升压站配电装置matlab仿真模拟

风电场电气工程
课程设计报告
升压站配电装置matlab仿真模拟
一、课程设计要求与内容
1.1课程设计要求：
(1)掌握风电场电气主接线设计的基本要求。

(2)掌握发电厂电气主接线的几种常用接线方式并分析各接线方式的特点。

(3)熟悉各种电气主接线方案的经济性能比较方法。

(4)掌握几种主要电气设备的选型计算方法。

(5)掌握配电装置布置的基本要求，并能画出简单的配电装置布置图。

在课程设计过程中，要求学生严格遵守作息时间，记录当天方案设计和理论分析计算细节，独立自主严格按照规定的进度要求完成相应的工作。

其他要求见课程设计指导书。

1.2课程设计主要内容：
根据课程设计题目给出的风电场及电力系统相关资料，完成电气主接线方案设计及经济性分析计算，画出电气一次主接线图及升压变电站配电装置布置图。

已知技术条件与参数
某风电场安装2.0 MW双馈式风电机组69台，每7台集成一路接入升压变电站（其中一组为6台），经两条架空线路（110 Kv，距离分别为30 km和40 km）与系统连接，并向距风电场15 km处有一容量约为1200 KW的集中II类负荷供电（额定功率因数为0.8滞后），其地理接线图如下图所示。

系统变电站A向主变高压侧提供的短路电流数据：
三相短路电流周期分量 7.5 KA
短路冲击电流峰值 20.5 KA
短路冲击全电流有效值 11.3 KA
系统变电站B向主变高压侧提供的短路电流数据：
三相短路电流周期分量 6.8 KA
短路冲击电流峰值 19.1 KA
短路冲击全电流有效值 10.2 KA
风电机组向主变低压侧提供的短路电流数据：
三相短路电流周期分量 10.5 KA
短路冲击电流峰值 25.3 KA
短路冲击全电流有效值 15.2 KA
课题完成后应提交的文件（设计说明书、图表、设计图纸等）
（1）电气主接线图；
（2）课程设计说明书；
（3）第1组同学提交各自负责的选型计算或工程设计图；
（4）第2组同学提交各自负责的MATLAB模型及仿真结果。

参考文献资料
[1] 中电联. 《风力发电场设计技术规范(DLT_5383—2007)》；
[2] 《风电场接入电力系统技术规定（GB/T 19963-2011）》；
[3] 国家电网公司. 《风电场接入系统设计内容深度规定（修订版）》；
[4] 《大型风电场并网设计技术规范（NB/T-2010）》；
[5] 国家电网公司. 《风电场电气系统典型设计》（ISBN：9787512318489）；
[6] 朱永强, 张旭. 《风电场电气系统》. 机械工业出版社 2008；
[7] 电力规划设计总院. 《电力系统设计手册》.中国电力出版社；
[8] 周双喜，鲁宗相. 《风力发电与电力系统》.中国电力出版社；
[9] 王俊花. 风电场工程电气设计标准化. 2008中国风电技术研讨会会议论文；
[10]黎文安. 《电气设备手册》. 中国水利水电出版社；
[11]苏玉林. 《怎样看电气二次回路图》. 中国电力出版社。

二、电气系统主接线设计
1、主接线的设计原则
根据《变电站设计技术规程》（DL／T 5218-2005）规定，变电站电气主接线应根据该变电站在电力系统中的地位、电压等级、回路数、所选设备特点、负荷性质等因素确定，满足运行可靠性，简单灵活，操作方便，节约投资等要求。

变电站在电力系统中的地位和作用是决定主接线的主要因素，变电站是枢纽变电所、地区变电所、终端变电站、企业变电站还是分支变电站，由于他们在电力系统中的地位和作用不同，对主接线的可靠性、灵活性、经济性的技术要求也不同。

考虑近期和远期的发展规模：变电站主接线设计应根据5-10年电力系统发展规划进行。

应根据负荷的大小和分布，负荷增长速度以及地区网络情况和潮流分布，并分析各种可能的运行方式，来确定主接线的形式以及所连接电源数和出线回数。

考虑负荷的重要性分布和出线回数多少对主界线的影响：对一级负荷必须布两个独立的电源供电，且当一个电源失去后，应保证全部一级负荷不间断供电；
对二级负荷，一般有两个电源供电，且当一个电源失去后，能保证大部分二级负荷供电，三级负荷一般只需一个电源供电。

