含风电配电网的短路电流分析与研究

毕业设计（论文）
题目含风电配电网的短路电流分
析与研究
本科生毕业设计论文
含风电配电网的短路电流分析与研究
摘要
近些年来，伴随着电力电子技术和风力发电技术的快速发展，世界上可再生能源的开发利用中，除水力发电外，风力发电已逐渐变得技术最成熟、最具开发前景。

在风力发电技术中，变速恒频发电技术得到快速推广，并且双馈风力发电机也因其适应性好、效率高的优势成为主流机型。

然而，与其他形势的能源相比，风能具有地区差异大、能量密度低、不稳定等特点，导致风力发电机组有其特殊的运行特性。

当风电在电网中的规模越来越大时，风电对电网的影响和产生故障后应对的措施等一系列问题也应成为重点。

目前，风电并网后电压的稳定性和系统有功无功的变化是国内外研究的共同方向，但对风电场提供的短路电流的问题研究较少。

接入配电网后，风电机组提供的短路电流会影响整个系统的电流分布，配电网短路电流的特性会变得十分复杂，研究这个问题对风电接入电网有着重要意义。

本文将对含风电配电网的短路电流进行仿真分析。

关键词：双馈感应发电机，变速恒频，短路电流，配电网
Abstract
In recent years, along with the rapid development of power electronic technology and wind power generation technology, development and utilization of renewable energy resources on the world, except for hydropower, wind power technology has gradually become the most mature, the most development prospect. And in wind power generation technology, the VSCF wind power generation technology is the main trend of wind power and wind turbines with doubly fed induction generator also become mainstream models because of its unique advantages.
However, compared with other energy sources, the wind energy has the characteristics of regional differences, low energy density and instability, etc., and it has the special operating characteristics of the wind turbine. When the wind power in the grid scale is becoming larger and larger,the impact of wind power on the grid and malfunction coping measures such as a series of problems should also become the focus. At present, the stability of voltage and the active reactive power of the wind power network is the common direction of the research, but the problem of the short circuit current supplied by the wind farm is less.Access to distribution network, the wind turbine to provide short-circuit current will influence the current distribution of the entire system, the characteristics of distribution network short circuit current will become very complex, study the problem of grid connected wind power has a important significance. In this paper, the short-circuit current of the power distribution network with wind power is simulated and analyzed.
Keywords:doubly fed induction generator,variable speed constant frequency, short-circuit current,distribution network
本科生毕业设计论文
目录
第1章绪论 (1)
1.1 研究的背景与意义 (1)
1.2 国内外研究现状 (1)
1.2.1 风电接入对电网的影响 (1)
1.2.2 风电提供的短路电流对电网的影响 (3)
1.3 本文的主要工作 (3)
第2章变速恒频双馈异步发电机及其控制策略 (5)
2.1 双馈异步发电机结构及特点 (5)
2.2 双馈异步发电机变速恒频运行的基本原理 (6)
2.3 双馈异步风力发电系统数学模型 (7)
2.3.1 风速数学模型 (7)
2.3.2 风力机数学模型 (9)
2.3.3 发电机数学模型 (10)
2.4 控制系统中双PWM变换器的控制策略 (12)
第3章双馈风力发电机仿真模型验证 (15)
3.1 双馈风力发电机接入无穷大系统仿真模型 (15)
3.2 风速扰动下风电机组的动态仿真 (16)
3.3 系统侧故障下风电机组的动态仿真 (18)
第4章接入配电网的风电系统短路电流仿真与分析 (22)
4.1 含风电配电网模型的建立 (22)
4.2 含风电配电网短路电流仿真与分析 (22)
4.2.1故障点位置对短路电流的影响 (222)
4.2.2风机接入容量对短路电流的影响 (24)
第5章结论 (30)
致谢 (31)
参考文献 (32)
本科生毕业设计论文
第1章绪论
1.1 研究的背景与意义
众所周知，人类生存必然离不开能源，能源问题与人类文明的演进息息相关。

随着世界各国经济竞争日益激烈，能源的消耗也在急剧增长。

目前，人类对能源的开采速度十分惊人，煤、石油、天然气成为人类社会的主要能源，通常都是以电能的形式被加以利用，但这些能源都是不可再生的。

人类对这些化石能源的开发历史并不久远，却几乎消耗尽了地球无数年来积累的极为有限的储存。

按当前的利用速度来看，化石燃料估计只能供人类社会挥霍四十到一百年。

除此之外，在利用化石燃料的过程中，环境遭到了严重的污染。

由于煤和石油通常都含有硫化合物，因此燃烧时会生成二氧化硫。

当二氧化硫溶于水中，会形成酸雨，酸化土壤、破坏植被、腐蚀建筑等一系列环境问题随之而来。

同时，二氧化碳等温室气体的排放，加剧了温室效应，使全球气候变得极其异常。

人类对资源的利用，使得能源危机加剧和世界环境恶化，新能源的发展和利用已迫在眉睫。

风能作为一种清洁的可再生能源具有良好的发展前景，既可以缓解能源危机又可以改善生态环境，受到了世界各国的广泛关注。

随着世界风电装机容量的快速增加和风力发电的不断完善，在今后，风力发电必将成为世界各国更加重视和重点开发的项目之一，而与之相关的风力发电技术以及风力发电系统中的电压、功率、短路故障等一系列问题的研究成为重点。

