基于RTDS仿真的并网风电场建模及其保护问题研究

摘要

风力发电作为一种环境友好、转换效率高的新能源形式在世界范围内得到了巨大的发展。但是随着风电装机容量的不断增大，风电的不可控性和随机性对电力系统的影响愈发明显，且风电场多在偏远地区接入电网，受电压等级的限制，装机容量的扩大带来了一系列的问题；风电场的配套设备随着电网要求变的越来越复杂，突出的问题是为保证安全运行的继电保护设备如何选型和配置急待解决。本文把传统的通过配电网接入系统的风电场和当今大规模集中接入的风电场区别对待，传统的风电场对系统的保护产生的影响是由其提供的短路电流，影响了保护的灵敏性，这与大规模集中接入系统的风电场内的各馈线的输出功率对其他馈线保护的影响类似，而大规模风电场内的电缆较多，在单相接地故障时频频出现事故，这与传统的通过配电网的风电场情况不同，因此本文主要对大规模集中接入电网的风电场内保护问题进行了研究。
　　本文介绍了现在风电场内的主流机型-双馈风力发电机组和永磁直驱风力发电机组的结构，通过分析其工作原理进行了控制策略的研究。然后在实时数字仿真仪(RTDS)上搭建了风电机组的逻辑控制系统，通过动态仿真，验证了风电机组的控制策略以及仿真模型的正确性。
　　为了对现有风电场的保护问题研究，介绍了典型的风电场保护配置，包括有风力发电机的保护配置，风电场内各线路的保护配置以及为并入系统的升压变电站保护配置。着重介绍了线路的保护，风电场内线路属于中压系统，一般配置为电流保护，配置较为简单。通过分析风电并网对传统保护的影响，指出大规模风电场内保护存在的问题，通过对实际风电场的建模仿真验证了保护问题的发生，指出由于风电的不稳定性、随机性以及风电场内的线路与常规系统中压线路不同而造成了保护误动、拒动或配置不当造成停电事故发生。
　　通过分析，对风电场内线路保护现有的问题提出了保护配置改进方案。其中针对风电场内馈线的相间故障提出由三段式电流保护改进为自适应电流保护，详细分析了含有风电的自适应保护原理以及整定计算公式参数的计算方法。针对单相接地故障可通过接地电阻或消弧线圈两种方式快速切除故障保护方案，通过对因风电场为不接地系统而为制造中性点的接地变压器的容量确定、接地电阻或消弧线圈的选择，以及两种接地方式应用在不同接线的风电场进行了研究，并结合实际风电场计算了其场内单相接地故障保护整定值，通过仿真验证保护能可靠动作。而针对于风电场内设备的更准确的保护还需要进一步的研究。