PSCAD在风力发电机组软并网中的应用.doc

PSCAD/EMTDC在风力发电机组软并网中的应用摘要：建立软并网系统仿真模型及相应的控制系统仿真模型，并在PSCAD/EMTDC环境下模拟仿真风力发电机组的软并网过程，对软并网仿真结果进行分析和研究。表明在发电机与电网之间装设软并网装置可将并网瞬间的冲击电流限制在较低的范围内。关键词：软并网；仿真；异步发电机；冲击电流THE APPLICATION OF PSCAD/EMTDC AT SOFT-CONNECTING PROCESS OF GENERATORS Abstract：This design, sets up the model of the soft- connecting system simulation and the corresponding control system simulation, then make some experiments on the simulation of the soft- connecting process of generators. Finally, analysis and summary of the results based on PSCAD/EMTDC software. it is showed that using soft-start to connect the grid can control current value under acceptable limitation.Keywords : soft cut-in；simulation; asynchronous generator; impact current0 引言异步发电机对电网的调速要求不像同步发电机那么严格精确，只要转速接近同步转速时就可并网，国内及国外与电网并联运行的风力发电机组中，多采用异步发电机，但异步发电机在并网瞬间会出现较大的冲击电流，随着风力发电机组单机容量的不断增大，这种冲击电流对发电机自身部件的安全及对电网的影响也愈加严重。为了将异步发电机并网瞬间产生的冲击电流控制在允许的限度内，在风力发电系统中通过软启动进行并网，这种并网方式可以很好地解决上述问题。本文建立了软并网系统仿真模型及相应的控制系统仿真模型，并在PSCAD/EMTDC环境下模拟仿真了风力发电机组的软并网过程，对软并网仿真结果进行了分析和研究。1 PSCAD/EMTDCEMTDC是一种世界各国广泛使用的电力系统仿真软件， PSCAD是其用户界面，PSCAD的开发成功，使得用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统分析，使电力系统复杂部分可视化成为可能，而且软件可以作为实时数字仿真器的前置端。可模拟任意大小的交直流系统。操作环境为：UNIX OS, Windows95, 98, NT；Fortran 编辑器；浏览器和TCP/IP协议。1.1 PSCAD/EMTDC的程序结构和功能特点PSCAD/EMTDC软件的主要功能是进行电力系统时域和频域仿真，还可以进行交流系统的谐波研究、暂态扭矩的分析、直流系统的启动、直流系统换相方法研究、串联或并联的多端输电系统的电磁暂态仿真、同杆架设的交直流电路的相互影响等。EMTDC程序具有“拍照”功能，可记录下某个时刻系统中工作状态，为重新计算提供正确的条件，可以在此基础上进一步研究系统的暂态过程。1.2 PSCAD软件模块的构成主要有文件管理系统、建模DRAFT模块、架空线T-LINE和电缆CABLE模块、运行RUN TIME模块、单曲线绘图UNIPLOT和多曲线绘图MULTIPLOT模块。