1.2 国内外研究现状
1.2.1 风电接入对电网的影响
在电力系统中的风力发电面临大型风电场并网技术的限制，风力发电对电网的影响主要考虑有功功率、无功功率、电压、系统稳定和电能
质量等，从技术上讲，它通过以下方式影响：
A.有功和无功
风电是一种间歇性和随机性的能源，功率流因此变得复杂化。

很多风电场建成远离负荷中心以捕获更多的风能，但总是有一些风力发电传输的障碍。

当引进额外的风力发电时，一些输电或配电线路及其他电气设备可能过载，所以要保证互连传输或配电线路不过载。

有功和无功功率要满足什么样的要求和如何进行调节，应进行计算和研究。

B.电压调节
小型风电场可以在较低的电压下连接，从而节省了开关设备、电缆和变压器的成本。

如果风电场的发展规模太大导致不能与当地分布电压连接，进而不能满足较高的电压传输网络的需要。

当故障发生后，如果电力系统暂态失稳，一些风机由于其低电压保护关闭，然后风电场输出降低，这意味着电力系统将失去无功负荷。

随着风力发电在电力系统中装机容量的增加，特别是如果并入电网，风力发电的变化将更容易引起电压变化。

因此，需要对电压实时监测，保证其在规定范围内。

C.系统的稳定性
在风力发电系统中，暂态稳定、电压稳定和频率稳定都受到风力发电一体化的影响。

不仅是因为风电注入将改变潮流分布，线路传输功率和整个电力系统的总惯量，也因为风力发电机与传统的同步机无论是在稳态或瞬态状态时相比所表现出的不同。

当风电系统发生大扰动时，通常是切断风电场和电网之间的连接以避免出现更严重的问题，这相当于在大扰动后激发新的发电机扰动，所以在这样的时刻暂态稳定性是非常重要的，尤其是当电网与大型风电场结合。

基于双馈感应发电机的变速恒频风力发电机（DFIG）在发生短路故障后，可以加强与保持足够的稳定裕度，提高系统的稳定性。

然而，风电并网也可能使系统的暂态稳定性变差。

因此，不同的电力系统暂态稳定性应分别进行分析。

D.电能质量
本科生毕业设计论文
风电功率波动对相关电力传输（交流或直流）、供电质量有直接的影响。

大的电压波动可能导致电压变化以及闪变等违反电能质量标准的行为。

在连续的运行和切换操作时，风力发电引起的电压波动和闪变是风力发电对电网电能质量不利影响的主要因素。

对变速恒频风力发电机，转换器造成的谐波问题也应考虑。

1.2.2 风电提供的短路电流对电网的影响
目前，对含风电的电力系统短路电流的研究结论集中在以下几个方面：风力发电机一般为绕线型异步发电机，当机端发生三相短路时，机端电压变为0；同步发电机提供的短路电流经暂态分量衰减后稳定；异步发电机衰减后为零；双馈发电机提供的短路电流初始值最小，并且其衰减时间与定子参数、保护器动作时间有关；在研究异步风力发电机提供的短路电流时，要将风速、风电场机组间的相互作用考虑进去;不同类型风电机组提供的短路电流波形不同；当大规模风电系统接入时，风电机组会向配网提供短路电流，该短路电流会对系统继电保护产生的影响。

