新能源发电的故障穿越技术

新能源发电的故障穿越技术新能源发电技术的故障穿越技术本章内容：●新能源发电并网技术规范●电网电压故障下新能源发电设备的暂态数学模型●网侧变流器的低电压穿越技术●双馈风机的低电压穿越技术●换相失败引发的送端电网电压故障7.1能源发电并网技术规范频率故障穿越要求脱离电网脱离电网脱离电网情况决定脱离电网脱离电网脱离电网脱离电网情况决定脱离电网情况决定15分钟功率减小60分钟功率减小[30秒3分钟正常运行正常运行正常运行正常运行正常运行5小时30分钟60分钟功率增加30分钟20分钟30分钟5分钟10分钟60秒20秒脱离电网20秒20秒20秒脱离电网脱离电网情况决定脱离电网情况决定或46.5-47Hz丹麦德国澳大利亚苏格兰中国丹麦德国澳大利亚苏格兰中国7.1能源发电并网技术规范◆电压故障穿越要求·电力系统的电压变化是受到电网的无功功率平衡决定的。无功过多时电网电压会升高，无功不足时电网电压会降低。·各国并网导则和标准均要求风电机组能够在一定的电压波动范围内正常运行。国家电网电压骤降电网电压骤升剩余电压(p.u.)并网运行时间(s)丹麦澳大利亚0德国0西班牙0加拿大0——爱尔兰——新西兰0——英国一一美国1中国能源发电并网技术规范◆电压故障穿越要求以高电压穿越为例：·自并网点电压升高出现的时刻起，风电场动态无功电流上升时间不大于40ms;·自并网点电压恢复至标称电压110%以下的时刻起，风电场应在40ms内退出主动提供的动态无功电流增量。电网故障引起电压升高风电机组可以切出要求风电机组不脱网连续运行7.2电压故障下新能源设备暂态数学模型◆网侧变流器暂态数学模型网侧变流器网侧变流器新能源发电设备滤波环节新能源发电设备可以是储能电池、光伏发电板、风力发电机接机新能源发电设备发出的有功功率与网侧变流器输出新能源发电设备发出的有功功率与网侧变流器输出的有功功率相等(P=P。)时网侧变流器的直流母线电压可以保持恒定。当P>P。时，网侧变流器直流母线电压会升高.7.2电压故障下新能源设备暂态数学模型◆双馈风机暂态数学模型假设t=t,时刻，电网发生三相对称电压故障，忽略机端电压相位跳变，短路前、后同步旋转坐标系下的机端电压矢量u为K:电网电压发生故障后机端电压幅值变化比例7.2电压故障下新能源设备暂态数学模型在故障发生后，定子磁链包含一个由e-ja(t-t)主导的周期交流成分和定子磁链/Wb定子磁链/Wb定子磁链/Wb·为了补偿机端电压瞬间变化造成的定子磁链变化，定子绕组中感应出暂态直流磁链分量·暂态分量的最大值和机端电压变化量的大小和故障时刻有关·定子磁链动态表现为弱阻尼模式，衰减持续时间通常较长7.2电压故障下新能源设备暂态数学模型转子侧的电压平衡方程为·u,为转子侧变流器交流输出的等效电压矢量，反映转子侧变流器控制性能对转子电流的影响7.2电压故障下新能源设备暂态数学模型◆双馈风机暂态数学模型将反电势变化为机端电压的函数Q:转子电角速度·电网电压故障后，在定子磁链暂态直流分量的作用下，反电势中感生出暂态直流分量·定子磁链暂态直流分量的大小和机端电压变化量和故障时刻有关，而反电势除了上述因素外还与DFIG的滑差率有关7.2电压故障下新能源设备暂态数学模型将反电势变化为机端电压的函数Q:转子电角速度·反电势的周期分量与滑差率成正比，考虑到DFIG的滑差率通常来说不会超过0.3,周期反电势一般较小。7.2电压故障下新能源设备暂态数学模型假设变流器容量足够大，DFIG转子侧的保护未动作。转子电压的大小由转子侧变流器的控制决定，DFIG转子侧变流器控制采用定子磁链定u转子侧变流器的电流内环控制回路，其控制方程为7.2电压故障下新能源设备暂态数学模型◆双馈风机暂态数学模型假设电流控制回路闭环带宽足够大，变流器交流侧电压能无差地跟踪参考值，忽略开关暂态特性，电网电压故障下的转子电压u,为由于采用定子磁链定向控制，转子电流参考值为考虑定子磁链与变流器控制系统对转子电流的影响，电网电压故障后的转子电流动态方程为7.2电压故障下新能源设备暂态数学模型◆双馈风机暂态数学模型电网电压故障下DFIG的转子回路为2阶动态电路，求解微分方程可得电网电压故障下DFIG的转子电流为其中的i为转子电流的自然分量，与转子正常运行的电流i₀有关，具体为P₃₀为DFIG稳态运行的功率7.2电压故障下新能源设备暂态数学模型◆双馈风机暂态数学模型7.2电压故障下新能源设备暂态数学模型电网对称短路时的转子电流相当于在转子电流基频参考值上叠加了2个暂态分量，自然分量和暂态直流分量。