（电力系统及其自动化专业论文）风力发电机暂态特性及其对继电保护的影响研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文风力发电机暂态特性及其对继电保护 的影响研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盘室! 堑 日期：塑王兰：! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：蕉坠聊躲竖 日期：兰! ! ! 型 日 华北电力大学硕十学位论文 1 1 课题背景和意义 1 1 1 风力发电的发展 第一章绪论 能源危机及环境问题的日益突出，使人类认识到开发可再生新能源是可持续发展的 必由之路。目前，各种新再生能源的开发中，风力发电最具潜力；随着发电成本的逐渐 降低和技术上的日趋成熟，风力发电逐渐形成了一个新兴产业，成为电力系统结构中相 对增长速度最快的新能源发电方式：目前，风力发电以3 0 的增长速度位居各类新能源 发电方式之首，倍受世人青睐。国际能源专家预言：2 1 世纪是风力发电的世纪；风力发 电给人类解决能源和环境问题带来了新的希望。 据欧洲风能协会最近发表的一项国际能源研究报告称，至1 1 2 0 2 0 年全球风力发电装机 容量将达至l j l 2 3 1 亿k w ，占发电总量的1 2 ，并在全球范围内减少1 0 0 多亿吨二氧化碳废 气1 。表1 1 给出了至2 0 0 5 年底世界上风力发电装机容量前1 0 位的国家1 2 1 。 表1 1 至2 0 0 5 年底风电装机容量前十位国家( 单位：m w ) 名次 1 234567891 0 国家 德国 西班牙美国印度丹麦意大利英国中国 荷兰日本 装机容量 1 8 4 2 81 0 0 2 79 1 4 94 4 3 03 1 2 81 7 1 71 3 5 31 2 6 01 2 1 91 0 4 0 就国外来说，欧洲风力发电的发展速度最快：2 0 0 4 年底装机总容量已达3 1 6 1 6 m w ， 预计1 5 年后欧洲一半的人口将会使用风电。其中以德国的风电发展最为领先，在近期德 国的风电发展长远规划中指出：n 2 0 5 0 年将实现风电量占总用量的5 0 p 】。另外，丹麦 的风电已经可以满足全国1 8 的用电需求；法国也在制定风力发电的长远发展规划。在 美洲，美国已有超过1 7 万台风力发电机在运转，预计2 0 5 0 年风力发电量将占美国发电总 量的1 0 4 1 。在亚洲，近年来风力发电也发展迅速；以印度为例，截至2 0 0 5 年底，印度 风电装机容量约为中国的3 5 倍，成为世界第四大风电国家。 就国内来说，我国是一个风力资源非常丰富的国家，实际可开发风能储量达2 5 3 亿 k 一5 1 。我国风力发电的发展始于2 0 世纪8 0 年代，由于装机容量较小，虽然近年来以年均 2 0 的速度递增，但其容量仍只占全国电力总容量的0 1 5 6 1 ，远来形成有规模效益的产 业，大型风力机组的制造水平和控制技术与国外相比还有较大差距，风力发电尚处于起 步阶段。国家发改委已将风力发电确定为重点发展的可再生能源之一，根据规划，2 0 2 0 年中国风电装机容量将达到3 0 0 0 0 m w t 4 】；发改委在2 0 0 4 年发布公告，决定在2 0 0 5 - , - 2 0 0 7 年期间实施可再生能源和新能源技术产业化专项，其中包括1 5 m w 变速恒频风力发电机 华北电力大学硕士学位论文 组和1 2 m w 直接驱动永磁式风力发电机组的产业化同。可以预见，风力发电在我国的发 展前景十分广阔。 1 1 2 风力发电的并网问题 风力发电有独立和并网两种运行方式，并网运行是大规模利用风能资源的最为 经济的方式。目前风力发电机单机容量已超过3 6 m w 钔，既可以发电机单独并网， 又可以由多台发电机按照地形和主风向排成阵列，组成风电场并网。 随着风力发电容量越来越大，风力发电并网的影响己成为重要的研究课题：首 先，风力发电的并网打破了配电网的辐射形结构，使得潮流及故障电流的大小和流 向均发生了变化，配电网的运行和管理变得更加复杂；其次，风能具有很高的随机 性，因而风力机的输出功率不能像常规发电厂那样保持恒定，进而引发一系列问题， 诸如频率波动、电压闪变、谐波污染等；最后，风力发电机并网可能会对系统的功 角、频率以及电压稳定性产生不利影响。如何合理地在理论分析的基础上解决这些问 题，以保证风力发电并网的安全可靠运行，是目前应该着手进行研究的重要问题。 过去，风力发电在总发电量中所占的比重很小，系统不依赖于其出力，电网故障情 况下的主要问题在于保护发电机自身；电网发生故障时，大多数国家的并网标准都采用 瞬时低电压保护将风力发电机切除【9 】，这样也避免了风力发电机暂态过程对电网电压和 保护动作构成的影响。随着风力发电机并网容量的增大和电压等级的提高，为了保证系 统运行的稳定性和可靠性，大型风力场显然不应该采用传统的故障切除策略：风力发电 机在系统故障时应保持接于系统，经受故障引起的暂态扰动，并实现对系统电压和频率 的支撑【钆1 l 】。