计及不同电网电压跌落程度的双馈风电机组定子电流分析.pdf

  • 文档大小:717.36 KB
  • 文档格式:pdf
  • 约 7页
  • 2021-06-12 发布
  • 举报
计及不同电网电压跌落程度的双馈风电机组定子电流分析1 计及不同电网电压跌落程度的双馈风电机组定子电流分析2 计及不同电网电压跌落程度的双馈风电机组定子电流分析3 计及不同电网电压跌落程度的双馈风电机组定子电流分析4 计及不同电网电压跌落程度的双馈风电机组定子电流分析5 计及不同电网电压跌落程度的双馈风电机组定子电流分析6 计及不同电网电压跌落程度的双馈风电机组定子电流分析7
已阅读完毕,您还可以下载文档进行保存
文档单价:6.00 会员免费
开通会员可免费下载任意文档
  1. 1、本文档共7页,内容下载后可编辑。
  2. 2、本文档内容版权归属内容提供方,所产生的收益全部归内容提供方所有。如果您对本文有版权争议,可选择认领。
  3. 3、本文档由用户上传,本站不保证质量和数量令人满意,可能有诸多瑕疵,付费之前,请仔细先通过免费阅读内容等途径辨别内容交易风险。如存在严重挂羊头卖狗肉之情形,可联系本站下载客服投诉处理。
第43卷第1期2015年1月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControl、,ol_43NO.1Jan.1.2015计及不同电网电压跌落程度的双馈风电机组定子电流分析郑涛,李娟,杨国生(新能源电力系统国家重点实验室,华北电力大学,北京102206)摘要:双馈风电机组在机端电压跌落程度不同的情况下会表现出不同的暂态特性,随着风电机组的大规模并网,其故障暂态特性对于电网的安全稳定运行具有重要意义。以对称故障为例,基于双馈感应发电机的转子电压方程,采用统一方法分析了电网故障导致的不同机端电压跌落程度下双馈风电机组的定子电流。在机端电压严重跌落时。分析并推导了投入撬棒保护电路情况下双馈感应发电机定子电流的表达式。而在机端电压非严重跌落时,在考虑转子侧变流器控制系统对定子电流的影响的基础上,定性地分析了双馈感应发电机定子电流动态变化过程。通过仿真进一步分析了机端电压不同跌落情况下定子电流的变化规律并且验证了所推导表达式的正确性。关键词:双馈风电机组;对称故障;撬棒保护;控制系统;定子电流Statorcurrentanalysisofdoubly-fedinductiongeneratorsconsideringdifferentgridvoltagediplevels—ZHENGTao,LIJuan,YANGGuosheng(StateKeyLaboratoryofAlternateElectricalPowerSystemwithRenewableEnergySources,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China)—Abstract:Doublyfedinductiongenerators(DFIG)hasdifferenttransientcharacteristicsunderdifferentgeneratorterminalsvoltagediplevels.Theanalysisofthefaulttransientcharacteristicsisveryimportanttothegridsecurityandstabilityagainstthebackgroundofla—rgescalewindgenerationonpowergrid.ThispapertakesasymmetricalvoRagesagoccurredattheterminalasanexample.Basedontherotorvoltageequations,thedoubly-fedwindpowergeneratorfaultcurrentisanalyzedunderdifferentgeneratorsterminalvoltagedroplevelsinunifiedmethod.Inthecaseofseverevoltagedropsingeneratorterminals,thetransientcharacteristicsareanalyzedconsideringthecrowbarprotectioninsertion.Iftheterminalvoltagedropsmildly,thesolutionoflimitingandcalculatingtheshort-currenthastoconsidertheinfluenceofthecontrolsystemandthestatorcurrentdynamicprocessisanalyzedqualitativelybasedonthecontrolsystem.Finallythepaperfurtheranalysesstatorcurrentvariationunderdifferentterminalsvokagediplevelsandvalidatestheshort・circuitexpressionsbysimulations.—ThisworkissupportedbyNationalHightechR&DProgramofChina(863Program)(No.2012AA050208).—Keywords:doublyfedinductiongenerators(DFIG);symmetricalfault;crowbarprotection;controlsystem;statorcurrent中图分类号:TM31文献标识码:A—文章编号:16743415(2015)01-0081-070引言—双馈风力发电机组(DoublyfedInductionGenerators,DFIG)发电效率高、功率变流器容量小、投资省,能在较宽的范围内进行变速运行,并且可以通过有功、无功的解耦控制调节功率因数,目前已被广泛应用于风力发电领域【JJ。但是双馈风电机组转子侧通过交一直.交变流器与电网相连,并且变基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2012AA050208)流器的容量较小,其故障暂态特性十分复杂,很容易导致双馈电机定、转子绕组出现大电流,损坏变流器甚至造成风电机组脱网运行。随着电力系统中的风电机组装机容量的迅速增加,掌握电网故障时双馈风电机组的故障特性及其分析方法具有十分重要的意义。双馈风电机组对于电网故障引起的电压跌落十分敏感,机端电压跌落的严重程度不同,双馈风电机组会采取不同的保护策略J:1)当电网故障引起机端电压严重跌落时,由于转子侧过电压,双馈风电机组一般采用转子侧快速投入撬棒保护装置的方.82.电力系统保护与控制法,以避免大电流损害变流器功率器件,从而导致的双馈风电机组脱网运行;2)当电网故障引起机端电压非严重跌落时,应考虑通过改进双馈风电机组的控制策略来实现双馈电机的不问断运行,文献[4】表明采用考虑电网电压瞬态影响的控制策略可使双馈风电系统承受跌至85%的定子电压骤降而不停止运行,文献『51则表明故障过程中逆变型分布式电源的故障电流特性主要受其控制策略的影响。由于双馈风电机组的暂态特性复杂,并且在不同故障情况下的保护策略不同,传统的同步发电机分析方法已经不适用于双馈风电机组。尽管已有诸多关于双馈风电机组的故障特性的研究,但是大部分都是针对机端电压严重跌落时撬棒保护电路直接投入的情况。文献[6.9]推导了带有撬棒保护的双馈风电机组在发生故障时短路电流和电磁暂态特性。文献[10]在分析电机发生短路故障后撬棒保护投入期间电气量特性基础上,给出了双馈电机投入撬棒后定转子电流峰值估算式。文献[11]分析了变流器输出对转子电流的影响,并推导了电网对称短路和不对称短路时的转子电流表达式,但只是在计及变流器调控的耦合影响下对故障特性的研究,并未根据其在不同机端电压跌落情况采取的不同保护策略去分析双馈风电机组的暂态特性,统一其研究方法,从而能够在实际的风机故障特性研究中得到一种简单易行的短路电流解析方法。本文针对由电网对称故障导致的不同机端电压跌落程度的情况,基于双馈风电机组的转子电压方程,采用统一的解析方法分析了考虑撬棒保护投入和考虑控制系统时双馈风电机组的故障暂态特性,并且推导了相应的定子电流表达式,应用时域仿真验证推导的正确性。本文所做分析和计算完善了双馈风电机组故障特性理论体系,为涉及风电并网的继电保护整定提供了理论依据。以上文献对空载或接近同步转速情况下的双馈风电机组机端发生对称性短路时的暂态过程进行了相关分析,对于在机端发生不对称故障时短路暂态过程的研究较少,并且在分析转子磁链时都做了较多的简化。