风电用变压器型电压跌落器及保护系统的研究与设计.pdf

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风电用变压器型电压跌落器及保护系统的研究与设计1 风电用变压器型电压跌落器及保护系统的研究与设计2 风电用变压器型电压跌落器及保护系统的研究与设计3 风电用变压器型电压跌落器及保护系统的研究与设计4 风电用变压器型电压跌落器及保护系统的研究与设计5 风电用变压器型电压跌落器及保护系统的研究与设计6 风电用变压器型电压跌落器及保护系统的研究与设计7
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第43卷第15期2015年8月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVo1.43NO.15Aug.1,2015风电用变压器型电压跌落器及保护系统的研究与设计李军军,易吉良,张松科,周亚星,姜建伟(湖南工业大学电气与信息工程学院,湖南株洲412007)摘要:风电机组并网运行前,需要进行低电压穿越能力的测试,专门的电压跌落模拟装置必不可少。基于此,研究了一种风力发电用变压器型电压跌落装置,可以模拟不同类型的故障,实现不同深度的电压跌落,电压跌落持续时间可调。为保证电压跌落测试系统能安全可靠工作,设计了完备的故障保护系统。通过建模仿真与现场测试实验,该装置可以满足实际工程需求,为风电机组低电压穿越测试中电压跌落装置实现方案提供选择与参考。关键词:低电压穿越;电压跌落;风力发电;变压器型ResearchanddesignoftransformertypedvoltagesaggeneratorandprotectionsystemforwindpowergenerationLIJunj,YIJiliang,ZHANGSongke,ZHOUYaxing,J1ANGJianwei(SchoolofElectricalandInformationEngineering,HunanUniversityofTechnology,Zhuzhou412007,China)—“Abstract:Lowvoltageridethoughtestofwindpowergenermionsystemiscarriedoutbeforeconnectedwithgrid.isnecessarytousespeci ̄voltagesagsimulatedgeneratorforthistest.Atransformertypedvoltagesaggeneratorspecialforwindpowersystemisresearched,differenttypefaultsandvoltagesagdeepcanbesimulated,voltagesaglasttimeisalsoadjusted.Inordertoensul-esafeandstableopemfionofvoltagesagtestsystem,completebreakdownprotectionschemesaredesigned.Simulationandspottestshowsthisvoltagesaggeneratorissatisfied、vimpracticalengineeringapplication,whichprovidesimplementationschemeandreferenceofvoltagesaggeneratorforwindpowergenerationsystemlowvoltageridethroughtest.Keywords:lowvoltageridethrough;voltagesaggenerator;windpowergeneration;transformertyped中图分类号:TM614文献标识码:A———文章编号:16743415(2015)150096070引言随着风电场及单台风电机组容量的不断增大,风电场脱网事故对电网安全运行的影响日趋严重,较小故障引起的电网电压较大波动,就可能造成大规模风电机组脱网,引发大面积停电事故。2012年我国西北地区发生了三起风机大规模脱网事故,在电网电压跌落时引起连锁反应,致使众多风电机组’脱网,损失出力达54.4%h造成西北电网主网频率下降。事故后调查表明,风电机组不具备低电压穿越能力引发了上述事故,反映出目前的风电机组技术性能尚不能满足并网安全要求。对于风电机组的并网运行,多国电力主管部门都规定了风电机组必基金项目:湖南省高校科学研究项目(12C0055);湖南省省市联合自然科学基金(12JJ9042)—须具备低电压穿越(Lowvoltageridethough,LVRT)能力。2012年,我国新标《风电场接入电力系统技“”术规定》实施(简称标准),对风电机组的低电压穿越能力等技术指标做了明确的强制性规定。