风电场短路故障特性及其短路电流计算方法研究

风电场短路故障特性及其短路电流计算方法研究1...Ⅵ【Ⅲ..,,2国网电力科学研究院学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得国网电力科学研究院或其它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。研究生签名:圣查聋日期:型区垒圣垒国网电力科学研究院学位论文使用授权声明国网电力科学研究院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可以公布包括刊登论文的全部或部分内容。论文的公布包括以电子信息形式刊登授权国网电力科学研究院办理。研究生签名:王杰聋导师签名期:竺竺二圹、3摘要摘要双馈风力发电机组作为当前商业应用最广泛的风力发电机型,在国内已并网运行的风电场中大量采用。双馈风电机组对系统内各种故障扰动很灵敏,在风电场发生短路故障期间,双馈风电机组与电网的相互影响会造成风电场与电网的暂态特性发生显著变化。在以双馈风电机组为主的风电场大规模并网背景下,风电场的短路故障特性对电网的安全稳定运行构成了很大的挑战,需要对各种短路故障下风电场与电网的暂态响应过程进行深入分析和仿真验证,为风电场及电网的安全运行提供参考建议。目前,国内外电力系统关于短路电流的计算方法及软件都已相当成熟,但大都不包含风力发电系统。随着风电注入功率的不断增加,准确地计算风电场短路电流对电气设备选型、继电保护整定与校验有直接影响,因而将风电场作为独立系统进行短路电流计算具有重要的现实意义。本文首先在双馈风力发电机电压、磁链及转矩方程的基础上,推导了双馈风力发电机的三阶动态模型,分析了双馈风力发电机的短路电流特性,并研究了双馈风电机组网侧换流器对双馈风电机组短路电流的影响,为后续研究垫定基础。其次在/仿真工具上建立了含风电场的某地区实际电网仿真模型。针对风电场并网点、场内、电网侧发生三相与单相接地短路故障后风电场与电网侧各变量的暂态变化进行仿真分析,仿真中双馈风电机组网侧换流器无功分别采用单位功率因数与恒电压两种不同控制策略。通过仿真发现,对于不同的故障点及故障类型,风电场与电网所对应的暂态响应存在明显差异,同时双馈风电机组网侧换流器无功采用恒电压控制策略后能够使系统内的电压降落有小幅度减小。最后针对风电场提供给短路点的三相短路电流计算,给出了基本标幺值法、基于标准的等效电压源法、短路容量法等几种不同的计算方法,详细介绍了各种计算方法的原理及在风电场短路计算中的应用过程。利用上述几种方法对某风电场的三相短路电流进行了计算,并讨论了双馈风电机组网侧换流器对风电场短路电流计算结果的影响,指出了上述各种计算方法的优缺点与适用场合。关键词:双馈风机:风电场;网侧换流器;短路故障特性;短路电流计算4国网电力科学研究院硕士学位论文,鲥?.’...,..,.....,.....
’、..’....咖...’?..,,’...,、№.’......’.5摘要,’.:;;;?;6国网电力科学研究院硕士学位论文摘要.目录目录第一章绪论?。。.Ⅳ.研究背景.国内外研究现状.内容安排第二章双馈风力发电机动态模型与短路电流特性??...双馈风力发电机五阶、三阶动态模型介绍..双馈风力发电机工作原理??...双馈风力发电机电压、磁链与转矩方程??...双馈风力发电机动态数学模型.双馈风力发电机短路电流特性分析??...双向唧换流器对双馈风力发电机短路电流影响??....双向嗍换流器工作原理简介..网侧换流器对双馈风力发电机短路电流值的影响?.本章小结第三章风电场短路故障特性仿真研究?.包含风电场的某地区电网在仿真软件中的模型搭建?一..风电场等值研究..风电场模型在仿真软件中的搭建..某地区实际电网模型在仿真软件中的搭建?.风电场短路故障暂态特性仿真?一..风电场并网点三相短路故障暂态特性仿真?..风电场并网点单相接地短路故障暂态特性仿真..风电场场内集电线路三相短路故障暂态特性仿真?...风电场场内集电线路单相接地短路故障暂态特性仿真??...电网侧某输电线路三相短路故障暂态特性仿真..电网侧某输电线路单相接地短路故障暂态特性仿真..总结7目录.本章小结?。第四章风电场三相短路电流计算方法研充?.风电场三相短路电流计算概述?一.基本标幺值法??。..基本标幺值计算原理与计算步骤..基于基本标幺值法的某风电场三相短路电流值计算.基于标准的等效电压源法..标准简介?....标准在风电场短路电流计算中的应用?。..基于等效电压源法的某风电场三相短路电流值计算.短路容量法....短路容量法基础知识?..短路容量法在风电场短路电流计算中的应用..基于短路容量法的某风电场三相短路电流值计算?.本章小结?..第五章总结与展望.研究工作总结??...展望..致谢参考文献?攻读硕士学位期间发表论文和科研情况.8第一章绪论第一章绪论.研究背景从可持续发展的观点看,化石能源终将耗竭,充分开发和利用可替代清洁能源是解决能源和环境问题的必然选择。风能作为一种取之不尽、用之不竭、环境友好的清洁可替代能源,使得风力发电成为目前新能源发电技术中最成熟、开发规模最大、商业化发展最好的发电模式。风能已成为电力系统增长最快的绿色能源和全球发展最快的可再生能源一。国外风力发电概况目前,风电在世界各国呈现快速增长趋势,风力发电成为最具商业发展的新型发电方式。截止年,全世界已有多个国家普及了风力发电技术,风电装机总容量达,其中年增量为,风电增长率为%,年增量为,风电增长率约为%【。年全球投入运行的风机发电量约为亿?,相当于世界第八大经济体意大利全年的用电需求,占全球电力需求总量的%。就风电装机总容量而言,中国超越美国跃居世界第一;就风电新增装机容量而言,中国和美国新增装机容量占全球增量的%,成为了名副其实的风电大国。年世界风力发电总装机容量与新增装机容量见表?【。表卜年世界风力发电总装机容量和新增容量总装容量百分比新增容量百分比/%/%中国.中国美国.美国德国.印度西班牙.德国印度.英国.英国.加拿大.法国.西班牙.意大利柏.意大利.加拿大.法国葡萄牙.瑞典.其他.其他全球总计全球总计加欧洲各国是风力发电技术的传统强国,其中风能利用最成功的是德国、西班9国网电力科学研究院硕士学位论文牙和丹麦,欧洲新增电力装机容量中大约有二分之一由风力发电提供,美国和加拿大则是北美地区利用风能最好的国家。为促进风力发电的发展,世界各国政府特别是欧美国家出台了许多优惠政策,主要包括:投资补贴、低利率贷款、规定新能源必须在电源中占有一定比例、减排∞奖励等。德国、丹麦、荷兰等采用政府财政扶持、直接补贴的措施来发展本国的风力发电事业;美国通过金融支持,由联邦和州政府提供信贷资助来扶持风力发电事业;印度通过鼓励外来投资和加强对外合作交流来发展风力发电;日本采取的措施是优先采购风电【】。国内风力发电概况我国幅员辽阔,海岸线长,风能资源比较丰富。根据气象部门的资料,我国高度陆地风能理论储量为.亿,估计%可供开发,再考虑到实际风轮扫掠面积为圆形与正方形的差别系数为.,则陆地风能实际可开发量约为.亿,近海风能资源约为.亿,仅次于美国和俄罗斯,居世界第三位。由于风力资源丰富,风力发电已成为解决我国电力和能源紧缺的重要战略选择。为了支持风电发展,国家在产业政策、标准制定和电网接入等方面做了诸多安排。年全国人大通过了《中华人民共和国可再生能源法》,对我国风电产业的近期和长远发展制订了新的规划,指出“十一五”期间,全国新增风电装机容量万,应保证风电的全额收购并形成合理价格机制,同时形成国内风电装备制造能力【】。年月,国家电网公司发布了修订后的《风电场接入电网技术规定》,提出了对风电场接入电网的技术要求】。年月,国家标准委员会正式批准发布了《风电场接入电力系统技术规定》,规定了风电场并网的相关技术要求。该标准将促进我国风电健康有序地规模化发展,确保大规模风电并网后电力系统的安全稳定与可靠供甘引。我国目前规划了个千万千瓦级大型风电基地,累计容量将超过万。国内风电呈现出良好的发展势头,表.列出了年以来我国风电发展状况。表卜年以来我国风电发展状况单位:年份∞新增容量.累计容量昭截止年底,全国电力装机容量.亿,全国风电装机容量万,风电并网装机容量万,约占全部电力装机容量的.%,某些省区的风电并网容量占其统调总装机容量的比例已超过了%。年月,国家能源局发布了《风电发展“十二五”规划》,指出我国到年风电并网装机达到亿,年发电量达到亿?,风电发电量在全部发电量中的比重10第一章绪论超过%。预计年达到亿,其中海上风电装机容量达到万,风电年发电量达到亿?,力争风电发电量在全国发电量中的比重超过%【。课题背景与选题意义随着风力发电并网功率和风电场在电力系统中穿透功率的快速增长,围绕风电场并网产生了一系列的研究课题。双馈式风力发电机组作为目前工业应用最广泛的变速恒频风力发电机型,在国内已并网运行的风电场中大量采用。双馈风电机组对系统内各种故障扰动很灵敏,在风电场侧和电网侧分别发生短路故障期间,双馈风电机组与电网的相互影响会造成风电场与电网的暂态特性发生显著变化。