定子电流kA定子电流kA定子电流kA电网电压骤升30%电网电压骤升30%7.3网侧变流器的低电压穿越技术为了实现对电网电压跌落故障下的网侧变流器中的直流侧过电压实现有效抑制，直流斩波器(Chopper)是一种广泛采用的低电压穿越技直流母线电容的功率平衡方程为若Chopper动作后，直流电压不超过直流侧电压最大允许值，则卸荷7.3网侧变流器的低电压穿越技术依据经验综合考虑各种因素，卸荷电阻的理论范围为Chopper电路除了通过开关管直接连接卸荷电阻的形式，还有一些改进的拓扑结构：·直流降压式变换电路(Buck电路)7.3网侧变流器的低电压穿越技术直流储能单元采用储能系统将多余的能量储存起来，在实现并网变流器的低电压穿越的同时避免了能量的浪费。容器组z环节电网由超级电容器组和双向Buck/Boost变换器构成，Ls为双向Buck/Boost变换器滤波电感。7.3网侧变流器的低电压穿越技术SC_ESS在低电压故障下的控制分为三个阶段。1.故障开始后又切除直至Ps=Pg的时刻，直流母线给超级电容充电，在Ps=Pg时刻超级电容端电压达到最大值。2.Ps<Pg,直至超级电容端电压下降到设定切除值，网侧输出有功功率的能力大于新能源发电设备注入的功率，超级电容按设定功率或者恒定电流进行放电，将LVRT过程中存储的能量注入电网，保证超级电容在每次LVRT后的一定时间内恢复到初始状态。3.SC_ESS停止工作。随着SC_ESS完成能量输出，各个变流器环节恢7.3网侧变流器的低电压穿越技术态性能的串联型电能质量控制器。当电网电压发生跌落时，动态电压恢复器能够在几个毫秒内向电网注入一个幅值、相位可控的串联补偿电压，从而确保负荷侧电压与故障前的电压一致。储能单元动态电压恢复器二7.3网侧变流器的低电压穿越技术◆动态电压恢复器DVR电压控制的主要目的是维持负荷电压的稳定。通常采用电压反馈控制，将负荷侧电压或者DVR输出电压作为反馈信号，保证响应速度7.4双馈风机的低电压穿越技术抑制双馈风机转子过电流的最常用方法是采用撬棒(Crowbar)保护电路，通过在双馈风机转子侧加装Crowbar电路来短接双馈风机的转子绕组、旁路转子侧变流器，为转子暂态电流提供回路。变压器被动被动式主动式所用所用开关器件类型保护装置全控桥型(b)二极管桥型(b)二极管桥型带旁路电阻型其中二极管桥型Crowbar由于其控制简单、成本低等特点，而成为主流的Crowbar电路拓扑。新能源发电技术新能源发电技术的故障穿越技术7.4双馈风机的低电压穿越技术励磁强化措施的基本思路是在双馈风机的低电压穿越过程中重新设的能力。这种“主动消磁”的控制策略可以衰减暂态磁链、抵消负序磁链，从而降低电网电压骤变瞬间双馈电机产生的过电流效应。加入前馈补偿“灭磁”控制压或电流补偿项。加入前馈补偿“灭磁”控制采用采用比例反馈校正的方式增加转子侧的等效电阻，从新能源发电技术新能源发电技术的故障穿越技术7.4双馈风机的低电压穿越技术◆励磁强化措施加入前馈补偿与传统的控制方案相比，加入前馈补偿的思路体现在原来控制器基础上再加上计及定子励磁电流变化的补偿量，以此对解耦电路作了必要Vrd,com=L(Usa-Risa+ii7.4双馈风机的低电压穿越技术◆励磁强化措施“灭磁”控制考虑双馈风机中的互感远大于定转子的漏感值，电网电压故障下的转子电流可以近似表示为为了降低DFIG中的转子电流，可以将转子磁链控制为定子磁链的减小部分。这样，故障转子电流可以得到有效抑制。基于上述分析，提出7.4双馈风机的低电压穿越技术P为比例控制环节，转ψsq转子磁链ψsq转子磁链参考计算PP磁链磁链观测器urdcurdc和urgc分别为转子电压的增益分量，具体为·不足：要求利用转子侧变流器的电压容量产生出抵消定子磁链暂态分量的转子电流，控制效果同样受到转子侧变流器的容量限制7.4双馈风机的低电压穿越技术◆励磁强化措施虚拟阻尼技术为加快电流调节器的动态响应实现对故障瞬间电流的有效控制，基于反馈校正理论将虚拟阻尼技术引入双馈风机的转子侧变流器控制中。G(s):G(s):转子侧变流器电流闭环被控对象转子侧变流器Erd双馈电机模型d电流调节器采用PI控制，其传递函数为转子侧变流器电流闭环被控对象的传递函数G(s)为7.4双馈风机的低电压穿越技术◆励磁强化措施▶虚拟阻尼技术双馈电机模型转子侧变流器双馈电机模型dd7.5换相失败引发的送端电网电压故障随着能源危机和环境问题日趋严峻，以风力发电和光伏发电为代表的新能源发电技术得到了快速发展。