也就是说，要求风力场在系统中发挥的作用类似于传统的发电厂。 在这种背景下，风力场的并网标准也在发生着变化。最近德国制定的并网标准就一 改过去电网故障时将风力场瞬时切除的做法，而是根据风力场电压跌落程度决定其切除 时间，以减小对系统的影响。标准中规定的切机特性曲线如图1 1 所示 i ”。 图1 - 1 德国风力场并网新标准 2 华北电力大学硕十学位论文 该标准规定，当电压的跌落程度低于实线时将风力场从系统切除，切除时间与机端 电压跌落的程度及持续时间均有关系；当电压落在阴影区域时，风力场应向系统提供无 功功率支持。其它国家如瑞典也制定了类似的标准，这种切除策略显然代表了风力场并 网标准的发展趋势，即在风力机大量渗透到电网中的背景下，出于电网可靠性和稳定性 的考虑，要求电网故障后尽可能不切除风力机。要满足上述要求，一方面要求风力机的 暂态特性不断改善，解决其暂态过程中存在的问题，具备足够的故障经受能力【l3 】；另一 方面要求电网的故障控制措施，如继电保护等与之配合。 上述研究开展的前提是对电网故障后风力发电机的暂态特性必须有足够的清晰的 认识，这正是本文研究的主要问题。研究目的在于明确电网故障后风力发电机故障经受 能力如何，存在的主要问题及其产生机理，可以考虑从哪些方面着手来解决这些问题； 风力发电机的故障电流对电网继电保护会产生怎样的影响，出于风力发电机自身安全和 稳定性的考虑，对电网继电保护有怎样的要求。 1 2 研究现状 本节首先对两种应用最为广泛的风力发电机，鼠笼机和双馈机的应用现状进行 简要的说明，然后分别介绍两种发电机暂态特性问题的研究现状。 1 2 1 风力发电技术发展现状 目前，世界上流行的风力发电技术大体上可分为恒速恒频和变速恒频两类【1 4 】。 恒速恒频系统技术不论风速如何变化，都保持恒定的风力机转速( 同步速附近) 以 实现发电频率的恒定。恒速恒频发电方式中，最常用的发电机是鼠笼机。该系统具 有结构简单。投资小，运行维护方便等优点。其缺点是不能实现最大风能捕获，风 能转换效率不高；无功功率不可控因此不能凋节系统电搓；风速的变化可能引起系 统频率波动，最大可达1 0 h z ，存在诱发闪烁的危险i l “。 变速恒频风力发电技术是2 0 世纪末发展起来的一种新型发电技术，它将电力电 子技术、矢量控制技术和微机信息处理技术引入到发电机的控制中，从而获得了一 种全新的、高质量的电能获取方式。变速恒频技术是指在风力发电的过程中，发电 机的转速可以随风速变化而变化，然后通过适当的控制措施使其发出的电能变为与 电网同频率的电能送入电力系统。变速恒频发电方式中，最常用的发电机是双馈机。 变速恒频风力发电系统的优点非常突出，首先风力机可以最大限度地捕获风能，因 而发电量较恒速恒频风力发电机大；其次转速运行范围较宽，实际中可在同步速 3 0 的范围内运行，从而适应因风速变化而引起的风力机转速的变化；再次双馈机 可采用一定的控制策略灵活调节系统的有功功率和无功功率；最后可以抑制谐波， 减小运行噪声和系统损耗，提高系统效率( 8 j 。由于这些优点，变速恒频风电技术在 大型风力发电中得到了普遍的应用。 3 华北电力大学硕士学位论文 从理论上来说，变速恒频技术是最为理想的风力发电技术，世界各国新投运的 风力发电机绝大部分为双馈机，因此有关双馈机的研究是目前风力发电的一个热 点。但有关鼠笼机的研究并不会因此而停止，原因如下：首先，双馈机真正取代鼠 笼机尚需时日，如在英国，陆地上实际运行中的风力发电机绝大部分还是鼠笼机【1 6 1 ； 其次，双馈机必然会成为风力发电机的主流，但不会完全取代鼠笼机，由于经济性 等原因，6 0 0 k w 以下的小型风力机主要还是采用鼠笼机，此外，变速恒频发电技术如 果采用风力机定子通过变流器并网方式，采用的发电机多数还是鼠笼机1 1 7 】；再次，双 馈机实质上是一种在转子回路中引入可控电源的绕线机，绕线机和鼠笼机均属异步 电机，二者在工作原理上是类似的，有关鼠笼机的研究可作为双馈机研究的基础。 本文研究的重点是鼠笼机和双馈机这两种最具代表性的风力发电机的暂态特性，该 问题是近年来风力发电研究领域的一个重要分支，国内外科技工作者就这个问题开展了 大量的研究工作，也取得了一些成果。下面分别就这两种风力发电机暂态特性的研究现 状进行简要的论述。 1 2 2 鼠笼机暂态特性研究现状 鼠笼发电机和电动机的结构、工作原理基本相同，只是运行方式和条件不同，由于 鼠笼电动机在工业中得到广泛的应用，相关理论的研究也已经很成熟，这些研究成果可 以借鉴到鼠笼发电机的研究中。当然由于运行条件不同，二者还是有差别的，如鼠笼发 电机存在鼠笼电动机不存在的暂态稳定问题，从理论上分析和研究这些问题有助于风力 发电技术的发展和完善。 暂态特性方面，文献 1 3 1 通过仿真得到了故障后鼠笼发电机的转速、电压、电流波 形和极限切除时间；文献 1 8 1 忽略了定子和转子绕组的电磁暂态过程，利用电磁转矩 滑差特性曲线从原理上分析了鼠笼发电机的暂态稳定问题；文献 1 9 1 利用鼠笼发电机的 砌模型和电磁转矩滑差特性曲线详细分析了暂态稳定问题，并讨论了极限切除时间的 计算；文献【2 0 】建立了鼠笼发电机的由模型，仿真得到了并网运行时发电机的暂态行为 并对其进行了分析；文献 2 1 1 详细讨论了使用风力发电系统集中模型和轴模型对估计极 限切除时间的影响；文献 2 2 1 忽略了故障后的电磁暂态过程，给出了极限切除时间的估 算方法，计算中用的是风力发电系统轴模型。