袁梽钧，施伟锋，卓金宝，张 威



风力发电系统短路故障分析

袁梽钧，施伟锋，卓金宝，张 威

（上海海事大学，上海201306）

本文研究了一种适用于偏远地区的风力发电系统，介绍了工作原理，分析了仿真模型。通过加入故障模块，模拟了当风机侧发生单相、两相、三相短路故障时，系统频率等参数的变化情况。然后绘制出了这些参数的波形曲线，简要分析了波形变化情况，仿真结果证明该系统在发生各种简单短路故障时，具有一定的暂态稳定性，对于偏远地区风电系统的故障分析有一定的参考价值。

风力发电系统 建模 故障分析 稳定性

随着化石能源的消耗和全球生态环境的快速恶化，风能作为无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，近年来世界各国对风能的研究取得了长足发展。

目前我们开发利用风能的主要形式是风力发电。风力发电的类型有很多种，主要原理是风力带动风机叶片旋转，进而驱动发电机发电[1]。风力发电特别适用于沿海岛屿、交通不便的边远山区、地广人稀的草原牧场、以及远离电网的农村和边疆，它作为一种解决生活能源的可靠途径，有着十分重要的意义。本文研究的风力发电系统，就适用于这些偏远地区。随着风电基地的不断建设，我们希望风电系统能够稳定安全的运行，保证供电的连续性。一般电力系统中短路故障频发，对系统稳定性影响极大，因此，对风力发电系统进行短路故障分析显得十分重要。

在Matlab/Simulink 软件中构建风力发电系统模型，添加故障模块，设置故障类型更改相应的参数，模拟了系统发生简单故障的运行工况，分析比较了该系统各项参数变化时的波形曲线，得出了该系统发生短路故障时具有一定稳定性的结论。

本文研究的风力发电系统供电部分由异步电机（风力机驱动）和同步发电机（柴油机驱动）组成，配以频率调节器和负载（三部分）。当风速较低时，异步电机不能提供足够的电能时，柴油机驱动的同步电机也需要运转来满足负荷侧供电需求；而当风速较高时，风力机驱动的异步电机能够给所有负荷提供足够的电能时，我们就不需要柴油机驱动同步电机发电，即可以关闭柴油发动机，由异步电机单独供给负载电能；当发电量大于负荷用电量时，此时同步电机就当于同步调相机，调节功率因数，并通过励磁调节装置来维持系统电压和频率的稳定。

Matlab工具箱提供了异步电机、同步电机，断路器，短路故障等元件的数学模型，只要将需要的对象拖入仿真文件工作窗口，接线，双击元件后即可输入想设定的参数。

风机，由风力带动叶片旋转，起到原动机的作用。风机的特性，简单来说就是一定的风叶转速（风速）对应一个机械功率，本文中我们给定风速10 m/s，由风机特性曲线可知，当风机转速为每分钟1900转时，风速10 m/s（或高于此数值），我们能够获得获得比较理想的风能电能转换效率[2]。

图1 风机特性曲线

风速和风机转速同时影响着输出功率的变化，风速过大，转速过快，容易导致风机的损坏，必须通过一定的控制维持转速稳定，保持输出功率的恒定。风机仿真结构图，如下图2。

图2 风机仿真结构图

发电机，从本质上讲是将原动机的机械能转化成为电能的装置。这样风能传输系统也就可以组成：风机将捕获的风能转化成机械能，发电机将机械能转换为电能。

异步电机模块实现了一个三相异步电机（绕线转子，鼠笼或双鼠笼式）在一个可选择的dq坐标系（转子，定子，或同步）的建模。定子和转子绕组以星形连接在内部中性点。

同步电机模块实现了一个三相同步电机建模的dq转子参考帧。定子绕组以星形接在内部中性点。

励磁模块实现了同步机电压调节器结合一个励磁机。起着提供励磁功率，起着调节电压、维持电网电压恒定的作用。另外，励磁系统还可控制并列运行的发电机无功功率的分配[3]。Matlab中可以直接使用励磁模块。

离散频率调机器模块的输入值是相对地电压，输出值是24个逻辑信号，用于控制备用配平负载。我们使用一个可以分级调节的配平负载，这个负载是用来吸收超过实际负荷功率的风能，并且，此可调节的配平负载的实际投切量由频率偏移的实际情况决定。

频率调节器的使用，是为了测量系统的频率，进而通过测量的频率值与参考频率值作比较，最终计算频率误差。此误差信号经过积分运算将会得到相位误差值，再与给定的容许相位误差比较，再经比例微分环节产生一个模拟控制信号。这个模拟控制信号再经过数字化后最终会变成一个八位数字量。这个数字量可以用来配平负载的投切量，从而改变发电机端的电流大小，最终使发电机转速以及电网频率均保持稳定。在切换过程，应该选择在交流电压过零时，开关动作，这样可以使得系统电压波动最小[4]。仿真结构图见图3。

最后在异步电机侧加入三相短路故障模块（Matlab可直接使用该故障模块），双击模块可以设置具体的短路故障类型，包括单相短路故障，两相短路故障，三相短路故障。还可以设置故障开始和结束时间。系统仿真结构图如图4。