由上面的内容可以看出，目前对于风电短路电流的研究多是针对不同类型风电机在系统故障时所提供的短路电流，这些研究往往依赖于精确的风机模型，需要详细的参数。

1.3 本文的主要工作
本论文在阅读了大量关于双馈风力发电系统的文献的基础上，进行了双馈风力发电系统的模型仿真与短路电流特性分析。

主要工作如下：
（1）学习变速恒频双馈电机的结构、工作原理及各组成单元的数学模型，熟悉PSCAD仿真软件。

（2）在此基础上搭建变速恒频双馈风力发电机仿真模型。

用此模型仿真分析在风速扰动下及系统侧故障下风力发电机的输出特性，验证模型的正确性。

（3）建立含双馈风机的配电网仿真模型，仿真分析不同短路点不同短路类型短路电流随风电接入容量及风速的变化情况，对仿真结果进行理论分析。

第二章变速恒频双馈异步发电机及其
控制策略
2.1 双馈异步发电机结构及特点
转子变流器
图2-1 双馈异步发电机构成的变速恒频风力发电系统结构示意图
2.3 双馈异步风力发电系统数学模型
2.3.1 风速数学模型
⎝⎛+ΓK 11
（2
（3
（
4
2.3.2 风力机数学模型
2.3.3 发电机数学模型
（1
2
（
（4
2.4 控制系统中双PWM变换器的控制策略
图2-2 双PWM型变换器主电路
第三章双馈风力发电机仿真模型验证3.1 双馈风力发电机接入无穷大系统仿真模型
风电厂10MVA
图3-1 风力发电机接入无穷大系统
3.2 风速扰动下风电机组的动态仿真
（a）风况
（b）双馈风电机组机械转矩
（c）双馈风电机组输出有功功率
（d）双馈风电机组输出无功功率
（e）双馈风电机组输出电压
3.3 系统侧故障下风电机组的动态仿真
（c）双馈风电机组出口电压
第4章接入配电网的风电系统短路电流
仿真与分析
4.1 含风电配电网模型的建立
图4-1 含风电配电网模型接线图
4.2 含风电配电网短路电流仿真与分析4.2.1故障点位置对短路电流的影响
A F G
图4-2 配电网简化模型
分别模拟线路AB、线路CD、线路DE末端发生三相接地短路故障，分析其短路电流特性，其结果如图4-3所示。

(a)线路AB三相短路电流
（b）线路CD三相短路电流
（c）线路DE三相短路电流
图4-3 故障点处的三相短路电流
由图4-3可见，当线路AB末端发生三相短路时，系统电源会提供足够的短路电流，导致其短路电流较大。

而当线路CD末端发生三相短路时，由于有风机的加入，风力机组的机端电压降相对较小，其短路电流与线路AB的短路电流相比会有所减小。

与CD末端短路时的短路电流相比，线路DE因系统阻抗增大其短路电流又有所减小。

由此可见，在配电网中，短路故障点与风电机组接入点的相对位置会对系统短路电流产生影响。

4.2.2 风机接入容量对短路电流的影响
（1）风机容量5MW,模拟线路AB末端在3s时发生三相短路故障，持续0.1s后恢复正常，此过程中电网电流变化情况如图4-4.
（a）AB线路电流（KA）
（b）BC线路电流（KA）
（c）CD线路电流（KA）
（d）风机提供电流（KA）
图4-4 容量5MW下各线路电流值
由仿真图可知，当AB线路末端短路时，对于AB段线路，会得到系统电源提供的短路电流，使得AB段线路电流增大；对于BC段线路，风机也会提供一短路电流，通常称之为反向电流，所以BC段电流也增大，CD段电流减小，风机提供电流增大。

按照上述方法将风机容量从5MW提高到10MW、15MW、20MW,由仿真结果可以得到如表4-1所示数据：
表4-1 AB末端短路时各线路电流
由数据可知，随着风机接入容量的增加，BC、CD段线路电流与风机出口电流均有增大趋势，AB段线路电流不变。

(2)同理，风机容量5MW,模拟线路CD末端在3s时发生三相短路故障，持续0.1s后恢复正常。

仿真所得数据如表4-2所示。

表4-2 CD末端短路时各线路电流
由仿真图可知，风机接入处下游发生短路时，BC，CD段线路电流增大，风机提供电流增大。

由仿真数据可知，随着风机容量的增加，CD段线路电流有增大趋势，BC段线路电流有减小趋势。

由此我们可以知道，当风机接入处下游发生短路故障时，风机对其下游短路电流有助增作用。

(3)同理，风机容量5MW,模拟线路AF末端在3s时发生三相短路故障，持续0.1s后恢复正常。

仿真所得数据如表4-3所示。

表4-3 AF末端短路时各线路电流
由表中数据可以看出，BC I 呈现先减小后增大的趋势，进行多次仿真
所得结果如表4-4所示：
表4-4 AF 末端短路时BC I 线路电流
由仿真图可知，当线路AF 末端即风机相邻馈线发生短路时，AF 段电
流增大，风机提供电流也增大，BC 段与CD 段电流有轻微波动。

由数据可
知，随着风机容量的增加，由于AF 线路距离风机接入处较远，所以AF
段电流受其影响不大，CD 段电流略微减小。

风机提供电流增大，BC 段电
流增大。

综上所述，在含DG 的配电网中，DG 下游发生故障时，对其下流的电
流有助增作用；DG 上游发生故障，DG 会对上游提供一个反向电流。

因此，
要选择合适的风机容量，保证当电网发生故障时，保护在允许范围之内
的配合。

第五章结论
风力发电凭借无污染、可靠性高、成本低廉且规模效益好等优势，逐渐成为世界上发展最快技术最为成熟的可再生能源发电技术。

在风力发电技术发展的过程中，变速恒频风力发电技术因其实用性和高效性成为大家共同的选择。

本文主要完成了以下几个方面的内容：
（1）介绍了风力发电系统的结构和组成，给出了各组成部分的数学模型，并且对其控制策略进行了介绍；
（2
（3
致谢
参考文献
【1】
【2】
【3】
【4】
【5】
【6】
【7】
【8】
【9】
【10】
【11】
【12】
【13】
【14】
【15】
【16】。