外文翻譯譯文一--波動(dòng)轉(zhuǎn)矩下風(fēng)電廠的短路研究

1、<p><b>　　中文4490字</b></p><p>　　出處：Power Engineering Society General Meeting, 2006. IEEE. IEEE, 2006: 6 pp</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文文獻(xiàn)翻譯</p><p>　　波動(dòng)轉(zhuǎn)矩下風(fēng)電廠的短路研究</p>&

2、lt;p>　　摘要：出于對(duì)環(huán)保的要求，風(fēng)電站受到越來(lái)越多的關(guān)注。由于風(fēng)電站有時(shí)距離其他電場(chǎng)很遠(yuǎn)，故當(dāng)短路后短路電流的分布與以往不同。感應(yīng)發(fā)電機(jī)作為風(fēng)電站的主要部分，盡管沒(méi)有獨(dú)立的反電壓，它們?cè)陉P(guān)鍵時(shí)刻卻是一個(gè)暫態(tài)短路電流源。從這一點(diǎn)看來(lái)，考慮風(fēng)電廠的影響短路分析中是個(gè)很重要的課題。</p><p>　　近來(lái)來(lái)很多風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)都采用了風(fēng)場(chǎng)的形式，許多風(fēng)力發(fā)電源的組合，來(lái)補(bǔ)償風(fēng)力波動(dòng)中不確定的隨機(jī)變化。但大多數(shù)有

3、關(guān)風(fēng)電廠電氣特性的研究都沒(méi)有考慮這種影響。本文考慮了風(fēng)的隨機(jī)波動(dòng)和組合補(bǔ)償情況下，感應(yīng)發(fā)電機(jī)的短路電流。</p><p>　　關(guān)鍵詞：風(fēng)電場(chǎng)，短路電流計(jì)算，電力系統(tǒng)，隨機(jī)變化</p><p><b>　　Ⅰ、緒論</b></p><p>　　風(fēng)電由于其環(huán)保受到越來(lái)越多的關(guān)注，它們大多建在風(fēng)場(chǎng)豐富的地區(qū)如海岸，島嶼等。根據(jù)日本國(guó)土資源和基建與運(yùn)輸

4、部在2005年三月的統(tǒng)計(jì)，其海港附近風(fēng)電總裝機(jī)容量已達(dá)76MW。</p><p>　　為了適應(yīng)這種趨勢(shì)，有風(fēng)電關(guān)方面的研究正在加緊進(jìn)行。一般來(lái)講，電力系統(tǒng)的分析與控制主要關(guān)注在以下兩個(gè)方面。一個(gè)是起動(dòng)問(wèn)題，另一個(gè)是它們的穩(wěn)態(tài)特性。起動(dòng)問(wèn)題出現(xiàn)在當(dāng)風(fēng)電機(jī)投入系統(tǒng)時(shí)，它需要很大的無(wú)功，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓嚴(yán)重跌落。一種使用外加電阻從而對(duì)電網(wǎng)友好的接入法，使得恒速風(fēng)機(jī)可以接入弱系統(tǒng)。對(duì)于風(fēng)電接入穩(wěn)態(tài)電力系統(tǒng)的最大難題就是其波動(dòng)

5、性。主要的動(dòng)力源－風(fēng)的不斷變化使得其輸出功率也不斷變化，在弱連接系統(tǒng)中電壓質(zhì)量也嚴(yán)重惡化。文獻(xiàn)[3]基于仿真研究了變速風(fēng)機(jī)對(duì)于弱配電網(wǎng)運(yùn)行的影響，得出了變速風(fēng)機(jī)能在電壓波動(dòng)和諧波含量方面能改善電能質(zhì)量的結(jié)論。</p><p>　　除了保護(hù)和機(jī)械角度的疲勞壽命校驗(yàn)外，對(duì)風(fēng)電站在短路分析方面做的工作不多。據(jù)作者所知，目前以電力系統(tǒng)的觀點(diǎn)來(lái)對(duì)風(fēng)電站短路電流進(jìn)行闡述的工作不多。造成此的一方面原因可能是主要風(fēng)電場(chǎng)大都遠(yuǎn)離負(fù)