1电压跌落器(Voltagesaggenerator,VSG)要使风电机组满足并网的技术要求,风电机组出厂前的电压穿越测试实验非常重要,风电机组用电网电压跌落模拟装置必不可少,需能够模拟多种——电网电压跌落故障单相对地、两相对地、三相对地等故障。现有风电用LVRT测试VSG实现方案有以下三类:阻抗型VSG,有串联与并联两种形式,结构简单,实现方便,但阻抗在正常运行或电压跌落时流过功率,能量损耗较大,负载变化时阻抗的匹配无法固定[1_2】。李军军,等风电用变压器型电压跌落器及保护系统的研究与设计一97.电力电子变换型VSG,通常采用MOSFET、IGBT等作为开关器件,实现方案灵活多样,功能强大,但电力电子器件成本高,控制复杂,且器件自身抵抗故障能力有限,应用受到了限制【3。变压器型VSG,有并联或串联形式、带中心抽头形式以及自耦变压器形式}5j,适合大功率的应用场合。变压器型VSG体积、重量很大,携带不便;普通变压器变比不可调,电压跌落深度是固定的;而带中心抽头的变压器,设计和制造工艺复杂。比较可知,上述三类VSG各有优缺点。考虑到本设计的VSG主要应用于兆瓦级风电机组出产时的低电压穿越测试,风电机组通常通过升压变压器并网,变压器型VSG既承担了变压器的功能,又能实现不同类型的故障下不同程度的电压跌落,简化了测试系统。因此,本设计采用带多抽头的变压器型VSG,并在此基础上设计了故障保护系统,以此满足实际测试的需要。2LVRT测试及保护系统2.1VSG结构风电机组低电压穿越测试及保护系统结构如图1所示。图1VSG及其保护系统Fig.1VSGandprotectionsystemVSG变压器型电压跌落装置,可用于双馈型及直驱型风电机组,满足风电机组低电压穿越测试需求。VSG一、二次侧通过断路器分别与电网、风电△机组相连,采用Y/11连接,按需求设定20%、35%、50%、75%、90%以及正常六档。VSG具体结构如图2所示。每档位通过两IGBT反向串联连接,通过控制IGBT的导通与关断实现该档位的投入与切除,为档位顺利切换,档位间IGBT的切换必须遵循关断后导通原则进行。C图2VSG结构示意图Fig.2VSGstructureschematicVSG三相档位同时投切,可实现三相电压跌落;一相或两相投切则可实现单相或两相电压跌落;通过不同档位间的投切,可模拟不同故障下的不同“”程度的电压跌落。根据标准,不同程度电压跌落的持续时间是不同的,如20%电压跌落时,持续时间为625ms,不同程度的电压跌落持续时间是可调的。2.2VSG保护系统为保证风电机组在正常工作以及在外部电网电压严重跌落低电压穿越时不受损,设计了较为完善的保护功能[6-7],如图1所示。2.2.1有源Crowbar低电压保护的硬件配置的位置可各不相同,其中在转子侧安装撬棒(Crowbar)是一种最常见的形式。Crowbar有多种拓扑结构IH】,文献[1213. ̄介绍了一种采用超级电容器储能的Crowbar。本设计采用了常用的有源Crowbar,由三相整流桥、功率开关器件IGBT和泄放电阻构成,如图3所示。三相整流桥与DFIG转子相连,当转子三相电流超过设定值,IGBT将泄放电阻尺连接到转子回路中并通过泄放电阻来消耗,保护转子侧变流器免遭过电流的损害。转子一_---_-__—’J。。。。一由-图3有源CrowbarFig.3ActiveCrowbarR的取值是关键[13-14],阻值大可迅速衰减转子侧过电流,但可能引起转子侧的过压,造成直流母线电容反充电,可能损坏转子侧变换器,并且电阻的瞬态功耗也比较大;阻值过小可能造成Crowbar多次投切,引起振荡。Crowbar的投入使双馈电机转子短路,此时双馈电机相当于异步电机,要从电网吸收大量的无功,投入时间过长对不利于电压的恢复。为了避免Crowbar的再次投入,当转子电流低于动作值(设定为1.5P.u_1,延时两周波后再判定一次电流是否低于动作值,满足条件后再切除Crowbar装置,可以获得较好的抑制转子电流的效果。机组正常工作时,转子Crowbar投入信号封锁,不投入运行。2.2.2直流泄放电路直流泄放电路由IGBT和泄放电阻。构成,如..100..电力系统保护与控制F=KEnd∑((f)~(f))Ks,Fd一+1式中:和瓜分别表示仿真数据和测试数据基频正序分量标幺值;叭、埘表示计算偏差时第一个和最后一个仿真、测试数据的序号。整个过程的加权平均绝对偏差以三个区的平均绝对偏差加权平均得到:=0.1+0.64-0.3(12)机组向电网提供的动态无功电流Ir1.5(0.9一_T)IN,(O.2UT0.9)(r3)式中:为故障期间并网点电压标幺值;,N为风电场的额定电流。按上式可确定不同电压跌落深度时风电机组需向电网注入的无功功率电压跌落时,图1420%跌落时三相电压仿真与实测比较Fig.14Threephasesvoltagecomparisonbetweensimulationandspottestwhen20%sag为保证风电机组不脱网运行,风电实际注入电网的无功电流不应低于上式计算值的0.9倍。