1.3 利用EMTDC模块可进行的模拟研究范围利用EMTDC可进行的模似研究范围为：一般的电力系统电磁暂态研究；直流输电结构和控制；FACTS(灵活交流输电系统)元部件模型；同步发电机和感应电动机的扭矩效应和自励磁研究；静止补偿器研究；非线性控制系统研究；变压器饱和研究, 如铁磁振荡和铁芯饱和不稳定性研究；绝缘配合研究；谐波相互影响研究；新型控制系统原则的开发；陡前波分析。PSCADEMTDC典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时，参数随时间变化的规律，此外PSCADEMTDC软件广泛应用于高压直流输电、FACTS控制器的设计、电力系统谐波分析及电力电子领域的仿真计算。2 风力发电机并网2.1 异步发电机的基本原理简介 风力发电系统中并网运行的异步发电机，其定子与同步电机的定子基本相同，定子绕组为三相的，可接成三角形或星形接法；转子则有鼠笼型和绕线型两种。根据异步电机理论，异步电机并网运行时由定子三相绕组电流产生的旋转磁场的同步转速决定于电网的频率及电机绕组的极对数ns=60f/p （2-1）式中：ns为同步转速；f为电网频率；p为绕组极对数。按照异步发电机理论可知，当异步电机连接到频率恒定的电网上时，异步电机可以有不同的运行状态；当异步电机的转速小于异步电机的同步转速时（即n ns),则异步电机将处于发电运行状态，此时异步电机吸收由原动机供给的机械能而向电网输出电能。2. 2 异步风力发电机的并网方法因为风力机为低速运转的动力机械，在风力机与异步发电机转子之间经增速齿轮传动来提高以达到适合异步发电机运转的转速,一般与电网并联运行的异步发电机多选用4极或6极电机,因此异步发电机转速必须超过1500r/min或1000r/min,才能运行在发电状态,向电网送电。显见,电机极对数的选择与增速齿轮箱关系密切,若电机极对数选小,则增速齿轮传动的速比增大,齿轮箱增大,但电机的尺寸则小些；反之,若电机极对数选大些,则传动速比减小,但电机的尺寸大些。根据电机理论,异步发电机并入电网运行时,是靠滑差率来调整负荷的,其输出的功率与转速近乎成线性关系,因此对机组的调整要求,不像同步发电机那么严格精确,不需要同步设备和整步操作,只要转速接近同步转速时就可并网,国内及国外与电网并联运行的风力发电机组中,多采用异步发电机,但异步发电机在并网瞬间会出现较大的冲击电流(约为异步发电机额定电流的47倍),并使电网电压瞬时下降.随着风力发电机组单机容量的不断增大,这种冲击电流对发电机自身部件的安全及对电网的影响也愈加严重5。过大的冲击电流，有可能使发电机与电网连接的主回路中的自动开关断开；而电网电压的较大幅度下降,则可能会使低电压保护动作,从而导致异步发电机根本不能并网。当前在风力发电系统中采用的异步发电机并网方法有以下几种。2.2.1 直接并网 这种并网方法要求在并网时发电机的相序与电网的相序相同,当风力机驱动的异步发电机转速接近同步转速时即可并入电网；自动并网的信号由测速装置给出,而后通过自动空气开关合闸完成并网过程。显见这种并网方式比同步发电机的准同步并网简单。但如上所述，直接并网时会出现较大的冲击电流及电网电压的下降，因此这种并网方法只适用于异步发电机容量在百千瓦级以下，而电网容量较大的情况下。中国最早引进的550kW风力发电机组及自行研制的50kW风力发电机组都是采用这种方法并网的。2.2.2 降压并网这种并网方法是在异步发电机与电网之间串接电阻或电抗器或者接入自耦变压器，以达到降低并网合闸瞬间冲击电流幅值及电网电压下降的幅度。因为电阻、电抗器等元件要消耗功率，在发电机并入电网以后，进入稳定运行状态时，必须将其切除，这种并网方法适用于百千瓦级以上、容量较大的机组，显见这种并娃每个方法的经济性比较差，中国引进上午200kW异步发电机组，就是采用这种并网方式，并网时发电机每相绕组与电网之间皆串接有大功率电阻。