6、荷中心，它們之間的電氣距離或者它們和電力系統(tǒng)其他部分的電氣距離都相當(dāng)遠(yuǎn)。毫無(wú)疑問(wèn)，長(zhǎng)電氣距離使得電壓變化問(wèn)題比短路問(wèn)題更受關(guān)注。</p><p>　　然而，風(fēng)電對(duì)將來(lái)的電力系統(tǒng)短路電流的計(jì)算會(huì)有更大的影響。原因是雙重的，一個(gè)就是上面所說(shuō)過(guò)的，風(fēng)電遠(yuǎn)離傳統(tǒng)的負(fù)荷中心，這意味著短路電流會(huì)發(fā)生很大的變化，導(dǎo)致一個(gè)完全不同的短路容量圖。另一個(gè)原因是越來(lái)越多的風(fēng)力發(fā)電站以風(fēng)場(chǎng)的形式建立。在風(fēng)場(chǎng)中，很多獨(dú)立的發(fā)電單元被連在一

7、起，總?cè)萘繒?huì)變的越來(lái)越大。</p><p>　　本文研究了風(fēng)電場(chǎng)提供的短路電流。盡管變速或雙饋型和同步電機(jī)交流連接型已經(jīng)被越來(lái)越多的采用，本論文仍舊研究感應(yīng)發(fā)電機(jī)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的風(fēng)電場(chǎng)還是采用這種類型的。不像感應(yīng)發(fā)電機(jī)的常規(guī)短路計(jì)算一樣，應(yīng)該考慮每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械功率輸入變化的影響。通常認(rèn)為風(fēng)電場(chǎng)總的輸出質(zhì)量要比單臺(tái)機(jī)組輸出質(zhì)量好很多。然而，在短路情況的研究中，上邊提到的影響（本論文中稱為組效應(yīng)）不是確定的。本論文

8、也研究了如何以及在什么情況下可以在短路電流中觀察到這種效應(yīng)。計(jì)算是以仿真為基礎(chǔ)的，但是一些實(shí)際的功率變化數(shù)據(jù)也被采用。在本文中，為了重點(diǎn)研究發(fā)電機(jī)的電特性，忽略了機(jī)械控制如節(jié)距控制，假定軸輸入轉(zhuǎn)矩是給定的。</p><p>　　II 感應(yīng)發(fā)電機(jī)中的短路電流</p><p><b>　　A模型系統(tǒng)</b></p><p>　　本論文采用如圖1所

9、示的三節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)模型。該風(fēng)電場(chǎng)有n個(gè)電氣常數(shù)一樣的獨(dú)立感應(yīng)發(fā)電機(jī)組成。每臺(tái)感應(yīng)發(fā)電機(jī)都安裝在升壓變壓器（漏抗為Xt,容量為0.08，為感應(yīng)發(fā)電機(jī)總?cè)萘康?.1倍）的低壓端。變壓器通過(guò)線路阻抗為Rs+jXs的聯(lián)絡(luò)線連入主系統(tǒng)。假設(shè)短路故障發(fā)生在變壓器的高壓端，因?yàn)檫@是對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)發(fā)生在電力傳輸系統(tǒng)中的最嚴(yán)重的故障，并且把故障點(diǎn)設(shè)置在變壓器高壓端可以滿足本論文的分析目標(biāo)（研究組行為）。</p><p>　　在很多場(chǎng)合

10、，為了滿足無(wú)功需求，像并聯(lián)電容器這樣的無(wú)功補(bǔ)償裝置被安裝在異步發(fā)電機(jī)附近，但是本論文中把這些無(wú)功補(bǔ)償裝置簡(jiǎn)單的忽略了。忽略這些裝置并不會(huì)造成可觀的影響，除非這會(huì)引起不穩(wěn)定，比如電諧振。</p><p>　　B 單個(gè)感應(yīng)發(fā)電機(jī)的短路電流</p><p>　　為了研究短路電流情況（最大值和時(shí)間常數(shù)），首先研究單個(gè)異步發(fā)電機(jī)的情況。</p><p>　　圖1 模型系統(tǒng)

11、（注意到Vs是個(gè)常數(shù),因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)是非常龐大的）</p><p>　　圖2 關(guān)于單個(gè)感應(yīng)發(fā)電機(jī)短路電流的一個(gè)例子</p><p>　　在變壓器電壓可以忽略的情況下，根據(jù)雙反應(yīng)理論下面的方程可以計(jì)算短路電流。</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　其中iR和iX表示感應(yīng)發(fā)電機(jī)的定子電流，后兩

