毕业论文-线路故障对双馈感应风机输出特性的影响研究.doc

. . 山东农业大学毕 业 论 文线路故障对双馈感应风机输出特性的影响研究 院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气工程及其自动化3班 届 次 2015届 学生姓名 学 号 指导教师 二一五年六月六日装订线. . . 23目 录摘要IABSTRACTII1 引言12 风电场的多发故障及课题研究意义22.1 中性点不接地系统正常运行的电容电流分布22.2 单相接地故障22.3 风电场出现集电线路故障32.4 我国继电保护的发展历程32.5 风电引起的保护问题42.5.1 区域保护42.5.2 有限接地故障保护52.5.3 风电场与 33（35）kV电网相连的保护52.5.4 风电对电网继电保护的影响52.6 课题研究意义62.7 本章小结63 双馈风力发电机63.1 双馈异步风力发电机简介63.2 基于双馈感应发电机的变速风电机组的工作原理73.3 双馈风电机组的风力机模型83.4 双馈发电机暂态模型93.5 本章小结104 双馈变速发电机故障仿真分析104.1仿真系统104.2 MATLAB简介104.3 SIMULINK 动态仿真114.4本章小结165 风电场保护配置方案165.1 风电场升压变电站保护配置165.2 风电场送出线路的保护配置165.3 双馈感应风力发电机自身的保护配置175.3.1 撬杠保护175.3.2 电压越限保护175.3.3 频率越限保护175.3.4 超速保护175.3.5 反时限过流保护175.3.6 其他保护175.4 本章小结176 结论18参考文献19致谢20附录21ContentsABSTRACTI1 INTRODUCTION12 THE FAULT OF THE WIND FARM AND THE SIGNIFICANCE OF THE RESEARCH22.1 The normal operation of the neutral point of the capacitor current distribution22.2 Single-phase grounding fault22.3 Wind farm power line fault32.4 The development of relay protection in china32.5 The protection of wind power42.5.1 Regional protection42.5.2 Finite earth fault protection52.5.3 The protection of wind farm with 33 (35) kV power network is52.5.4 The influence of wind power on the relay protection of the power network52.6 Research significance62.7 Summary63 DOUBLY FED WIND GENERATOR63.1 Introduction of doubly fed induction generator63.2 Working principle of variable speed wind turbine based on doubly fed induction generator73.3 Wind turbine model of doubly fed wind turbine83.4 Generator transient model93.5 Summary104 FAULT SIMULATION ANALYSIS OF DOUBLY FED GENERATOR104.1 Simulation system104.2 Matlab104.3 Simulinkdynamic simulation114.4 Summary165 THE PROTECTION SCHEME OF WIND FARM165.1 The protection configuration of the booster substation in 17 wind farm165.2 The protection configuration of the wind farm out line165.3 The protection of the doubly fed induction generator is175.3.1 Crowbar protection175.3.2 Voltage limit protection175.3.3 Frequency limit protection175.3.4 Over speed protection175.3.5 Over current protection175.3.6 Other protection175.4 Summary176 CONCLUSION18REFERENCES19ACKNOWLEDGEMENT20APPENDIX21线路故障对双馈感应风机输出特性的影响研究牛司涛 （山东农业大学 机械与电子工程学院 泰安 20110778）摘要：风力发电场规模的不断扩大，在给社会带来丰富能源的同时，也给电网带来了越来越显著负面影响。