李鸿路短路电流计算.docx

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1、风电场接入电网技术专题研讨会论文集风电场短路电流计算的应用研究袁玮李鸿路（西北电力设计院）摘要：风电场具有占地面积大、单机容量较小、机组分散布置的特点。本文通过对风机运行特性和风场电气系统的分析，并结合某一实际工程的特点， 对风电场电气系统进行了合理的简化；利用ETAP软件建立风电场的数学模型，计算电气系统内各关键点及风场向系统提供的短路电流，从而验证该 实际工程中的设备选型和导体选择。关键词：风电场；风力发电机组；短路电流计算；集电线路0引言风力发电是目前为国内外所公认的发展最成熟、 经济效益最好的一种可再生能源利 用技术。其发展历史已有千余年。随着风电技术的日益成熟，风电已从过去的自发自用

2、、 独立运行的小型风力发电机发展成为多机联合并网运行的大型风力发电场。近几年随着国家政策对环保型、可再生能源利用能源开发方面的倾斜，我国国内风力发电已进入一 个快速发展的时期。然而，风能的随机性和不可控性决定了风电机组的出力具有波动性和间歇性的特 点；且风机大多为异步发电机，具运行特性与同步机有着本质的区别。因此，风电场在 机组布置、机组运行方式、系统组成、系统配置等诸多方面与火电厂差别较大，不能完 全照办火电项目的设计思路。在电力工程设计中，短路电流计算是电气设备选型、导体选择、继电保护整定和效 验的基础，其计算结果将直接影响到电气系统的安全可靠性和工程造价。由各种资料显 示目前国内外电力系

3、统关于短路电流的计算方法及软件都已经相当成熟，但全都不含风力发电机系统；且对于风电场各种问题的研究，绝大部分是从电力系统的角度开展的， 而风电场内部的电气设备选择直接影响到风场的经济效益。因此，将风电场作为独立系 统进行短路电流分析计算，并揭示其对风场内系统配置的影响具有重要的现实意义。同 时，利用ETAP软件计算出的短路电流能较精确地反映风场对电力系统的影响；并为系 统潮流、短路计算时，风电场等值电路模型的建立提供理论和实际依据。1风电场等值电路模型的建立电气系统是由许多的电器元件、导体连接而成，在短路过程中它们表现出来的电气 特性各不相同，因此要想精确求解短路后任意时刻的电气系统的短路电流

4、值是不可能 的。在工程实际应用中，短路计算只能通过对整个电气系统中的组成元件进行合理的等 值、简化，在不改变其主要电气特性的前提下，将复杂的电气网络简化成为可供计算的 电路模型。风电场电气系统主要是由风力发电机组、箱式变电站、集电线路和主变压器组成。 以下将针对这四个元件在风电电气系统中的作用和自身特点并结合国内现有设计方法 逐一讨论他们的等值电路模型。1.1 箱式变电站和主变压器的等值电路模型箱式变电站和主变压器在系统中的作用和运行方式与火电工程是相同的，因此在风电场等值电路模型中，认为变压器的磁路是不饱和的；铁芯的电抗值不随电流大小发生 变化；同时忽略励磁电流的影响。将其等效为一个电抗。1

5、.2 集电线路的等值电路模型国内风电设计中主要有以下几种对风场集电线路等值电路模型的处理方式。从电力系统的角度考虑，将风场等效为一个大的风电机组，在电力系统短路故 障分析中，将风电场用PQ节点进行等值，认为风电场的功率因数与单台机组功率因数 相同，但该方法忽略了风电场内部集电线路的影响，以西乌风电工程为例，该风电场总 装机容量为50MVA,单台风机容量为1250kW,共装设40台风机，每10台风机“ T” 接在一条集电线路上，风场内通过4条集电线路将风机发出的电能收集并输送至风场变 电站，集电线路总长度约25km,集电线路的电压等级为35kV。由此可以看出，风电场 的集电线路具有电压等级低、线

