(xiàn)［6］在MATLAB/Simulink環(huán)境下分別搭建了由雙饋異步風(fēng)電機(jī)組、普通異步風(fēng)電機(jī)組和直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組組成的單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)，仿真得到了相同容量的3種風(fēng)電機(jī)組在不同故障下的短路電流，分析了其短路特性及對(duì)所接入電網(wǎng)電流保護(hù)的影響。文獻(xiàn)［7］建立了D-PMSG的模型，提出了網(wǎng)側(cè)逆變器附加暫態(tài)電壓控制器以及直流電壓耦合控制系統(tǒng)以增強(qiáng)機(jī)組的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，分析了雙饋風(fēng)電機(jī)組與直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)短路電流特性。文獻(xiàn)［8］分析了D-PMSG在系統(tǒng)電壓降落和風(fēng)電場(chǎng)鄰近母線單相、三相短路故障時(shí)的暫態(tài)運(yùn)行特性。

為準(zhǔn)確把握風(fēng)電高集中接入對(duì)于山東電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響，調(diào)查電網(wǎng)故障時(shí)不同類型風(fēng)機(jī)的短路電流特性，在制訂了嚴(yán)密措施的前提下，2014年6月12日在山東電網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)成功開(kāi)展了人工短路試驗(yàn)，完成了35 kV三相完全金屬性接地短路試驗(yàn)和110 kV單相短路試驗(yàn)?；诂F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析不同類型風(fēng)機(jī)及風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)故障期間和故障切除后的動(dòng)態(tài)特性。

1 榮成電網(wǎng)概況

榮成電網(wǎng)位于威海市東部，通過(guò)220 kV威海電廠—榮成I、II線，以及昆崳—榮成、石島線路接入威海電網(wǎng)。目前已形成以220 kV榮成站、石島站為主供電源，以110 kV、35 kV、10 kV為配電線路的輻射形供電網(wǎng)絡(luò)。榮成電網(wǎng)地理接線如圖1所示。

截至2013年底，榮成電網(wǎng)有220kV變電站2座，變電容量600 MVA；110 kV公用變電站11座，容量698MVA；35kV公用變電站27座，容量320.55MVA；地方公用小火電站4座，裝機(jī)容量總計(jì)69 MW。

圖1 榮成電網(wǎng)地理接線

榮成220 kV變電站安裝2臺(tái)主變，220 kV側(cè)并列運(yùn)行，110 kV、35 kV側(cè)分列運(yùn)行：1號(hào)主變120 MVA、2號(hào)主變150 MVA，110 kV雙母線接線，主變分段運(yùn)行。榮成站110 kV規(guī)劃出線9回，現(xiàn)有出線6回：至港中、俚工、國(guó)華風(fēng)電、蜊江、崖頭、崖西各1回，其中，1號(hào)主變、國(guó)華風(fēng)電、俚工站在同一段母線（1號(hào)母線）；2號(hào)主變、港中、蜊江、崖頭站、崖西風(fēng)電在同一段母線（2號(hào)母線）。1號(hào)主變所帶母線已接入風(fēng)電147.75 MW，即國(guó)華1～3期；2號(hào)主變所帶母線已接入風(fēng)電168 MW，即華能中電風(fēng)電和崖西風(fēng)電。榮成變電站接線如圖2所示。

圖2 榮成變電站接線圖

2 試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組

電網(wǎng)分別接入鼠籠異步風(fēng)電機(jī)組、雙饋異步風(fēng)電機(jī)組和永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組成的風(fēng)電場(chǎng)，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，由于不同機(jī)組具有不同的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)特性的影響也不同。

榮成電網(wǎng)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)基于多種風(fēng)機(jī)類型，其中國(guó)華二、三期和崖西二、三期風(fēng)電場(chǎng)均采用永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為198 MW；國(guó)華一期風(fēng)電場(chǎng)采用鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為48.75 MW；華能中電威海風(fēng)電場(chǎng)采用雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為75 MW。本次人工短路試驗(yàn)將故障點(diǎn)設(shè)置在110 kV榮華線上，將對(duì)周圍基于不同類型風(fēng)機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)造成不同影響，不同風(fēng)電機(jī)組也將表現(xiàn)出不同的短路特性，對(duì)電網(wǎng)的影響也將不同。