考虑主变台数对主接线的影响变：电站主变的容量和台数，对变电所主接线的选择将产生直接的影响。

通常对大型变电所，基于传输容量大，对供电可靠性要求高，因此，其对主接线的可靠性、灵活性的要求也高，而容量小的变电所，其传输容量小，对住接线的可靠性、灵活性要求低。

考虑备用容量的有无和大小对主接线的影响：发、送、变的备用容量是为了保证可靠的供电，适应负荷突增，设备检修，故障停运情况下的应急要求。

电气主接线的设计要根据备用容量的有无而有所不同，例如：当断路器或母线检修时，是否允许线路、变压器停运；当线路故障时，允许切除线路、变压器的数量等，都直接影响主接线的形式。

2、主接线设计的基本要求
可靠性：应重视国内外长期运行实践经验及其可靠性的定性分析；主接线的可靠性包括一次部分和二次部分在运行中的可靠性的综合；主接线的可靠性在很大程度上取决于设备的可靠性程度，采用可靠性能高的电气设备可以简化接线。

需要做到以下几点：断路器检修时，不影响对系统的供电；断路器或母线故障及母线检修时，尽量减少可停运回路数和停用时间，并且保证一级负荷及全部或大部分二级负荷供电；尽量避免全部停运的可能性。

灵活性：主接线的灵活性有以下几方面的要求：调度要求，可以灵活的投入和切除变压器、线路、调配电源和负荷，能够满足系统在事故运行方式下，检修方式下以及特殊运行方式下的调度要求。

检修要求，可以方便地停运断路器，母线及其继电保护设备进行安全检修且不致于影响对用户的供电。

经济性:主接线力求简单，以节省断路器、隔离开关、互感器、避雷器等一次设备。

要能使断电保护和二次回路不过于复杂，以节省二次设备和控制电缆。

要能限制短路电流，以便于选择价廉的电气设备或轻型电器。

如能满足系统安全运行及继电保护要求，110kV及以下终端或分支变电所可采用简易电器。

主接线设计要为配电装置创造条件，尽量使占地面积减少。

经济合理的选择主变压器的种类、容量和数量，要避免因两次变压而增加电能损失。

3、电气主接线的选择
根据主接线设计必须满足供电可靠性、保证电能质量、满足灵活性和方便性、保证经济性的原则，初步拟定两种主接线方案。

对于此次设计的138MW的风电场一般可将电压升高到110kV接入电力系统。

就接线形式而言，此次的风电场， 35kV线路数目较多，需要采用单母线内桥分段的方式。

方案如下图所示：
三、升压站配电装置设计
本设计35KV 配电装置采用屋内成套配电装置，35KV 高压室与水电厂主厂房、付厂房控制室等一起配套建成，开关柜型式采用目前较先进的UR4系列。

35KV 厂用变也可以考虑安装在室内。

660V厂用电屏也采用成套配电装置，选用8面PSM型固定式低压开关柜，向全厂厂用负荷供电。

对于110KV 配电装置，采用室外GIS中型布置，按主接线型式，不考虑升压站地形起伏。

方案图如图所示：
四、风电场仿真模拟
1、风电场接入系统
随着全球环保问题的日益突出,传统化石能源供应的日趋紧张,风力发电作为一种清洁的可再生能源的发电方式, 也是新能源发电技术中最成熟和最具规模开发条件的发电方式之一，而风力发电场和传统的发电场接入系统的原理大致相同，但是还是有区别的，图为风电场单台风机接入电网示意图。

（在本次课程
设计是接入660V/35KV/110KV）
风电场单台风机接入电网示意图
风力发电机一般要均匀的分部在各个集电线路上，以免造成风场运转时由于各条支路电量不均而造成的冲击，同时由于风力发电机组出线电压为660V，若直接汇总并接入风电场的总升压站，则电能损耗过大，因此，须在风力发电机后接箱式变压器将电压升高至35kV才能经过集电线路接入总升压站，然后经过升压站升压后，经送电线路将电能送到电网。