综上所述，各文献在鼠笼机暂态稳定问题 的机理方面分析基本一致，也有部分文献就其失稳后的物理现象进行了仿真，但就这些 现象的原因分析方面的研究开展相对较少。 故障电流方面，文献【2 3 】利用砌模型讨论了三相短路情况下鼠笼发电机的暂态电 流；文献 2 4 】利用由模型仿真得到了对称和不对称短路情况下自激鼠笼发电机的动态 特性；文献 2 5 1 利用拉普拉斯运算电路得到了突然三相短路时鼠笼电机故障电流的表达 式；文献【2 6 】指出鼠笼机仅在故障后数个周波的次暂态过程提供短路电流；文献 2 7 1 指 出三相短路情况下鼠笼机的故障电流仅限于次暂态过程，不对称短路情况下则可能会持 4 华北电力大学硕+ 学位论文 续提供故障电流。综合以上分析，各文献对鼠笼机故障电流的研究具有仿真居多，实用 计算和分析相对较少的特点。 1 2 3 双馈机暂态特性研究现状 双馈机是风力发电领域的一个研究热点，国内外均进行了很多研究，发表了大量文 献。其中大部分是关于双馈发电机稳态特性的研究，对双馈发电机并网暂态特性的研究 相对较少。下面对已取得的成果进行简要介绍。 暂态特性方面，文献【l o 仿真和分析了双馈机矢量控制系统p i 参数对其暂态特性的 影响，指出比例增益对系统的稳定性有很大影响，而积分常数无显著影响；文献 1 2 】对 电网故障时双馈机的各运行量的变化进行了仿真和分析，并提出了一种在转子回路中并 联旁路电阻来改善其暂态特性的方法；文献 2 8 】对鼠笼机和双馈机的模型及其在故障暂 态研究中的应用进行了介绍和比较；文献 1 6 】【2 9 】对电网故障情况下鼠笼和双馈两种风 力发电机的暂态响应进行了比较，指出双馈机的故障经受能力要优于鼠笼机，并说明了 其根本原因是因为双馈机具有快速控制电磁转矩和无功功率的能力；文献【3 0 】给出了故 障后双馈机除电流外其它主要运行参量暂态行为的仿真结果，并进行了较为详细的分 析；文献【3 l 】在 3 0 l 的基础上提出了一种故障后采取紧急桨距控制以改善双馈机暂态响 应特性的方法。总体来说，各文献对双馈机暂态特性的研究以仿真居多，就仿真结果， 如功率关系等展开进行详尽分析的文献并不多见。 故障电流方面，文献 1 0 】指出故障后双馈机的定子和转子电流变化规律非常相似， 并通过仿真得到了控制系统参数对故障电流动态响应的影响；文献【3 2 】对故障后双馈机 的定子和转子电流进行了仿真和分析，并与实测电流波形进行了比较；文献 3 3 】对有无 撬棒保护两种情况下双馈机的故障电流波形进行了仿真和对比；文献 3 4 】通过仿真和试 验，给出了电网故障时双馈机的定子和转子电流的波形，对其变化机理进行了分析，并 提出了一种故障情况下双馈机的紧急控制策略。综合比较各文献，由于各文献采取的双 馈机系统模型和控制方式不同，仿真结果不太一致，有时甚至有很大的差别。 1 3 本文的主要工作 研究电网发生故障时，风力发电机的暂态特性是解决目前风力发电机并网运行问题 的基础，对于保证风力场、特别是大容量风力场并网的安全可靠运行具有非常重要的意 义。本文在现有研究的基础上，对应用最为广泛的两种风力发电机，即鼠笼机和双馈机 在电网发生故障情况下的暂态响应特性进行了系统的探讨，目的在于明确两种发电机的 故障经受能力如何，暂态过程中存在的主要问题及其原因，可以从哪些方面入手去解决 这些问题，风力发电机对电网继电保护会产生怎样的影响。全文主要工作总结如下： 1 建立了鼠笼机的砌模型，分析了鼠笼机暂态稳定问题的机理，讨论了极限切 除滑差和极限切除时间的计算，对发电机失去稳定后的各种物理现象给出了解释，分析 5 华北电力大学硕十学位论文 了各种因素对鼠笼机暂态稳定性的影响，最后提出了故障后减小鼠笼机失稳切除几率的 若干措施。 2 分析了鼠笼机定子故障电流的构成和各分量衰减时间常数的计算，讨论了鼠笼 机序阻抗的计算和对称分量法在鼠笼机故障电流计算中的应用，给出了三相短路情况下 鼠笼发电机定子全电流的表达式。 3 建立了双馈机的面模型，在对双馈机的工作原理进行分析的基础上利用 p s c a d 程序建立了双馈机发电系统的模型，仿真和分析了电网故障情况下双馈发电机 的暂态特性，对各物理参量的暂态响应进行了详细的讨论和分析。 4 结合仿真结果，分析了双馈机定子和转子故障电流的响应特性，说明了转子变 流器过电流和直流电容过电压是双馈机暂态过程中存在的主要问题，并提出了若干解决 该问题的思路，最后就鼠笼机和双馈机两种发电机的暂态特性进行了分析和比较。 5 结合风力发电机故障电流的特点，分析了风力发电机并网对电网继电保护产生 的影响；结合实例，就鼠笼机对配电网保护灵敏度的影响进行了详细的仿真和分析。 6 华北电力大学硕十学位论文 第二章鼠笼机暂态特性研究 由于结构简单、投资小、运行维护方便等原因，鼠笼发电机在恒速恒频风力发 电方式中得到了广泛的应用，当前还有大量的鼠笼机风电场在实际运行中。