2.1 永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組

國(guó)華二、三期和崖西二、三期風(fēng)電場(chǎng)均采用永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)采用金風(fēng)直驅(qū)型風(fēng)機(jī)，單個(gè)機(jī)組滿發(fā)功率為1.5 MW。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組均采用一機(jī)一變單元接線方式，經(jīng)箱式變壓器升壓后接至35 kV集電線路后，分別經(jīng)2回35 kV集電線路匯接至風(fēng)電場(chǎng)110 kV升壓變電站35 kV母線，通過(guò)2臺(tái)主變升壓后經(jīng)1回110 kV榮華線接至220 kV榮成站。

永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組（D-PMSG）的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括風(fēng)輪機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、全功率變流器。直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)是由永磁體直接勵(lì)磁的多極同步直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)通過(guò)全載的變流器與電網(wǎng)連接。變流器由通過(guò)IGBT控制的發(fā)電機(jī)側(cè)變流器和電網(wǎng)側(cè)變流器組成，發(fā)電機(jī)側(cè)變流器采用雙環(huán)（即電壓環(huán)和電流環(huán)）控制，電壓外環(huán)的作用是控制PWM的直流側(cè)電壓udc和交流側(cè)電壓uac，電流內(nèi)環(huán)的作用是按電壓外環(huán)輸出的電流參考值來(lái)控制變流器的有功功率和無(wú)功功率。電網(wǎng)側(cè)變流器通過(guò)其電流在d、q軸的分量控制變流器與電網(wǎng)之間交換的有功功率與無(wú)功功率。

風(fēng)電場(chǎng)出口發(fā)生三相短路故障時(shí)，變流器控制出口電壓跟蹤電網(wǎng)電壓下降，而由于風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的慣性，發(fā)電機(jī)的輸入功率基本保持不變，如果要保持功率平衡，則流過(guò)變流器的電流將顯著增大，巨大的短路電流將損壞變流器的功率器件，因此逆變器一般都裝有限流環(huán)節(jié)，使得流過(guò)變流器的電流一般不超過(guò)1.5倍額定值，而將多余的能量存儲(chǔ)于風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中，或通過(guò)卸流環(huán)節(jié)消耗或釋放掉。由此可見(jiàn)，由于變頻器限流環(huán)節(jié)的作用，使得D-PMSG風(fēng)電場(chǎng)對(duì)附近節(jié)點(diǎn)短路容量的影響較小，粗略計(jì)算情況下甚至可以忽略，即不考慮D-PMSG向電網(wǎng)提供的短路電流。

圖3 基于雙PWM變流器的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 鼠籠異步風(fēng)電機(jī)組

國(guó)華一期風(fēng)電場(chǎng)采用鼠籠異步風(fēng)電機(jī)組，單個(gè)機(jī)組滿發(fā)功率為1.25 MW。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組均采用一機(jī)一變單元接線方式，經(jīng)箱式變壓器升壓后接至35 kV集電線路后，分別經(jīng)1回35 kV集電線路匯接至110 kV成山變電站35 kV母線，通過(guò)1臺(tái)主變升壓后經(jīng)1回110 kV榮工線接至220 kV榮成站。鼠籠異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 鼠籠異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)

大規(guī)模直接并網(wǎng)的鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由4部分組成：風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)、異步發(fā)電機(jī)和補(bǔ)償電容器組。風(fēng)力機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與異步發(fā)電機(jī)相耦合，由于異步機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速相差很大，所以傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是必不可少的。此外，發(fā)電機(jī)的定子繞組直接與電網(wǎng)相連，定子繞組頻率等于電網(wǎng)頻率，而發(fā)電機(jī)的滑差率一般小于5%，因此發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速實(shí)際上是不變化的（即使有速度變化，其范圍大概1%～2%），故此種類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也叫做“恒速”型風(fēng)力機(jī)。異步發(fā)電機(jī)消耗無(wú)功功率，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的容量較大或者是風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)是與“弱電網(wǎng)”相連接的時(shí)候，需要接入補(bǔ)償電容器組來(lái)增加異步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，提高整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率因數(shù)。

鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)沒(méi)有勵(lì)磁回路，只能通過(guò)外部電源進(jìn)行勵(lì)磁。在給定轉(zhuǎn)速的條件下感應(yīng)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te與機(jī)組出口電壓U的平方成正比，即有

式中：K為與發(fā)電機(jī)參數(shù)有關(guān)的常數(shù)；s為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率。

異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為

式中：J為發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)模塊的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Tm為作用在與發(fā)電機(jī)相連的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩；ω為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

電網(wǎng)發(fā)生故障使機(jī)端電壓降低時(shí)發(fā)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩減小，在機(jī)械轉(zhuǎn)矩保持不變的情況下，發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的減小會(huì)造成轉(zhuǎn)子加速。在切除電網(wǎng)故障后的系統(tǒng)電壓恢復(fù)過(guò)程中，發(fā)電機(jī)要從電網(wǎng)中吸收大量無(wú)功電流以重建發(fā)電機(jī)內(nèi)部電磁場(chǎng)，這樣就導(dǎo)致了電網(wǎng)中出現(xiàn)較大的沖擊電流，并在風(fēng)電機(jī)組（或風(fēng)電場(chǎng)）和與其相連的變電站的聯(lián)絡(luò)線上產(chǎn)生很大電壓降，從而進(jìn)一步降低了風(fēng)電機(jī)組（或風(fēng)電場(chǎng)）出口電壓。

2.3 雙饋異步風(fēng)電機(jī)組

港西華能一、二期風(fēng)電場(chǎng)采用雙饋異步電機(jī)，單個(gè)機(jī)組滿發(fā)功率為1.5 MW。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組均采用一機(jī)一變單元接線方式，經(jīng)箱式變壓器升壓后接至35 kV集電線路后，分別經(jīng)1回35 kV集電線路匯接至風(fēng)電場(chǎng)110 kV升壓變電站35 kV母線，通過(guò)1臺(tái)主變升壓后通過(guò)1回110 kV榮港線接至220 kV榮成站。

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)是以雙饋異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組，與定速感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組不同的是，雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過(guò)一個(gè)背靠背的部分負(fù)載變流器（變流器容量為發(fā)電機(jī)額定容量的25%～30%）與電網(wǎng)相連。變流器由通過(guò)絕緣柵雙極晶體管控制的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和電網(wǎng)側(cè)變流器組成。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子側(cè)變流器利用轉(zhuǎn)子電流在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸、q軸上的分量控制定子繞組的有功功率和無(wú)功功率，從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制。電網(wǎng)側(cè)變流器通過(guò)電網(wǎng)電流在d軸、q軸上的分量控制電網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)之間交換的有功功率與無(wú)功功率，并通過(guò)有功電流控制直流電壓，通過(guò)無(wú)功電流控制交流側(cè)電壓與電流的相位。故障切除后機(jī)組利用重新啟動(dòng)的變流器控制有功功率和無(wú)功功率，減小了發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)重建時(shí)所造成的電網(wǎng)沖擊電流以及機(jī)組出口的電壓降，另外通過(guò)變流器還可以控制雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速?？梢?jiàn)在外部條件相同的情況下，與恒速風(fēng)電機(jī)組相比雙饋機(jī)組提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為保障轉(zhuǎn)子回路四象限功率變流器的安全運(yùn)行，雙饋異步風(fēng)電機(jī)組中的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)配置了撬棒保護(hù)。撬棒保護(hù)啟動(dòng)后，轉(zhuǎn)子三相繞組被短接，四象限變流器被旁路。由于撬棒保護(hù)動(dòng)作快速（μs級(jí)），定子并網(wǎng)接觸器尚未跳閘前，DFIG將存在短時(shí)鼠籠異步運(yùn)行狀態(tài)，這樣將導(dǎo)致雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組需從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，從而可能影響接入點(diǎn)電壓水平，當(dāng)吸收無(wú)功功率很大時(shí)，甚至可能危及電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。