1双馈风电机组的数学模型考虑到研究的暂态过程十分短暂,定转子均采用电动机惯例,在电网电压同步旋转坐标系(SynchronousRotatingFrame,SI)下,双馈风电机组的矢量模型为。。=RsfS+D+jqr彻+jCOs ̄(1):‘Lsis+Lm=Lmfs+Lir式中:、、一btr、一ir、分别代表定、转子侧电压、电流、磁链的空间矢量;足、足分别为定、转子侧的绕组;、厶、Lm分别为定、转子侧的自感和互感;O4为同步旋转角速度;为转子角速度;为∞转差角速度;S为转差频率,S=(一r-Or)/O ̄。考虑到研究的暂态过程很短,转子转速不会变化很大,所以,在短路期间可不考虑转子的运动方程,将转子转速视作恒定。由式(1)可知,由定子磁链和转子电流表示的转子磁链表达式为:争+(2)LsLs式中,M=一。将式(2)代入式(1)可得转子电压方程为-[-Dir+(+j_MJfr7:—eI(3)一s式中,为反电动势,el=(D+jCOs)。由式(1)可知,由定子磁链和转子电流表示的转子电流表达式为=一}(4)LmLm将式(4)代入式(3),可得转子电压方程为MD等+jgtr+e2(5)式中:e2为反电动势;e2:Z(D--)++j)。LmLr由式(5)可以看出,反电动势反映定子磁链对“定子电流的影响,为转子侧变流器输出电压,反映转子侧变流器控制系统对定子电流的影响。2不同电网电压跌落程度下双馈风电机组定子电流分析2.1双馈风电机组故障过程分析双馈风电机组结构及其转子侧撬棒保护电路如图1所示。..84..电力系统保护与控制只包含直流衰减分量和转差频率衰减分量,不存在直流分量,其中转差频率分量以rr,快速衰减完,交流衰减分量以缓慢衰减直至为零。2.3计及控制系统影响时双馈风电机组定子电流分析当电网故障引起机端电压出现非严重对称跌落时,在转子变流器可控的条件下,撬棒保护电路不需要动作,可采取相应的控制策略使双馈风电机组承受该电压骤降而不脱网运行,此时应在考虑变流器控制系统的情况下研究双馈风电机组的故障暂态特性(仅考虑转子侧变流器的影响)。控制系统的调控作用最终都是通过作用在转子侧变流器上的转子电压来实现,所以必须建立定子电流与转子电压之间的关系,如式(5)和图2(虚线框图内)所示。由式(5)和图2可以看出,定子电流的变化由定子磁链以及转子侧变流器输出电压即转子侧变流器共同决定。簪‘皿——豳(b)图2转子侧变流器控制回路Fig.2Controlofrotor-sideconverter图2中,rd、.ref分别为转子d、q轴电流分量的参考值,由有功、无功功率的参考值决定。“分别为跟踪转子电流所需要的转子电压参考值。在转子保护未投入时,故障过程中需要依靠转子侧变流器的控制系统来调整转子电压,图2的左侧框图为转子侧变流器的电流内环控制回路。转子侧变流器控制通常采用定子磁场定向的矢量控制方法L1引,通过比例积分控制器实现闭环运算,以实现机组输出功率的解耦控制,有功功率和无功功率分别由同步旋转坐标系内的转子电流q轴分量和d轴分量决定。功率作为变流器外环控制的反馈值,经过PI计算后得到转子电流指令值的d-q轴分量。转子电流指令值再经过内环电流控制得到转子电压指令值。因此,由图2可得转子侧输出的转子电压方程为Ur:kref--t『(f--kp(i ̄/r)dt+j(12)=)+tJ(fr_)+jfr(12)式中:、置分别为PI控制器的比例常数和积分常数;fr为转子电流的参考值矢量。将式(4)代入式(12),可得:等M--4一ckp差+(13、‘kif(/r,re一+)dt’m式(13)即为转子侧变流器的输出电压,反映了转子侧变流器控制系统控制参数与定子电流的关系,将式(13)的转子电压代入式(5),可得到电网发生短路故障后的定子电流的动态方程为?(14)屈tfku。+屈(1-k)ue-JO4te/式中::,=等;等,‘—MMM=一丝。求解该微分方程,可得电网短路后在同步旋转坐标系下的定子电流为————:+(鼠+)ejqe一/+ej皑ekl+Eeje一(15)式中:kl=(一√);=(+一4)。由式(15)可知,当电网发生对称故障引起机端电压出现非严重对称跌落时,考虑转子侧变流器控制系统对定子电流的影响,定子电流包含直流分量、交流衰减分量和谐波分量(在同步旋转坐标系下),,、及、G、、E分别为其对应分量的幅值,其数值如附录A所示。