由于双馈风电机组与同步发电机组的结构及运行原理均不同,且目前对其故障过程的研究也比较有限,使得并网双馈风电机组的故障特性还不甚清晰【】。在以双馈风电机组为主的风电场大规模并网背景下,风电场的短路故障特性对电网的安全稳定运行构成了很大的挑战,需要对各种短路故障下风电场与电网的暂态响应过程进行深入分析和仿真验证,为风电场及电网的安全运行提供参考建议。目前,国内外电力系统关于短路电流的计算方法及软件都已相当成熟,但大都不包含风力发电系统。随着风电注入功率的不断增加,准确地计算风电场短路故障后的短路电流值对电气设备选型、导体选择、继电保护整定与校验有直接影响,因而将风电场作为独立系统进行短路电流计算具有重要的现实意义。.国内外研究现状当前学术界在双馈风电机组的短路故障特性方面开展了大量的研究工作,并取得很多研究成果。但研究通常只针对于单台双馈风电机组,对含双馈风电机组的风电场短路故障特性及其影响方面的研究很有限。文献【】【】对考虑了转子保护电路的双馈风力发电机故障电流特性进行了研究,得出了双馈风机故障电流的变化特点。文献【】分析了双馈风电机组在不同机端电压跌落下的故障过程,但研究侧重于转子电压的故障特性,并未从电网角度对风机的故障过程进行研究。文献?研究了在考虑电网影响情况下,双馈风力发电机组的故障暂态过程。研究认为,电网电压跌落程度对双馈风机定转子暂态电流的影响很大,同时双馈风电机组对电网短路电流的分布会产生一定影响。上述研究都基于单台双馈风电机组进行,对含多台风电机组的风电场短路故障特性并没有深入研究。由于风电场内各台机组的运行工况与系统配置均有差异,因而风电场的短路故障特性与单台风电机组的故障特性会存在明显区别。文献【对某大型海上风电场在/仿真软件上建立了详细模型来研究风电场的故障穿越能力。文中研究了短路故障下海上风电场与输电系统的电压稳定性问题,研究选用机型为定速风电机组。文献【】在电力系统仿真软件国网电力科学研究院硕士学位论文/中建立了含异步风电机组的风电场模型,仿真了风电场的短路故障特性,并计算了风电场的等值阻抗。文献【对大型恒速恒频风电场接入输电网后的动态特性及对电力系统暂态稳定性的影响进行了分析,并在/仿真软件上进行了仿真验证,最后认为同步发电机的调节作用对近区风电场的稳定运行有明显改善作用。文献【】对风电场中异步风电机的等值问题以及风电场的短路特性进行了研究,讨论了风电场投入运行的机组数、输出有功功率、故障类型对短路故障特性的影响,并在/上做了仿真对比。以上文献对风电场的短路故障特性做了详细研究,但研究机型都局限于异步发电机组,对目前比较流行的双馈风电机组没有涉及。文献【】对包含异步风电机组和双馈风电机组的风电场在/仿真软件中进行了短路故障仿真。仿真中只研究了风电场短路电流的暂态变化过程,对风电场与电网中其他变量的暂态特性并无涉及,研究具有局限性。文献【】研究了含双馈风电机组的大型风电场的暂态稳定机理,对比分析了在同一接入点风电场与同步发电机组对系统稳定性的影响,认为基于双馈风电机组的风电场对系统暂态稳定性的影响要好于同步发电机组。文献【】在/软件上对电网发生三相短路故障时含双馈风电机组的风电场的动态响应进行了仿真,由于/软件中输电网为一等值系统,无法反应实际电网模型,因而该研究结果与风电场实际故障暂态响应过程有所差别。文献【】【】对风电场的无功控制策略进行了研究,认为双馈风电机组网侧换流器可以在风电场故障情况下为其提供无功支持,从而改善风电场故障下的无功需求,使得风电场的短路故障特性有所变化。以上文献对当前风电场短路故障特性的研究进行了概述,发现当前学术界对含异步风电机组的风电场短路故障特性研究比较详细,而在含双馈风电机组的风电场短路故障特性研究方面则比较局限。研究中,与风电场连接的电网多采用等值电网来描述。由于双馈风电机组对电网扰动反应很灵敏,而等值电网无法反映出实际电网的故障变化特点,因而很有必要对接入实际电网的双馈型风电场的短路故障特性进行深入研究,以期掌握故障情况下风电场与电网的暂态运行过程。研究的同时应考虑双馈风电机组网侧换流器不同的无功控制策略对风电场短路故障特性的影响。法进行了介绍,包括标准和短路计算标准等。但上述计算标准只涉及常规电源的电力系统短路计算,对包含风电场的新能源并未考虑。文献.】介绍了短路容量法在电力系统短路电流计算中原理与计算步骤,其中文献【】应用短路容量法对含异步风电机组的风电场进行相短路电流计算。文献【】对风电场电气系统进行合理的化简,利用软件建立风电场的数学模型,第一章绪论计算了风电场内各关键点的短路电流。