双馈异步发电机单相接地故障瞬态特性研究.pdf

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双馈异步发电机单相接地故障瞬态特性研究1 双馈异步发电机单相接地故障瞬态特性研究2 双馈异步发电机单相接地故障瞬态特性研究3 双馈异步发电机单相接地故障瞬态特性研究4 双馈异步发电机单相接地故障瞬态特性研究5 双馈异步发电机单相接地故障瞬态特性研究6
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第43卷第18期2015年9月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlv01.43NO.18Sep.16,2015双馈异步发电机单相接地故障瞬态特性研究沈浩然,张建华,丁磊,戴春蕾(扬州大学水利与能源动力工程学院,江苏扬州225127)摘要:为了便于研究DFIG在不对称电压跌落下低电压穿越运行的控制策略,有必要对不对称电压跌落时DFIG的瞬态特性进行研究。基于DFIG定、转子磁链的瞬态变化机理,对DFIG单相接地故障瞬态特性进行研究,推导出了DFIG在发生单相接地故障时的定、转子电流,电磁转矩,输出有功功率与无功功率的解析表达式,并分析得到影响单相接地故障时电磁过渡过程的主要因素。在Matlab/Simulink中搭建了1.5Mw双馈异步发电机单相接地故障仿真模型。仿真结果和解析计算结果高度吻合,证明了推导的解析表达式的正确性和有效性,为双馈异步发电机不对称LVRT控制策略提供了理论基础。关键词:风力发电;双馈发电机;单相接地故障;数学模型;瞬态特性Transientcharacteristicresearchofdoubly-fedinductiongeneratorduring—singlephasegroundingfaultSHENHaoran,ZHANGJianhua,DINGLei,DAIChunlei(CollegeofWaterConservancyandEnergyPowerEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225127,China)Abstract:Inordertoresearchthecontrolstrategyoflowvoltageridethrough(LVRT)ofDFIGduringtheasymmetricvoRagesag,itisnecessarytoresearchthetransientcharacteristicofDFIGduringtheasymmetricvoltagesag.ThispaperutilizesthetransientchangemechanismofDFIGstatorandrotorfluxinthecaseofsingle-phasegroundingfault,deducesandobtainsanalyticalexpressionsaboutstatortransientcurrent,electromagnetictorque,outputactivepowerandreactivepowerofDFIGOnthebasisofabove,themainfactorsaregotwhichaffectsingle-phasegroundingfaultelectromagnetic—transientprocess.Andsimulationmodelof1.5MWDFIGduringsinglephasegroundingfaultisbuiltonMATLAB/Simulink,thesimulationresultsarecloselyconsistentwiththeanalyticalcalculationresults,whichshowsthecorrectnessandeffectivenessoftheanalyticalexpressionsderived.AnalysisofthispapercarlprovidetheoreticalbasisforcontrolstrategyofasymmetricLVRT.—ThisworkissupportedbyNationalHightechR&DProgramofChina(No.2012AA050214).—Keywords:windpowergeneration;doublyfedgenerator;single-phasegroundingfault;mathematicalmodel;transientcharacteristic中图分类号:TM71O引言近年来,随着风电场接入电网的容量不断增大,风电场跟电网之间的彼此影响日益明显,特别是电网发生电压跌落时。为了规范接入电力系统的风电,世界各国都依据各自情况制定了与风电机组有关的输电网技术规范。