风电场具有占地面积大、单机容量较小、机组分散布置的特点。本文通过对风机运行特性和风场内电气系统的分析，并结合某一实际工程的特点，对风电场电气系统进行了合理的简化；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，从而验证该实际工程中的设备选型和导体选择。

      风力发电是目前为国内外公认的发展最成熟、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100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，不能完全照搬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、继电保护整定和校验的基础，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。由各种资料显示，目前国内外电力系统关于短路电流的计算方法及软件都已经相当成熟，但全都不含风力发电机系统；且对于风电场各种问题的研究，绝大部分是从电力系统的角度开展的，而风电场内部的电气设备选择直接影响到风场的经济效益。因此，将风电场作为独立系统进行短路电流的分析计算，并揭示其对风场内系统配置的影响具有重要的现实意义。

 

      电气系统是由许多的电器元件、导体连接而成，在短路过程中它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。以下将针对这四个元件在风电电气系统中的作用和自身特点并结合国内现有设计方法逐一讨论他们的等值电路模型。

      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。

      国内风电设计中主要有以下几种风场集电线路等值电路模型的处理方式：

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，风电场的集电线路具有电压等级低、线路长度较长的特点，风场的等值功率因数与单台机组存在较大差别。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，r>x/3，即电阻对短路电流影响很大，此时，考虑将集电线路的阻抗z=来代替电抗x。

      作为风电场的基本组成单元，单台风电机组的运行特性及其控制模式与火电发电机组是完全不同的。所以，不能简单地按照火电项目的等值方式来处理风电机组。

      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理方法。目前的研究主要有以下二种思路：①将风力发电机作为负荷考虑，即不提供短路电流。但实际上风力发电机组在风场电气网络中是电源，而不是负荷，因此在短路瞬间认为风电机组不向短路点提供短路电流是不合适的；②将风力发电机作为同步机处理。目前在国内风电设计中大都采用此方法。但实际上风机是异步发电机，提供的短路电流及继电保护整定计算与同步发电机是否相同，有待进一步研究分析。有的资料在简单短路故障分析时，将异步感应电机用一个“变压器等值”，即t型等值电路来表示。但采用此种等值方式产生的电路模型较复杂，不利于计算。所以，在风电机组的短路电流计算中，核心问题是如何对风力发电机组（异步发电机）建立有效、实用的短路计算等值模型。

      综上所述，就双馈感应异步发电机而言，本文的基本思路是：(1) 风力发电机出口到箱变低压侧的线路短路时，直接相连的风机不提供短路电流；(2) 由于双馈电机运行的稳定性，箱变高压侧到升压站35kv母线的集电线路及主变高低压侧短路时，把发电机组作为同步发机处理。以0.69/35/220 kv的电压等级为例，具体分析如下：

根据目前国内风电场的设计情况及风机厂家给不出具体参数，基于下述原因，风机出口短路时，直接相连的风电机组不具备向故障点提供短路电流的能力：

风机出口电压(0.69kv)大都是低压系统，折算到35kv侧的等值电路来看，风机、箱变及相应的低压线路相当于一个很大的限流电抗，短路电流无法送出。

风机为异步电机，当系统短路时，风机出口电压大幅下降，风机的无功电源是通过自身的补偿电容器提供的，如果系统电压降低，则无功来源大幅度下降，风机出口电压将进一步降低直至崩溃，没有了励磁磁场，则风机无法发电。

风机设有快速保护，低电压或过流都会很快地动作，即风机不具备低电压穿越能力。

但是，系统侧将向0.69kv短路点提供短路电流。根据风机厂家的要求，当0.69kv侧发生短路故障时，为降低系统提供给故障点的短路电流，选择的变压器阻抗电压都比较大。

因此，风场的实际运行情况是：若风机出口0.69kv侧发生短路，相连的风电机组退出运行，而系统侧经过箱式变压器向故障点提供短路电流。

风电场中，风电机组采用1机1变的单元接线，当35kv集电线路或升压站内某点发生短路故障时，把每个风力发电机和箱式变压器看成电源与阻抗的组合，并经集电线路连接到35kv母线。风机作为同步机考虑，向各短路点提供短路电流。此时，计算出的短路电流可能偏大，但做工程设计时，按此短路电流所选择的设备对风场系统的安全、稳定运行有更大益处。

 

本次计算以某一实际风电场工程为依托，计算基本条件如下：

风电场规划容量为200mw，本期工程装机容量49.5mw，安装单机容量为1500kw的双馈异步风力发电机组33台。

风力发电机出口电压0.69kv，每台风机配置一台箱式变电站，采用一机一变接线形式，箱变内装设1600kva升压变压器，箱变出口电压35kv，33台风机分成4组，经4回集电线路（35kv电缆线路）接入风电场220kv变电站35kv母线。

风场变电站内设置一台容量为50mva的升压电力变压器，升压至220kv接入系统。

风电场内连接到升压站的集电线路采用35kv电缆，根据各段线路载流量的不同，共有4种不同型号的电缆，如表1所示。

其中，阻抗z=，各段电缆集电线路的实际阻抗为z值与线路长度的乘积。

由于风电场内风机和集电线路数量较多，电网的等效、化简工作量较大，且每台风电机组及线路的短路情况不尽相同。因此，本文只选取了几个典型的短路点，其他点与此相类似；用etap软件建立电路模型并计算短路电流，手算进行验证。风场电气系统的等效阻抗图及短路点如附图一所示：

d1点——220kv母线

d2点——35kv母线

d3点——35kv单回集电线路中部（箱变高压侧）

d4点——35kv单回集电线路末端（箱变高压侧）

d5点——0.69kv风力发电机出口

考虑本工程最终容量后，短路电流计算结果如表2所示；

 

1.根据以上计算结果可以看出，该风电工程风场变电站内35kv开关的开断电流选择25ka就可以满足要求。在实际的工程中，大多按照31.5ka配置。这样将造成设备投资增加。

2.对于风场35kv系统来说，短路电流最大点出现在35kv母线侧，线路的末端短路电流最小。

3.风机出口与箱变低压侧之间的电缆截面只要大于154.3mm²就能够满足热稳定要求。在工程实际中，风机厂要求电缆载流量不小于1400a，因此在选择此段电缆时，电缆的载流量处于主要地位。

4.对于35kv电缆线路的电缆截面选型来说，风场内风机之间的电缆按热稳定确定的最小截面为70mm²；因此该类电缆是不能只考虑载流量的。

5.如表2所示，风电场与系统的接入点d1处短路时，风场向系统提供的短路电流值及该值所占短路电流的百分比均较小。

 

袁玮,工程师，研究方向为发电厂一次线设计工作。

李鸿路，工程师，主要从事发电厂一次线设计工作。

韩笑，工程师，主要从事发电厂一次线设计工作。