获取不对称短路故障下海上风电场单条馈线最大暂态过电压的分析方法.pdf

本发明涉及一种获取海上风电场电缆集电网中单条馈线在不对称短路故障下最大暂态过电压的方法，属于电力系统过电压技术领域。该方法依据海上风电场集电系统大量使用电力电缆、拓扑结构较复杂的特点，建立了基于PSCAD/EMTDC的海上风电场实例仿真模型，针对馈线上的不同短路故障点进行过电压仿真。采用该方法，较容易得出故障点对暂态过电压的影响，从而获取工程上最大暂态过电压的情况，相关结论对海上风电场电缆集电网系统及设备的绝缘保护都具有一定的参考价值。

1.一种获取不对称短路故障下海上风电场单条馈线最大暂态过电压的分析方法，其特
征在于，所述方法应包括以下步骤：
S1、采用电磁暂态仿真软件，针对实际工程中风电机组以链式拓扑结构连接的平行布
局海上风电场，建立以海上风电场单条馈线组成的电气系统为研究对象的仿真模型；
S2、确定电气系统中各元件参数计算方法，在仿真系统中设置各元件的参数，模拟由多
组风机组成的大型风电场运行情况；
S3、仿真电缆集电网中单条馈线不对称短路故障下不同故障点的暂态过电压波形和幅
值；
S4、分析以上结果，获取不对称短路故障下海上风电场单条馈线的最大暂态过电压。
2.根据权利要求1所述的获取不对称短路故障下海上风电场单条馈线最大暂态过电压
的方法，其特征在于，
所述以海上风电场单条馈线组成的电气系统为研究对象的仿真模型包括：等效无穷大
电网的理想电源、主变压器、母线、断路器、电缆、机端变压器、风电机组。
3.根据权利要求1所述的获取不对称短路故障下海上风电场单条馈线最大暂态过电压
的方法，其特征在于，
所述电磁暂态仿真软件为PSCAD/EMTDC。
4.根据权利要求3所述的获取不对称短路故障下海上风电场单条馈线最大暂态过电压
的方法，其特征在于，所述步骤S2的电气系统中电缆元件参数的计算方法，在PSCAD/EMTDC
仿真软件中应按以下公式为原则进行参数设置：
D＝2R (1)
$R=R_c+R_s+\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{R}_i+I_i---\left(2\right)$
式中，D为电缆的外径，R为电缆的半径，R_c为导体半径，R_s为隔离与半导体层厚度，R_i为
第i层导体层厚度，I_i为第i层隔离层厚度。
5.根据权利要求3所述的获取不对称短路故障下海上风电场单条馈线最大暂态过电压
的方法，其特征在于，
通过把三条单芯电缆呈品字型排列来等效三芯电缆，并按以下公式为原则进行参数设
置：
L≥R (3)
$H\≥\sqrt{3}R---\left(4\right)$
式中，L为电缆间水平方向的距离，H为电缆间垂直方向的距离。
6.根据权利要求3所述的获取不对称短路故障下海上风电场单条馈线最大暂态过电压
的方法，其特征在于，所述步骤S2的电气系统中变压器元件参数的计算方法，在PSCAD/
EMTDC仿真软件中应按以下公式为原则进行参数设置：
$X_T^{*}=\frac{V_s\%}{100}\×\frac{V_N^2}{V_B^2}---\left(5\right)$
$P_0^{*}=\frac{P_0}{P}---\left(6\right)$
$P_C^{*}=\frac{P_C}{P}---\left(7\right)$
式中，为变压器漏抗标幺值，V_s％为短路电压百分比，V_N为变压器额定电压，V_B为系统
平均额定电压，为变压器空载损耗标幺值，P₀为变压器空载损耗，P为变压器额定容量，
为变压器铜耗标幺值，P_C为变压器铜耗。
7.根据权利要求1所述的获取不对称短路故障下海上风电场单条馈线最大暂态过电压
的方法，其特征在于，
所述步骤S3中仿真电缆集电网中单条馈线由多条海底电缆连接所得，为研究不同故障
点对过电压影响，针对每条电缆，均在仿真软件PSCAD/EMTDC中设置两段或多段总长等于原
电缆、除长度外其他参数维持不变的电缆，用于等效故障点出现在单条电缆的不同位置时
的情况。

获取不对称短路故障下海上风电场单条馈线最大暂态过电压 的分析方法

技术领域

本发明涉及电力系统过电压的技术领域，具体涉及一种利用PSCAD/EMTDC仿真软
件获取不对称短路故障下海上风电场单条馈线最大暂态过电压的分析方法。

背景技术

大型风电场正从陆地走向海洋，推进海上风电建设不但可以保障我国能源安全，
满足能源可持续供应，也是促进节能减排的必然要求。

与此同时，关于风电场的运行维护问题也得到了越来越多的关注，尤其是暂态过
电压以及由它所引起的设备绝缘故障等问题。海上风电场的工况是，海上风电的电力传输
是通过海底电缆完成的，而海上风电场电缆布局较复杂，海底电缆较长，海底环境较为恶
劣，大大增加了出现短路故障的概率。短路故障引起的暂态过电压威胁着电缆集电网系统
及其连接的设备(如变压器、发电机等)安全。对海上风电场电缆集电网系统暂态过电压的
研究，获取不对称短路故障下海上风电场单条馈线最大暂态过电压，有助于选用合适的保
护设备和保护措施，对提高海上风电场运行的安全可靠性具有实际意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是要提供一种获取不对称短路故障下海上风电场
单条馈线最大暂态过电压的分析方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种获取不对称短路故障下海上风电场单条馈线最大暂态过电压的分析方法，所
述方法应包括以下步骤：

