一种风电场汇集站系统变压器中性点接地电阻的估算方法技术方案

本发明专利技术公开了一种风电场汇集站系统变压器中性点接地电阻的估算方法，属于风电场汇集站过电压防护领域。所述方法首先根据风电场内的风力机组的一台风力机和一台永磁同步发电机建立起风力机组的数学模型；然后结合模型1

【技术实现步骤摘要】
一种风电场汇集站系统变压器中性点接地电阻的估算方法


[0001]本专利技术属于风电场汇集站过电压防护领域，具体涉及一种风电场汇集站系统变压器中性点接地电阻的估算方法。

技术介绍

[0002]随着风电场规模的不断扩大，累计装机容量增加以及电缆网的大量采用，接地电容电流成线性比例增长，风电场的安全稳定运行的问题日益突出。当风电场出现单相接地故障时，由于电容电流较大，接地点形成的故障电弧难以熄灭，间歇性电弧接地造成的过电压又将使设备受到的危害进一步加大。然而，中性点接地电阻阻值的不合理导致多台风机同时脱网，带来的电量损失日趋严重。
[0003]为尽可能避免风电场由于中性点接地电阻阻值的不合理带来的日趋严重的电量损失，有必要对变压器中性点接地电阻阻值的选择进行研究。目前，风电场35/220kV系统变压器的35kV侧中性点常用的经电阻接地方式分为三种：中性点经高电阻接地(接地电阻值＞500Ω)、中性点经中电阻接地(10Ω<接地电阻值＜500Ω)、中性点经小电阻接地(接地电阻值＜10Ω)。中性点接地电阻阻值的选取问题的一直没有一个通用的方法，在风电场汇集站过电压防护领域还存在以下问题：
[0004]1)在风电场汇集线路连接多个风电机组，发生故障情况极为复杂。
[0005]2)汇集线路35kV/220系统变压器的35kV侧多采用中性点经电阻接地方式，但是接地电阻阻值选择比较困难。
[0006]因此，需要提出一种风电场汇集站35/220kV系统变压器的35kV侧中性点接地电阻的估算方法，为风电场汇集站过电压防护及评估提供科学分析手段。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题是针对风电场汇集站连接的风电机组数量多，35kV侧系统变压器中性点接地电阻阻值选择不合理，导致风电场安全稳定运行问题。
[0008]本专利技术的目的是这样实现的，本专利技术提供了一种风电场汇集站系统变压器中性点接地电阻的估算方法，所述系统变压器为35/220kV系统变压器，所述风电场汇集站包括35/220kV系统变压器、系统集电线路、220kV的三相电源、母线、风电机组、升压变压器和风电集电线路；所述35/220kV系统变压器的35kV侧采用中性点经电阻接地方式；
[0009]所述估算方法，建立风电场汇集站集中参数等效电路模型，并通过该模型得到中性点接地电阻阻值的取值范围，具体的，包括以下步骤：
[0010]步骤1，对风电机组中的风力机和永磁同步发电机建立数学模型；
[0011]步骤1.1，使用简化的空气动力模型来描述风力机的机械功率P、风力机的风速γ和风力机的机械转矩T1的关系，并将该简化的空气动力模型记为模型1，其表达式如下：
[0012]T1＝ρπγr3C/(2λ)
[0013]P＝ωT1＝ρπr2γCγ3/2
[0014]其中，
[0015]ρ为空气密度，r为风力机的叶轮半径，入为风力机的叶尖速比，ω为风力机的机械转速；
[0016]C为风力机的功率系数，式中，β为风力机的浆距角，λ0为浆距系数，
[0017]步骤1.2，忽略永磁同步发电机的铁磁饱和、涡流损耗和磁滞损耗，令永磁铁在定子绕组中建立的磁通为正弦分布，建立永磁同步发电机在d
‑
q同步旋转坐标系下的数学模型，并记为模型2，其表达式如下：
[0018][0019][0020]其中，L为定子的电感，r
s
为定子的电阻，i
d
为定子d轴的电流，i
q
为定子q轴的电流，u
d
为定子d轴的电压，u
q
为定子q轴的电压，ω
e
为坐标系的旋转角速度，ω
g
为永磁同步发电机的转子速度，n为转子极对数，Ψ1为永磁体产生的磁链；
[0021]根据模型2，永磁同步发电机的有功功率P1、永磁同步发电机的无功功率Q1、永磁同步发电机的电磁转矩T1的表达式如下：
[0022][0023][0024][0025]步骤2，将35/220kV系统变压器和升压变压器统称为变压器，并设变压器中有N个支路，N为正整数，建立变压器的等值电路模型，记为模型3，模型3的列写支路电压方程如下：
[0026][0027]其中，V1，V2，
…
，V
N
分别为N个支路的绕组电压；I1，I2，
…
，I
N
分别为N个支路的绕组电流；ч＝1，2，
…
，N；6＝1，2，
…
，N；在列写支路电压方程中，当ч、б相等时，Z
чб
是支路б的自阻抗，当ч、б不相等时，Z
чб
是支路б对支路ч的互阻抗；
[0028]步骤3，将系统集电线路和风电集电线路统称为集电线路，建立集电线路集中参数模型，并记为模型4，模型4包括集电线路的正序电抗X1、集电线路的正序电容C1和集电线路
零序电容C0的表达式；
[0029]不考虑架空地线，按单根导线来计算，并令集电线路的零序电阻等于正序电阻，集电线路的正序电抗X1的表达式为：
[0030][0031]其中，d1为三相导线间的平均几何距离，式中，d
ab
为a相导线与b相导线间的距离，d
bc
为b相导线与c相导线间的距离，d
ca