计算时,双馈风电发电机有两种处理思路,一种是认为风机不提供短路电流,另一种把风机当做同步发电机处理。文献】利用电气设计软件对某风电场的短路电流进行了计算,计算时考虑了集电线路的阻抗。计算后认为,风电场对系统提供的短路电流很小,系统设备短路水平主要由该风电场所接入的电力系统短路电流水平决定。文献【】结合国外风电项目,分别采用标准和电力工程电气设计手册中的短路电流计算方法对某常规风电场的短路电流进行了计算。通过对比分析建议,采用中的计算方法以满足国外业主的要求,同时计算中采用单元法来简化计算过程。但文中并未就标准在风电场中的应用做具体说明。上述文献对当前风电场短路电流计算的研究现状做了简要概述,发现当前单纯针对风电场短路电流计算方法的研究并不多见,研究多通过软件来进行简单的短路电流计算,并未从原理上予以说明,且计算时并未考虑双馈风电机组网侧换流器对风电场短路电流计算结果的影响。因而本文认为应对风电场的短路电流计算方法开展研究,针对不同的计算目的提出相应的计算方法,并从原理上对提出的计算方法予以说明,同时对双馈风电机组网侧换流器对风电场短路电流计算结果的影响进行讨论。.内容安捧本文利用/仿真软件,在搭建含风电场的某地区实际电网模型的基础上,对风电场并网点、场内及电网侧发生三相和单相接地短路故障后风电场侧和电网侧各变量的短路暂态特性进行仿真研究,并针对风电场三相短路后风电场提供给短路点的短路电流值计算给出了不同的计算方法。论文各章节内容安排如下:第一章,介绍风力发电产业发展现状,分析与本课题相关的研究背景与国内外研究现状,指出该课题的研究意义并确定本文主要研究内容。第二章,在双馈风力发电机电压、磁链及转矩方程的基础上,介绍双馈风力发电机的五阶与三阶动态模型,分析其短路电流特性,并研究双馈风电机组网侧换流器不同的无功控制策略对双馈风电机组短路电流的影响,为后续研究垫定基础。第三章,在风电场等值研究基础上,建立含风电场的某地区实际电网仿真模型,并对风电场在不同故障点发生三相与单相接地短路故障后的短路故障特性进行仿真分析。仿真中双馈风电机组网侧换流器无功分别采用单位功率因数与恒电压两种不同的控制策略。第四章,对风电场提供给短路点的三相短路电流计算给出几种不同的计算方法,详细介绍各种计算方法的原理及在风电场短路计算中的应用过程。利用上述国网电力科学研究院硕士学位论文几种方法对某风电场的三相短路电流进行计算并讨论风电机组网侧换流器对风电场短路电流计算结果的影响,指出上述各种计算方法的优缺点与适用场合。第五章,对全文内容进行总结,并就本文的下一步研究工作进行展望。第二章双馈风力发电机动态模型与短路电流特性第二章双馈风力发电机动态模型与短路电流特性.双馈风力发电机五阶、三阶动态模型介绍..双馈风力发电机工作原理在稳态运行时,同步发电机输出端电压的频率与发电机的极对数及发电机转子的转速存在固定关系,即厂:竺.。式中,为发电机输出电压频率;为发电机极对数;为发电机转子旋转速度/。可见,在发电机转子变速运行时,同步发电机不可能发出恒定电能。双馈风力发电机的定子绕组接电网,转子绕组由具有可调节频率的三相电源励磁,一般采用交.直.交换流器供电,能够在不同的转速下运行,转速随风速的变化可做适当调整,使风力机始终运行在最佳状态,提高了风能的利用率。当发电机的负载和转速变化时,通过调节馈入转子绕组的电流,能保持定子输出的电压和频率不变,同时,还能调节发电机的功率因数。根据发电机定、转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理可知,双馈发电机转速与定、转子绕组电流频率的关系为忙告±:式中,为定子电流频率:为转子电流频率.当双馈发电机并入电网时,为恒定值,即电网频率,我国电网频率为。因此,若设,为对应于电网频率为时异步发电机的同步转速,而为异步发电机转子本身的旋转速度,为异步发电机转子电流所产生的旋转磁场速度,则只要维持刀±刀:”。为常数,则异步发电机定子绕组的感应电势,如同步发电机一样,其频率将始终维持为不变。根据双馈异步发电机转子转速的变化,双馈异步发电机有种运行状态。亚同步运行状态:,,频率为的电流产生的旋转磁场转速的转向与转子的转速方向相同,。超同步运行状态:,,改变通入转子绕组的频率为的电流相序,则其所产生的旋转磁场转速:的转向与转子的转速方向相反,.。。为了实现转向反向,在由亚同步运行转向超同步运行时,转子三相绕组必须能自动改变其相序,反之亦然。