12、個(gè)方程描述了發(fā)生在感應(yīng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部的電氣動(dòng)態(tài)行為。得到的結(jié)果如圖2所示，最大的短路電流是3.5，這個(gè)值等于內(nèi)部電壓0.89（見(jiàn)圖3）除以串聯(lián)阻抗得到，根據(jù)表1提供的數(shù)據(jù)可以簡(jiǎn)單計(jì)算出串聯(lián)阻抗大小為0.251。</p><p>　　可以很容易的觀察到延遲時(shí)間常數(shù)大約為0.1秒，這個(gè)數(shù)值和計(jì)算值0.127秒比較接近。</p><p>　　圖3 與圖2同一情況下得到的內(nèi)部電壓</p&g

13、t;<p><b>　　Table I</b></p><p>　　從這個(gè)結(jié)果我們可以得到以下兩條結(jié)論：</p><p>　?。?）當(dāng)輸入的機(jī)械功率發(fā)生變化時(shí)，時(shí)間常數(shù)也是固定的，因?yàn)樗怯娠L(fēng)電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)配置決定的。</p><p>　?。?）短路電流最大幅值隨著內(nèi)部電壓變化成正比變化。</p><p>　　

14、III 考慮風(fēng)速變化的幾個(gè)基本實(shí)例</p><p><b>　　給定的變化</b></p><p>　　利用文獻(xiàn)[6]中給出了風(fēng)速變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。參考文獻(xiàn)[6]周期從1S到數(shù)百毫秒范圍內(nèi)的風(fēng)速變化的頻譜。本文選取了6個(gè)典型的頻率成分，并在給定條件下進(jìn)行仿真，條件如表II 所示，其中“phase diff”代表安裝于風(fēng)電場(chǎng)兩端部件測(cè)量得到的相位偏差。文獻(xiàn)[6]并

15、沒(méi)有給出這種相位偏差的數(shù)據(jù)，本文認(rèn)為在同樣風(fēng)電場(chǎng)中快速部件可以引起較大的相位偏差，但在慢速器件中并非如此?；谶@樣的考慮給定了這些值。圖4給出了風(fēng)電場(chǎng)中四個(gè)不同地點(diǎn)給定的輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩變化的波形。如圖4中所示，輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩變化的幾乎是同相位的，甚至是重合的。導(dǎo)致的內(nèi)部電壓變化如圖5所示。</p><p>　　表2 假定風(fēng)速變化的組分</p><p>　　圖4 風(fēng)速波動(dòng)引起的機(jī)械轉(zhuǎn)矩的變化&

16、lt;/p><p>　　圖5 內(nèi)部電壓的變化（四個(gè)不同地點(diǎn)）</p><p>　　圖6 t=444s發(fā)生短路時(shí)的短路電流</p><p>　　圖7 t=556s發(fā)生短路時(shí)的短路電流</p><p>　　圖8 輸出功率變化曲線</p><p><b>　　小結(jié)</b></p><

17、;p>　　結(jié)合前文第二章的基本研究結(jié)果，我們必須對(duì)內(nèi)部電壓的變化進(jìn)行深入的分析（如圖5）。故障發(fā)生分別在t=444s(端電壓取得最小值)和t=556s(端電壓取得最大值)可以得到最小和最大短路電流。圖6和圖7中的電流相比，我們可以清楚地看到前者略小于后者，但是差別很小。這是因?yàn)閮?nèi)部電壓的變化太小以至于不足以引起明顯的效果。實(shí)際上，在這種情況下內(nèi)部電壓的最大值和最小值之間的偏差大約只有1.7%，相應(yīng)的可以得到這兩種情況下短路電流的幅

18、值為3.52 pu和3.46pu。</p><p>　　從圖8中可以得到，當(dāng)輸出功率變化很大的時(shí)候內(nèi)部電壓也不會(huì)出現(xiàn)大的變化，以至于在短路電流幅值的變化很微小。內(nèi)部電壓的變化受串聯(lián)電抗的影響，在很長(zhǎng)的傳輸距離以及重載的情況下，內(nèi)部電壓將會(huì)引起明顯的變化。</p><p><b>　　IV 參數(shù)研究</b></p><p><b>　