这些电网运行规范都规定风电场在电网电压发生电压跌落时能够继续保持并网,并基金项目:国家高技术研究发展计划(863)(2012AA050214)—文章编号:16743415(2015)18・0006-06能对电网提供无功功率来维持电网电压,即要求风电机组具备低电压穿越(LVRT)能力J。如今,国内外的大部分机型是MW级容量的双馈异步发电机(DFIG),其定子端与电网相连,更容易受电压波动影响。目前对双馈异步发电机LVRT技术的研究主要集中在电网对称故障中,但实际运行中,电网不对称故障发生的几率更加大(单相接地故障为70%,两相接地故障为15%,相问故障为10%,三相故障为5%)pJ,由不对称故障产生的二倍频分量会使DFIG定子与转子绕组过热,发沈浩然,等双馈异步发电机单相接地故障瞬态特性研究.7.电机的转矩发生脉动,使输出功率产生周期性波动,从而大大降低了系统的稳定性l6J。所以,分析双馈Ⅵ发电机在电网电压不对称跌落时的L控制策略更具有实际效用。而不对称电压跌落的瞬态特性分析是研究LVRT控制策略的前提。因此,为确保风电场在电网发生不对称故障时保持并网且为电网提供无功补偿等研究必须以双馈异步发电机在不对称电压跌落时的精确瞬态特性分析为基础。描述双馈异步发电机动态特性的数学模型为砌坐标系下的5阶模型,但由于阶数高,并不能进行解析求解,再加上不对称电压跌落运行的复杂性,导致目前大多文献对双馈异步发电机不对称电压跌落的分析,都是以正负序分量分离的数学模型为基础进行的定性及仿真分析,对其瞬态特性的理论分析并没有具体的解析表达式。而本文通过拉普拉斯变换及其逆变换推导出了单相接地故障时双馈异步发电机定、转子电流、电磁转矩和输出有功功率、无功功率的解析表达式。通过对电磁过渡过程解析表达式的分析,得到影响双馈异步发电机发生单相接地故障时电磁过渡过程的本质因素。1DFIG单相接地故障瞬态特性分析1.1DFIG单相接地故障的数学模型由于电压跌落时间很短,故在建立DFIG不对称电压跌落的数学模型时可不考虑转速变化【1。。,利用暂态微分方程和叠加原理进行分析,将不对称电压跌落的暂态过程等效成跌落前稳定运行工况和定子侧加不对称反向电压运行时的叠加。根据文献[17.191可以得到按照电动机惯例的定、转子电压与磁链方程分别如式f1)、式(2)所示。l凼×z凼+p出一O4X:pP二O4×X㈣I毋=×+一(一),lU=r2×+pCq,+(o4一)×式中:甜西、U加分别是定、转子电压d轴分量与q轴分量:、、、分别是定、转子绕组中电流d轴分量与g轴分量;、、、,分别是定、转子磁链d轴分量与q轴分量;CO1是同∞步角速度;是转子角速度;P是微分算子;L=1+,L,=2+,依次是定子、转子绕组的自感;上1是定子漏感,2是转子漏感,是定子与转子绕组的互感。将式(2)代入式(1)消去磁链,可以得到以电流为变量,描述DFIG电磁暂态过程的状态空间方程,如式f3)所示。Jr:+BUf31d式中,、分别为电流与电压的系数矩阵。:×三,Ls一一‘—sLsLmLsLm:0一0SLL一LrL一一SLsLr00一一L0tOLrL一sLrLSLLr一一丘0一0tL=tLr一,S=(D1一(Dr1.2DFIG单相接地故障电流分析本文研究单相接地故障为A相接地故障。由于定子电阻阻值很小,故分析时不考虑定子电阻。电压跌落前,DFIG电压列向量为广1TU=l01I上式中电压列向量是当功率因数为1时,定、转子的d、q轴电压分量标幺值。在标幺值计算下,定、转子电流幅值相等,相位相差1800【刚,所以本文仅分析定子电流,对转子电流的表达式不再说明。当DFIG发生A相接地故障,即加反向不对称电压时,在砌坐标系下,DFIG电压列向量变为U=I2/3sin(t)cos(t)-2/3sin(t)i经过拉普拉斯变换与拉普拉斯反变换,求得时域内定、转子电流在砌坐标系的解如下:(f)=[sin(st)+cos(st)]e+[Csin(t)+cos(t)]+(4)[sin(2t)+cos(2t)]+(f)=【4ssin(st)+cos(st)]e+【csin(t)+Dqcos(t)]+(5)【Eqssin(2t)+cos(2t)]+由式(4)、式(5)可见,在加反向不对称电压的过渡过程中,定子电流的内分量中存在衰减的S倍频分量、基波分量、直流分量以及二倍频分量。由于..××××++++.协.××××厶厶=fI.8.电力系统保护与控制稳定运行时定子电流的砌分量为恒定的直流分量,则由叠加定理可知,A相电压跌落的过渡过程中定子电流的砌分量中也应包含上述四种电流分量。将叠加后的砌电流分量变换到ABC坐标系下得到定子三相电流,结果如下:‘fA(f)=【sin((1一s)t)+COS((1一))]e一+,、[cAsin(t)+DAcos(t)]+iB(t)=[ABsin((1一s)t)+cos((1一))]e一+,,、[sin(t)+DBcos(t)】+一ic(t)=【sin((1一s)t)+Bccos((1一))】e一+,o、[CCsin(t)+Dccos(t)】+由式(6)~式(8)可见,当发生A相电压跌落时,变换到ABC坐标系的定子电流中存在直流分量、(卜)倍频分量和工频分量三种分量。