本章主 要讨论电网发生故障时鼠笼发电机的暂态特性。 2 1 鼠笼机暂态稳定分析 2 1 1 鼠笼机的数学模型 鼠笼机结构上具有如下特点： 1 定子与同步电机定子结构完全相同。 2 气隙均匀，转子结构对称。 3 没有专门的励磁绕组，转子绕组相当于同步电机的阻尼绕组。 由于鼠笼机没有专门的励磁绕组，且d 轴和q 轴的阻抗是完全相等的， 模型比同步发电机要简单许多。其砌方程如下： 绕组电压方程 甜。= p g 甜一q 吵+ r i i , d t q = p v q + c 0 1 9 z i d + r i i q 0 = p g z d + r r i m 0 = p g 。+ r ，0 所以其由 ( 2 1 ) 其中下标为s 的表示定子量，下标为r 的表示转子量，下标为1 的表示电网量。 绕组磁链方程 v 日= l 4 l 。a d + l m i , d 毕q 2 l j q + l m11(2-2) y d = 如+ l 。i , d 矿。= l ，i d + l m i , q 其中表示激磁电感。 电磁转矩方程 乙= l mo 耐l 。s q i , v l s d ) ( 2 3 ) 转子运动方程 一乃篆= l l d m ,口f 其中乃表示惯性时间常数，d 表示阻尼系数。 以上1 0 个方程联立求解可精确描述鼠笼发电机的全部动态行为， 转速不再保持恒定，这是一个非线性微分方程组。 7 ( 2 4 ) 由于故障后转子 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 鼠笼机的运行特性 鼠笼机的等值电路如图2 1 所示。 图2 - 1 鼠笼机等值电路 其中j 【为激磁电抗，咫。墨为定子漏阻抗，r , + j x r 为转子漏阻抗，o - s ) r ，s 对应 转予轴功率。 鼠笼机电磁转矩关于滑差的特性方程如下 t ：墨： q u j r ? 其中疋= 1 + x s x r n 为校正系数。 进而可以得到鼠笼机的电磁转矩滑差特性曲线如图2 - 2 所示。 图2 - 2 鼠笼机电磁转矩滑差特性曲线 ( 2 - 5 ) 图中只给出了鼠笼机作为发电机运行( j o ) 时的情况，这时电磁转矩为负值，表 示电机发出有功功率。 2 1 3 鼠笼机暂态稳定分析 鼠笼发电机的暂态稳定问题可以用电磁转矩一滑差特性曲线结合转子运动方程来分 析 1 8 , 1 9 】。为简化分析，假设整个过程输入机械转矩不变。如图2 3 所示，设故障前鼠笼 发电机稳定运行于曲线a 上的a 点，滑差为s a ，故障后电磁转矩减小，输入机械转矩产 生的过剩转矩导致发电机转子加速，滑差j 在数值上开始增大。 8 华北电力大学硕十学位论文 图2 3 鼠笼发电机暂态稳定性分析 故障消失后，机端电压恢复，设这时发电机的滑差为如，由于电磁转矩大于输入机 械转矩，转子开始减速，滑差s 在数值上开始减小，从b 点沿着曲线a 回到a 点，机械 转矩和电磁转矩平衡，但由于惯性转子继续减速越过a 点，机械转矩大于电磁转矩，转 子又开始加速，最终经过一系列振荡稳定在原来的运行点a 。 如果故障持续时间过长，假设故障消失后发电机的滑差为跗，则由于输入机械转矩 大于电磁转矩，转子将持续一直加速，发电机失去稳定。这时机端电压也有一个近似稳 定的值，该值小于故障前的电压( 原因在下一节讨论) ，对应图2 3 的特性曲线b ，所以 失去稳定后鼠笼发电机的实际运行轨迹为从d 点开始沿曲线b 上滑差s 在数值上增大的 方向一直移动。 基于以上分析，c 点对应的滑差为故障后保持鼠笼发电机恢复稳定运行的最大滑差， 称为极限切除滑差，对应切除时间为极限切除时间z k 。值得注意的是，只要故障前 发电机的运行条件一定，$ c c 就是一个确定的值，不因故障具体情况( 故障类型、故障位 置、过渡电阻等) 的不同而发生改变；故障的具体情况只影响z k 的大小。 图2 3 中表示鼠笼发电机静态稳定运行的最大滑差，显然s m 数值上小于；在 暂态过程中发电机的滑差数值上可以越过而恢复稳定运行。 下面讨论$ c c 和的计算。j 。计算如下：将故障前鼠笼发电机的机械转矩代入 式( 2 5 ) ，求得方程的两个根，数值上较小的根对应故障前稳定运行滑差s o ，数值上较大 的根即对应。 利用数值解法求解鼠笼发电机的砌坐标方程可精确求得丁矗，这里只讨论其近似计 算。考虑到故障后电磁转矩和阻尼的作用，且鼠笼发电机的电磁暂态过程往往衰减很快， 将式( 2 5 ) 右边用 表示，则微分方程变为代数方程，有 r ：! ! 鱼二! 些2但6 1 “ k 。l 9 华北电力大学硕士学侮论文 其中 o = l 为校正系数；故障越严重，如越接近于l 。 由以上分析还可以知道，在鼠笼发电机特性曲线一定的情况下，故障前正常工况下 其滑差在数值上越小，对故障后发电机保持稳定越有利；但意味着发电利用率也越低。 2 1 4 鼠笼机失稳分析 对鼠笼发电机失稳后的各种物理现象及其原因进行系统分析的相关文献较少；为了 对鼠笼机暂态稳定问题有更清晰的认识，下面对其失稳后的各种物理现象进行探讨。 