各频率成分的幅值及其影响因素如表l所示,其中代表故障前机端电压表1短路电流频率分量及其影响因素Table1Frequencycomponentanditsinfluencingfactors、\’影响因素一-÷频率分。“Zr.fcf岛是否衰减\直流分量√不衰减交流衰减B2√以衰减分量√以衰减D2√以kl衰减谐波分量√以衰减郑涛,等计及不同电网电压跌落程度的双馈风电机组定子电流分析.85.矢量,代表故障后机端电压矢量,fr代表转子电流参考矢量值,k、代表PI控制器的比例常oki“√”“数和积分常数,代表与该因素有关,×”代表与该因素无关。结合式(15)和表1可知,与撬棒电路投入的情况比较发现,考虑控制系统影响的短路电流中产生了与转子侧控制系统控制参数相关的电流分量。当机端电压非严重跌落时,定子电流包含直流分量、交流衰减分量和谐波分量,谐波分量的幅值受到转子侧控制系统PI参数的影响,不再以常规转子衰减时间常数Tr衰减,=/厶足,而是以衰减时间常数kl、k2快速衰减至零,交流衰减分量也包含了与控制系统控制参数相关的分量G,以缓慢衰减为零。3仿真验证以Matlab/Simulimk提供的1.5MW双馈风电机组仿真模型为参考,通过仿真波形与解析计算波形对比,验证本文给出的机端电压严重和非严重跌落两种情况下定子短路电流计算表达式的有效性。故障前,双馈风电机组超同步运行,其中撬棒电阻阻值取30倍的转子绕组的阻值,控制策略采用恒功率控制,输出功率为P=-0.9P-u.,O=O。仿真和解析计算所用双馈风电机组基本参数及撬棒电阻设定值如附录B所示。3.1机端电压严重跌落仿真假设=0ms时,机端发生三相短路,机端电压跌落为零,撬棒保护立即投入运行。定子ABC三相的短路电流解析计算波形与仿真波形对比图,如图3所示。如s图3对称短路时,考虑撬棒电路投入定子短路电流解析计算波形与仿真波形对比图Fig.3SimulatedandcalculatedDFIGshort-circuitcurrentconsideringtheinsertionofcrowbarforathree-phasefault由图3可以看出,当电网发生三相对称性短路,机端电压跌落为零,撬棒保护立即动作后,转速频率分量在两个周波左右衰减结束,仅剩下衰减的直流分量(在三相静止坐标系中)。本文给出的定子电流的解析计算波形可以复现定子三相短路电流的仿真波形,验证了所得解析表达式的有效性。由于理论分析中假设转子转速不变,而在故障发生后,随着短路时间的增加,转子的转速略微有些变化,所以后期存在较小的误差是允许的。3.2机端电压非严重跌落仿真假设0.5S时,机端发生三相短路,机端电压跌落了30%,由于电网短路持续时间较短,电网故障期间转速的变化忽略不计。在考虑转子侧控制系统影响下定子ABC三相的短路电流解析计算波形与仿真波形对比图,如图4所示。妻÷州o45o50o550600.657两0.805毒-莹÷幽/\图4对称短路时,考虑控制系统影响定子短路电流解析计算波形与仿真波形对比图—Fig.4SimulatedandcalculatedDFIGshortcircuitcurrentconsideringtheinfluenceofcontrolsystemforathree-phasefault由图4所示的三相对称短路电流对比可以看出,定子电流的大小和变化趋势的计算波形与仿真波形基本一致。电网短路瞬间,在定子磁链和转子电压的作用下,定子电流突然增大,并呈现衰减振荡,谐波分量很快衰减结束,而暂态直流分量(在三相静止坐标系下)衰减时间较长。由于机端电压跌落程度并不严重,定子电流的最大值约为1.5标幺,出现在第2个尖峰,若采取控制策略可避免对发电机造成危害。与仿真结果对比可知,计算结果和仿真结果的大小和变化趋势基本符合,验证了所得解析表达式的有效性。4结语本文对双馈风电机组在低电压穿越过程中的故障暂态特性进行了系统分析。针对双馈风电机组会根据机端电压跌落程度采取不同保护策略的情况,提出了分别考虑撬棒投入和考虑控制系统影响时双馈感应发电机故障暂态特性的统一解析方法。以对一86.电力系统保护与控制称故障为例,分析并推导J当电l删电出虮广L匕亘布u非严重对称跌落时双馈风电机组定子电流的解析表达式。通过对其计算表达式的分析可知,其定子电流中均包含三种电流分量,计算表达式具有清晰的物理意义,对于双馈风电机组低压穿越能力的研究和控制策略的进一步改进,以及含双馈风电机组的电力系统的短路电流计算和继电保护整定具有十分重要的意义。附录A4七一/As—且jcqM(磋丽(1_一j+1/1+l/)、。