1.3DFIG单相接地故障电磁转矩分析研究电网电压不对称跌落时双馈异步发电机电磁转矩变化情况是确定低电压穿越控制策略的基础。为此本文对单相接地故障转子励磁电压不变时的转矩关系进行了分析。当电网发生单相接地故障时,电磁转矩的推导与稳定运行时相似,根据式(4)、式f5),推得电磁转矩表达式如下::【4sin(st)+cos(st)]e+[CTsin((1一s)f)+DTcos((1一s)f)】e一[sin((2一s),)+FTcos((2一s)f)]e一+(9)[GTsin(t)+cos(t)】+sin(2t)+cos(2t)】+由式(9)可见,电网单相接地时,双馈异步发电机电磁转矩中不仅含有直流转矩分量、工频分量、二倍频分量,而且还含有衰减的S倍频分量、(卜S)倍频分量、(2-s)倍频分量。式(9)中系数与电机参数及运行状态有关,单相接地故障发生时,倍频分量、(卜)倍频分量、(2一)倍频分量的性质及其变化规律均相似,但幅值有所不同,倍频分量与(卜)倍频分量幅值相同,而(2一S)倍频分量幅值为S倍频分量幅值的1/2。1.4DFIG单相接地故障功率分析根据LVRT的要求,电压跌落时,双馈异步发电机应该继续向电网发出有功功率和无功功率,其中向电网馈送无功功率是为了有利于电网电压的恢复。文中分别计算单相接地故障时的有功功率和无功功率的表达式,由于解析过程的复杂性,最终给出解析表达式,如下:=[A。sin(st)+B。cos(st)+Csin((2一)+Dcos((2一)f)]e+(10)[Epsin(2t)+ppcos(2t)]+Gpsin(t)+HQf=[sin(st)+BQcos(st)+C0sin((2一s)t)+Decos((2一)f)】e+(11)[sin(2t)+cos(2t)]+sin(t)+由式(10)、式(11)可见,在加反向不对称电压的过渡过程中,有功功率与无功功率中不仅均存在恒定的工频分量、直流分量以及二倍频分量,同时还存在衰减的S倍频分量、2-S倍频分量。2仿真与分析为了验证理论分析推导出的DFIG各分量表达式的正确性,下面结合仿真加以验证。本文利用Matlab/Simulink平台,根据文献【211的DFIG数学模型,搭建了电网电压单相跌落时的DFIG仿真模型。本文理论分析依据拉普拉斯变换及其逆变换原理,而所搭建的仿真模型依据砌坐标系下的5阶数学模型,且未涉及拉普拉斯变换,利用此不同的方法来验证理论分析。仿真模型如图1所示。图1双馈异步发电机单相电压跌落仿真模型Fig.1SimulationmodelofDFIGduringsingle-phasevoltagesag1.5Mw双馈异步发电机仿真参数取值(p-u.)如下:=0.171,L2=0.156,L=2.9,rl=0.0071,r2=O.005。假设正常运行时发电机功率因数为1,转差率s=0.05,根据功率因数为1可以算出电机的转子电压Udr---一0.0151,产0.0580。仿真条件为:忽略DFIG定子电阻的影响,并设定电网电压不对称跌落故障前后转子励磁电压不变。将单相接地故障的解析分析结果与Simulink仿沈浩然,等双馈异步发电机单相接地故障瞬态特性研究.9.真结果进行比较,其结果如图2所示。当电网电压不对称跌落时,定转子会出现过电流L5】,由图2可见,定子三相电流为不对称电流,且均出现过电流。这说明,不对称电压跌落下,涉及到DFIG过电流保护时,必须对三相同时进行保护,这与对称跌落时仅对一相提出保护即可相异。从图中解析表达式绘制曲线与仿真曲线比较可见,解析分析结果与仿真计算结果相吻合。因而可以说明本章中电压跌落的分析方法及其解析解能够正确地反映不对称电压跌落过程中的电磁现象。对电磁转矩的分析结果如图3所示。由图3可见,DFIG电磁转矩出现较大波动,且出现二倍频的周期性振荡,存在过渡过程。j已c脚《H1删e螺∞蟋罂0图2定子电流三相波形图Fig.2Three-phasewaveformofstatorcurrente。样挺图3电磁转矩波形图Fig.3Waveformofelectromagnetictorque对输出有功功率与无功功率的分析结果如图4和图5所示。有功功率与无功功率均出现较大波动,而本文的双馈异步发电机模型是按照电动机惯例建立的,从图5可见无功功率Q为正,会从电网吸收无功功率,将影响电网电压恢复。督督垭苦糌督督u, ̄N/pu图4有功功率P波形图Fig.4Waveformofactivepower时间/pu图5无功功率9波形图Fig.5Waveformofreactivepower由本文分析得到的解析表达式与仿真的比较可见:当电网电压发生单相接地故障时,转子励磁电压对电磁过渡过程的影响很大,在研究LVRT控制策略时可以通过控制转子励磁电压分别实现定转子电流、电磁转矩、功率幅值的限制以及对风力机的传动系统的保护等。.1O.电力系统保护与控制3结论本文通过叠加原理建立了DFIG单相接地故障的数学模型,通过对建立模型的定量解析分析得出了单相电压跌落时双馈异步发电机的定转子电流与转子侧励磁电压的关系。