19、　A 研究目標(biāo)</b></p><p>　　從上面的討論中可以看出，在通常風(fēng)力波動(dòng)存在的情況下，無(wú)論故障發(fā)生在什么時(shí)候，短路電流都沒(méi)有很大的不同。分析表明，即使在每臺(tái)獨(dú)立機(jī)組的風(fēng)力波動(dòng)不一致的情況下，每臺(tái)機(jī)組提供的短路電流都差不多。</p><p>　　然而，從第三章最后的表述中可以看出，內(nèi)部電壓的變化有時(shí)也會(huì)非常大，尤其是在長(zhǎng)途和重載傳輸?shù)那闆r下。在本章中，通過(guò)設(shè)置參數(shù)在一個(gè)

20、更寬的范圍可以使短路情況研究更具一般性。從而討論大范圍的內(nèi)部電壓變化（結(jié)果導(dǎo)致短路電流變化）的可能性。</p><p><b>　　B 等效電路</b></p><p>　　因?yàn)樗芯康南到y(tǒng)是線性的，電氣特性可以通過(guò)等效電路很方便的分析。圖9顯示了系統(tǒng)的戴維南等效電路，等效內(nèi)部電壓Es可以通過(guò)下式計(jì)算：</p><p>　　，

21、 （2）</p><p>　　公式中的下角標(biāo)r和i代表實(shí)部和虛部，k代表機(jī)組號(hào)。</p><p>　　圖9 研究例子的電氣等效圖</p><p>　　方程2表明產(chǎn)生總短路電流的等效內(nèi)部電壓源是每個(gè)內(nèi)部電壓的平均值。</p><p><b>　　C 機(jī)組特性的影響</b></p>

22、<p>　　為了清晰顯示風(fēng)力波動(dòng)對(duì)短路電流幅值結(jié)果的影響，在每個(gè)獨(dú)立發(fā)電機(jī)中假設(shè)了不同的正弦變化。對(duì)這些情況進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)應(yīng)內(nèi)部電壓的幅值變化如圖10所示。在圖10中，橫坐標(biāo)（相位差別）代表兩臺(tái)機(jī)組之間機(jī)械轉(zhuǎn)矩相位的差別，這兩臺(tái)機(jī)組位于風(fēng)電場(chǎng)的末端，其他機(jī)組有均勻分布在這兩臺(tái)特殊機(jī)組之間對(duì)應(yīng)的相位。0相位差意味著所有的發(fā)電機(jī)組被完全一致的正弦波變化的風(fēng)力驅(qū)動(dòng)。在這種情況下每臺(tái)機(jī)組注入系統(tǒng)的短路電流累加起來(lái)組成最終值，但是在

23、360度相位差別的情況下，各臺(tái)機(jī)組間注入的短路電流互相抵消，從而從電網(wǎng)側(cè)看去等效內(nèi)部電壓幾乎沒(méi)有什么變化。</p><p>　　在1秒或更長(zhǎng)的緩慢變化范圍內(nèi)，內(nèi)部電壓變化要比在0.5秒周期變化范圍內(nèi)更大。這是因?yàn)樵谶@個(gè)時(shí)域范圍內(nèi)，每臺(tái)感應(yīng)發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)子電路的電氣暫態(tài)過(guò)程在平緩變化中起到一定的作用。</p><p>　　這個(gè)例子說(shuō)明了感應(yīng)發(fā)電機(jī)組如何對(duì)短路電流進(jìn)行平緩影響。</p>

24、<p>　　D 考慮預(yù)故障運(yùn)行條件</p><p>　　由前文提到的內(nèi)部電壓變壓引起短路電流的變化，在大多數(shù)情況下，由于輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩的變化并不會(huì)引起內(nèi)部電壓的較大變化。因此，研究了內(nèi)部電壓相對(duì)于輸出功率的靈敏度。</p><p>　　電氣功率和內(nèi)部電壓E之間的關(guān)系，可以用以下公式表示：</p><p>　　其中，Vs，X’，xt,xs和δ分別代表大功

25、率系統(tǒng)的電壓、異步電機(jī)暫態(tài)電抗、變壓器漏抗，連接線的串聯(lián)電抗和內(nèi)部母線和大系統(tǒng)母線之間的夾角。</p><p>　　在輕載條件下隨著功率P的變化，E的變化非常小，但是功角δ變化很大。然而，在重載條件下，平均功角δ變大，功率P相對(duì)于功角的靈敏度變小。在這樣的條件下， E需要變化很大才能滿足需求功率P的變化。圖11表示的是傳輸距離比原先長(zhǎng)5倍情況下的結(jié)果，初始轉(zhuǎn)差率為-0.01pu?？梢郧宄赜^察到：</p&g