Cl1=(。)一了尼(。)一—ja ̄M(.(1)一j+1/+1/)、一每r+B:!二生c————二而(一)usI/T ̄)(j+一(j+1/)+、D^:—Lskxk2E:Ls一kz附录B表1双馈风电机组的参数Tlable1ParametersofDFIG额定电压额定功率系统频率厂575V1.5MW60Hz定子侧电阻足转予侧电阻尼撬棒电阻足定转子互感定子自感三转子自感L.转子转速比例系数k积分系数0.0073p.u.O.0052P.U.30见3P.11.3.1766P.U3.1610P.U.1.15P.U.0.1P.U.0.2P.U.参考文献[1]刘其辉,谢孟丽.双馈式变速恒频风力发电机的空载及负载并网策略[J】_电工技术学报,2012,27(10):6O-67.78.LIUQihui,XIEMengli.Strategiesofgrid・connectionofdoubly・-fedvariable-・speedconstant--frequencywindpowergeneratorwithno-loadandwithload[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2012,27(10):60-67,78.[2]焦在强.大规模风电接入的继电保护问题综述[J].电网技术,2012,36(7):195.201.JIAOZaiqiang.Asurveyonrelayprotectionfor—grid-connectionoflargescalewindfarm[J].Power—SystemTechnology,2012,36(7):195201.[3]贺益康,胡家兵,徐烈.并网双馈异步风力发电机运行控制[M].北京:中国电力出版社,2012.—[4]RAHIMIM,PARNIANIM.Gridfaultride-throughanalysisandcontrolofwindturbineswithdoublyfedinductiongenerators[J].ElectricPowerSystemsResearch,2010(8):184-195.[5]孔祥平,张哲,尹向根,等.含逆变型分布式电源的电网故障电流特性与故障分析方法研究[J].中国电机工程学报,2013,33(34):65.74.KONGXiangping,ZHANGZhe,YINXianggen,eta1.Studyonfaultcurrentcharacteristicsandfaultanalysismethodofpowergridwithinverterinterfaceddistributedgeneration[J].ProceedingsoftheCSEE,2013,33(34):65.74.[6]MORRENJ,SJOERDWH,deHAAN.Shortcircuitcurrentofwindturbineswithdoublyfedinductiongenerator[J].IEEETransactionsonEnergyConversion,—2007,22(1):174180.[7]郭家虎,张鲁华,蔡旭.双馈风力发电系统在电网三相短路故障下的响应与保护『J1.电力系统保护与控制,—2010,38(6):4048.GUOJiahu,ZHANGLuhua,CAIXu.ResponseandprotectionofDFIGsystemunderthree-phaseshortcircuitfaultofgrid[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(6):40-48.[8]撖奥洋,张哲,尹项根,等.双馈风力发电系统故障特性及保护方案构建[J]_电工技术学报,2012,27(4):233.239.HANAoyang,ZHANGZhe,YINXianggen,eta1.Researchonfaultcharacteristicandgridconnecting-pointprotectionschemeforwindpowergenerationwithdoubly-fedinductiongenerator[J].TransactionsofChina—ElectrotechnicalSociety,2012,27(4):233239.