并由双馈异步发电机的定子三相电流、电磁转矩、有功功率与无功功率的数学模型,推导得到影响电磁波动的本质因素。最后通过在Matlab/Simulink平台上对一台1.5Mw的DFIG进行了建模仿真。由仿真可以看出,在发生单相跌落的不平衡电网电压下定转子会产生过电流、电磁转矩会出现二倍频波动、会产生较大的瞬时有功、无功功率波动,并且二倍频分量的存在将会严重影响DFIG风电系统的运行性能并降低整个并网系统的运转稳定性。同时仿真结果和解析结果高度吻合,显示由本文建立的DFIG单相接地故障数学模型和解析表达式可以准确呈现单相接地故障的瞬态特性,说明了本文单相接地故障瞬态特性分析的准确性。参考文献[1]MORRENJ,SJOERDWH.Ridethroughofwindturbineswithdoubly・fedinductiongeneratorduringavoltagedip[J].IEEETransactionsonEnergyConversion,2005,20(2):435-441.—[2]XIEBing,FOXB,FLYNND.StudyoffaultridethroughforDFIGwindturbines[C】//IEEEInternationalConferenceonElectricUtilityDeregulationRestructuringandPowerTechnologies,HongKong,China,2004.[3]ABBEYC,JOOSGEffectoflowvoltageridethrough(LVRT)characteristiconvoltagestability[J].IEEE—TransactionsonIndustryApplications,2005,41(3):17.E4]张兴,张龙云,杨淑英,等.风力发电低电压穿越技术综述[J].电力系统及其自动化学报,2008,20(2):—128130.ZHANGXing,ZHANGLongyun,YANGShuying,eta1.Overviewofwindpowerlowvoltageridethroughtechnology[J].ProceedingsoftheCSU-EPSA,2008,—20(2):128130.E5]马春明,解大,张延迟.双馈感应式风力发电系统低电压穿越技术概述[J].电气传动,2012,42(5):3-7.MAChunming,XIEDa,ZHANGYanchi.OverviewofDFIGsystemlowvoltageridethroughtechnology[J].ElectricDrive,2012,42(5):3-7.[6]贺益康,胡家兵.双馈异步风力发电机并网运行中的几个热点问题[J].中国电机工程学报,2012,32(27):—ll5.HEYikang,HUJiabing.SomehotissuesofDFIGconnectedtothegridduringoperation[J].ProceedingsoftheCSEE,2012,32(27):1-15.[7]钱艳平,朱立贵.电源不对称对双馈风力发电机故障诊断的影响[J].可再生能源,2012,30(11):36.40.QIANYanping,ZHULigui.InfluenceofpowerasymmetryonDFIGfaultdiagnosis[J].Renewable—Energy,2012,30(11):3640.[8]张禄,金新民,战亮宇.电网电压不对称跌落下双馈风电机组转子电压分析[J】.电力系统自动化,2012,—36(14):136141.ZHANGLu,JINXinmin,ZHANLiangyu.AnalysisofDFIGrotorvoltageunderasymmetricgridvoltagedrop[J].AutomationofElectricPowerSystems,2012,—36(14):136141.[9]孟岩峰,胡书举,王玲玲,等.电网故障条件下双馈机组运行特性分析及其协调控制[J].电力系统保护与控制,2013,41(8):106-113.MENGYanfeng,HUShuju,WANGLingling,eta1.OperationcharacteristicsanalysisandcoordinatedcontrolofDFIGunderpowergridfault[J].PowerSystem—ProtectionandControl,2013,41(8):106113.[10]胡胜,林新春,康勇,等.一种双馈风力发电机在电网电压不平衡条件下的改进控制策略[J】.电工技术学报,2011,26(7):21-29.HUSheng,LINXinchun,KANGYong,eta1.AnimprovementcontrolstrategyofDFIGunderunbalancedgridvoltage[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2011,26(7):21-29.