同步运行状态:,,频率,表明此时通入转子绕组的电流频率国网电力科学研究院硕士学位论文为,即直流电流,类似于普通同步发电机。图所示为双馈发电机功率流向。从图中可以看出,由于在低于同步转速和高于同步转速,运行时,转子绕组功率流向相反,所以需要采用双向换流器。图?双馈发电机功翠流向..双馈风力发电机电压、磁链与转矩方程双馈风力发电机三相静止坐标系下电压、磁链与转矩方程通常在建立双馈风力发电机电压与磁链方程前,对双馈风力发电机作如下假设:忽略空间谐波,三相绕组对称在空间上互差。电角度,所产生的磁势沿气隙圆周按正弦规律分布;忽略铁芯损耗;不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响;双馈风力发电机转子侧折算到定子侧,折算后的每相匝数都相等:各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例即取电流的正方向为流入电路的方向,电磁转矩的正方向与旋转方向一致瞄。根据以上假设,电机绕组可等效为图所示的双馈风力发电机物理模型。定子绕组坐标系、、在空间固定,转子绕组坐标系、、随转子旋转。转子轴和定子轴的秘守弋签粼。一~.叁√\名图双馈风力发电机绕组模型第二章双馈风力发电机动态模型与短路电流特性电压方程定、转子绕组的电压方程可以表达为“■见甜口。甜。,.七甜口,。群矗,材。,.“.冶.圮..珏.,。式中,为微分算子;、、、。、、。为定子,转子相电压瞬时值;、、、、、为定子、转子相电流瞬时值:、、、‘、‰、为各相绕组全磁链;、,为定子、转子绕组电阻。磁链方程定、转子绕组的磁链方程可以表达为协阱雌::;:.【:,,】【,一口,】?Ⅳ,】Ⅳ。,。。】.【“曰.【如。三一三业一三一一虿
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,】三。。。一。。式中,为定子交链的磁通:为转子交链的磁通;、为定子、转子分块矩阵,互为转置;:为与定子绕组交链的最大互感磁通对应的定子互感值;,为与转子绕组交链的最大互感磁通对应的转子互感值;;、,为定子、转子漏电感。转矩方程协Ⅲ耻料;等汁矗等,,????∞;;为机组转动惯量式中,。为极对数;∞/;为负载阻转矩为与转速成正比的阻转矩阻尼系数。双馈风力发电机旋转坐标系下电压、磁链与转矩方程坐标变换已广泛应用于现代电机控制系统中,其基本思想是任何一个用三相静止坐标系描述的矢量,在经过合适的变换矩阵转换后,同样可以用两相静止坐标系或两相旋转坐标系中的一个矢量来表示。通常,对于以任意速度旋转的坐标系统,在三相对称条件下,可以建立下列双馈风力发电机按照电动机惯例的电压、磁链与转矩方程。电压、磁链方程一心凼一驴等旷肌却帆寺协?一鲋由一咿等旷肌矿一∞,¨等叩蠹由驴三.舟咖七”第二章双馈风力发电机动态模型与短路电流特性式中,‘为磁链;:、为定转子自感;为定转子互感;为电阻;∞:为定子角频率;∞,为转子角频率;下标、、、分别为定子侧量、转子侧量、轴分量、轴分量。由式.、.可以得出双馈风力发电机在旋转坐标系下的等效电路如下图所示】:轴电路轴电蹯图双馈风力发电机旋转坐标系下等效电路转矩方程?丁。詈。伊毋一蠡矿一?■一∞由式?~?可以发现,双馈风力发电机在旋转坐标系下的电压、磁链与转矩方程相比于三相坐标系下的方程简单许多。这是由于、两轴互相垂直,之间没有互感的耦合关系。当三相静止坐标系中的电压与电流为对称正弦交流时,等效的、轴各变量为直流量,这简化了控制系统的设计与实现。..双馈风力发电机动态数学模型双馈风力发电机五阶动态模型将式.、.进行化简,消去中间变量磁链,可得到双馈风力发电机轴电流分量与电压分量关系式,如下所示【。国网电力科学研究院硕士学位论文出红一三,工,.?破一三。咖七.矗由三。一厶,.者??三,一三,‘矿式中,。三矗
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,,。式.、.、?组成了双馈风力发电机五阶动态模型。可以发现,五阶模型详细描述了双馈风力发电机内部定转子电流状态变量与各电流分量和各电压分量之间的联系,能够准确反应电机故障期间所表现出来的动态特性,尤其是双馈风力发电机故障开始瞬间的电磁暂态过程。双馈风力发电机三阶动态模型在研究双馈风力发电机故障期间的机电暂态过程时,可以忽略定子磁通暂态变化过程,即:\、,蠹.此时将式.代入式?,双馈风力发电机的电压方程重新列写得://一俨∞即甜毋肌毋一∞,矿百旷肌矿.¨等利用式?与式?