对于该系统，系统的额定频率是60 Hz，风机侧给定风速10，并且做出如下假设：第一，风力发电的供给足够负载使用时，同步电机处于电动调相运行状态。第二，异步电机的功率因数无法自主调节，须通过调节同步电机的励磁来调节（基本原理是：通过测量电网电压与给定电压之间的差值，调节同步机的励磁电流的大小来改变转子功率以及电机端电压）。

系统还使用了三相电压和三相电流的测量单元，方便显示有功功率和无功功率的波形变化。

3.1 短路故障分析

短路是电力系统最常见的严重故障。所谓短路，就是系统中各种类型不正常的相与相之间或相与地之间的短接。系统发生短路的原因很多，主要有：

1）电气设备、元件的损坏。

2）自然的原因。如：气候恶劣，遭受直击雷或雷电感应，设备过电压，绝缘被击穿等。

3）人为事故。如：工作人员误操作。

3.2 系统模型参数

仿真系统参数如下：

异步电机：n=275 kva，n=480 V，n=60 Hz

同步电机：n=300 kva，n=480 V，n=60 Hz

主负载：n=50 kW

可变负载：n=0~446.25 kW

次级负载：n=25 kW（在0.2 s时接入系统）

补偿电容：n=75 kvar

故障模块：发生时间0.4~0.7 s。

图4 风力发电系统仿真结构图

3.3 仿真分析

先通过风力发电系统模型正常运行的时下进行仿真来验证该模型的正确性和稳定性，然后再分析系统发生短路时的各项参数变化[6]。

1）正常运行工况

系统频率和异步电机转速（标幺值）变化如图5。

图5 正常工况下系统频率和异步电机转速变化

从仿真波形可以看出：电网频率在0.2s随负载的投入发生了波动，3.5 s后又回到了原来频率，这个过程中的电网电压一直保持稳定且整个电网的功率一直保持平衡状态。实验结果证明了该系统可靠性以及良好的动态响应性能。

1）发生单相短路故障

对系统进行异步电机侧单相短路故障仿真，设置故障发生时间是0.4 s，结束时间0.7 s，故障相为A相，系统频率和异步电机转速（标幺值）变化如图6所示。

图6 单相短路故障系统频率和异步电机转速变化

发生单相短路故障时，系统频率和异步电机转速波形和未发生故障时相比，差异很小，可以理解成，单相故障对该系统的稳定性影响很小。

2）发生两相短路故障

对系统进行异步电机侧两相短路故障仿真，设置故障发生时间是0.4 s，结束时间0.7 s，故障相为AB相，系统频率和异步电机转速（标幺值）变化如图7所示。

图7 两相短路故障系统频率和异步电机转速变化

由图可知，故障发生时，系统频率开始下降至最低值（接近56 Hz），然后快速上升并逐渐稳定。异步电机转速短暂下降后突然上升，在故障结束时转速达到最大值后继续下降，最终在4 s后趋于稳定。相比于单相短路故障，发生两相故障时，系统频率和异步电机转速变化范围较大。

3）发生三相短路故障

异步电机侧三相短路故障仿真，三相短路是对称短路。对系统危害较大。设置故障发生时间是0.4 s，结束时间0.7 s。系统频率和异步电机转速（标幺值）变化如图8所示。

由图可知，故障发生时，系统频率逐渐下降，经过短暂波动，到达最小值约为56.5 Hz，之后一直上升至其最大值约为61.5 Hz，系统频率在4 s后逐渐稳定。可以看出三相短路时，异步电机转速的最大值比前两种情况更快，在故障结束后，系统需要更长的时间才能恢复原来的稳定状态。

图8 三相短路故障系统频率和异步电机转速变化

本文基于在Matlab中建立的风力发电系统模型，着重进行了异步电机侧的单相短路故障，两相短路故障和三相短路故障仿真，得到了对应的系统频率和异步机转速的变化曲线。通过分析曲线可知不同故障类型对电力系统的影响不同。相比于单相短路和两相短路，三相短路故障对系统危害更大，系统恢复稳态所需时间最长。这系统的各类型的短路故障研究，对保证风力发电系统安全可靠运行具有重要的指导意义。

[1] 程启明, 程尹曼, 王映斐, 等. 风力发电系统技术的发展综述[J]. 自动化仪表, 2012, 33(01):1-8.

[2] 刘迪. 异步电机数学模型与仿真分析[J]. 船电技术, 2015, 35(7):35-38.

[3] 贾宏杰, 王磊. 含大规模风电场的电力系统小扰动稳定性研究[J]. 电网技术, 2012, 36(10): 61-69.

[4] 李辉, 胡姚刚, 等. 大功率并网风电机组状态监测与故障诊断研究综述[J]. 电力自动化设备, 2016, 36(01): 6-16.

[5] 杨文广, 蒋东翔. 大型风力机组远程智能监测与诊断系统的研究与开发[J]. 中国工程科学, 2015, 17 (03): 24-29.

[6] 柳青. 风力发电机组故障诊断方法研究分析[J]. 能源与环境, 2015, (01): 31-32.

Short Circuit Fault Analysis of Wind Power Generation System

Yuan Zhijun, Shi Weifeng, Zhuo Jinbao, Zhang Wei

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TM614

A

1003-4862（2017）07-0077-04

2017-04-14

袁梽钧，男，硕士。研究方向：风力发电技术。

船电技术2017年7期