S1、采用电磁暂态仿真软件，针对实际工程中风电机组以链式拓扑结构连接的平
行布局海上风电场，建立以海上风电场单条馈线组成的电气系统为研究对象的仿真模型；

S2、确定电气系统中各元件参数计算方法，在仿真系统中设置各元件的参数，模拟
由多组风机组成的大型风电场运行情况；

S3、仿真电缆集电网中单条馈线不对称短路故障下不同故障点的暂态过电压波形
和幅值；

S4、分析以上结果，获取不对称短路故障下海上风电场单条馈线的最大暂态过电
压。

进一步地，所述以海上风电场单条馈线组成的电气系统为研究对象的仿真模型包
括：

等效无穷大电网的理想电源、主变压器、母线、断路器、电缆、机端变压器、风电机
组。

进一步地，所述电磁暂态仿真软件为PSCAD/EMTDC。

进一步地，所述步骤S2的电气系统中电缆元件参数的计算方法，在PSCAD/EMTDC仿
真软件中应按以下公式为原则进行参数设置：

D＝2R (1)

式中，D为电缆的外径，R为电缆的半径，R_c为导体半径，R_s为隔离与半导体层厚度，
R_i为第i层导体层厚度，I_i为第i层隔离层厚度。

进一步地，通过把三条单芯电缆呈品字型排列来等效三芯电缆，并按以下公式为
原则进行参数设置：

L≥R (3)

式中，L为电缆间水平方向的距离，H为电缆间垂直方向的距离。

进一步地，所述步骤S2的电气系统中变压器元件参数的计算方法，在PSCAD/EMTDC
仿真软件中应按以下公式为原则进行参数设置：

式中，为变压器漏抗标幺值，V_s％为短路电压百分比，V_N为变压器额定电压，V_B
为系统平均额定电压，为变压器空载损耗标幺值，P₀为变压器空载损耗，P为变压器额定
容量，为变压器铜耗标幺值，P_C为变压器铜耗。

进一步地，所述步骤S3中仿真电缆集电网中单条馈线由多条海底电缆连接所得，
为研究不同故障点对过电压影响，针对每条电缆，均在仿真软件PSCAD/EMTDC中设置两段或
多段总长等于原电缆、除长度外其他参数维持不变的电缆，用于等效故障点出现在单条电
缆的不同位置时的情况。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1.海上风电场结构复杂，设备繁多，本发明进行科学合理的简化、等效，使得海上
风电场系统结构层次清晰，易于分析。尤其是对单条馈线不对称短路故障最大暂态过电压
的获取更为方便。

2.为研究不同故障点对过电压影响，针对每条电缆，均在仿真软件PSCAD/EMTDC中
设置两段或多段总长等于原电缆、除长度外其他参数维持不变的电缆，从而获取等效故障
点出现在单条电缆的不同位置时的情况，进而获取不对称短路故障下海上风电场单条馈线
最大暂态过电压。

附图说明

图1是海上风电场单条馈线电缆集电网系统布局连接示意图；

图2是三芯电缆参数设置示意图，；

图3是变压器参数设置示意图；

图4是电缆故障点等效设置示意图；

图5是故障点设置在单条馈线上(6台风机)示意图；

图6是单条1.2km电缆上变化的故障点与暂态过电压关系图；

图7是获取风电场单条馈线上(6台风机)最大暂态过电压结果图；

图8是故障点设置在单条馈线上(7台风机)示意图；

图9是获取风电场单条馈线上(7台风机)最大暂态过电压结果图；

图10是两相接地短路故障下获取最大暂态过电压结果图；

图11是本发明中公开的最大暂态过电压的分析方法的流程步骤图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员
在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

下面结合附图对本发明进一步说明，请参见附图11，图11是本实施例中最大暂态
过电压的分析方法的流程步骤图。本实施例公开的一种获取不对称短路故障下海上风电场
单条馈线最大暂态过电压的分析方法，具体包括以下步骤：

S1、采用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件，针对实际工程中风电机组以链式拓扑结
构连接的平行布局海上风电场，建立以海上风电场单条馈线组成的电气系统为研究对象的
仿真模型；