3 風(fēng)電場(chǎng)短路電流特性分析

110 kV榮華線C相接地短路期間，榮成變電站及輸電線路上的短路電流變化如表1所示，其中榮成站2號(hào)主變110 kV側(cè)電流由故障前的0.065 kA增加至1.9 kA，增加幅度達(dá)到29倍；匯接至榮成220 kV變電站的榮華線、國(guó)華線、榮港線等110 kV風(fēng)電場(chǎng)送出線的三相電流同步變大，C相故障電流變化最顯著；匯接至榮成220 kV變電站的榮蜊線等110 kV非風(fēng)電場(chǎng)送出線路電流變化較小。

表1 110kV單相短路故障線路電流

3.1 含永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)短路電流特性

國(guó)華榮成二、三期風(fēng)電場(chǎng)與國(guó)華崖西二、三期風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)機(jī)類型、風(fēng)機(jī)數(shù)量、風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量完全一致。并且，在短路故障時(shí)，兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)出力非常接近，都在23 MW左右，約為額定出力的23%。

榮華線國(guó)華榮成二、三期風(fēng)電場(chǎng)側(cè)母線電壓及短路電流如圖6所示，110kV榮華線C相接地短路發(fā)生后，國(guó)華榮成二、三期風(fēng)電場(chǎng)升壓站高壓側(cè)C相電壓由故障前的66.7kV跌落至12.5 kV，跌落深度達(dá)到81%；A相和B相電壓略微下降，跌落深度分別為8%和12%。榮華線的國(guó)華榮成二、三期風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的C相短路電流由故障前的0.12 kA增加至1.02 kA，增加幅度達(dá)到8.5倍，短路電流在故障期間并未發(fā)生衰減現(xiàn)象，在短路切除瞬間，短路值仍然維持在1.09 kA的幅值。約76.67 ms后榮成站110 kV榮華線線路保護(hù)動(dòng)作，線路切除，風(fēng)電場(chǎng)110 kV電壓進(jìn)入暫態(tài)過(guò)程，電壓、頻率振蕩變化，7 100 ms后三相電壓跌落至零。

圖6 榮華線國(guó)華榮成二、三期風(fēng)電場(chǎng)側(cè)母線電壓及短路電流

國(guó)華線崖西二、三期風(fēng)電場(chǎng)側(cè)母線電壓及短路電流如圖7所示，110 kV榮華線C相接地短路發(fā)生后，崖西二、三期風(fēng)電場(chǎng)升壓站高壓側(cè)C相電壓由故障前的66.3 kV跌落至40.88 kV，跌落深度達(dá)到38%；A相和B相電壓略微下降，跌落深度都為8%。國(guó)華線的崖西二、三期風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的C相短路電流由故障前的0.12 kA增加至0.19 kA，增加幅度達(dá)到1.6倍，短路電流在故障期間并未發(fā)生衰減現(xiàn)象，在短路切除瞬間，短路值仍然維持在0.19 kA的幅值。約76.67 ms后榮成站110 kV榮華線線路保護(hù)動(dòng)作，故障線路切除，國(guó)華崖西二、三期風(fēng)電場(chǎng)的輸出電壓、電流和功率恢復(fù)正常。

圖7 國(guó)華線崖西二、三期風(fēng)電場(chǎng)側(cè)母線電壓及短路電流

通過(guò)相同機(jī)型、容量和出力的兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)在短路故障中電流波形圖可以看出，直驅(qū)型風(fēng)機(jī)由于通過(guò)全功率變流器與電網(wǎng)相連，其故障電流受全功率變流器控制，在故障前后具有保持恒定輸出功率的特性，因此隨著短路電流與母線電壓呈反比，風(fēng)電場(chǎng)越接近短路點(diǎn)，母線電壓下降幅度越大，直驅(qū)型風(fēng)機(jī)提供的短路電流越大。在短路期間，風(fēng)機(jī)輸入功率即風(fēng)速可認(rèn)為保持不變，從而風(fēng)機(jī)輸出的短路電流沒(méi)有衰減現(xiàn)象，一直保持在同一幅值水平。通過(guò)理論分析，還可以得出直驅(qū)型風(fēng)機(jī)所提供的短路電流將受全功率變流器容量和安全約束的限制，最大限值為1.5 pu。隨著短路點(diǎn)位置前移更靠近風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，將使風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓進(jìn)一步下降，直驅(qū)風(fēng)機(jī)提供的短路電流將呈反比上升，直到穩(wěn)定至全功率變流器的輸出上限1.5倍額定電流為止。