当联络线上发生故障时，双馈感应风机的输出特性会发生改变，对电场保护产生冲击。仅仅完善风电场的继电保护是不够的，由于风电场的接入使系统的短路电流分布发生变化，以前装设的保护不再起到有效的保护作用，所以，要确保发生短路时，保护能准确切除故障，就必须对现有的配电网保护作出调整。本文针对线路故障对双馈感应风机输出特性的影响进行了简单论述：首先，对双馈风力发电机进行简要的介绍。然后，介绍目前风电场典型的保护配置，分析风电的接入对电网继电保护的影响。再就是建立仿真模型，使用动态仿真工具SIMULINK，对线路故障时双馈感应风机输出特性进行动态仿真。最后，通过对双馈发电机不同故障类型下的故障电压、电流等曲线的分析，指出风力发电场应采用的适应性保护。关键词：风电保护；动态仿真；继电保护；故障类型 Study on the effect of line fault on the output of the Doubly-fed Induction GeneratorSitao Niu (Shandong Agricultural University，Taian， 20110778，Institute of mechanical and Electronic Engineering)Abstract：The scale of the wind power generation field expands unceasingly， in the society brings the rich energy， simultaneously also brings the more and more significant negative influence to the power network. When the contact line is faulty， the output characteristic of the doubly fed induction generator will change，and the impact of the electric field protection is generated.Only improve on the relay protection for wind farm is not enough，due to wind farm access the system short-circuit current changes in the distribution， the previously installed protection is not renewed to effective protection， therefore， to ensure that the occurrence of short circuit protection can accurate removal of faults，it is necessary to make adjustments to the existing distribution network protection. In this paper，the effect of line fault on the output characteristic of a doubly fed induction generator is briefly discussed. Firstly，a brief introduction to the doubly fed induction generator is presented.Then，the typical protection configuration of the wind farm is introduced，and the influence of the wind power is analyzed.The simulation model is built，and the dynamic simulation of the output characteristic of the doubly fed induction generator is carried