1.1 研究背景
大力发展新能源技术，应对能源危机和环境危机，是当前世界各国的共同认识。风力发电是当今新可再生能源发电技术中最成熟、最具有大规模开发条件和商业化前景的发电方式，受到全球广泛关注，在世界许多国家都掀起了开发热潮[1]。根据全球风能理事会统计，2013 年全球风电年新增总装机容量 35GW，全球累计装机容量达到 318.12GW，有风电装机的国家超过了 80 个，其中 24 个国家的风电装机容量超过 1GW。 中国处于全球累计装机容量排名首位，2013 年全国风电总装机容量达到91413MW。西藏那曲超高海拔试验风电场建成投产，这标志着我国的风电场建设已经遍布各省市自治区。我国风电累计装机最多的省区依次为内蒙古、河北、甘肃和山东。预计 2020 年我国风电的累积装机容量将超过 200GW，到 2030 年，风电的发电量将占全国总发电量的 8.4%，在我国能源结构中占 15%的比重，风力发电在中国未来的能源发展中仍具有巨大的潜能。 我国风电产业在实现快速发展同时，也面临着各种各样的问题。首先，我国风能资源与电力需求的分布存在明显的不平衡性和区域性。国家规划的大规模风电基地普遍位于电网末端，远离负荷中心，但是当地电网结构薄弱，风电消纳能力有限，因此需要规模化、远距离送出。随着风力发电机组单机容量的不断增加以及风电场装机容量的不断扩大，需要集中送出的风电规模越来越大，接入电网的电压等级越来越高，输送距离越来越远，风电发展的这一趋势必然会对现有电网的安全稳定运行带来一定的影响[2]。其次，由于风机与同步发电机在故障过程中的电磁暂态特性有显著的区别，使得电力系统的故障特征更为复杂，并且风电场中的大量的电子器件以及风电机组的不同的控制策略和运行工况等因素更是给风电机组的故障输出带来了很多影响。国内对于风电场及其送出线路保护的系统研究较为缺乏，一般采用传统保护方式，其整定配置没有考虑风电场的故障特性。目前保护系统在进行定值整定时大多将风机视为简单负荷或同步电源处理，无法适应风电场的特殊性，难以安全、可靠、快速地切除故障，保证整个风电场的安全可靠运行及输电线路的持续稳定工作[3]。
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1.2 课题研究现状
从 1973 年发生世界性能源危机以来，美国、西欧等国家为了寻求替代化石燃料的能源，都更加重视新能源和可再生能源的研究开发和利用工作。风力发电技术是当今新可再生能源发电技术中较成熟、规模化和商业化的发电方式，80年代初期大型风力发电机的单机容量多为 k W 级，如今已普遍采用 MW 级。风力发电的经济指标逐步改善，已接近清洁煤发电水准。各国充分利用空气动力学、计算机、材料科学、电力电子技术及通信技术等方面的最新成果，把发展风力发电作为改善能源结构、减少环境污染和增进可持续发展的一种新手段，很多国家把风力发电纳入国家发展规划，开创了风能利用的新时期。 丹麦、西班牙等欧洲国家率先推出了鼓励风电发展的政策，其实现方式是通过政府长期向风电场以较高电价收购风电，鼓励风电投资，稳定风电市场，这些国家逐渐成为风电市场发展最快的地区[4]。20 世纪 80 年代初风力发电在美国加利福尼亚州兴起。美国政府为了鼓励开发风能同样推出了一系列优惠政策，推行初期美国风电发展迅速，1986 年美国的总装机容量达到 160 万 k W。此后优惠政策中止，美国风电连续多年几乎没有增长。直到 20 世纪 90 年代后期，美国对电力行业推出减税政策，风电市场又再度回暖。2010 年之前美国的风机累计装机容量始终是世界第一，美国、欧洲处于全球风电发展的主导地位。直到 2010 年底，中国风电产业后来居上，全年风力发电新增装机容量达到 1600 万千瓦，累计装机容量达 4182.7 万千瓦，首次超过美国，跃居世界第一，此后中国始终处于全球新增装机容量排名和全球累计装机容量排名的首位。在中国和印度市场的主导和推动下，近几年亚洲的整体风电装机容量一直处于领先地位。
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第二章 风力发电机的原理及暂态特性
2.1 常用风力发电机组的基本组成及原理