3.2 含鼠籠異步風(fēng)機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)短路電流特性

成山國(guó)華一期風(fēng)電場(chǎng)采用鼠籠異步風(fēng)電機(jī)組，經(jīng)2回35 kV出線接入110 kV成山站。以35 kV 1號(hào)出線為例，在110 kV榮華線C相接地短路發(fā)生后，C相電壓由故障前的21 kV跌落至16.26 kV，跌落深度達(dá)到21.18%，A相和B相電壓略微下降，跌落深度都為5.58%；C相短路電流由故障前的0.10 kA增加至0.30 kA，增加幅度達(dá)到3倍，短路電流在故障期間發(fā)生快速衰減現(xiàn)象，在短路切除瞬間，短路電流值已降至0.08 kA，如圖8所示。

圖8 成山國(guó)華一期風(fēng)電場(chǎng)35 kV 1號(hào)出線電壓及電流變化

對(duì)比國(guó)華一期風(fēng)電場(chǎng)和國(guó)華崖西二、三期風(fēng)電場(chǎng)的母線電壓、短路電流波形可以看出，故障前國(guó)華一期風(fēng)電場(chǎng)和國(guó)華崖西二、三期風(fēng)電場(chǎng)送出線的電流相同，升壓站母線電壓相近；單相短路故障期間，國(guó)華一期風(fēng)電場(chǎng)和國(guó)華崖西二、三期風(fēng)電場(chǎng)的升壓站母線電壓變化情況基本相同，但短路電流有較大的差別：成山國(guó)華一期風(fēng)電場(chǎng)35 kV 1號(hào)出線C相短路電流增至3倍，故障期間存在快速衰減現(xiàn)象；國(guó)華線的國(guó)華崖西二、三期風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的C相短路電流增至1.6倍，故障期間并未發(fā)生衰減。

通過(guò)理論分析，在同一短路故障導(dǎo)致母線電壓跌落至同一水平時(shí)，鼠籠型風(fēng)電機(jī)組將會(huì)提供相當(dāng)于直驅(qū)式永磁風(fēng)電機(jī)組2倍的短路電流，故障清除后快速衰減。

3.3 含雙饋異步風(fēng)機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)短路電流特性

港西華能風(fēng)電場(chǎng)采用雙饋異步風(fēng)電機(jī)組，如圖9所示，在110 kV榮華線C相接地短路故障發(fā)生后，港西華能風(fēng)電場(chǎng)升壓站高壓側(cè)C相電壓由故障前的66.1 kV跌落至41.57 kV，跌落深度達(dá)到36.5%；A相和B相電壓略微下降，跌落深度都為6.1%。榮港線的港西華能風(fēng)電場(chǎng)的C相短路電流由故障前的0.02 kA增加至0.21 kA，增加幅度達(dá)到10倍，短路電流在故障期間發(fā)生衰減現(xiàn)象，在短路切除后73 ms，短路電流逐漸衰減，最終恢復(fù)至正常值。