6、路长度长的特点，风场的等值功率因数与单台机组存在 较大差别，而这也是风电项目区别于火电项目的特点之一。因此在风电场等值电路中， 集电线路阻抗是不能被忽略的。随着风场规模越来越大，如仍采用此种等效方式将带来 较大的计算误差。有些潮流计算考虑了风电场内架空线路或电缆线路的影响，指出风电场集电系统使用电缆时，计算时应计及集电系统的作用。此时将风场内所有风电机组（包括箱变） 的高压侧汇集，经一条线路接到主变低压侧，而未考虑各个风机之间的集电线路，此种 等效方式与风场的实际接线系统差别较大，因此我们认为这种等效方式也不可取。由此可见，目前研究所选取的短路点大都是风场升压站的主变高压侧，将风电场简 化为一

7、个或多个等值模型，而对于主变低压侧及风场内各个风机之间的短路计算少有研 究。经过分析，我们认为建立的等值电路模型要想较为准确地描述风场电气系统，一定要考虑集电线路因素，通过对现有工程的总结，对于风场集电线路来说，R>X/3,即电阻对短路电流影响很大，此时，考虑将集电线路的阻抗 Z =JR2+X2来代替电抗X 01.3 单台风电机组的等值电路模型作为风电场的基本组成单元，单台风电机组的运行特性及其控制模式与火电发电机 组是完全不同的。这也是风电项目区别于火电项目的特点之一。所以不能简单地按照火 电项目的等值方式来处理风电机组。国内外现有工程中使用的风力发电机组大都为异步机，且主要分为恒速恒

8、频和变速恒频两种发电方式。恒速恒频发电是指在风力发电工程中， 保持风机的转速不变，从而得到恒频的电能。 其概念模型通常为“恒速风力机+感应发电机”。风机向恒频电网送电时，不需要调速， 电网频率将强迫控制风轮的转速，此时风电机组在不同风速下维持或近似维持同一转 速，效率低下，被迫降低出力，甚至停机。因此，此类风电机组控制简单，可靠性好， 但单机容量较小，一般仅为 600-750kW。随着风机技术的发展，出现了双馈异步发电机组。即风机的转速随风速变化，而通 过其他控制方式来得到恒频电能。其概念模型通常为“变速风力机+变速发电机（双馈异步发电机或低速永磁同步发电机）”。由于此类风电机组转速可随风速做

9、相应的调整， 使其运行始终处于最佳状态，机组效率提高；同时，有功功率、无功功率均可调，对电 网起到稳压、稳频的作用，提高发电质量。由于此类风电机组具有单机容量较大、效率 较高的特点而被广泛选用。本次研究也将针对此类机组进行。对于风电机组的等值模型国内外现有的研究成果中还没有一个被大家普遍认可的 处理方法。目前的研究主要有以下二种思路：将风力发电机作为负荷考虑，即不提供 短路电流。但实际上风力发电机组在风场电气网络中是电源，而不是负荷，因此在短路 瞬间认为风电机组不向短路点提供短路电流是不合适的；将风力发电机作为同步机处理。目前在国内风电设计中大都采用此方法。但实际上风机是异步发电机，提供的短路

10、 电流及继电保护整定计算与同步发电机是否相同，有待进一步研究分析。有的资料在简 单短路故障分析时，将异步感应电机用一个“变压器等值”，即T型等值电路来表示。 但采用此种等值方式产生的电路模型较复杂，不利于计算。所以，在风电机组的短路电 流计算中，核心问题是如何对风力发电机组（异步发电机）建立有效、实用的短路计算 等值模型。就电机对故障的响应而言，感应电机和同步电机的显著区别是电机励磁方式的不 同。同步电机从一个单独的直流电源获得励磁，该直流电源实际上不受故障的影响。因 此，当原动机连续驱动一台以故障前的水平励磁的同步发电机时，该同步发电机以一个大的暂态电流强制流向故障作为响应。相反，感应电机从