根据前面的分析可以知道，鼠笼发电机失去稳定后有功功率和电磁转矩会逐渐衰减 到0 ，这从转矩滑差特性曲线很容易得到解释；鼠笼发电机失去稳定后最值得注意的现 象是电机将从系统吸收很大的感性无功，相应的定子电流也很大，当然该电流基本上为 无功分量r 丌。下面从鼠笼机的等值电路出发，对这个问题进行分析。 根据图2 1 ，可以得到定子侧看进去的鼠笼机等值阻抗的表达式为 z ：r + i x + - 丛巡出2 |,rris + j ( x 。+ xr ) = c 尺，+ i i r 蒜，+ 置+ 2 二羹；j ：! ! ：；：薯乏j ；譬j 。 可以看到，等值阻抗会随滑差的大小发生变化；虽然从等效电路看，滑差的大小只 影响转子电阻的数值，但对机端等值阻抗的电阻和电抗部分的大小都会构成影响。根据 式2 7 ，分别做出鼠笼机机端等值电阻、电抗和阻抗模值大小随滑差变化的特性曲线如 图2 ，4 。 ( a ) s 0 可以看出，鼠笼机的机端等值阻抗具有如下特点： 1 电抗和阻抗模值均随滑差数值的增大而单调减小；而电阻随滑差数值的增大先 增大后减小，这与鼠笼机的电磁转矩一滑差特性是一致的。 2 s 0 时，鼠笼机运行于发电状态，此时对应的等值电阻小于0 ，表示鼠笼机从 系统吸收有功功率。 l o 华北电力大学硕士学位论文 3 无论鼠笼机的滑差无论大于0 还是小于0 ，数值上大到一定程度以后，三条阻抗 一滑差特性曲线均近似为直线，这时可以认为鼠笼机的阻抗不随滑差变化而发生变化。 值得注意的是，这时鼠笼机的等值电阻近似为0 ，而等值电抗和等值阻抗曲线趋于重合， 这表明鼠笼机的滑差增大到一定程度以后，其模型可近似认为是不随滑差大小发生变化 的恒定电抗。 这就解释了鼠笼机失去稳定后会从系统吸收大量感性无功的原因，而且可以知道， 无功功率、定予电流和机端电压在滑差增大到一定程度后近似保持恒定，不随滑差的变 化而发生变化。 从图2 1 所示的鼠笼机等值电路分析上面的结论，可以知道，这时随滑差数值的增 大，转子回路等值电阻不断减小，直至可以忽略的数值，再进一步忽略定子电阻，鼠笼 机的等值电路近似为恒定电抗 厶= 置+ 等 ( 2 - 8 ) 1 _ r 该电抗实际上就是鼠笼机的次暂态电抗p 习。 2 1 5 算例仿真 2 1 5 1 算例 仿真中用到的工具为p s c a d 。 网络接线如图2 5 所示。 鼠笼机 1 1 k v 图2 - 5 网络接线 假设系统为无限大，线路参数如下： r + j x = o 2 4 2 + j 0 3 6 5 ( d k m ) ，l2 2 k m 鼠笼发电机的参数如下： 风。墨= o 0 4 6 5 + j o 2 9 5 ，r r + j x r = 0 0 2 + j o 1 2 ，j 乙= 3 5 ，t j = 1 2 s ，l ，= 1 0 k v ，s n 2 2 m v a 其中所有电阻和电抗均为以鼠笼机自身额定值为基值的标幺值。 故障前稳态运行滑差s o = - 0 0 1 2 7 ，有功出力p = 0 9 5 7 m w 。 整个过程假设输入机械转矩不变。故障发生时刻为2 s 。故障设为对于发电机保 持稳定最不利的情形：机端发生三相金属性短路，仿真得到该情况下z = 3 2 0 m s 。 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 6 所示为故障持续l o o m s 后消失鼠笼机恢复稳定运行和故障持续5 0 0 m s 后消失 鼠笼机失稳两种情况下的仿真结果。 0 0 0 嚣 脚 _ 0 - 0 j l 】i 契 正 糌 雷 督 缸 “s ) 5 0 0 霉。 御 _ 0 0 t ( s ) i 竺0 墩 辩 嚣， a 槲 嚣 嚣 献 u 2 2 532 5 t ( s ) ( a ) 故障后恢复稳定运行 3 幽 删 薅 毒 稠一10椭享蕊l： 华北电力大学硕十学位论文 i r k 二 t ( s ) ( b ) 故障后失去稳定 图2 - 6 仿真结果 2 ，1 5 2 仿真结果分析 对图2 - 6 所示的仿真结果分析如下： 1 由于鼠笼机没有独立的励磁绕组，只有一套短路的转子绕组，故障后的暂态行 为只有一个，文献【2 5 】将其定义为暂态过程，文献【3 5 】将其定义为次暂态过程。由于鼠 笼机转子绕组的暂态行为从物理本质上与同步电机的次暂态过程类似，本文沿用了文献 【3 5 的提法，将其定义为次暂态过程。故障后鼠笼机的次暂态电势和定子电流会迅速衰 减为0 ；但次暂态电势在故障前后不会发生突变，在短路的定子绕组中将产生很大的电 流，对应产生一个很大的暂态电磁转矩，所以故障后鼠笼发电机的转速表现为先减小又 迅速增大，这种现象在同步发电机中称为反冲3 6 】。而输出有功功率取决于机端电压，不 存在这样一个暂态过程。与此相对应，在故障消失后瞬间，机端电压恢复而鼠笼机电势 不能由0 突变，电机会从电网吸收有功功率，电势恢复以后才开始向电网送出功率。 2 鼠笼发电机用电磁转矩滑差特性曲线分析暂态稳定问题，与同步发电机用功角 特性曲线分析暂态稳定问题相类似。