郑涛,等计及不同电网电压跌落程度的双馈风电机组定子电流分析.87一[9]SULLAF.SVENSSONJ.SAMUELSSONO.Symmetricalandunsymmetricalshort-circuitcurrentof——squirrelcageanddoublyfedinductiongenerators[J].—ElectricPowerSystemsResearch,2011(81):16101618.[10]徐殿国,王伟,陈宁.基于撬棒保护的双馈电机风电场低电压穿越动态特性分析[J].中国电机工程学报,2010,30(22):29-36.XUDianguo,WANGWei,CHENNing.Dynamic—characteristicanalysisofdoublyfedinductiongenerator—lowvoltageridethroughbasedoncrowbarprotection[J].ProceedingsoftheCSEE,2010,30(22):29-36.[11]熊小伏,欧阳金鑫.电网短路时双馈感应发电机转子电流的分析与计算[J].中国电机工程学报,2012,—32(28):114121.XIONGXiaofu,OUYANGJinxin.Analysisand—calculationofrotorcurrentsfordoublyfedinductiongeneratorsundershortcircuitsinpowergrids[J].—ProceedingsoftheCSEE,2012,32(28):114121.[12]王定国,张红超.双馈型风力发电机低电压穿越的分析研究[J].电力系统保护与控制,2011,39(17):70-73.WANGDingguo,ZHANGHongchao.Analysisandresearchoflowvoltageridethroughfordoublyfedwindpowergenerator[J].PowerSystemProtectionandControl,2011,39(17):70-73.[13]贺益康,胡家兵.双馈风力发电系统的低压穿越运行与控制[J]_电力系统自动化,2008,32(2):49-52.HEYikang,HUJiabing.Lowvoltageridethroughoperationandcontrolofdoublyfedinductiongeneratorwindturbines[J].AutomationofElectricPowerSystems,—2008,32(2):4952.杨之俊,吴红斌,丁明,等.故障时双馈风力发电系统的控制策略研究[J】.电力系统保护与控制,2010,38(1)14.18.YANGZhijun,WUHongbin,D1NGMing,eta1.Controlstrategyofdoubly-fedwindgenerationsystemforpowergridfault[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(1):14-18.王勇,张纯江,柴秀慧,等.电网电压跌落情况下双馈风力发电机电磁过渡过程及控制策略[J].电工技术学—报,2011,26(12):1419.WANGYong,ZHANGChunjiang,CHAIXiuhui,eta1.Electromagnetictransientprocessandcontrolstrategyfordoubly-fedwindpowergeneratorundergridvoltagedip[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2011.26(12):14-19.—收稿日期:2014-0109;修回B期:2014-05-06作者简介:郑涛(1975-),男,博士,副教授,主要研究方向为新能源电力系统保护与控制;E.mail:zhengtaosf@126.com李娟(1990一),女,硕士研究生,主要研究方向为新—能源电力系统保护与控制;Email:ier2012@126.corn杨国生(1977-),男,硕士,主要研究方向为电力系统继电保护。n1=
富富资料
该用户很懒,什么也没介绍
文档单价:6.00 会员免费
开通会员可免费下载任意文档