11、线路接受励磁。如果线路电压 下降，电机的励磁就减少，并且驱动机械负荷的能力就大为削弱。如果在感应电机的机 端发生三相故障，就完全失去励磁；但由于必须保持磁链不变，电机的剩磁在12个周波内将强制电流流至故障处。在故障后的最初几个周波内，感应电机在总故障电流中所 起的作用不应忽略。然而，发现一个足够大的感应电机会造成总电流相当大的差别还是 很不寻常的。因此，就双馈感应异步发电机而言，本文的基本思路是：（1）风力发电机出口到箱变低压侧的线路短路时，直接相连的风机不提供短路电流；（2）由于双馈电机运行的稳定性，箱变高压侧到升压站35kV母线的集电线路及主变高低压侧短路时，把发电机组 作为同步发机处理。

12、以0.69/35/220 kV的电压等级为例，具体分析如下：a）风机出口短路根据目前国内风电场的设计情况及风机厂家给不出具体参数，基于下述原因，风机 出口短路时，直接相连的风电机组不具备向故障点提供短路电流的能力：风机出口电压（0.69kV）大都是低压系统，折算到35kV侧的等值电路来看，风机、 箱变及相应的低压线路相当于一个很大的限流电抗，短路电流无法送出。风机为异步电机，当系统短路时，风机出口电压大幅下降，风机的无功电源是 通过自身的补偿电容器提供的，如果系统电压降低，则无功来源大幅度下降， 风机出口电压将进一步降低直至崩溃，没有了励磁磁场，则风机无法发电。 风机设有快速保护，低电压或过流

13、都会很快地动作。但是，系统侧将向0.69kV短路点提供短路电流。根据风机厂家的要求，当 0.69kV 侧发生短路故障时，为降低系统提供给故障点的短路电流，选择的变压器阻抗电压都比 较大。因此，风场的实际运行情况是：若风机出口 0.69kV侧发生短路，相连的风电机组 退出运行，而系统侧经过箱式变压器向故障点提供短路电流。b） 35kV集电线路及220kV主变高压侧短路风电场中，风电机组采用1机1变的单元接线，当35kV集电线路或升压站内某点 发生短路故障时，把每个风力发电机和箱式变压器看成电源与阻抗的组合，并经集电线 路连接到35kV母线。风机作为同步机考虑，向各短路点提供短路电流。此时，计算出

14、 的短路电流可能偏大，但做工程设计时，按此短路电流所选择的设备对风场系统的安全、 稳定运行有更大益处。2算例分析2.1 计算条件本次计算以某一实际风电场工程为依托，计算基本条件如下：a）工程概况：风电场规划容量为200MW,本期工程装机容量49.5MW,安装单机容量为1500kW 的双馈异步风力发电机组33台。风力发电机出口电压0.69kV,每台风机配置一台箱式变电站，采用一机一变接线形 式，箱变内装设1600kVA升压变压器，箱变出口电压 35kV, 33台风机分成4组，经4 回集电线路（35kV电缆线路）接入风电场220kV变电站35kV母线。风场变电站内设置一台容量为 50MVA的升压电

15、力变压器，升压至220kV接入系统。 风场内风电机组布置图参见附图一；风场集电线路系统图参见附图二。b）计算参数：单台风电机组参数额定容量Sg1500kW功率因数cos（j）0.98次暂态阻抗Xd”14.11%箱式变电站参数额定容量Sd1600kVA短路阻抗6%主变压器参数额定容量Sb50MVA阻抗电压Ud14%基准容量Se100MVA基准电压U220230kVU3537kVU6900.72kV风电场内连接到升压站的集电线路采用 35kV电缆，根据各段线路载流量的不同, 共有4种不同型号的电缆，如表1所示：表1：电缆型号及其参数电缆型号电阻 R ( Q /km)电抗 X ( Q /km)阻抗