为c相导线与a相导线间的距离，a相导线、b相导线和c相导线半径相等均记为r1，f1为频率；
[0032]令集电线路的零序电抗为3.5倍的正序电抗，集电线路的正序电容C1、集电线路零序电容C0的表达式如下：
[0033][0034][0035]其中，d2为三相导线对其镜像的互几何均距，式中，H1是a相导线到镜像的距离，H2是b相导线到镜像的距离，H3是c相导线到镜像的距离；
[0036]步骤4，对220kV的三相电源采用电压源模型，并记为模型5，模型5的输出电压U
s
的表达式为：
[0037]U
s
＝E
‑
I
s
R
s
[0038]其中，R
s
为模型5的内部电阻，E为模型5的电动势，I
s
为模型5的输出电流值；
[0039]步骤5，根据步骤1，步骤2，步骤3，步骤4建立的数学模型，在仿真软件ATP Draw环境下，建立风电场汇集站集中参数等效电路模型；
[0040]设风电场汇集站模型包括一个220kV的三相电源、一条35kV母线、一台35/220kV系统变压器、两条相同的系统集电线路、M个相同的风电机组、M个与风电机组连接的升压变压器、M条与升压变压器连接的风电集电线路；记220kV的三相电源为三相电源S220、35kV母线为母线M35，35/220kV系统变压器为变压器B11，两条相同的系统集电线路分别记为集电线路LA和集电线路LB，M个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种风电场汇集站系统变压器中性点接地电阻的估算方法，所述系统变压器为35/220kV系统变压器，所述风电场汇集站包括35/220kV系统变压器、系统集电线路、220kV的三相电源、母线、风电机组、升压变压器和风电集电线路；所述35/220kV系统变压器的35kV侧采用中性点经电阻接地方式；所述估算方法，其特征在于，建立风电场汇集站集中参数等效电路模型，并通过该模型得到中性点接地电阻阻值的取值范围，具体的，包括以下步骤：步骤1，对风电机组中的风力机和永磁同步发电机建立数学模型；步骤1.1，使用简化的空气动力模型来描述风力机的机械功率P、风力机的风速Υ和风力机的机械转矩T1的关系，并将该简化的空气动力模型记为模型1，其表达式如下：T1＝ρπΥr3C/(2λ)P＝ωT1＝ρπr2ΥCΥ3/2其中，ρ为空气密度，r为风力机的叶轮半径，λ为风力机的叶尖速比，ω为风力机的机械转速；C为风力机的功率系数，式中，β为风力机的浆距角，λ0为浆距系数，步骤1.2，忽略永磁同步发电机的铁磁饱和、涡流损耗和磁滞损耗，令永磁铁在定子绕组中建立的磁通为正弦分布，建立永磁同步发电机在d
‑
q同步旋转坐标系下的数学模型，并记为模型2，其表达式如下：记为模型2，其表达式如下：其中，L为定子的电感，r
s
为定子的电阻，i
d
为定子d轴的电流，i
q
为定子q轴的电流，u
d
为定子d轴的电压，u
q
为定子q轴的电压，ω
e
为坐标系的旋转角速度，ω
g
为永磁同步发电机的转子速度，n为转子极对数，Ψ1为永磁体产生的磁链；根据模型2，永磁同步发电机的有功功率P1、永磁同步发电机的无功功率Q1、永磁同步发电机的电磁转矩T1的表达式如下：的表达式如下：的表达式如下：步骤2，将35/220kV系统变压器和升压变压器统称为变压器，并设变压器中有N个支路，N为正整数，建立变压器的等值电路模型，记为模型3，模型3的列写支路电压方程如下：
其中，V1，V2，...，V
N
分别为N个支路的绕组电压；I1，I2，...，I
N
分别为N个支路的绕组电流；ч＝1，2，
…
，在列写支路电压方程中，当ч、相等时，是支路的自阻抗，当ч、不相等时，是支路对支路ч的互阻抗；步骤3，将系统集电线路和风电集电线路统称为集电线路，建立集电线路集中参数模型，并记为模型4，模型4包括集电线路的正序电抗X1、集电线路的正序电容C1和集电线路零序电容C0的表达式；不考虑架空地线，按单根导线来计算，并令集电线路的零序电阻等于正序电阻，集电线路的正序电抗X1的表达式为：其中，d1为三相导线间的平均几何距离，式中，d
ab
为a相导线与b相导线间的距离，d
bc
为b相导线与c相导线间的距离，d
ca
为c相导线与a相导线间的距离，a相导线、b相导线和c相导线半径相等均记为r1，f1为频率；令集电线路的零序电抗为3.5倍的正序电抗，集电线路的正序电容C1、集电线路零序电容C0的表达式如下：的表达式如下：其中，d2为三相导线对其镜像的互几何均距，式中，H1是a相导线到镜像的距离，H2是b相导线到镜像的距离，H3是c相导线到镜像的距离；步骤4，对220kV的三相电源采用电压源模型，并记为模型5，模型5的输出电压U
s
的表达式为：U
s
＝E
‑
I
s
R
s
其中，R
s
为模型5的内部电阻，E为模型5的电动势，I
s
为模型5的输出电流值；步骤5，根据步骤1，步骤2，步骤3，步骤4建立的数学模型，在仿真软件ATP Draw环境下，建立风电场汇集站集中参数等效电路模型；设风电场汇集站模型包括一个220kV的三相电源、一条35kV母线、一台35/22...

【专利技术属性】
技术研发人员：向念文，袁晨晨，叶寿洪，王书来，倪嘉伟，孙典，苑乾坤，潘宇峰，雷佳华，李龙龙，王冬伟，杨英，杨翠玲，杜雨晨，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：