out by using the dynamic simulation tool SIMULINK.At last，the analysis of the fault voltage and current of the fault voltage and current of the doubly fed generator under different faults is pointed out，and the adaptive protection of the wind power field is pointed out.Keywords：wind power protection；dynamic simulation；relay protection；fault type1 引言进入二十一世纪，随着化石能源的过度开采、使用，环境问题已是困扰各国的主要问题之一。不同于化石能源，风能具有环保、资源丰富等独特优点，因此，风能也得到了世界各国的关注。目前，风能的利用主要体现在风力发电上（帆船已过时），风电发展十分迅速，技术也越来越成熟。风能吹动风轮机转动，把风能转化风轮的机械能，再通过传动机构让风轮带动发电机转动，这样，就把一开始的风能间接的转化为了电能4。为加快发展风力发电是世界许多国家解决能源可持续利用的重要措施。美国的风力发电装机容量仅次于天然气，连续三年领先世界各国。欧盟对风能尤为重视，他们将其作为各种新能源的领头羊，其风电装机容量更是占了新增发电装机的百分之四十。不仅美国和欧盟，风电在其他国家也得到了非常迅速的发展，世界各国风电总装机容量早在2010年就超过了140GW。据我国气象局估算，我国风能资源潜力约为每年16亿kW，其中大约十分之一可开发利用，我国风力资源的分布和天气气候有密切的关系。沿海及其岛屿以及东北、华北、西北地区是中国风能资源较为丰富的地区。近年来，我国政府对开发利用可再生能源给予了重视，并颁布实施了可再生能源法。风力发电，光伏发电以及生物质能发电都得到了快速发展。其中，风力发电因其技术最成熟、最具规模化的特点，其发展速度遥遥领先。为此，在我国风能资源比较丰富的区域，风力发电场的建设也得到了快速发展。风电固然重要，但是，风电的并网也会给电力系统的运行和规划带来挑战。另外，我国电网结构还处于相对薄弱的时期，加之许多风力发电厂都建在电网薄弱的地区或末端，像这样的大规模的风电的接入，在世界各国范围内也算是首次，没有可以借鉴的经验。对于我国来说，风电并网、并网后的问题以及故障应对等都是巨大的挑战。文章对双馈感应风机在线路故障时的输出特性进行了研究，并通过分析风机的输出特性提出了适应风电场的继电保护方案。图1-1 我国风电发展2 风电场的多发故障及课题研究意义2.1 中性点不接地系统正常运行的电容电流分布对于正常运行的中性点不接地系统，各相的对地电压是对称的，中性点的对地电压为零，电网中也无零序电压。三相交流电力系统中相与相之间及相与地之间都会存在着一定的电容，这是由于因为任意两个导体之间隔以绝缘介质时会形成电容。为了使研究的问题变得简单，可以假设所示的三相电压及线路参数都是对称的，并把地之间的分布电容都用集中电容来表示，因为相间电容对所讨论的问题无影响，所以可以把相间电容省略掉。对于正常运行的电力系统，三相电压Ua、Ub、Uc是对称的,另外，三相的对地电容电流亦是平衡的。因此三相的电容电流相量和为0，无电流在地中流动。每个相对地电压为相电压。2.2 单相接地故障现在风力发电场主要的集电线路为10kV、35kV电压等级，运行方式为中性点不接地系统“小电流接地系统”。在这种系统当中，单相接地故障是最为多见的，大约占配电网所有故障的80%以上。当电网存在单相接地故障时(设a相接地) ，a相对地电压就为0,而b相对地电压UbUb（Ua）Uba，而c相相对地电压UcUc（Ua）Uca。由此可见，a相接地时，不接地的b、c两相对地电压变为为线电压。当a相接地时，系统接地电流（电容电流）Ia应为b、c两相对地电容电流的和，一相接地电容电流为正常运行时每相电容电流的三倍。应当指出的是，当中性点不接地的系统中发生单相接地时，三相用电设备的正常工作并没有受到影响，因线路的线电压无论是相位还是量值均未发生变化，我国规程规定：当中性点不接地电力系统发生单相接地故障时，允许暂时运行2小时。 (a)正常运行时的中性点不接地系统 (b)单相接地时的中性点不接地系统图2-1 中性点不接地系统2.3 风电场出现集电线路故障线路的接线方式：风力发电场集电线路接线有多种接线方式：包括架空线方式、电缆方式、架空线和电缆混合的方式连接。其中，风电场集电线路多选用架空线和电缆混合的方式，就是风电机与升压箱变之间、升压箱变与输电主干线之间用电缆的方式，而输电主干线大多采用架空线连接方式。