2.2.3 通过晶闸管软并网这种并网方法是在异步发电机定子与电网之间通过每相串入一只双相晶闸管连接起来，三相均有晶闸管控制，双相晶闸管的两端与并网自动开关的动合触头并联。接入双相晶闸管的目的是将发电机并网瞬间的冲击电流控制在允许的限度内。 这种并网方法的特点是通过控制晶闸管的导通角，将发电机并网瞬间的冲击电流限制在规定的范围内（一般为1.52倍额定电流以下），从而得到一个平滑的并网暂态过程。3 软并网系统3.1. 软并网控制系统的必要性由于异步发电机对并网要求低，控制和保护比较简单，并网运行稳定，因此采用异步发电机的风电机组是国内外商品化的风电机组所采取的主要技术方案。但是异步发电机在并网瞬间，所产生的冲击电流会达到其额定电流的68倍，甚至10倍以上。该冲击电流会对电网、叶轮以及发电机本身造成严重的冲击，甚至会影响其他联网机组的正常运行。另外，并网冲击电流也会对电机接触器、主空气开关等开关设备造成较强的冲击。因此软并网技术是失速型风电机组控制系统的关键技术之一。软并网装置用于限制异步发电机并网以及大小电机切换时的瞬态冲击电流，以免对电网造成过大的冲击。软并网系统运用大功率晶闸管进行限流，在机组电动启动或并网过程中控制系统根据收到命令情况和相应传感器的信号对并网过程进行控制，并网结束后旁路晶闸管支路2。3.2 软并网系统的结构组成风力发电机组软并网系统由主电路(强电回路)及其晶闸管移相触发控制电路(弱电回路)组成。晶闸管移相触发控制装置的硬件部分主要由电网电压同步信号生成、移相触发脉冲的产生与输出、触发脉冲的功率放大与整形、异步电机定子电流的监测以及与主控制器之间的串行通讯等部分组成8。主电路由三对反并联或双向晶闸管及其保护电路组成，如图51所示。六只晶闸管串接在发电机出线与电网之间。由于晶闸管属贵重元器件，承受电压与电流冲击的能力较差。为了吸收开关器件动作过程中晶闸管两端可能产生的瞬间尖峰电压以及电网电压大幅度快速波动带来的不良影响，在晶闸管两端并联阻容吸收保护回路。阻容吸收回路主要是利用电容端电压不能突变的特性来吸收晶闸管两端的尖峰电压，以保护晶闸管。但阻容电路吸收过电压的能力是有限的11。当雷击引起电网产生更高的过电压，或者过电压的持续时间过长，晶闸管的端电压仍可能会超过允许值。因此，晶闸管两应并接压敏电阻。压敏电阻是一种金属氧化物的非线性电阻，其正常工作时漏电流小，损耗小，而泄放冲击电流能力强，抑制过电压能力高，而且对峰值电压反应快。软并网过程结束后，为减少主电路各器件的功率损耗，旁路接触器K2闭合，将晶闸管支路短接。另外，K1为主空气开关，串接于电网与晶闸管之间。3.3 软并网系统的基本工作原理晶闸管在正向电压与触发脉冲的作用下可在很短的时间内快速导通，并在其电流变为零之前始终保持导通状态。通过控制晶闸管的导通角，就可连续调节加在负载上的电压波形，进而改变负载电压的有效值。由于晶闸管的等效阻抗值随晶闸管导通角大小变化。具体来说，当晶闸管的导通角为零时，即晶闸管完全关闭，此时晶闸管的等效电阻为无穷大，相当于开路；当晶闸管完全导通时，也就是完全打开时，此时晶闸管的等效电阻非常小，相当于导线直接连接3。由于双向晶闸管串接于电机出线与电网之间，所以通过调节晶闸管的导通角，就可调节电机定子电压按阶梯波的形式从某一较小的初值逐渐增加到全压状态，从而降低定子电压随时间增长的速率。由于三相异步电机电磁转矩与定子电压的平方成正比，这样降低了电磁转矩随时间的增长率9。随着风速增大，叶轮输出给电机主轴更多的机械转矩，此时通过调节晶闸管导通角同步缓慢增大，从而使并网冲击电流限制在较低的范围内。3.4 软并网的步骤软并网仿真的步骤是6：当发电机转速接近97%99%同步转速时，发电机接触器逼合，同时与电网直接相连的双相晶闸管在触发脉冲控制下，逐步导通。晶闸管初始导通时，即次同步转速阶段，电机运行与电动状态，此时电机在电网与叶轮共同驱动下转速迅速上升，其花差率很快趋于零。