仿真与测试波形如图l4~图I7所示,表1为电压跌落20%时按上述方法所计算的偏差。F1为稳态区间平均偏差;为暂态区间平均偏差;为稳态区间平均绝对偏差;F4为暂态区间平均绝对偏差:为稳态区间最大偏差。~计算原理相同。从图l图17可知,除有功功率,跌落电压、无功功率、无功电流的仿真与实测值吻合较好,表1计算的数据也反映了这一点。暂态误差较大,尤其在电压恢复过程C】区。有功功率误差较大,这与“”其控制策略有关,标准并未对电压跌落时有功功率做出明确规定,可根据实际情况设定;暂态误差较大,与建模的准确程度、功率控制策略及机组实际运行工况有关。1一0I三—时闻(s)图1520%跌落时无功仿真与实测比较Fig.15Reactivepowercomparisonbetweensimulationandspottestwhen20%sag图1620%跌落时有功仿真与实测比较图172O%跌落时无功电流仿真与实测比较Fig.16ActivepowercompsonbetweensimulationandspotⅡFig・17ReactiVecuentpoWercOmp撕sonbetWeensi刚lati0ntestwhen20%sagandsp0tt。twhen20%sag表1电压20%跌落时,不同区段平均误差计算Table1Averagedeviationcomputationofdifferenttimesectionunder20%voltagesag全区ABe稳态稳态暂态稳态暂态nn^n凡有功004301343口075009400950577口287028900690071048401360I360086无功口0200020003600080D32口419014l0l520015口04011350357D3700037无功电流0020002口0036口口59口05911640235D246口叭300421215口58705890口56李军军,等风电用变压器型电压跌落器及保护系统的研究与设计—一1014结论从仿真和测试结果可以看出,该变压器型VSG可以模拟不同类型故障下不同深度的电压跌落,保护系统可靠工作,有效保护机组的运行安全,仿真和现场测试结果吻合较好。所设计的变压器型VSG既具备变压器的功能,又能实现电压跌落,简化了测试系统结构,可满足风电机组出厂前低电压穿越测试的需求。参考文献[1]胡书举,李建林,粱亮.风力发电用电压跌落发生器—研究综述[J].电力自动化设备,2008,28(2):101106.HUShnju,LIJianlin,LJANGLiang.Reviewofvoltagesaggeneratorforwindpower[J].ElectricPowerAutomationEquipment,2008,28(2):101-106.[2]赵静,周鹏,章玮.一种用于风力发电的电压跌落发‘—生器[J].电源技术与应用,2009,35(12)7477.ZHAOJing,ZHOUPeng,ZHANGWei.Voltagesaggeneratorforwindpowergenerationsystem[J].PowerSupplyTechnologyandItsApplication,2009,35(12):74.77.[3]林小进,吴蓓蓓,包斯嘉.新型移动式低电压穿越测—试装置设计与开发[J].高压电器,2013,49(4):105109.LINXiaojin,wuBeibei,BAOSijia.DesignanddevelopmentofamobileLVRTtestingdevice[J].Hi曲—VoltageApparatus,2013,49(4):105109.[4]宋小亮,蔚兰,朱益波.风力发电模拟电压跌落的实现方法[J].水电能源科学,2009,27(5):22l-224.—SONGXiaoliang,YULan,ZHUYibo.Voltagesagmethodsutilizedinwindpowersimulation[J].WaterResourceandPower,2009,27r5):221-224.[5]胡书举.一种新型风力发电用电压跌落发生器的研制[J].大功率变流技术,2009(6):49-54.HUShuju.Developmentofanovelvoltagesaggeneratorforwindpowersystem[J].Higl1PowerConverter—Technology,2009(6):4954.[6]赵静.双馈异步风力发电机低电压穿越时的Crowbar保护技术『D】.杭州:浙江大学,2010.ZHAOJing.CrowbarprotectiontechnologyofDFIGpowersystemunderlowvoltageridethrough[D】.Hangzhou:ZhejiangUniversity,2010.[7]撖奥洋,张哲,尹项根.双馈风力发电系统故障性及保护方案构建[J].