如果风电场处于需要注意保护环境的区域，如海滨、旅游区等区域时，就应使用电缆连接方式。集电线路有二种环接方式，一种是利用升压箱变高压侧的铜板母线进行环接；再一种就是“T”接方式,也就是说每台风机都用“T”接接头接入到主线路中。由于35kV高压电缆头单相故障的原因，使得单相接地故障是现在风电场集电线路出现最多的故障类型。风电场单相故障的原因主要是高压电缆头设计、施工工艺、设备质量等的不足。单相故障发生后，要及时作出应对措施，否侧就会很快转换成相间或者三相故障，直接作用保护跳闸，不仅如此，还会导致风机停运甚至周围多个风电场停运。2.4 我国继电保护的发展历程我国工程人员于上世纪50年代创造性的吸收、消化和掌握了国外先进的继电保护设备性能和运行技术，创建了一支继电保护队伍，该队伍具有非常丰富的继电保护理论知识造诣和运行经验，为全国的继电保护技术队伍的建立和成长做出了突出贡献。阿城继电器厂创立了我国自己的继电器制造业，他们引进并消化了当时国外先进的继电器制造技术。上世纪60年代是我国机电式继电保护发展繁荣的阶段，意义非凡，为我国继电保护技术的发展打下了坚实的根基。到了上世纪50年代末，晶体管继电保护已开始研究。晶体管继电保护于上世纪60年代中到80年代中得到了蓬勃发展和广泛应用。基于集成运算放大器的集成电路保护也于上世纪70年代中开始研究。集成电路保护在上世纪80年代末形成完整系列并逐渐取代晶体管保护。上世纪90年代初是集成电路保护时代，这一时期，集成电路保护的研制、生产、应用仍处于主导地位。我国微机保护的研究起步较晚，到了上世纪70年代末期才开始研究，但是发展速度却很快。国内首套微机距离保护样机在1984年试运后通过鉴定并进行批量生产，随后每年都有新产品问世。现在，线路保护已经拥有一系列的产品，高低路线路网络和各种各样的设备都有对应的保护装置在电网中运行。各种继电保护产品已得到广泛的采用。2000年时，220kV及以上的系统的微机保护率只占总保护的四成左右，线路微机保护占将近九成。但是到了2003年底，220kV及以上的系统微机保护率上升到7成以上，线路微机保护率将近98。从实运行效果去观察发现，微机保护的正确动作率明显比其他保护高，通常比正常的动作率高0.20.3个百分点。和进口保护相比，国产的微机保护已对其实现了全面超越。这是我国科技人员多年实践，不断学习，不断积累，不断创新发展的成果。我国从进口微机保护技术到国产化并实现超越，充分体现了我国对电力系统和微机保护技术的重视。2.5 风电引起的保护问题图2-2 包含风电的系统图如图2-2所示，是包含风力发电场的电力系统图。图中，R和RN分别是带有时间延迟的过电流继电器和接地故障过电流继电器；G是风力发电机。当风电接入系统时，由于发电机和故障的位置可能会不确定的原因，导致由继电器感知的故障电流可能增加，也可能减少。当K1处发生系统故障时，从10kV馈线继电器来看，故障电流有所增加；当K2处发生系统故障时，从10kV馈线继电器来看，故障电流可能会减少，由于风电的接入，当K2处发生故障时，风电接入点的残压升高了，系统所提供的短路电流减小了。2.5.1 区域保护图2-3 风电场保护配置图风轮机塔底部（区域 D），575V断路器（铠装断路器）用来保护下发电机与垂电缆。从风力机变压器到塔基柜的575V 连接电缆（区域 C），保险丝或断路器做变压器 575 V 侧电缆保护。11 kV/575V变压器及其它周围的575V端部区域（区域 B），应考虑变压器激磁浪涌电流的问题，检测575V端故障要求充分而且灵敏。用11kV负荷开关（组合的保险丝-分断器）， 11kV侧的大故障电流由11 kV保险丝来切除。低压端的故障电流较小，保险丝不能有效地切除，由分断开关切断。2.5.2 有限接地故障保护有限接地故障保护检测从低压绕组和端部区域到地的漏电流。11 kV电缆电路（区域 A）是常规方式的过电流保护和接地故障保护11。2.5.3 风电场与 33（35）kV 电网相连的保护风力发电场和35kV电网接时，无主变压器。35kV/11kV变压器的保护和公用电网同容量变压器的保护方式（差动保护、定时限流速断保护、定时限过电流保护、瓦斯保护等）相似。33kV开关保险丝并不容易去获得，对于预期的故障电流的整个范围，很难提供33kV/575V变压器的全面保护，对于低电压端的单相接地故障，有效的保护更是困难。因此采用综合保护是最有效的方法，如，用包括高压侧和低压侧保护的微机保护作为 33 kV/575V 变压器保护。2.5.4 风电对电网继电保护的影响风电网和常规电网存在许许多多的不同之处，风的不稳定导致了风电的间隙性特点，在风力发电厂中，鉴于需要，许多元件通过的潮流可能双向的，只要风力达到工作的要求，风力发电机组就会工作并和电网相连，当风速在风力机启动风速附近起伏变化不定时，会导致风力发电机组频繁的投切，为了防止这种情况给接触器带来损害，风电机组可以短时以电动机方式运行8。