可推导出简化后的双馈风力发电机三阶动态模型【】。由式.的转子轴磁链方程可得:?,:?/?三,将式?代入式.的定子轴磁链方程可得:第二章双馈风力发电机动态模型与短路电流特性??????????????????????????????????????????????一一办一三,由,凼三。凼三。.¨卜势同理,由式?的转子轴磁链方程可得:?。≮竽将式?代入式.的定子轴磁链方程可得:.妒“川华铷卜刳蠡式?代入式的定子轴电压方程可得:一砒飞陪厶一刳叫.吼驴小一刳矿∞,害矿式代入式?的定子轴电压方程可得:旷戤加。陪¨卜别.咄,厶一譬卜∞,尝办定义以下变量,其中:为双馈风力发电机暂态电抗,’为双馈发电机暂态电势,’:,具体表达式如下:::∞,,驴譬:娃盟\\噎.小飞鲁”强参,矿,卉小国。鲁毋∞,则式?、?表达式重新列写如下:稚?驴.蠡.由上式?、?可以得到双馈风力发电机机端电压表达式如下:?出,材俨尼如一:‘:,/尼彳:如:?,髓:,出筘:/;;一一国网电力科学研究院硕士学位论文由式.可得简化后的双馈风力发电机阶动态等值电路,如图所示。从图中可以发现简化后双馈风力发电机的动态行为主要由暂态电势’决定,只要得到’的数值,就可以和机端电压一同来确定双馈风力发电机暂态过程中的电流值。图双馈风力发电机阶动态等值电路将式.代入式.的定子、轴电压方程,并整理后可得:等一∞参哆”警材一怕∞正。砚,堕弧参旧一警驴鲁甜由一‰:,,/根据暂态电势’表达式可将双馈风力发电机电磁力矩重新整理如下:驴.刀二式?、.、?构成了双馈风力发电机简化后的三阶动态模型。双馈风力发电机简化三阶动态模型由于未考虑定子磁通暂态量,因此和五阶详细动态模型相比会导致暂态过程时忽略了发电机的直流偏移量,从而使得其得到的暂态电流值明显低于五阶模型下预测的暂态电流值。由于直流偏移量能够在很短的时间内衰减,因此在双馈风力发电机的机电暂态研究中,三阶简化动态模型还是具有足够的精确度的,而五阶动态模型主要适用于双馈风力发电机的电磁暂态研究。.双馈风力发电机短路电流特性分析双馈风力发电机短路电流推导忽略磁饱和现象,应用空间矢量法可得到双馈风力发电机在静止坐标系下的等效模型:?旷心,警第二章双馈风力发电机动态模型与短路电流特性.,,,?二,∞,、,,,,,警嘞肌?,。,。?、,,三,,三。,由式.可得到双馈风力发电机定子端短路电流表达式:.。:?、,?上,从上式中可以发现,双馈风力发电机定子短路电流主要由短路后的定子磁链和转子电流决定。定子磁链的变化与双馈风力发电机机端电压降落有关,由于双馈风力发电机定子直接与电网相连,其机端电压降落由电网电压降落决定;转子电流的变化除了受定子磁链变化的影响之外,还取决于转子侧换流器的控制策略与转子保护方案。假定时刻,与双馈风力发电机相连的电网发生短路故障,使得双馈风力发电机机端电压由降为。,。由于磁链在短路瞬间不能突变,转子中将出现过电压与过电流。当机端电压跌落不大时,转子侧的过电流与过电压不很明显,此时转子侧换流器仍能正常工作。若机端电压跌落很大,此时转子侧将出现很大的过电流与过电流,为了保护转子侧换流器,通常会启用转子保护电路,为转子中的过电流提供流通旁路。此时转子侧换流器退出运行。在上述两种情况下,双馈风力发电机输出的短路电流具有不同特点。转子侧换流器正常工作双馈风力发电机正常运行时,定子电压空间矢量。为一幅值为。、转速为同步转速∞;的旋转矢量,即?。,/因此,短路前后定子电压表达式为:。?了≥。/此外,由式?、.可得定子磁链表达式为:舶,等尝、.,,砜警;,在短路故障发生后且转子侧换流器能保持正常工作的情况下,近似认为转子电流保持故障前状态不变,此时转子电流,为:,:‖讲国网电力科学研究院硕士学位论文.∞将式代入式?,则定子磁链重新表达为:.七埘警,矾十式是关于定子磁链、,。的一阶微分方程,根据磁链守恒定律解方程,可求得短路前后定子磁链凯为:丛坠±型:』,∞≯,国三、,。掣,、.,尝纠。式中:、,。:丛掣地。凯菥‖眠如、,。一尝为定子磁链自由分量,是由于定子磁链在电压跌落瞬间不能突变而产生的磁链直流分量。通常情况下,双馈风力发电机定子侧电阻较小,一般可忽略。,则式.可重新整理为:??。.,觚.、,纠。加,%岩加旷尝/.国∞将式、?代入式.,可得电网发生短路故障且双馈风力发电机转子侧换流器仍正常工作情况下,双馈风力发电机提供的短路电流近似解析表达式为:.沁旦如,掣一生如,‘∞式中:/,,为双馈风力发电机短路电流非周期分量的衰减时间常数。由式可知,若双馈风力发电机转子侧换流器在故障期间仍能正常工作,则双馈风力发电机输出的短路电流将主要由两部分组成。