16、Z ( Q/km)ZRC-YJV22-235 3X700.370.1380.395ZRC-YJV22-235 3X950.1940.1260.231ZRC-YJV22-235 3X1200.1530.1190.194ZRC-YJV22-235 3X1500.1220.1160.168其中，阻抗Z ="r2+X2 ,各段电缆集电线路的实际阻抗为 Z值与线路长度的乘积。2.2 计算结果由于风电场内风机和集电线路数量较多，电网的等效、化简工作量较大，且每台风 电机组及线路的短路情况不尽相同。因此，本文只选取了几个典型的短路点，其他点与 此相类似；用ETAP软件建立电路模型并计算短路电流，手

17、算进行验证。风场电气系统的等效阻抗图及短路点如附图三所示：di点 220kV母线d2点 35kV母线d3点一一35kV单回集电线路中部（箱变高压侧）d4点一一35kV单回集电线路末端（箱变高压侧）d5点一一0.69kV风力发电机出口考虑本工程最终容量后，短路电流计算结果如表2所示;194风电场接入电网技术专题研讨会论文集表2:短路电流计算结果短路点编号基准电压U (kV)短路电流周期分量有效值I (kA)短路冲击电流峰值i ch (kA)短路电流热效应(kA.kA.s)短路热稳定电流(kA/s)短路容量Sj (MVA)di23050125400036.5/3s； 44.02s19918.6d2

18、3710.52227.72188.947.力3s； 9.4/2s674.3d3379.71622.95575.67.1/3s； 8.72s622.7d4378.45216.35765.3623s； 7.6/2s541.7d50.7222.21055.60446.216.2/3s； 19.92s27.7风场向di点 提供的电流2300.4111.0750.2700.300/3s； 0.368/2s0.512说明：上表中短路电流热效应是按照后备保护动作时间1.5s计算。195风电场接入电网技术专题研讨会论文集3结论a)根据以上计算结果可以看出，该风电工程风场变电站内35kV开关的开断电流选 择25

19、kA就可以满足要求。在实际的工程中，大多按照31.5kA配置。这样将造成设备投 资增加。b)对于风场35kV系统来说，短路电流最大点出现在 35kV母线侧，线路的末端短 路电流最小。c)风机出口与箱变低压侧之间的电缆截面只要大于 154.3mm2就能够满足热稳定 要求。在工程实际中，风机厂要求电缆载流量不小于 1400A,因此在选择此段电缆时， 电缆的载流量处于主要地位。d)对于35kV电缆线路的电缆截面选型来说，风场内风机之间的电缆按热稳定确定 的最小截面为70mm2;因此该类电缆是不能只考虑载流量的。e)如标所示，风电场与系统的接入点di处短路时，风场向系统提供的短路电流值 及该值所占短路

20、电流的百分比均较小。参考文献:1项真，江文，解大，张延迟。风电并网系统稳定运行的研究J。华东电力，2007, 35(3):35-40。2享防目锋，魏鹏飞。浅谈风电场的电能质量J。西北水利发电，2007, 23(1): 23-25。3顾承红，艾芋。基于改进内点法的含风电场的系统最优潮流计算J。2007, 40(1): 89-93。4曹娜，赵海翔，陈默子，戴慧珠。潮流计算中风电场的等值。电网技术，2006,30(9):53-56。5郎永强，张学广，Hadianmrei S.R , et al。双馈电机风电场无功功率分析及控制策略J。2007, 27(9): 77-82。6曹炜，张美霞。短路电流计算

21、曲线法及其改进J。上海电力学院学报，2006,22(4):327-329。196风电场接入电网技术专题研讨会论文集201 -"：赳；，一；i.不；,'.-1、刘一:lri4o-4SY - - D 4-_LTJAr . » . , «*I - J立1 +4.山V4 J V-4 -L-I二Tr% -了Mro-4 3?厂 4 J4r -AiT - I Ar - rn 4- i渺一业nr44一>一 J +一 r Ar_LTJal -C 17.t . -7“i-.。型工I.'，/：»：i. ：,1M创-.整我他1UWJ J马，附图三：风场电气系统等效阻抗及电路点示意图