圖9 港西華能風(fēng)電場(chǎng)榮港線電壓及出線電流

3.4 三種類型風(fēng)電場(chǎng)短路電流特性對(duì)比分析

對(duì)比港西華能風(fēng)電場(chǎng)（雙饋異步風(fēng)電機(jī)組）、國(guó)華一期風(fēng)電場(chǎng)（鼠籠異步風(fēng)電機(jī)組）和國(guó)華崖西二、三期（永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組）風(fēng)電場(chǎng)的母線電壓、短路電流波形可以看出，故障前三個(gè)風(fēng)電場(chǎng)升壓站母線電壓基本相同，但由于輸電線功率不同，港西華能風(fēng)電場(chǎng)出線電流在故障前數(shù)值較小，單相短路故障期間，3個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的升壓站母線電壓變化情況基本相同，但短路電流變化有較大差別。其中含雙饋異步風(fēng)機(jī)的港西華能風(fēng)電場(chǎng)短路電流增至故障前的10倍以上，增幅較大；含鼠籠異步風(fēng)電機(jī)組的國(guó)華一期風(fēng)電場(chǎng)短路電流增加幅度達(dá)到3倍；而含永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的崖西二、三期風(fēng)電場(chǎng)短路電流增加幅度為到1.6倍。試驗(yàn)表明，在同一短路故障導(dǎo)致母線電壓跌落至同一水平時(shí)，不同類型的風(fēng)電機(jī)組的短路特性有較大差別，且短路電流的幅值增加倍數(shù)與故障前風(fēng)機(jī)的出力水平直接相關(guān)。其中短路故障期間，雙饋異步風(fēng)電機(jī)組將提供較大的短路電流，且逐漸衰減，故障切除后經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)值；鼠籠異步風(fēng)電機(jī)組提供的短路電流小于雙饋風(fēng)機(jī)，大于直驅(qū)風(fēng)機(jī)，短路電流衰減較快；永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組提供的短路電流較小，且故障期間基本不衰減，理論分析表明直驅(qū)式風(fēng)機(jī)短路電流受全功率變流器的控制，短路電流的上限被限定為1.1～1.5倍額定電流。

4 結(jié)語(yǔ)

為驗(yàn)證山東榮成電網(wǎng)風(fēng)電高集中接入榮成站的風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)故障時(shí)的短路特性及對(duì)電網(wǎng)的影響，于2014年6月12日組織開(kāi)展了風(fēng)電場(chǎng)送出線路單相接地短路和三相短路試驗(yàn)。依據(jù)短路故障錄波數(shù)據(jù)，分析比較不同類型風(fēng)電機(jī)組的短路電流特性，分別得出了含鼠籠型、雙饋型和永磁直驅(qū)型風(fēng)機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)在不同短路條件下短路電流的特性規(guī)律。

當(dāng)外部條件相同時(shí)，當(dāng)電網(wǎng)中某點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，分別由永磁直驅(qū)、雙饋感應(yīng)和鼠籠異步風(fēng)電機(jī)組組成的風(fēng)電場(chǎng)的短路特性不同，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響不同；短路故障期間，雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組將提供較大的短路電流，且逐漸衰減，故障切除后經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)值；鼠籠異步風(fēng)電機(jī)組提供的短路電流小于雙饋風(fēng)機(jī)，大于直驅(qū)風(fēng)機(jī)，短路電流衰減較快；永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組提供的短路電流較小，且故障期間基本不衰減。直驅(qū)式風(fēng)機(jī)短路電流受全功率變流器的控制，短路電流的上限被限定為1.1～1.5倍倍額定電流。

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Tests and Characteristics Analysis of Wind Farm Short Circuit

CAO Zenggong1，MU Hong1，WANG Chunyi1，ZHAO Peng2，XU Zhi3，WANG Hongtao3
（1.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；2.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250002，China；3.School of Electrical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China）

In order to verify the wind farm short circuit current characteristic and its influence on power grid due to large scale wind farms integration on Rongcheng power station，Shandong electric power company organizes three-phase and single-phase short circuit tests.By comparing the short circuit current characteristics of different type wind turbines with the field test data from the digital fault recorder，the wind turbine’s contributions to the system short circuit current are determined with squirrelcage induction generator（SCIG），doubly fed induction generator（DFIG）and permanent magnet synchronous generator（PMSG）. In addition，the short circuit current characteristics of wind farm are summarized and deepen understood from the field test data. With the analysis result，Shandong Rongcheng wind farm short circuit field test would have very good reference and directive significance for large scale wind power centralized integration to the actual power grid.

wind turbine；wind farm；short-circuit test；short-circuit current characteristic

TM713

A

1007－9904（2015）02－0008－07

2015-12-10

曹增功（1963），男，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃和電力系統(tǒng)運(yùn)行分析工作；

牟宏（1968），男，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃和電力系統(tǒng)運(yùn)行分析工作；

王春義（1980），男，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃和電力系統(tǒng)運(yùn)行分析工作；

趙鵬（1985），男，工程師，主要從事新能源并網(wǎng)、電力系統(tǒng)安全與穩(wěn)定研究工作。