二者有一个显著的区别是鼠笼发电机分析用的物理 量是滑差、相当于转速，同步发电机用的是功角；功角数值上等于转速的积分，所以暂 态过程中同步发电机以功角表现出来的振荡与鼠笼发电机以滑差表现出来的振荡相比 要显著很多。 1 3 oj_最辛毒挺曾 华北电力大学硕士学位论文 3 鼠笼发电机失去稳定后会从系统吸收大量感性无功功率，定子电流相应很大； 无功功率、定子电流和机端电压在滑差数值上增大到一定程度后近似保持恒定，不随滑 差的不断增大而发生变化。 综合以上分析，在假设输入机械转矩不变的条件下，影响鼠笼发电机暂态稳定的因 素可归结到两个方面： 1 故障后滑差数值上增大越慢，对鼠笼发电机保持稳定越有利。根据转子运动方 程，影响滑差增大快慢的因素又包括机械和电磁两个方面：转子惯性时间常数越大，滑 差增大越慢；故障后可送出的电磁功率越多，滑差增大越慢。 2 故障后机端电压越容易恢复，对鼠笼发电机保持稳定越有利。如机端并联电容 器，同步调相机等均可显著提高鼠笼机运行的稳定性【3 7 】。 2 1 6 小结 鼠笼式风力发电机在系统发生故障时的主要问题在于其暂态稳定问题，本节对该问 题进行了详尽的分析，仿真得到了鼠笼发电机典型运行条件下的极限切除时间。从仿真 结果可以知道，现有配电网继电保护从速动性上很难保证故障后鼠笼机恢复稳定运行， 这是现有风力场并网标准中一般要求故障后瞬时切除鼠笼式风力发电机的重要原因之 一。可以考虑从以下几方面减少电网故障后鼠笼发电机失稳切除的几率： 1 研究面向满足风力场并网需求的快速可靠的配电网保护新原理。 2 鼠笼发电机容易发生失稳的根本原因是其无功控制能力差，可以从其改善无功 控制性能的方面考虑提高鼠笼机的暂态稳定性，如机端并联电容器、同步调相机、电力 电子无功补偿设备等。 3 从稳定运行的角度考虑提高鼠笼机暂态稳定性，如尽可能在数值上减小其稳态 运行滑差等。 4 研究更加灵活可靠的鼠笼发电机切除策略。现有的并网标准一般要求电网发生 故障后瞬时低电压保护动作切除鼠笼发电机，即使是远端瞬时性故障。可以考虑加入判 断模块，根据故障后鼠笼发电机的暂态稳定程度决定切除时间，从而尽可能减小其从电 网切除的几率。 2 2 鼠笼机故障电流分析与计算 2 2 1 鼠笼机故障电流衰减时间常数的计算 2 2 1 1 鼠笼机故障电流分析 求解鼠笼发电机的由坐标方程可以精确得到其故障电流，本节侧重从物理概念上 对鼠笼机故障电流的构成及其衰减时间常数的计算进行探讨。为简单起见，只讨论鼠笼 发电机机端发生三相短路的情况。 1 4 华北电力大学硕十学位论文 与分析同步电机突然短路一样，故障过程的分析可看成在鼠笼机短路位置突然接入 同短路前大小相等方向相反的电压。根据叠加定理，鼠笼机的电流为原来的稳态电流与 突加反向电压引起的增量电流之和。 从原理上来说，感性回路的电流不能发生突变，故障后定子电流和转子电流中必然 均包含一个衰减的直流分量；由于定子绕组和转子绕组问的相对运动，其中一个绕组的 直流分量在另一个绕组中感应交流分量，当然该交流分量也是衰减的。所以故障后定、 转子绕组均由衰减的直流分量和交流分量构成，这里主要分析定子电流：定子直流分量 的衰减规律主要取决于定子侧看进去的等值电路，定子交流分量的衰减规律主要取决于 转子侧看进去的等值电路。 故障后鼠笼机的滑差数值上不断增大，实际上这两个电流分量的衰减规律均与鼠 笼机的滑差变化有关系2 5 1 ；为简单起见，假设故障后鼠笼机的滑差保持不变，则可 认为定子故障电流由直流分量和基频分量两部分组成，且这两个电流的衰减规律可用衰 减时间常数来表示，可写出定子电流表达式如下 一上三- = l o er , o + i l e g os i n ( c o l t + 盯) ( 2 9 ) 需要说明的是，由于鼠笼机没有独立的励磁绕组，在机端发生三相短路的情况下， 定子电流直流分量和基频分量最终都将衰减为0 ；这是鼠笼机与同步机故障电流的重要 区别之一。 有关两个电流分量初值的计算将在下一节进行讨论，这里首先讨论定子电流直流分 量衰减时间常数和转子电流直流分量衰减时间常数的计算。 2 2 1 2 衰减时间常数的计算 首先来分析的计算。做出故障后定子侧看进去的等值电路如图2 7 。 图2 7 故障后定子侧等值电路 需要说明的是，稳态等值电路中转子等值电阻为b s ，这是由于转子绕组和定子绕 组的实际交流电流频率不同进行折算引起的；而对于故障后直流电流的分析来说，不存 在折算问题，转子回路电阻就是其实际值。 这是一个二阶电路，为简单起见，忽略转子电阻，则变为一阶电路，定子侧看进去 的等值电阻和电感分别表示如下 1 5 华北电力大学硕士学位论文 r 。= r ， 工。2 t + z l ：万m l , 由电路知识，可以得到定子电流直流分量衰减时问常数为 耻苦= 扣+ 稳 上式用电抗可表示为 耻鬲i ( 置+ 稳 ：旦 t o j 愿 其中x 为鼠笼机的次暂态电抗。 下面分析的计算。做出故障后转子侧看进去的等值电路如图2 - 8 。 