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I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IIAbstractIn 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 powertechnology 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III目 录第 1 章 绪 论 .11.1 研 究 的 背 景 与 意 义 .11.2 国 内 外 研 究 现 状 .11.2.1 风 电 接 入 对 电 网 的 影 响 .11.2.2 风 电 提 供 的 短 路 电 流 对 电 网 的 影 响 .31.3 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 .52.1 双 馈 异 步 发 电 机 结 构 及 特 点 .52.2 双 馈 异 步 发 电 机 变 速 恒 频 运 行 的 基 本 原 理 .62.3 双 馈 异 步 风 力 发 电 系 统 数 学 模 型 .72.3.1 风 速 数 学 模 型 .72.3.2 风 力 机 数 学 模 型 .92.3.3 发 电 机 数 学 模 型 .102.4 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 .153.1 双 馈 风 力 发 电 机 接 入 无 穷 大 系 统 仿 真 模 型 .153.2 风 速 扰 动 下 风 电 机 组 的 动 态 仿 真 .163.3 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 .224.1 含 风 电 配 电 网 模 型 的 建 立 .224.2 含 风 电 配 电 网 短 路 电 流 仿 真 与 分 析 .224.2.1 故 障 点 位 置 对 短 路 电 流 的 影 响 .224.2.2 风 机 接 入 容 量 对 短 路 电 流 的 影 响 .24第 5 章 结 论 .30致 谢 .31IV参 考 文 献 .32本 科 生 毕 业 设 计 论 文1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2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3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