如果此时改变电力系统的潮流方向，也许会导致保护装置的误动。并网运行的固定转速的异步发电机各相电流会在线路短路故障发生的瞬间发生突变，短路电流的衰减呈现指数规律，最终到0。固定转速风电机组由感应电机组成，而在感应电机模型中，转子只考虑了励磁支路，感应电机的短路电流初值取决于定子暂态电抗和定子绕组非周期电流初值，短路电流依次根据暂态时间常数与定子绕组时，间常数按指数规律衰减，短路电流频率取决于转子的转速。异步发电机并没有独立的励磁机构，这会使得电网发生短路故障时，发电机失去了励磁，难以向电网输送短路电流，这是机端电压的显著降低的结果7。当线路存在三相短路故障时，异步发电机仅仅能提供特别小的持续短路电流（I0）；当线路存在两相短路时，异步发电机能提供最大的短路电流5。风机的出口电压是低压系统（例如 575 V），换算到35 kV(或以上等级)侧时，其阻抗需要乘以K2其中K2（U35U0.575）2，所以从35 kV 侧的等值电路看来，风电机及相应的低压电缆就相当于一个很大的限流电抗，短路电流无法送出。和基于普通异步发电机的定速风力发电机组不同，并网运行的双馈风力发电机组的短路电流特性有着很多不同之处。电机各相电流会在短路故障发生的瞬间发生突变并按照指数规律衰减，最后形成稳态短路，并维持运行。在双馈变速风电机组模型中，双馈电机转子仅考虑励磁支路，因此，其短路电流初值取决于定子绕组暂态电抗与定子绕组非周期电流的初值，其短路电流依次根据定子绕组暂态时间常数与定子绕组时间常数按照指数规律衰减。2.6 课题研究意义风电场系统的安全运行离不开风电场继电保护装置。分析线路故障对风机输出特性的影响可以为设置有效保护提供必要的参考依据。随着风力发电系统的发展，风力发电场继电保护技术也不断得到完善，这是因为风电系统对运行可靠性要求不断提高。电力在当今社会的各个领域都起着不可替代的作用，如果没有电，社会生活和各行各业都将失去“动力”而陷入停滞。基于电对人类社会的巨大作用和影响，对电的保护就显得更加重要了。而继电保护就是电网能否正常运作的关键之所在。特别是改革开放以来，我国经济进入迅速发展的阶段，各行各业如雨后春笋般成长，对电力的需求随之加大，并不断快速增长，加之化石能源濒临枯竭，火电厂将逐步退出发电舞台。鉴于此，我国将面临供电紧张的局面，许多地区不得不采取措施进行限制供电，来缓解供电紧张。风电等新能源发电将成为我国解决供电紧张的生力军。此时，加强对风电电网的维护就显得格外重要。达到风电系统安全运行的标准是风电场继电保护发展的动力。继电保护的最基本的要求是快速性、灵敏性、选择性、可靠性。通过借助各种先进的科学技术手段，加之不懈的努力和探索，专业技术人员们经过多年的发展研究，使继电保护原理不断得到完善，同时，构成继电保护装置的元件、材料等也产生了巨大的变化。充分分析故障并发展完善风电场的继电保护，也是间接的发展完善了风力发电。2.7 本章小结现在风力发电场集电线路出现最多的故障是单相接地故障。针对风电场的故障类型及故障特点，应设置适应风电场故障的保护。我国继电保护发展迅速，从开始的国外引进技术到国产化并实现超越，体现了我国对继电保护发展的重视。分分析故障并发展完善风电场的继电保护，也是间接的发展完善了风力发电。3 双馈风力发电机3.1 双馈异步风力发电机简介风力电机是电机本体和冷却系统两部分组成的一种绕线式式的感应发电机，在变速恒频风力发电机组中扮演着主要的角色。轴承系统、定子、转子构成了电机本体，冷却系统有三种结构，分为空空冷、水冷和空水冷2。定子绕组直接和电网相连。变频器能按运行的要求自动调节转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位，并且，转子绕组还通过变频器与系统相连。机组运行效率高，可以实现不同速度下的恒频发电，且满足并网和负载用电的要求。可以根据电网电压、电流、发电机转速调节励磁电流，十分精确地调节发电机的输出电压，这是因为发电机采用了交流励磁并和电力系统形成了柔性连接。这样，发电机组就能满足各方面的要求。图3-1 风电并网框图图3-2 装有部分变频器的双馈变速风力发电机组3.2 基于双馈感应发电机的变速风电机组的工作原理变速风力发电机组由三叶片风轮将风能转换成机械能，再通过齿轮箱轴系把机械能传递给双馈感应发电机，发电机再将机械能转换成电能输送到系统中，这一点与定速风电机组相类似。双馈感应发电机的转子和定子的链接方式与常规感应发电机不同，在双馈感应发电机中是通过由两个用直流链接的背靠背电源变换器连接的。双馈感应发电机的转子回路馈入转子侧的变换器，该变换器的运行相当于在转子回路中串联一个外部电压相量。为了使转子达到预期的转速，可以通过控制该电压相量来实现。转子回路变频运行的原理为：在电网正常运行状态下，通过转子侧变换器的调节来控制转速，以达到优化功率输出的目的。