26、t;<p><b>　　端電壓變化更大</b></p><p><b>　　端電壓波形出現(xiàn)畸變</b></p><p>　　（1）可能對(duì)短路電路產(chǎn)生潛在的影響。因此在故障期間的微小變化可能帶來(lái)很大的幅值變化。（2）指出系統(tǒng)不能認(rèn)為是線性的，意味著相應(yīng)的內(nèi)部電壓波形會(huì)不同，使得故障電流幅值和故障時(shí)間之間的關(guān)系變復(fù)雜。</p>

27、;<p>　　在不同故障時(shí)間下對(duì)兩種情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖12和13所示，如預(yù)期一樣，最大短路電流有較大的不同。例如故障發(fā)生在最大內(nèi)部電壓時(shí)的值為3.01pu，在其他情況下（故障發(fā)生在最小內(nèi)部電壓時(shí)）的值為2.499pu。</p><p>　　圖10以不連貫和變化周期為函數(shù)的等效內(nèi)部電壓變化</p><p>　　圖11 在重載情況下的等效內(nèi)部電壓</p><

28、;p>　　圖12 在重載情況下故障發(fā)生在t＝95.65s時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)和故障電流</p><p>　　圖13 在重載情況下故障發(fā)生在t＝86.55s時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)和故障電流</p><p>　　圖14和15給出了結(jié)果。如圖中所示，在重載條件的情況下（大一些的負(fù)滑差率），內(nèi)部電壓的變化和與之相對(duì)的故障電流幅值的差別也加大。</p><p>　　從目前得到的結(jié)

29、果來(lái)分析，長(zhǎng)距離傳輸重載情況下，在進(jìn)行短路研究時(shí)，應(yīng)該考慮風(fēng)電場(chǎng)的組行為。下文就此問(wèn)題進(jìn)行了研究。</p><p>　　圖14最初的滑差率 (輸出功率)和相應(yīng)的內(nèi)部電壓變化之間的關(guān)系</p><p>　　圖15最初的滑差率 (輸出功率)和相應(yīng)的短路電流幅值最大差值之間的關(guān)系</p><p>　　E 重載下風(fēng)電場(chǎng)的組行為</p><p>　　現(xiàn)

30、在我們繼續(xù)討論主題，即風(fēng)電場(chǎng)的組行為。對(duì)兩種情況進(jìn)行了大量的仿真分析，在這兩種情況下，軸轉(zhuǎn)據(jù)變化的所有分量頻率(0.01Hz~0.2Hz)和幅值相同，但相位不同。</p><p>　　例子1 所有單獨(dú)發(fā)電單元中所有的分量都相同；</p><p>　　例子2所有分量均勻分布，相位相差360度，如III-A中；</p><p>　　如圖16-18所示，在例子1中，即一致

31、的情況（或單發(fā)電機(jī)模型例子），短路電流受內(nèi)部電壓變化影響非常大。同時(shí)，即使在穩(wěn)態(tài)情況下，工作點(diǎn)也變得至關(guān)重要，使得其靈敏度也變得更加高。</p><p>　　另一方面，在例子2中，每臺(tái)單獨(dú)的發(fā)電機(jī)的內(nèi)部電壓互相補(bǔ)償（組效應(yīng)），總的等效內(nèi)部電壓和短路電流幅值基本就是一個(gè)恒定的常數(shù)。</p><p>　　圖16 例1中等效內(nèi)部電壓的變化情況</p><p>　　圖1

32、7 例1中得到的最小的系統(tǒng)電流</p><p>　　圖18 在例2中得到的個(gè)體內(nèi)部電壓的變化</p><p><b>　　V 結(jié)論</b></p><p>　　風(fēng)電場(chǎng)中短路電路的研究表明，在重載條件下，通過(guò)相互的補(bǔ)償作用，每個(gè)單元風(fēng)速波動(dòng)的不一致對(duì)短路電流會(huì)有較大的影響。然而，這種影響在常規(guī)或者典型條件下不會(huì)出現(xiàn)。</