[11]郑涛,魏占明,李娟,等.计及撬棒保护的双馈风电机组不对称短路电流特性分析[J].电力系统保护与控制,2014,42(2):7-12.ZHENGTao,WEIZhanming,LIJuan,eta1.AnalysisofDFIGasymmetricshort-circuitcurrentcharacteristicscontaincrowbarprotection[J].PowerSystemProtectionandControl,2014,42(2):7-12.[12]廖勇,吴兴旺,刘刃.电网不平衡时双馈感应发电机定子负序和谐波电流抑制方法『J】.电力系统自动化,2013.37(19):26-32.LIAOYong,WUXingwang,LIURen.ThestatornegativesequenceandharmoniccurrentsuppressionmethodofDFIGunderunbalancedvoltage[J]AutomationofElectricPowerSystems,2013,37(19):26.32.[13]李辉,廖勇,姚骏,等.不对称电网故障下双馈风电机组低电压穿越方案比较研究[J].重庆大学学报,2011,34(11、:77-86.沈浩然,等双馈异步发电机单相接地故障瞬态特性研究LIHui,LIAOYong,YAOJun,eta1.ComparativestudyontheschemeofDFIGLVRTunderunbalancedgridfault[J].JournalofChongqingUniversity,2011,34(11):7.86.[14]尹涛,王熠,聂广和,等.不对称故障下双馈感应电机低电压穿越特性研究[J].电力系统自动化,2013,3O(5):31.34.YINTao,WANGYi,NIEGuanghe,eta1.StudyofthecharacteristicsofDF1GLVRTunderunbalancedfault[J].AutomationofElectricPowerSystems,2013,30(5):31.34.[15]栗然,李增辉,王义贺,等.电网短路故障下DFIG的电磁特性研究[J].电力系统保护与控制,2013,41(10):13.19.LIRan,LIZenghui,WANGYihe,eta1.StudyontheelectromagneticcharacteristicsofDFIGundergridfault[J].PowerSystemProtectionandControl,2013,41(10):13-19.[16]MORRENJ,DEHAANSWH.Shoa.circuitcurrentofwindturbineswithdoublyfedinductiongenerator[J].IEEETransactionsonEnergyConversion,2007,22(1):174.180.[17]张建华,陈星莺,刘皓明,等.双馈风力发电机三相短路分析及短路器最大电阻整定【J].电力自动化设备,2009,29(4):6-l0.ZHANGJianhua,CHENGXingying,LIUHaoming,etalAnalysisofDFIGthree-phaseshortandthemaximumresistancesettingofcircuitbreaker[J].ElectricPowerAutomationEquipmem,2009,29(4):6-10.[18]张建华,王健,陈星莺,等.双馈风机低电压穿越控制策略的分析与研究[J].电力系统保护与控制,2011,39(21):28-33.[19][20][21]ZHANGJianhua,WANGJian,CHENXingying,eta1.AnalysisandresearchonLVRTcontrolstrategyofDFIG[J].PowerSystemProtectionandControl,2011,39(211:28-33.陈思哲,吴捷,柳明.双馈感应风力发电系统低电压穿越控制[J].太阳能学报,2009,30(11):1528-1534.CHENSizhe,WUJie,LIUMing.TheLVRTcontrolofDFIGsystem[J].JournalofSolarEnergy,2009,30(11):1528.1534.王健,张建华,辛付龙.双馈电机电压跌落暂态过程分析[J】.大电机技术,2012(3):13.16.WANGJian,ZHANGJianhua,XINFulong.TransientanalysisofDFIGundervoltagedrop[J].LargeElectricMachine.2012(3):13-16.王宏胜,章玮,胡家兵,等.电网电压不对称故障条件下DFIG, 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