具体应用中，模型应具有且不少于：等效无穷大电网的理想电源、主变压器、母线、
断路器、电缆、机端变压器、风电机组，如附图1。

S2、确定电气系统中各元件参数计算方法，在仿真系统中设置各元件的参数，模拟
由多组风机组成的大型风电场运行情况；

具体应用中，无穷大电网由理想电源模型等效，经27km海底长电缆连接至220/
35kV海上变压站；

电缆部分采用PSCAD/EMTDC中的基于J.Marti提出的考虑频率特性的频率相关(相
位)线路模型，如表1所示。

表1.考虑频率特性的频率相关(相位)线路模型参数

主母线与单组风机群的距离为1.2km，风机与风机间的距离为640m，风机经100m电
缆，0.69kV/35kV机端变压器，80m电缆连接至单组电缆系统的馈线。

上述电缆元件参数的计算方法，在PSCAD/EMTDC仿真软件中应按以下公式为原则
进行参数设置：

D＝2R (1)

式中，D为电缆的外径，R为电缆的半径，R_c为导体半径，R_s为隔离与半导体层厚度，
R_i为第i层导体层厚度，I_i为第i层隔离层厚度。

有需要时，如附图2所示，把三条单芯电缆呈品字型排列，用它来等效三芯电缆，应
按以下公式为原则进行参数设置：

L≥R (3)

式中，L为电缆间水平方向的距离，H为电缆间垂直方向的距离。

上述变压器元件参数的计算方法，在PSCAD/EMTDC仿真软件中应按以下公式为原
则进行参数设置：

式中，为变压器漏抗标幺值，V_s％为短路电压百分比，V_N为变压器额定电压，V_B
为系统平均额定电压，为变压器空载损耗标幺值，P₀为变压器空载损耗，P为变压器额定
容量，为变压器铜耗标幺值，P_C为变压器铜耗。

本例中4MW机端变压器的参数如附图3所示，漏抗标幺值为0.062637，空载损耗标
幺值为0.00113，铜耗标幺值为0.0072。

风电机组模型以电感性负载进行等效，电抗值的选择是根据变压器的额定电流得
出来的，本例中为0.379mH。

为表述方便，本方法对单组内风机进行编号，以6台一组的风机组为例，把最远离
主母线的风机称为1号风机，最靠近母线的风机称为6号风机。

S3、仿真电缆集电网中单条馈线不对称短路故障下不同故障点的暂态过电压波形
和幅值；

具体应用中，集电网单条馈线由多条海底电缆连接所得。为获取不同故障点影响
下的过电压，考虑以单相接地短路为例，仅有单条馈线的6台风机在运行时，如附图4所示将
单条馈线系统中一条1.2km电缆(即附图5中1点与2点间的电缆)，拆分成两段长度的相同电
缆，通过不断改变两段电缆的长度来等效故障点出现在电缆的不同位置上时，风电机组机
端变压器高压侧的暂态过电压波形与幅值。

为表述方便，把靠近电网侧的一端(即附图5中的1点)称为首端，把靠近风电机组
侧的一端(即附图5中的2点)称为末端，结果如附图6所示。

可见，单相短路故障点不同，从1号风机至6号风机(即馈线末端至首端)机端变压
器的过电压都是逐渐递减的。据此结论，本方法接下来只关注1号风机的过电压幅值而不关
注其他风机的情况。

同理，在附图5中的2点与3点间的640m电缆，3点与4点间的640m电缆，4点与5点间
的640m电缆，5点与6点间的640m电缆，6点与7点间的640m电缆，拆分成两段长度的相同电
缆，通过不断改变两段电缆的长度来等效故障点出现在电缆的不同位置上，结果可得，暂态
过电压最高值并不会出现在电缆的中间段。

因此，本方法提出，只需如附图5在单条馈线上研究这7个故障点的暂态过电压，可
获取电缆集电网单条馈线单相接地短路故障下的最大暂态过电压为3.112标幺值，结果如
附图7。仿真结果表明，故障点从馈线首端至末端(附图6中1点至7点)，产生的过电压呈逐渐
下降趋势。

在单条馈线连接7台风机的情况下，采用以上提出的方法设置馈线上的故障点，如
附图8所示，同样可获取该情况下单条馈线单相接地短路故障下的最大暂态过电压为
3.0874标幺值，结果如附图9。

在两相接地短路的情况下，采用此方法也能获取该情况下的最大暂态过电压为
2.34标幺值，如附图10。

S4、分析以上结果，获取不对称短路故障下海上风电场单条馈线的最大暂态过电
压。

综上所述，本发明公开了一种获取海上风电场电缆集电网中单条馈线在不对称短
路故障下最大暂态过电压的方法，属于电力系统过电压技术领域。该方法依据海上风电场
集电系统大量使用电力电缆、拓扑结构较复杂的特点，建立了基于PSCAD/EMTDC的海上风电
场实例仿真模型，针对馈线上的不同短路故障点进行过电压仿真。采用该方法，较容易得出
故障点对暂态过电压的影响，从而获取工程上最大暂态过电压的情况，相关结论对海上风
电场电缆集电网系统及设备的绝缘保护都具有一定的参考价值。

上述实施例是本发明较佳的实施方式，但是本发明的实施方式并不受上述实施例
的限制，任何未背离本发明的精神实质与原理所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应视
为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。