电网侧变换器能平衡注入背靠背式的变换器系统的直流环节的有功功率和与电网间的交换的有功功率。另外，变频器能够实现变频运行的转子回路和以固定频率运行的电网的互联。双馈变速风电机组的变流器很小，只是略高于发电机额定功率乘以发电机额定滑差，约为风电机组额定功率的四分之一。双馈感应发电机的滑差可能为正，也可能为负，这两种情况分别对应于双馈感应的发电机处于次同步运行和超同步运行，这一点不可忽视。发电机轴功率与滑差的乘积约为转子回路的有功功率，当超同步运行时，有功功率从转子回路送至系统，而次同步运行时，转子回路从系统吸收有功功率。定子总是向系统输送有功功率而不受速度大小的影响。电网侧的变换器也起着关键作用，它能控制其直流环节的电压保持恒定，避免受到转子功率的影响，并维持与系统之间无功功率交换的平衡。双馈变速风电机组的控制系统能分为无功功率控制模式和电压控制模式，这是根据变换器的控制模式来分的。当风电机组在稳态运行过程中，维持机组发出的有功功率和无功功率满足公式Q=Ptan(tan对应于某一预先指定的恒定功率因数cos。)的模式，就是无功功率控制模式。风电机组在稳态运行过程中，通过对无功功率的控制，维持电压端电压不变的控制模式就是电压控制模式15。现在，用的比较多的是无功功率控制模式，在实际的应用中，电压控制模式很少出现。但是，这并不代表电压控制模式不好，这种模式的变速风电机组有控制机端电压的功能。早在2003年，美国的大型风电场就将主导机型定为电压控制模式的机组了。图3-3 背靠背双向变换器的应用原理图3.3 双馈风电机组的风力机模型上文对风力机的结构及组成已介绍过了，现在分析其各自的功能。风力机叶片的作用是捕捉风能，并将风能作用到轮毂以产生机械转矩。作为风轮的中枢部件，风毂连接了叶片和主轴。风力机所产生的转矩和风速v之间的关系方程如下所示：= (3-1)上式中，是风力机叶片的转矩，是空气密度，是风力机功率系数，r是叶片半径，v是风速，是叶尖速率比，是风力机额定机械角速度，是风力机额定功率。另外还需考虑惯性的因素，如风毂到发电机转子之间就有很大惯性并可用一阶惯性环节来表示： (3-2) 是指齿轮箱侧的转矩，为叶片侧转矩，是轮毂惯性时间常数。3.4 双馈发电机暂态模型目前，由于双馈异步发电机系统的高阶非线性强耦合多变量的特点，矢量控制技术已普遍运用于双馈异步发电机，运用此技术，可以保障原动机和发电机的解耦充分完成，并能对发电机输出有功功率和无功功率进行解耦控制3。为了达到最大风能捕获的追踪控制的目的，可以通过控制有功功率来调节风电机组的转速来实现。无功功率的控制能影响电网功率因数,通过调节无功功率可以实现对电网功率因数的调节，进而保障风电机组和电力系统运行的动态稳定性和静态稳定性。风电机的电压方程如下所示 （3-3）上述式子中，、分别是定子绕组和转子绕组电压的d轴和q轴分量，、分别是定子绕组和转子绕组电流的d轴和q轴分量。、分别为定子绕组和转子绕组合成磁链的d轴和q轴分量，、为定子和转子相电阻。、分别为定子和转子电角频率。磁链方程如下所示： （3-4）、分别为各相定子和转子绕组间的自感。为各相定子、转子绕组间的互感。电磁功率方程如下所示：=（3/2）（） （3-5）电磁转矩方程如下所示： （3-6）3.5 本章小结双馈感应风力发电机能控制无功功率，能通过独立控制转子励磁电流解耦有功功率和无功功率控制。双馈感应发电机从转子电路中励磁，而不需从电网励磁，能产生无功功率并能通过电网侧变流器传送给定子。需要指出的是，电网侧变流器正常工作在单位功率因数，并不包含风力机与电网的无功功率交换。所谓风电机组的电压控制模式是指风电机组在稳态运行过程中，通过对无功功率的控制，维持电压端电压不变的控制模式。4 双馈感应发电机故障仿真分析4.1 仿真系统假设将双馈感应风力发电机组与单机无穷大系统相连，风力发电场由9MW的双馈风电机组合而成。风力发电机出口电压为575V，通过变压器将电压升高至35kV，然后通过2条10km和20km长的35kV输电线路送至升压变电站，将电压升高至220kV，最后将其接入单机无穷大系统，假设两条35kV输电线路之间在0.9s时刻发生0.1s的单相接地、两相接地、三相短路故障。图4-1 双馈感应风机接入无穷大系统图4.2 MATLAB简介MATLAB是由matrix与laboratory俩单词的前三个字母组合而成的。MATLAB软件最初只是一种专门用于矩阵数值计算的软件，随着社会的发展、技术的进步，MATLAB的功能越来越强大，使用的范围也越来越广，目前，在自动控制、数学计算、信号分析、计算机技术、图像信号处理、财务分析、航天工业、汽车工业、生物医学工程、语音处理和雷达工程等行业中，MATLAB都起着不可替代的作用10。MATLAB系统中有专用工具箱，可以满足不同行业专业用户的需求。