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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、机组分散的特点对风机运行特和风场电气系统的分析，并结合工程的特点，对风场电气系统进行合理的简化利用ETAP软件建立风电场的数学模型，计算电气系统内各关键点的短路电流，中的设备选型和导体选择。 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、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，其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。 1　风电场模型的建立 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。以下将这四个元件在风电电气系统中的作用和自身特点逐一。 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。 集电线路的等值电路模型 ①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50MVA1250kW，共装设40台风机，每10通过集电线路收集并输送至风场变电站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。 ②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，，即电阻对短路电流影响很大，此时，考虑将集电线路的阻抗来代替电抗。 1.3　单台风电机组的等值电路模型 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