我国的风光能资源分布极为不均匀，资源与负荷中心的逆向分布导致新能源发电无法就特高压直流输电技术是指±800kV及以上电压等级的直流输电及相关技术。特高压直流输电的主要特点是输送容量大、输电距离远，电压高，7.5换相失败引发的送端电网电压故障◆换相失败引发的送端电网电压波动机理换相失败：当两阀臂之间换相结束后，若预计关断的阀在反向电压作用的一段时间内未能恢复正向电压阻断能力，或在反向电压作用期间换相过程一直未能进行完毕，则在阀电压由负变正时预计导通的阀将向预计关断的阀倒换相。7.5换相失败引发的送端电网电压故障◆换相失败引发的送端电网电压波动机理■若阀3触发时换相角较大，阀1在阀电压过零点后有剩余载流子，则当阀电压由负转正后，阀1不加触发脉冲亦可重新导通，发生阀3向阀1的倒换相，阀3关断。■若换相角足够大，甚至可能在阀1向阀3换相过程尚未完成时，发生阀3向阀1倒换相。■倒换相结束后，阀1和阀2继续导通，若无故障控制，仍按原定次序触发各阀，在阀4导通后，阀4和阀1在直流侧短路，导致直流电压和功率骤降。恢复正向电压阻断能力所需的最小关断角γmin时会发生换相失败。7.5换相失败引发的送端电网电压故障◆换相失败引发的送端电网电压波动机理双十二脉动换流桥结构。送端换流站直流输电线送端电网直流输电线系统的拓扑图，送/受端换流站采用受将换流站直送端换流站直受将换流站直送端换流站直受端电网受端电网无功补偿当在受端换流站近区发生电网电压故障时逆变桥的最小关断角会快速增大，导致LCC-HVDC系统发生换相失败故障。7.5换相失败引发的送端电网电压故障·送端换流站从送端电网中吸收的无功功率先快速增加后快速减小·送端电网中无功补偿设备无法快速投切，导致送端换流站吸收无功功率快速增加时送端电网会出现低电压故障·在送端换流站吸收无功功率快速减少时送端电网则会出现7.5换相失败引发的送端电网电压故障◆换相失败下送端电网的新能源发电设备数学模型网侧变流器数学模型网侧滤波器是一个线性电路，其输出电流可以通过电源叠加定理进·故障发生前的稳态(状态0)·电网电压变化的状态(状态1)·GSC输出电压变化的状态(状态2)R新能源发电技术新能源发电技术的故障穿越技术新能源发电技术新能源发电技术的故障穿越技术7.5换相失败引发的送端电网电压故障在发生故障前，在dq旋转坐标系下网侧变流器的电压电流为7.5换相失败引发的送端电网电压故障假设电网发生故障后，电网电压幅值的变化量表示为时间函数u₁g(t)。网侧变流器输出电流与电网电压的关系为在电网电压定向矢量控制下，在dq旋转坐标系下的电网电压为7.5换相失败引发的送端电网电压故障◆换相失败下送端电网的新能源发电设备数学模型新能源发电技术新能源发电技术的故障穿越新能源发电技术新能源发电技术的故障穿越技术7.5换相失败引发的送端电网电压故障◆换相失败下送端电网的新能源发电设备数学模型Rcq(s)变换到时域下，状态1下网侧变流器的输出电流为7.5换相失败引发的送端电网电压故障◆换相失败下送端电网的新能源发电设备数学模型网侧变流器数学模型—状态2滤波器RC支路的电流分量为滤波器RC支路的电流分量为状态2下网侧变流器输出的电流可表示为7.5换相失败引发的送端电网电压故障◆换相失败下送端电网的新能源发电设备数学模型网侧变流器数学模型状态2网侧变流器输出电压受电流环PI调节器参数以及解耦补偿项的共同影响，网侧变流器的输出电压为状态2下网侧变流器的输出电压为7.5换相失败引发的送端电网电压故障◆换相失败下送端电网的新能源发电设备数学模型网侧变流器数学模型状态2由此得到状态2下的无功电流分量为对i₂gq(s)作反拉普拉斯变换，可以得到状态2电流时域解i2gq(t)。网侧变流器输出到电网的暂态无功功率为网侧变流器输出的有功功率受到变流器容量以及新能源网侧变流器输出的有功功率受到变流器容量以及新能源发电设备的输出特性的影响，需根据具体的设备情况具体分析。7.5换相失败引发的送端电网电压故障◆换相失败下送端电网的新能源发电设备数学模型双馈风机数学模型下图所示为双馈风机的T型等效电路图。考虑到双馈风机也是线性电路，可以根据电源叠加定理将DFIG的暂态电流响应划分为三个状态分量：7.5换相失败引发的送端电网电压故障◆换相失败下送端电网的新能源发电设备数学模型在发生故障前，在dq旋转坐标系下网侧变流器的电压电流为新能源发电技术新能源发电技术的故障穿越技术7.5换相失败引发的送端电网电压故障◆换相失败下送端电网的