电工技术学报,2012,27(4):233・240.KANAoyang,ZHANGZhe,YINXianggen.Researcbonfaultcharacteristicandgridconnectingpointprotectionschemeforwindgenerationwithdoublyfedinductiongenerator[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2012,27(4):233-240.[8]孙勇,陈晨,王瑞明.电压两次跌落对双馈型风电机组的影响分析[J].电网与清洁能源,2013,29(8):—1091l4.SUNYong,CHENChen,WANGRuiming.ImpactonDFIGwindturbineduringthevoltagedoubledip[J].PowerSystemandCleanEnergy,2013,29(8):109一l14.[9]贺益康,周鹏.变恒频双馈异步风力发电系统低电压穿越技术综述[J].电工技术学报,2009,24(9):140.146.HEYikang,ZHOUPeng.Overviewofthelowvoltageride-throughtechnologyforvariablespeedconstantfrequencydoublyfedwindpowergenerationsystem[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2009,—24(9):140146.[1O]成红兵,袁炜,周伟,等.基于DBR的双馈风力机组低电压穿越方案设计[J].电力系统保护与控制,2013,41(3):123-129.CHENGHongbing,YUANWei,ZHOUWei,cta1.DesignfortheLVRTschemeofDFIGbasedonDBR[J].PowerSystemProtectionandControl,2013,41(3):—l23129.[1I]张曼,姜慧.基撬棒并联动态电阻的自适应双馈风力发电机低电压穿越[J】.电工技术学报,2014,29(2):271.277.ZHANGMan,JIANGHui.Anadaptivelowvoltageridethroughofdoubly-fedinductiongeneratorbasedonCrowbarwithaparalleldynamicresistor[J].Transactions—ofChinaElectrotechnicalSociety,2014,29(2):271277.[12]邹和平,于帆,周玮,等.基于超级电容器储能的双馈风力发电机组低电压穿越研究[J].电力系统保护与控—制,2012,40(1O):4852.ZOUHeping,YUFan,ZHOUWei,eta1.Studyonthelowvoltageridethroughofdoublyfedwindgeneratorbasedonthesupercapacitorstorage[J].PowerSystem—ProtectionandControl,2012,40(10):4852.[13]张建华,王健,莫岳平.双馈电机的Crowbar参数整定及保护特性研究[J].电机与控制学报,2011,29(2):3340.ZHANGJianhua,WANGJian,MOYueping.StudyonCrowbarparametertuningandprotectionfeaturesofdoublyfedinductiongenerator[J].ElectricMachinesand..102..电力系统保护与控嘲Control,2011,29(2):3340.[14]龚文明,胡书举,许洪华.双馈风电机组低电压穿越特性分析与Crowbar电阻的功率复核整定方法【J].电—工电能新技术,2012,31(增刊):128132.GONGWenming,HUSbuju,XUHonghua.AnalysisofLVRTresponseofDFIGwindpowergeneratorandoptimaldesignofactiveCrowbarresistorconsideringpowerfeature[J].AdvancedTechnologyofElectric—EngineeringandEnergy,2012,31(S):128132.[15]韩笑,戈祥麟,汪经华.基于S函数的数字式变压器差动保护仿真[J】_继电器,2007,35(9):1-6.HANXiao,GEXianglin,WA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一夕落阳
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