第一部分为非周期直流分量,是为保证故障瞬间定子磁链不能突变而产生的,由短路时刻和机端电压降落幅值决定;第二部分为基频周期分量,由短路后机端电压决定的稳态分量和转子励磁所产生的稳态分量构成。第二章双馈风力发电机动态模型与短路电流特性由式.、.可得电网发生短路故障且双馈风力发电机转子侧换流器退出运行情况下,双馈风力发电机提供的短路电流近似解析表达式为:。≈旦/??。‘∞∞式表明,转子侧换流器退出运行后,双馈风力发电机短路电流仍由非周期直流分量与基频周期分量两部分组成。与式相比发现,双馈风力发电机非周期直流分量的短路电流值只与机端电压跌落值有关,而与转子侧换流器是否退出运行无关。此外,由于双馈风力发电机失去励磁,式短路电流表达式中缺少了由转子励磁电流所产生的稳态短路电流分量,此时稳态短路电流分量仅由短路后的机端电压值决定。双馈风力发电机短路电流特性分析在对双馈风力发电机短路电流近似解析表达式进行推导后发现:双馈风力发电机提供的短路电流与转子电路是否投入直接相关。由于短路瞬问定子磁链不能突变,无论转子侧换流器是否退出运行,双馈风力发电机均能提供非周期直流分量,该分量与短路时刻以及机端电压跌落程度有关。电网故障程度越严重,机端电压跌落越明显,直流短路电流分量值也越大。由于定子电阻的作用,直流分量会以时间常数不断衰减。时间常数与定子电阻和电感有关,由于定子电阻通常较小,非周期直流短路电流分量的衰减较快。对于稳态短路电流分量,不管转子侧换流器是否退出运行,双馈风力发电机短路电流同样都包含有稳态短路电流。在电路未投入运行时,双馈风力发电机提供的稳态短路电流主要由短路后机端电压和转子电流决定,即同时具有异步发电机和同步发电机的特点。而在电路投入运行后,由于转子失去励磁,双馈风力发电机提供的稳态短路电流仅由短路后机端电压决定。由式国网电力科学研究院硕士学位论文、可见,双馈风力发电机提供的稳态短路电流值与机端电压跌落值成反比。电网故障程度越严重,机端电压跌落值越大,双馈风力发电机提供的稳态短路电流值越小。特别是当双馈风力发电机机端发生三相短路故障,机端电压跌落至零时,转子保护电路投入,由式可知此时双馈风力发电机提供的稳态短路电流值为零。.双向换流器对双馈风力发电机短路电流影响..双向眦换流器工作原理简介双馈风力发电机的功率控制是通过控制转子交流励磁用换流器来实现的。为了追踪最大风能并最大限度减少励磁换流器容量,发电机需要在同步转速上、下运行,这就要求变换器具有能量双向流动的能力。目前已有不少符合要求的换流电路可用,但性价比高、使用较多的还是双向换流器。双向换流器由两个完全相同的两电平电压型三相换流器通过直流母线连接而成。由于变速恒频交流励磁双馈风电机组在运行过程中两种换流器的工作状态经常变换,通常不再以其是工作在整流状态还是逆变状态来加以区分,而是按照其位置分别称作网侧换流器和转子侧换流器,其结构图如图?所示。网侧换流器主要任务有两个:一是保证其良好的输入特性,即输入电流的波形接近正弦波,谐波尽量少,功率因数符合要求,理论上网侧换流器可获得任意可调的功率因数;二是通过控制输入电流来保证直流母线电压的稳定,直流母线电压的稳定是两个换流器正常工作的前提。转子侧换流器作用分为两方面:一方面给双馈风力发电机转子提供励磁电流,从而调节发电机定子侧所发出的无功功率;另一方面通过控制发电机转子转矩分量的电流来控制发电机转速以及发电机定子侧有功功率,从而使双馈发电机在最佳功率曲线上运行,实现最大风能追踪捕捉。转子侧换流器网侧换流器图?双馈风力发电机双向换流器结构图双向换流器稳态下的有功功率和无功功率控制转子侧换流器第二章双馈风力发电机动态模型与短路电流特性双馈风力发电机转子侧换流器采用定子磁链定向矢量控制实现对电机的控制,此时同步旋转坐标系下的轴定向于定子磁场空间矢量方向上。在并网条件下,假设双馈风力发电机机端电压为:,忽略定子电阻影响,并保持定子磁链。为常量,则双馈风力发电机机端电压方程的分量为:严≈眠【:。【弘≈∞妒,双馈风力发电机定子侧有功功率和无功功率分别表示为:驴Ⅳ凼‘凼甜筘‘伊≈。一”西庐≈,由式.可知,发电机并入无穷大电网后,其定子端电压为常量,只有定子电流为受控量。因此对发电机有功功率和无功功率控制,在并网条件下,就可以认为是对其定子电流的控制。对双馈风力发电机的功率调节,最后都可以归结为对转子电压的控制,既可以通过控制转子电压直接控制定子电流,也可以通过控制转子电压控制转子电流,从而问接控制定子电流。