风力发电机接入电网后，要求风电的频率与电网侧的频率保持一致，即风电的频率是工频。风力发电可以分为恒速恒频发电系统和变速恒频发电系统两种。其中恒速恒频发电系统是指发电过程中始终保持发电机的转速恒定，从而保证发出的电能与电网侧的频率一致。对于恒速恒频系统，一般来说结构都比较简单，所采用的发电机主要为鼠笼式异步风力发电机，发电机的转子以稍高于同步转速的速度运行。变速恒频发电系统指的是发电过程中发电机的转速可以随风速发生改变，通过电力电子元件系统的控制，得到和电网侧的频率相同的恒频电能，常用的变速恒频发电机主要包括永磁直驱风力发电机和双馈风力发电机。下文将分别对这三种不同的风力发电机进行详细介绍。 恒速恒频发电机系统通常采用鼠笼式异步风力发电机，如图 2-1 所示。异步风力发电机的工作过程是：风能吹动风机叶片转化为机械能，再经齿轮箱升速后驱动异步发电机转化为电能。恒速恒频风力发电系统一般由四个部分组成：（1）风能；（2）风力机；（3）异步发电机；（4）补偿电容器组或 STATCOM。
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2.2 双馈电机的数学模型
对风力发电系统而言，参考坐标系理论有利于简化分析及相关控制策略的实现。目前，广泛使用的参考坐标系有三相静止坐标系（abc 坐标系）、两相静止坐标系坐标系（αβ 坐标系）和同步旋转坐标系（dq 坐标系）。基于同步旋转坐标系的双馈异步发电机数学模型可以避免复数变量，本文中釆用基于 dq 同步旋转坐标系的数学模型进行分析。双馈电机在结构上与绕线式异步电机接近，数学模型也基本相同，在对双馈电机的数学模型进行分析时，定子侧采用发电机惯例，转子侧采用电动机惯例。双馈发电机组所采用的交直交型变流器系统结构如图 2-6 所示：利用两组三相电压源型 PWM 变流器使双馈发电机转子绕组与电网相连，通过控制功率管 IGBT的通断实现两侧的能量交换。其中转子侧变流器实现有功、无功的控制及最大风能追踪，网侧变流器控制直流侧电容电压，实现电网和直流侧母线之间的功率流动。
第三章 风电场对其送出线路保护的影响 ...... 21
3.1 风电场接入对送出线路纵联保护的影响 ...... 21
3.1.1 电流差动保护原理 .......... 21
3.1.2 仿真分析 ..... 22
3.2 风电场接入对送出线路距离保护的影响 ...... 24
3.3 风电场接入对送出线路选相元件的影响 ...... 29
第四章 风电场对其送出线路重合闸的影响 ......... 39
4.1 风电场送出线路重合闸配置..... 39
4.2 风电场接入对送出线路单相重合闸的影响 ......... 39
4.3 风电场接入对送出线路三相重合闸的影响 ......... 44
4.3.1 风电场送出线路三相跳闸后的孤岛现象 ......... 44
4.3.2 风电场送出线路三相重合闸的检定方式 ......... 48
4.4 风电场送出线路不同重合闸方式优缺点分析 ..... 50
4.5 风电场送出线路重合闸对相邻风电场的影响 ..... 51
第五章 结论 ..... 54
第四章 风电场对其送出线路重合闸的影响
当输电线路发生瞬时性故障时，自动重合闸可以对被断开的线路进行重合，使线路快速恢复供电，大大提高了供电的可靠性。220k V 及以上线路的断路器可以分相跳合，因此重合闸分为单相重合闸和三相重合闸，重合闸时间可以独立整定。单相重合闸期间其它两相仍保持电气联系，一般采用不检定的方式合闸。三相重合闸有“检无压”、“检同期”和“不检定”三种检定方式。
4.1 风电场送出线路重合闸配置
大规模风电场往往经高压联络线接入电网。当风电场送出线路发生故障时保护动作，由于风电场故障特性有别于传统电厂，需根据其特点配置线路重合闸方案。目前，我国一些省区的风电场并网线路重合闸配置方案中：220k V 送出线路大多采用单重方式（重合闸时间小于 1 秒）；110k V 送出线路采用三重方式（重合闸时间大于 3.0 秒）或重合闸停用。 （1）对于单相重合闸方式，当发生单相故障时保护动作，线路跳开单相，此时风电场仍能短时间内正常运行，因此重合闸时间定值应尽可能小以便线路快速恢复三相供电。该延时主要考虑瞬时性故障时故障点绝缘强度恢复时间和永久性故障时断路器再次安全跳开时间中的大者，保证熄弧和设备的安全。 （2）对于三相重合闸方式，当送出线路发生相间故障时保护动作，断路器跳开三相，风电场孤岛运行，有功出力与负荷不匹配极易使风机因电压保护或频率保护动作而在三跳后迅速脱网。因此三相重合闸延时设置较长是为了确保风机和无功补偿设备退出运行，避免重合时对风电场站内设备造成影响。
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结论
风力发电作为新能源得到全球的广泛关注与开发利用，风电场接入对电网的影响是风电领域的研究热点。论文针对风电场接入对高压输电线路保护及重合闸的影响问题进行了研究，选题具有重要的理论意义和实用价值。主要的工作和研究成果有如下几点：
（1） 在 PSCAD/EMTDC 电力系统仿真软件中搭建了完整的双
