Matlab/Simulink风电场集电线路继电保护研究(2)
1．1 课题背景与研究方向
大容量的风电场中包含有许多风机，目前容量在100MW左右的风电场有很多，其包含有50台风机。它们分布在多条集电线路上，即每条集电线路上含有多个风机，这使得集电线路所在的网络成为一个多电源的复杂网络。多台风机的并网接入对整个电网系统发生故障时的短路电流必然会造成影响。因为在电网发生短路故障时，风机会向故障点提供一定的短路电流，它将改变主网中短路电流的大小。短路电流的大小则会直接影响到继电保护的配置与整定原则。而对含有风电场的电力系统进行保护整定时，通常没有考虑风电场对电网的影响，只是简单地将风机作为一般负荷来处理或将其视作相同容量的同步发电机[2]，保护配置多为三段式电流保护。在大容量风机接入电网的情况下这显然是不合理的，这样有可能会造成保护装置的误动或拒动。因此为了防止保护装置的不正确动作，必须调整和改进现有的保护配置方案，以保障电网运行的可靠性和稳定性。
1．2 课题任务和研究目的
本文考虑并分析风机提供的短路电流影响，通过Matlab/Simulink工具对含有风电场的电力系统在集电线路上发生故障时进行动态仿真，分析短路电流的变化，并对其保护进行整定计算。通过比较仿真的短路电流实际数值与保护整定计算理论值之间的差异，发现原有保护配置的不足，进而作出调整与改进，提出改进保护配置的方案，并进行低电压穿越校验。以及讨论自适应电流保护的合理性与适用性。
2 风机故障电流的特性分析
2．1 风机短路电流波形
为了研究风机接入对集电线路短路电流的影响，首先对风机故障电流的特性进行分析。因为所仿真的风电场均由普通的异步电机构成，所以对感应式风电机的故障电流进行分析。其中典型的代表便是鼠笼式风力发电机，当鼠笼式风力发电机发生三相短路时，A相电流可以近似成如下表达式[3]：
i_s=U_s/(X_s^' ) e^(t/T_s ) sinα+U_s (1/X_s -1/(X_s^' )) e^(t/T_r ) sin〖(ωt〗+α) （2.1）
式中：Us为定子A相电压；Xs为发电机的稳态电抗； X_s^'为发电机的瞬态电抗；α为定子A相短路时电源电压初相角；ω为故障电流周期分量的角频率；T_s为定子故障电流中非周期分量的衰减常数；T_r为故障电流中周期分量的衰减常数[3]。
鼠笼式感应风力发电机发生三相短路时的故障电流仿真曲线如图2.1所示[3]
图2.1 鼠笼式风电机三相短路故障电流的仿真波形
从图2.1中可以看出在风机三相短路时，故障电流瞬间增大，之后它的直流分量和工频分量随着时间按指数规律衰减，最后接近于零。
2．2 风机短路电流仿真
由于本文是通过采用Matlab/Simulink仿真软件来对含有风电场的电力系统进行仿真分析，所以为了验证该仿真工具能够科学准确地模拟仿真风电场短路故障时电流变化的情况，首先建立一个单台风力发电机连接于一个简单线路系统中的模型，然后仿真该风机的短路电流。将此风机的容量设为2.0MW，出口电压设置成690V，其基本风速设为恒速10m/s。仿真的系统图如图2.2所示。
图2.2 简单的风机连接电网线路模型
图2.2所示的仿真模型中的测量元件“Three-Phase V-I Measurement”装置在与风机相连的箱式变压器高压端，这样便能测出风机输出的电流和电压，然后连接在示波器上显示波形。通过仿真后得到的风机短路电流波形如图2.3所示。