当花差率接近于零时，晶闸管完全导通，这样将并网冲击电流限制在较小的范围内，从而得到一个平滑的并网过程。晶闸管完全导通后，旁路接触开关将其短路，并网过程结束，风力发电机组进入稳态运行阶段。4 软并网系统模型的建立4.1 软启动器模型的建立为了把异步风力发电机并网瞬间的冲击电流限制在允许的限度内，本仿真系统采用了具有软启动的异步发电机进行并网。其中的软启动器由两只反并联的普通晶闸管和旁路并网开关组成，并基于PSCAD/EMTDC软件建立软并网系统仿真模型。4.1.1 双相晶闸管模型的建立利用PSCAD/EMTDC软件模块库建立晶闸管仿真模型，双相晶闸管可由两只反并联的普通晶闸管组成，如图4-1所示。为了降低并网过程中产生的高次谐波和低次谐波给软并网装置带来的危害，在每组双相晶闸管中需另外增设吸收装置，如图4-2所示。图4-1双相晶闸管仿真模型图4-2 带有吸收装置的双相晶闸管仿真模型4.1.2 软启动仿真模型的建立图4-1与图4-2中的仿真模型是串在异步发电机定子与电网的一相之间的，由于仿真的是三相异步发电机，故在每相之间都需串入如图4-2所示的双相晶闸管，仿真模型如图4-3所示。这种软并网连接方式中，双相晶闸管既在并网过程中起到控制冲击电流的作用，同时又作为又作为无触头自动开关，在并网后继续存在于主回路中，这种比软并网连接方式可以省去一个并网自动开关，因而控制回路也较为简单些，并且避免了有触头自动开关触头粘着、弹跳及磨损等现象，可以保证较高的开关频率，这是其优点。但这种并网方式需要选用电流允许值大的高反压双相晶闸管，这是因为在这种连续方式下，双相晶闸管中通过的电流需满足能通过异步发电机的额定电流值，为了避免这种情况，选择在双相晶闸管上并联旁路并网自动开关。在并网过程中当异步发电机的转速达到同步转速时旁路自动并网开关闭合，将双相晶闸管短接，并网过程结束。设有旁路并网自动开关的仿真模型图如图4-4所示。图4-3 异步发电机软启动装置仿真模型图图4-4 具有旁路并网自动开关的仿真模型图当并网过程结束后，异步发电机的输出电流将不再经双相晶闸管，而是通过已闭合的自动开关触头流入电网。但这种并网方式的不利之处，是自动并网开关的软并网连接方式中的高反压双相晶闸管只要能通过较发电机空载电流略高的电流就可以满足要求。4.2 晶闸管控制电路仿真模型的建立 双相晶闸管的控制电路是异步发电机软并网系统的重要部分，软并网能否成功直接取决于晶闸管的控制水平。4.2.1 晶闸管单相控制电路仿真模型的建立 图4-5 晶闸管控制电路仿真模型图图4-5是晶闸管控制电路仿真模型图。图中由电网取得同步电压型号，经锯齿波发生器将电网的正弦波转化为锯齿拨波，再通过脉冲发生器形成晶闸管门极出发脉冲，从而控制晶闸管的导通。上图是单相晶闸管控制电路仿真模型，在异步发电机进行软并网仿真时，三相均需晶闸管控制。4.2.2 晶闸管三相控制电路仿真模型的建立 如图4-6是晶闸管三相控制电路仿真模型图。图中从电网中取得同步电压信号，经锯齿波发生器将取自电网的正弦波电压信号转化为锯齿波电压信号，再通过脉冲发生器形成晶闸管门极出发脉冲信号，从而控制晶闸管的导通。在并网过程中，双相晶闸管从晶闸管控制电路中获得信号，晶闸管的控制角由1800逐渐同步打开；与此同时，双相晶闸管的导通角则同时由0180逐渐增大，此时并网自动开关未动作，动合触头未闭合，异步发电机即通过晶闸管平稳地并入电网；随着发电机转速继续升高，电机的转差率逐渐趋于零，当转差率为零时，并网自动开关动作，动合触头闭合，双相晶闸管被短接，并网过程结束。 图4-6 晶闸管三相控制电路仿真模型图5 异步风力发电机的软并网仿真5.1 软并网仿真模型的建力基于PSCAD/EMTDC仿真软件建立风力发电机软并网装置的仿真模型如图5-1所示。