网侧换流器双馈风力发电机网侧换流器采用电网电压定向的控制策略,此时同步旋转坐标系下的轴定向于电网电压矢量方向上,得电网电压的分量为:』龇??%此时,网侧换流器在电网电压定向的同步旋转坐标系下的数学模型为:协,旷也爹坝汁妣玑旷屯鲁砌旷洲式中,、、、为网侧换流器交流测电压与电流的、轴分量,为网侧换流器等效电阻。流经网侧换流器的有功功率和无功功率分别为:毋韧‖韧幽敛?口一甜‘若,表示网侧换流器工作于整流状态,从电网吸收能量;若譬,表示网侧换流器工作于逆变状态,能量从直流侧回馈到电网。式中,。,表示网侧换流器呈容性,从电网吸收超前的无功:。,表示网侧换流器呈感性,国网电力科学研究院硕士学位论文从电网吸收滞后的无功。由于电网侧电压幅值为恒定值,网侧换流器的轴电流分量、。实际上分别代表了换流器的有功电流分量和无功电流分量。双向换流器在双馈风力发电机故障期间的控制策略双馈风力发电机在短路故障瞬间会在转子侧感应出很大的暂态电流,该电流将流经其转子侧换流器,而转子侧换流器所包含的电力电子元件的过电流承受能力有限。故障发生后,为了保护转子侧换流器,在转子电流超过其限制值后会投入转子保护电路,将转子侧换流器与转子绕组断开。由于此时双馈发电机转子侧被保护电阻短接掉,双馈发电机直接进入到普通异步发电机模式,双馈发电机转子侧换流器的控制也同时失效。转子保护电路切除后,双馈发电机转子侧换流器重新投入运行。由以上分析可知,故障前期双馈发电机转子侧换流器退出运行,此时转子侧换流器的控制不予考虑。故障后期双馈发电机转子侧换流器重新投入运行,双馈发电机进入短路后的稳态模式,此时转子侧换流器的控制策略与正常工作模式下的控制策略相同。对于双馈风力发电机网侧换流器,故障期间其有功控制策略与正常工作运行时的控制策略相同,都是通过控制其有功输入电流来保证直流母线电压的稳定。但故障期间其无功控制策略可以有两种控制方式来选择:一种为单位功率因数控制,另一种为恒电压控制。单位功率因数控制模式下,始终保持对机端的无功功率为零,此时机端的功率因数恒为。但是故障期间机端电压会有很大的波动,为了尽快使得机端电压恢复正常,应尽可能多的向机端注入无功功率,以期待机端电压能够快速恢复正常,此时的单位功率因数控制模式显然对于机端电压的重建不利。恒电压控制模式下,为了保证机端电压恒定,此时网侧换流器在保证有功功率顺利输送的前提下可充分发挥其无功容量,向机端注入一定的无功功率来支持机端电压的重建。由以上分析可知,双馈风力发电机故障前期双向换流器的暂态响应主要针对于网侧换流器。由式可知,控制网侧换流器轴和轴电流分量可实现其有功功率和无功功率的独立控制。为了合理利用网侧换流器无功调节能力,减少风机对电网无功需求的依赖,可令网侧换流器工作在恒电压控制模式。该模式以控制发电机定子机端电压恒定为目标,从而调节网侧换流器无功功率的输出大小。结合式?所示的网侧换流器数学模型,得到恒电压模式下网侧换流器的总体控制框图,如图所剥引。恒电压控制模式下其控制器如图中虚线框的所示,该控制器通过控制网侧换流器轴电流值来调节网侧换流器产生的无功功率单位功率因数控制时,。固定为。控制框图由电压外环与电流内环组成。直流环节给定电压禾反馈电压。。。相比较后经调节器输出第二章双馈风力发电机动态模型与短路电流特性.。。发电机定子机端电压陀和反馈电压昀相比较后经调节器输出网侧换流器、轴参考电流值.分别与对应的反馈值.。。相比、∽。。以及电网电压较后经调节器输出值分别与各自解耦补偿项∞:。小∞:.。参考电压前馈补偿项。运算后得到网侧换流器参考电压小、经坐标变换后得到坐标系中分量值。小。耐,再经过坐标变换得到自然坐标系中参考分量经调制产生驱动信号。厂’广。岫丽一桫卜婿‘■输一广众几:胁??§睁谲一’山西:?厂了。百;。。图双馈风力发电机网侧换流器有功与无功控制策略框图..网饲换流器对双馈风力发电机短路电流值的影响从上述分析可知,若双馈风力发电机网侧换流器无功控制策略在故障期间采用单位功率因数控制,网侧换流器发出无功功率基本为零,对应的无功电流同样为零,此时网侧换流器只在有功控制策略下为保证直流母线电压的稳定而产生部分有功功率,相应的会产生一定的有功电流。若双馈风力发电机网换流器无功控制策略在故障期间采用恒电压控制,网侧换流器会在满足其有功需求的基础上将其剩余容量全部发出无功功率,以使发电机机端电压能尽快恢复,此时网侧换流器充当静止无功补偿器的作用。该模式下网侧换流器会产生相当数量的无功电流,在和其有功电流相叠加后,使得网侧换流器在故障期间对双馈发电机短路电流的贡献变得有些明显。但由于