MATLAB不但功能强大，而且使用非常方便。还有就是，MATLAB提供有其他编程语言的接口，所以MATLAB已成为国内外各高校和研究部门进行科学研究的重要工具之一。本文主要应用MATLAB的动态仿真功能。MATLAB中的simulink模块提供可动态仿真功能，使用者可以通过绘制框图模拟线性、非线性、连续或者离散的系统，再通过simulink能够仿真并分析该系统。Simulink是MATLAB中的一个软件包，能对动态系统进行模拟、仿真及动态分析，是MATLAB的重要组件，而且具有相对独立的功能与使用方法1。Simulink的使用非常人性化，它支持GUI界面，仅使用鼠标进行简单的操作就可以建立模型，所以不需要在程序的编写上花费大量的时间，因而倍受青睐。4.3 SIMULINK 动态仿真由于不能实际去测量自然风速，所以为了分析方便，我选择风速为14m/s来模仿实际风，然后观察仿真效果。图4-2 仿真系统模型图（风速14m/s）图4-3仿真系统功能模块用模型中单相接地故障模块（A相接地）、两相故障模块（AB相接地）、三相故障模块设置电网在0.9s时刻发生三相短路故障，到1.0s时故障解除，设置仿真的起始时间为0，终止时间为2s。通过和正常情况下风机的输出特性做对比，得出线路故障对双馈感应风机输出特性的影响。然后根据输出特性，确定风电场该装设的保护。图4-4 正常情况下风机出口电压、有功功率、无功功率变化曲线图4-5 正常情况下风机电流（I1/B575）的变化曲线图4-6 单相接地故障风机出口电压、有功功率、无功功率变化曲线在风力发电机模块中选择电压控制模式，如图4-6所示，能够看出，当发生单相接地故障时，风力发电机输出正序电压即U1/B575降到了0.8pu左右，可以看出，这个值应该大于等于保护阀值即0.75pu，这种情况下，风力发电机组仍然可以继续运行。另外，据规定，不接地系统发生单相接地故障时，设备可带故障运行2小时。图4-7 单相接地故障风机电流（I1/B575）的变化曲线图4-8 两相接地故障风机出口电压、有功功率、无功功率变化曲线图4-9 两相接地故障风机电流（I1/B575）的变化曲线在电压控制（voltage regulation）模式下，如图4-8、图4-9所示，可以看到，当发生两相接地故障时，风力发电机输出正序电压（U1/B575）降至约0.4pu，小于保护阀值0.75pu，此时，双馈风力发电机提供持续的的短路电流。这种情况下，风电机组将被低压保护切除而停运。在故障排除后，风力发电机的出口电压又恢复为额定电压。图4-10 三相故障风机出口电压、有功功率、无功功率变化曲线图4-11 三相接地故障风机电流（I1/B575）的变化曲线在电压控制模式下，如图4-10所示，当发生三相故障时，风力发电机出口正序电压降为0pu，低于保护阀值0.75pu。此时的双馈风力发电机提供的短路电流如图4-11所示，可见风电机提供的短路电流是瞬时性的，持续的短路电流很小。此种情况下，风电机组被低电压保护切除而停运，电压于故障排除后恢复为额定电压。另外，从以上图中还可以看的出，在电网发生短路故障时，风电机组向电网提供无功功率，当故障解除以后，风电机组通过从电网吸收无功功率来使端电压恢复到给定值。4.4 本章小结在电压控制模式下，当线路发生单相接地、两相接地及三相故障时，会影响双馈风机的输出特性。主要表现为：风力发电机输出正序电压会发生不同程度的下降，尤其是两相、三相故障时，风机出口电压会降至0.75pu以下，导致保护装置动作。当单相、两相故障发生时，双馈风机提供持续短路电流，而三相故障时，风机提供瞬时性短路电流。另外，在电网发生短路故障时，风电机组向电网提供无功功率，当故障解除以后，风电机组通过从电网吸收无功功率来使端电压恢复到给定值。由于系统发生故障时，风力发电机提供的故障电流是短时的，因此，电网中受到影响的仅有快速段保护，而带时限保护不会受到影响。所以，对于相关电气元件的保护装置，除了快速保护（纵联保护和后备保护 I段）的整定计算，其他情况下都可不必考虑风电场提供故障电流的影响。为了确保风电场设备的安全，合理配置相关保护装置至关重要。5 风电场保护配置方案5.1 风电场升压变电站保护配置变压器是电力系统中不可替代的重要元件之一，也是变电站的核心“成员”，所以，对变压器配置合理的保护就显得格外重要了。一般情况下，应当给变压器配置完整的主保护和后备保护，并且后备保护主要作为变压器内部故障和低压侧线路故障的后背保护。需要特别注意的是：如果系统稳定要求快速且准确的切除母线故障的话，那么就得按照要求给升压变电站高压侧母线配置母差保护，否则，就不需要配置母差保护了14。低压侧母线通常没有配置母差保护的需要。还有，应当给变压器低压侧断路器配置保护，以防低压母线或低压回流线故障造成损坏。