心kb 图2 - 8 故障后转子侧等值电路 ( 2 一l o ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 可以看到定子侧与转子侧看进去的等值定路是互易的，忽略定子电阻，参考上面的 分析，可以得到转子电流直流分量衰减时问常数为 耻乏= 扣+ 兰， 上式用电抗可表示为 耻丽1 ( 即器) 2 2 1 3 算例验证 为了验证上面得到的衰减时问常数计算公式的正确性，下面将实例计算和p s c a d 仿真得到的结果进行对比。对于图2 - 5 所示的算例，将鼠笼机的参数代入式2 - 1 2 和2 - 1 4 ， 得到两个分量的衰减时间常数如下 。2 2 8 m s ( 2 - 1 5 ) l 霉o = 6 2 m s 华北电力大学硕十学位论文 由式2 - 9 ，故障后定子电流可表示如下 = 厶p - 3 55 4 1 7 + ，i e 一1 6 0 2 5 7 s i n ( t o l t + a ) ( 2 - 1 6 ) 图2 - 9 ( a ) 列出了图2 - 6 中所示仿真结果的鼠笼机定子故障电流其中a 相的波形，然 后通过傅立叶变换得到其直流分量和基频分量，以便于式2 1 6 的计算结果进行对比， 图2 - 9 ( b ) 、( c ) 分别给出了和的计算结果和仿真结果的对比。为了便于进行比较， 对各电流的幅值都进行了归一化处理，即各电流幅值的最大值均设为l 。 ( a ) 定子电流 ( b ) 定子电流直流分量( c ) 定子电流基频分量 图2 - 9 仿真结果与计算结果对比 由图可见，计算结果和仿真结果基本一致，由此验证了上面得到的定子故障电流直 流分量和基频分量的衰减时间常数计算公式的正确性。仿真结果同时也表明，对于故障 电流计算来说，故障后鼠笼机的滑差保持不变的假设引入的误差很小，在故障电流 的实用计算中这种假设是允许的。 2 2 2 对称分量法在鼠笼机故障电流计算中的应用 2 2 2 1 对称分量法的应用 准确计算鼠笼机故障电流基频分量的初值有很重要的理论和实际意义。本节讨论三 相短路情况下鼠笼机故障电流基频分量初值和用对称分量法计算两相短路情况下鼠笼 1 7 华北电力大学硕士学位论文 机故障电流基频分量初值的计算方法。 首先讨论鼠笼机序阻抗的确定。 正序电抗：鼠笼机的次暂态电抗显然与同步电机的q 轴方向是类似的，对应同步电 机次暂态电抗的表示，写出鼠笼机次暂态电抗如下 = 置+ 器 ( 2 - 1 7 ) 鼠笼机的正序电抗与起动电抗近似相等3 5 1 。 负序电抗：鼠笼机的转子以1 1 的速度正向旋转，而负序磁场以同步速反相旋转， 转子对负序磁通的差值为2 1 ，所以鼠笼机的负序参数按滑差2 1 来确定：设故障前鼠 笼机稳态运行滑差为s o ，将2 - s o 代入式2 7 即可得其负序参数。根据图2 - 4 ，在鼠笼机 滑差数值上大到一定程度后，其电抗参数可认为是相同的，所以可以用鼠笼机的起动电 抗0 = 1 ) 来代替负序电抗。 零序阻抗：鼠笼机通常采用中性点不接地方式，不讨论其零序参数的计算。 鼠笼发电机运行向量图如图2 1 0 所示。 图2 1 0 鼠笼发电机运行向量图 和同步电机类似，鼠笼机的次暂态电势在故障前后不发生突变，计算如下 g = u o 一o 石( 2 一1 8 ) 对于三相短路的故障电流来说，用上面的正序参数计算即可；对于两相短路，则可 根据上面提到的正序和负序参数结合对称分量法来计算。 2 2 2 2 算例 下面给出一个计算实例，网络接线如图2 1 1 。 鼠笼机 鼠笼发电机的参数同图2 5 。 图2 1 1 计算实例 1 8 华北电力大学硕+ 学位论文 故障前运行条件：u o = o 8 9 ，i o = o 6 6 4 ，s o = 一0 0 1 5 3 ，9 = 1 4 3 ，6 = 7 7 0 ，a r g ( u o ) = 0 0 ( a 相) 系统为无限大：e 产l ，墨= o 2 5 由式2 1 7 和2 7 ，可算得鼠笼机的正序、负序和起动电抗如下 f x = o 4 1 1 2 = 0 4 1 1 ( 2 一1 9 ) 【以= 0 4 1 1 由此可见用鼠笼机的起动电抗代替正序和负序电抗的合理性。 由式2 1 8 ，得到次暂态电势如下 爵= 0 7 2 5 8 + j 0 2 1 8 ( 2 2 0 ) 设故障总电流为易鼠笼机故障电流为如。三相短路情况下母和尼计算如下 圹巨+ 剖五s s 舛 l a = = 1 8 3 2 2 下面来讨论两相短路时的情况，这时正序网络如图2 一1 2 所示。 r 寸j x f j r , e ，o 图2 1 2 正序网络 故障总电流母计算如1 r 宣= 等粉= 0 8 8 1 9 - 皿o o s s z 1 = 黼= 0 0 0 6 6 + 以琊9 z ：盥亟丝；! ：0 0 0 7 9 + j 0 1 5 6 1 。 也+ ，( 爿，+ x g 2 ) ，r ；掣氅：4 8 9 0 8 。 i z l + z 2 l 应用叠加定理，如计算如下 1 9 伫一2 1 ) f 2 2 2 ) 华北电力大学硕士学位论文 i l = l e 十l 2 = 0 1 0 3 9 - _ ，2 8 2 1 8 瓦2 而意面t = 0 1 1 3 8 - 心9 z 厶z = 而i x x ， + x 。：) j ，2 = _ o 1 2 8 5 + _ ，1 。