该模型主要由电网模型、发电机模型、风力机模型、风模型、三对反并联的晶闸管及其RC吸收模块、旁路自动并网开关模块和相应的控制模块等组成。晶闸管及其吸收模块串接于发电机与电网之间；触发脉冲的形成与分配模块从电网取得同步信号后产生晶闸管触发信号并按顺序发给相应的晶闸管；当晶闸管完全导通后，旁路自动并网开关模块短接晶闸管支路，并网过程结束。晶闸管触发脉冲的形成与分配模块是软并网仿真模块的关键环节。这里同步信号取自电网电压的正相过零点，晶闸管触发脉冲的形成与分配仿真波形如图5-2和图5-3中所示。5.2 风速为7m/s，软并网仿真通过一系列的仿真，得出晶闸管移相规律、转速曲线以及电流的仿真波形如图5-4所示：图5-1风力发电机软并网仿真模型图图5-2 取自电网同步电压形成的锯齿波波形图图5-3晶闸管门极触发信号波形图5-4风速为7m/s时发电机软并网过程的仿真波形5.3 风速为10m/s时，软并网仿真通过一系列的仿真，得出晶闸管移相规律、转速曲线以及电流的仿真波形如图5-5所示：图5-5 风速为10m/s时发电机软并网过程的仿真波形5.4 风速为12m/s，软并网仿真在晶闸管触发电路的移相规律与发电机转速不配合时，得出电流波形和发电机转速仿真波形如图5-6所示。图5-6风速为12m/s时软并网过程的仿真波形5.5 风速为20m/s时,软并网仿真当风速增到较大值时，通过对发电机组进行软并网仿真得出的风力机输出功率波形与输出转矩波形、发电机转速波形、定子电流波形等输出仿真波形如图5-7到图5-13所示：图5-7 发电机软并网风力机的输出功率仿真波形图5-8 发电机软并网风力机的输出机械转矩仿真波图5-9发电机软并网发电机的机械转矩输出仿真波形图5-10 发电机软并网时发电机的电磁转矩输出仿真波形图5-11 发电机A相电压输出仿真波形图5-12 风速为20m/s时发电机转速仿真波形图5-13发电机有功功率输出仿真波形5.6 风力发电机组软并网仿真分析通过上述软并网仿真结果可以看出，在发电机与电网之间装设软并网装置可将并网瞬间的冲击电流限制在较低的范围内。在直接并网仿真中，电网的冲击电流最高达到6.8KA，是额定电流的7倍，这么高的冲击电流对发电机和电网的正常运行将造成严重的危害。而通过软并网装置后的，在并网瞬间电网的冲击电流是1.8KA之间，是额定电流的1.7倍。通过软并网仿真可以看出，风力机与发电机的转矩和输出功率在并网瞬间的波动要比直接并网的波动要小，有利于风力机和发电机及电网的正常运行。通过适当调整晶闸管移相规律和机组并网转速，可使软并网电流变化平稳些。仿真结果表明当风速为7m/s时，并网转速为1504rad/min，即花差率为-0.003左右；当风速为10m/s时，并网转速为1515rad/min，即花差率为-0.01左右。作为对比，图5-6是晶闸管移相规律与软并网转速不适当时的发电机定子电流衰减波形与发电机转速曲线。从图可以看出在风速较大时晶闸管并网控制与发电机转速不太协调时会造成并网电流上升到2.6KA，发电机转速上升到1590rad/min，这是不允许的当发电机的转诉接近同步转速时，为减少软并网的持续时间，使晶闸管完全导通的时刻与发电机到达同步转速的时刻尽可能接近，可大大加快晶闸管的导通速度，而不会引起电网电流大幅上升。6 结 论通过对上述仿真结果的分析可得出以下结论：（1）异步风力发电机组通过晶闸管软并网可把冲击电流限制在比较小的范围内，保护了发电机自身设备的安全和电网的正常运行。（2）风力发电机组软并网发电机的转速与风速有关。（3）机组容量越大，在不断变化的风速下其稳定性越好。（4）在发电机旁路开关闭合至同步转速之前，晶闸管导通角的增大会引起并网电流幅值的上升跃变。此时，如果晶闸管导通速度过快会产生较大的冲击电流，所以在此期间晶闸管的导通角应缓慢增大，即晶闸管导通角增大的步长小一些，而且每个步长的持续时间比较长，只有这样才