最后应当指出的是，无须给各条汇流线单独的配置保护。5.2 风电场送出线路的保护配置当风电场接入220kV及以上的系统时，将分相电流差动微机保护装设在送出线路的两侧是比较不错的保护方案6。对于风电场侧后备保护，可以配置快速1段，不需要配置带时限保护。对于系统侧的后备保护，只需按正常配置即可。差电流选相元件的使用使差动保护装置具有了在故障时正确选相的功能，基于此，为有效的减少单相故障时线路的停运时间，风电场送出线路两侧重合闸应当使用单相重合闸方式13。对T 接几个或多个风力发电场的风电联络线，需要在系统侧配置零序1段、距离1段以及其它带时限的后备保护，而各风电场侧则没必要配置保护。当风电场接入220kV以下系统时，由于装机容量较小的缘故，在送出线路的风电场侧不需要配置保护。在系统侧需要配置距离保护、电流保护等，并采用三相重合闸方式12。5.3 双馈感应风力发电机自身的保护配置5.3.1 撬杠保护撬杠保护是为了防止双馈感应风机四象限变流器过电流而设置的快速电子保护，其动作时限在毫秒级，是变流器的主保护9。当风电机转子回路电流超过撬杠保护设定的电流定值时，撬杠保护动作，作用于晶闸管，将双馈感应发电机的三相转子绕组短接，四象限变流器退出运行，防止大电流烧毁电力电子器件。5.3.2 电压越限保护由于风电场一般都远离负荷中心，处于电网边缘，电压波动大，系统电压过高容易导致风力发电机元件损坏，而电压过低则容易控制系统紊乱。因此装设有电压越限保护，电压越限时，风力发电机将与系统解列退出运行。5.3.3 频率越限保护电网的频率对风力发电机的正常工作有影响，因此设置了频率保护，当电网的频率超过了风力发电机设定的高、低定值时，风力发电机跳闸停机。5.3.4 超速保护风力发电机的转子转速与风速有关，一般而言，风速越大，转子转速越大。然而，风力发电机正常工作转速是有范围限制的，转子转速过快会对风力发电机造成损伤。因此设置超速保护。当风速过大，转子转速达到极限，无法继续进行调整时，超速保护动作，风力发电机跳闸停机。5.3.5 反时限过流保护该保护用于反应风力发电机内部及电网发生的故障，防止大电流对风力发电机造成损坏。故障发生时，反时限保护动作，风力发电机与系统解列。5.3.6 其他保护风力发电机还应该装设三相电流不平衡保护、电压跌落保护、矢量振荡保护以及塔内照明、冷却、油泵等其他系统相关的温度、压力参数等保护。5.4 本章小结对于风电场升压变电站，应当给变压器配置完整的主保护和后备保护，并且后备保护主要作为变压器内部故障和低压侧线路故障的后背保护，其它视系统稳定要求等特殊因素而定；对于风电场的送出线路，取决于风电场接入系统的电压等级：当风电场接入220kV及以上的系统时，将分相电流差动微机保护装设在送出线路的两侧是比较不错的保护方案；当风电场接入220kV以下系统时，由于装机容量较小的缘故，在送出线路的风电场侧不需要配置保护，而在系统侧需要配置距离保护、电流保护等，并采用三相重合闸方式。同时，完善双馈感应风力发电机自身的保护配置也十分重要。6 结论本文对线路发生故障时，双馈感应风机的输出特性进行了研究，分析了电网发生不同故障时，风电机组的输出特性。同时，通过分析双馈感应风机在线路故障时的输出特性，提出适合风电场的继电保护配置方案。并且，使用了MATLAB的动态仿真工具simulink对电网的不同故障进行了动态仿真。结果表明：当线路发生故障单相、两相及三相时，双馈感应风机的输出特性会发生不同程度的改变；风力发电场继电保护的动作特性因电网的故障类型不同而异，鉴于此，对于风电场的继电保护不能一成不变，墨守成规。考虑到风电场保护动作的可靠性、有效性以及防止各种故障对风电场造成损坏，应当根据故障的类型、短路的状态来改变同型保护的定值。对此，风电场应该采用适应性保护以提高保护动作的可靠性和有效性，来保障风电场的稳定。参考文献1于群，曹娜.MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真M.北京：机械工业出版社，2011.52152岳大为，李洁.风力机技术M.北京：机械工业出版社，2013.633何显富，卢霞，杨跃进，刘万琨.风力进设计、制造与运行 M北京：化学工业出版社，2009.9284汪建文. 可再生能源M北京：机械工业出版社，2011.9545 Lou Suhua，Li Zhiheng，Gao Sujie，et alWind farms models and its impacts on wind farms integration into power systemJPower System Technology，2007，31(S2)：330-334(in Chinese)6文玉玲，晁勤，吐尔逊,依布拉. 风电场的继电保护J.可再生能源，2009,27-17文玉玲，晁勤，吐尔逊依布拉音风电场