5 “ ( 2 - 2 3 ) j 0 = 一j o + 口2 j g l + 击g 2 = 一1 7 4 3 9 一j o 8 6 7 5 i g = 1 9 4 7 7 2 2 2 3 算例验证 利用p s c a d 对图2 1 1 所示网络进行鼠笼机机端三相和两相短路仿真，将仿真结果 中的定子故障电流进行傅立叶变换得到基频分量初值曩和尼，与上面的计算结果进行比 较，比较结果如表2 一l 所示。 表2 1 鼠笼机故障电流仿真与计算结果对比 故障类型 亏 站 仿真计算误差仿真计算误差 三相短路5 4 1 8 55 6 5 9 44 4 1 7 2 3 91 8 3 2 2 6 3 两相短路 4 7 5 2 8 4 8 9 0 82 9 1 8 0 3 51 9 4 7 7 7 9 可以看到，两种故障情况下四个电流的最大误差不超过8 ，由此说明了上述计算 方法和结果的正确性。 2 2 3 三相短路全电流表达式 结合前面两节三相短路故障电流初值的求取和衰减时间常数的计算，可以写出与同 步机类似的鼠笼机三相短路全电流表达式。由于三相对称，这里只给出其中a 相电流的 计算。 设故障前鼠笼机a 相电压表达式为 甜。= 以c o s ( ( - o i t + 口) ( 2 2 4 ) 并设t = 0 时刻发生故障，参考同步机三相短路故障全电流表达式”】，可写出鼠笼 机故障后a 相电流的近似表达式如下 t = 笔e i ts i n 口+ w 击一击) p 素s i n ( q ，+ 口) ( 2 - 2 5 ) 由式可见，鼠笼机故障电流中含直流分量和基频分量，其中直流分量的幅值与短路 时刻电压初相角有关，以时间常数衰减；基频分量与转子直流分量相对应，以时间 常数衰减。 华北电力大学硕十学位论文 将式2 2 5 所示的鼠笼机三相短路表达式和同步机三相短路表达式进行对比，可以 看到二者的不同之处在于： 1 由于鼠笼机的转子是对称的，因而故障电流中无二次谐波分量。 2 鼠笼机转予只有一套绕组，故障后的暂态过程只有一个。 3 鼠笼机没有单独的励磁绕组，定予短路情况下没有外部电源供给，因而其定子 短路电流最终将衰减为0 而无稳态电流。 2 2 4 小结 本节讨论了三相短路情况下鼠笼机定子故障电流的构成分量，给出了各分量衰减时 间常数的计算；讨论了用次暂态参数和对称分量法计算三相短路和两相短路情况下鼠笼 机故障电流初值的方法，并结合这两部分内容给出了机端三相短路情况下鼠笼机定子全 电流的表达式。得到的主要结论如下： 1 鼠笼机故障电流包括直流分量和基频分量两部分，其衰减时间常数分别取决于 定子侧和转子侧看进去的等值电路；计算得到典型鼠笼发电机的定子电流直流分量和基 频分量的衰减时间常数分别为2 8 m s 和6 2 m s 。 2 可以用对称分量法计算不对称故障情况下鼠笼机的故障电流初值，计算中的主 要问题是鼠笼机正序次暂态电抗和负序电抗的确定；鼠笼发电机的起动电抗、正序次暂 态电抗和负序电抗近似相等，可以用起动电抗代替后面两者。 3 由于鼠笼发电机没有独立的励磁绕组，定子绕组三相短路后没有外部无功功率 支持，定子电流最终将衰减为0 而无稳态故障电流。 2 1 华北电力大学硕士学位论文 第三章双馈机暂态特性研究 双馈机的开发始于2 0 世纪4 0 年代，随着电力电子技术和数字控制技术的发展， 双馈机在电气性能方面所表现出来的一系列优点和巨大潜力，已经引起国内外的高 度重视。它通过改变转子交流励磁的频率，使得电机的转速可以调节变化，而定子 输出电压和频率维持不变，既可以调节电网的功率因数，又可以提高系统的稳定性， 因而在风力发电领域中得到了广泛应用。双馈机代表着未来风力发电机的发展趋 势，研究其并网暂态特性有着重要的理论和实际意义。 3 1 双馈机的工作原理 3 1 1 双馈机的基本工作原理 3 1 1 1 双馈机的结构 异步电机可分为鼠笼式和绕线式两大类，双馈式异步发电机实质上是一种特殊的绕 线式异步发电机：通过在转子回路中串入附加电势实现对发电机有功功率和无功功率的 控制。附加电势一般通过与电网相连的变流器引入，交流器对转子回路电流实现频率、 幅值和相位的调节，起到了励磁电源的作用。双馈机发电系统结构图如图3 - 1 。双馈式 异步电机从转子轴输入机械功率，功率分为两部分分别通过定子和与转子相连的变流器 馈入电网，“双馈”也因此而得名。 图3 - 1 双馈机发电系统示意图 图示转子回路的变流环节采用的是双馈机发电系统中最常用的带中间直流环节的 背靠背式电压源( 或电流源) 交一直交p w m 变流器。网侧变流器的主要任务一是保证 电流波形和功率因数满足要求，二是保证直流母线电压稳定。转子变流器的主要任务一 是调节有功功率，实现最大风能捕获；二是为转子回路提供励磁，调节定子无功功率。 华北电力大学硕十学位论文 双馈机以滑差s 运行时，转子回路感应电势和附加电势的实际频率应为奶；转子变流器 通过跟踪电机的转速调频使得附加电势和感应电势频率保持一致。 3 1 1 2 双馈机的等值电路 双馈机的等值电路如图3 - 2 所示。 图3 - 2 双馈机等值电路 其中弘矗为激磁电抗，风= j 【墨为定子阻抗，母为转子电阻，墨