2、风电场低电压穿越
随着风电装机容量在电网中所占比例的增加，风电场的运行对电网稳定性的影响将不容忽视。

德国E．ON电网公司对并网风电场提出了要求：在电网电压跌落期间，保证风电场能在一定时间范围内连续运行而不脱离电网，故障消除后快速恢复正常运行即要求风电场有低电压穿越(LVRT)能力，因此低电压穿越能力正逐渐成为大型并网风电机组的必备功能之一。

风电机组应该具有低电压穿越能力：
a)风电场必须具有在电压跌至20%额定电压时能够维持并网运行620ms的低电压穿越能力;
b)风电场电压在发生跌落后3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场必须保持并网运行;
c)风电场升压变高压侧电压不低于额定电压的90%时，风电场必须不间断并网运行。

3、建模与仿真
本次仿真设计的模型是以Wind Farm - DFIG Average Model为原型，经过改动电压、频率和线路，使得该模型符合题目要求，从而进行仿真模拟，其总模型图为：
风力发电系统模型
修改参数
修改仿真模型，将系统电压改为风机输出660V，升压至35kV，经30km线路输送后并入110kV电网。

要求110kV电网的短路容量为3000MVA。

然后说明系统运行工况和风机运行情况（电压、电流、转速等）然后修改风速至15m/s，运行仿真并观察结果。

风力机参数设定
集电变压器参数设定
主变压器参数设定
接地变压器参数设定
测试不同电网故障情况（例如单相或者三相电压跌落80%，持续时间625ms 等）下双馈式风力发电系统的低电压穿越特性。

本次模拟仿真中低电压穿越装置采用的是双馈变频器加Crowbar,电压跌落期间在在转子侧串入电阻，使得双馈电机进入异步电机运行状态，通过转子电阻释放穿越期间的能量，起到保护变流器的作用。

本次在该模型中设置模型参数使得电网侧三相电压故障在0.08秒开始跌落百分之五十，一直到0.13秒恢复正常，同时还设置参数使得单相电压在0.08秒，跌落百分之八十，直到0.13秒恢复正常，通过模拟仿真测试该模型在不同情况下的低电压穿越特性，其仿真结果如下图：
在0.03s时660V的母线电压和35KV的母线电压都有明显的下降，而在两个电压等级的母线电流有短时间波动但很快恢复稳定，有功功率P由原来的110Mw 下降到5Mw，同时也看到无功功率Q由原来的0Mvar突然出现波动，且最高的波动达到了250Mvar当系统稳定时又降到110Mvar左右，直流母线的电压也出现了波动最后逐渐恢复到原来的稳定值。

当在0.13s时电网的电压恢复到原来的电压值时，各个母线电压也恢复到了原来的额定值，个母线的电流再出现短暂波动也达到了稳定值，有功功率P也恢复到原来的120Mw，无功功率也恢复到了原来的初始值，直流母线电压也在出现短暂的波动后回到稳定的值。

由上面可看出风力发电场在出现电压暂将时，通过自身的调节控制系统维持了母线电压的稳定，而在短时间内没有脱离电网，实现了低电压的穿越，是整个系统变得稳定。

五、课程设计体会
此次，我们对风力发电过程进行了建模与仿真，初步了解了风力发电过程和一些风力发电的结构。

首先老师给我们讲了本次仿真的要求和本次仿真所需软件matlan的一些基础知识，使我们对matlab这一软件有了初步的了解；之后我们通过互联网查询了有关风力机建模与仿真和风电场低电压穿越的文章，自主学习了风力发电过程的建模仿真所需要的模型和要注意的一些问题，了解了什么是低电压穿越、低电压穿越要求和低电压穿越装置，结合matlab自带模型进行改动进行仿真模拟，过程中发现细节非常重要，一个小小的数据就能改变结果，同时发现自己所学的知识还是不足，有些东西学习的不透彻，需要再进一步的学习。

同时，因为这次课程设计是团队合作的基础上进行的，我觉得对自己和大家是一个挑战和锻炼。

我很欣慰自己能在团队中讨论自己的想法和有关内容，但是我感觉自己的一些知识还不够全面，总之还不是很满意。

另外由于时间的紧迫和对知识的了解不够广泛，造成了设计中可能还存在不足，以后我会继续努力，学好专业的相关知识，为以后的工作打下良好的基础。

同时也非常感谢石老师和向老师在课程设计中间给予我们的帮助和指导。