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风光储互补系统短路电流特性仿真研究.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.68M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 风光储互补系统短路电流特性仿真研究# 顾雅云，胡林献** （哈尔滨工业大学 电气工程系，哈尔滨 150001） 5 摘要：风力发电和光伏发电具有随机性、间歇性等特点，而风光储互补系统能提供较平稳输 出。本文基于双馈风力发电机、光伏发电系统和抽水蓄能水轮机的暂态模型，应用 PSCAD 软件搭建了互补系统的暂态仿真模型，研究了最优容量配置下互补系统短路电流特性，并分 析了风速、光强、抽水蓄能水轮机状态、容量配置、撬棒保护状态、短路类型对短路电流特 性及并网联络线继电保护的影响。研究结论对风光储互补系统的设计和运行具有参考意义。 关键词：风光储互补系统；暂态模型；短路电流特性；PSCAD；继电保护 中图分类号：TM74 10 Simulation and Research on Short Circuit Current 15 Characteristics of Wind-Solar-Storage Complementary Power System GU Yayun, HU Linxian (College of Electrical Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China) Abstract: Both wind power and photovoltaic power are random and intermittent, while wind-solar-storage complementary power system can provide rather stable output. In this paper, the transient simulation model of complementary power system was built by using PSCAD software based on doubly-fed induction generator, photovoltaic power system, pump-turbine transient models. Then short circuit current characteristics of complementary power system at the optimal capacity configuration were studied and the influence of wind speed, light intensity, state of pump-turbine, capacity configuration, state of crowbar, short circuit type on short circuit current characteristics and output transmission line's relay protection was analyzed. The research results have comparison significance on the design and operation of wind-solar-storage complementary power system. Key words: Wind-solar-storage complementary power system; Transient model; Short circuit current characteristics; PSCAD; Relay protection 20 25 30 0 引言 风光储互补系统利用风能和光能在时间上的互补性，能提供较平稳输出，加上储能装置 的调节作用，增加了电网对风光能源的接纳程度，且通过容量优化配置可降低成本。逆变技 35 术的发展与成熟则为互补系统的并网运行提供了技术支持。可以预见，并网型风光互补系统 在电网的比重将越来越大。 并网互补系统容量的不断增加将对电力系统运行产生重大影响，如电压稳定性，频率， 电能质量，继电保护，自动重合闸等。继电保护是电力系统的第一道防线，而短路电流特性 是继电保护配置的依据，因此研究互补系统的短路电流特性及其对继电保护的影响具有重要 40 意义。 目前，国内外关于风光储互补系统的研究主要集中在容量优化配置[1]、系统设计[2]、能 基金项目：国家高技术研究发展计划（863 计划）资助项目基金（2011AA05A105） 作者简介：顾雅云（1991-），女，硕士研究生，主要研究方向：风光互补系统，热电厂负荷优化 通信联系人：胡林献，（1966-），男，教授，主要研究方向为高压直流输电系统运行与控制、电力系统稳 定性分析与控制、发电厂过程自动化等. E-mail: linxian_hu@163.com - 1 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 量控制策略[3]等方面，对互补系统的暂态模型及其对电力系统的影响研究较少。文献[4]根据 风力发电机、光伏阵列和蓄电池的特性分别建立数学模型，并构建了风光互补微网系统的仿 真模型，对微网系统孤岛运行和并网运行两种模式切换时的过渡状态以及功率流向进行了仿 45 真研究，结果验证了模型的可行性和有效性。文献[5]研究独立风光互补系统在负荷切入、 切出时，输电线路上的电压电流动态变化，以及负荷短路时，独立互补系统的动态稳定性。 文献[6]分别建立了异步风力发电机、光伏阵列、铅蓄电池的暂态模型，并运用 PSASP 软 件分析了互补系统在启动、退出和扰动情况下对配电网暂态稳定的影响。以上文献均未详细 分析风光互补系统的短路电流特性。 50 本文基于双馈风力发电机、光伏发电系统和抽水蓄能水轮机的暂态模型，应用 PSCAD 软件搭建了风光互补系统的暂态仿真模型，研究了最优容量配置下互补系统的短路电流特 性，分析了风速、光强、抽水蓄能水轮机状态、风光储的容量配置、撬棒保护状态、短路类 型对短路电流特性及并网联络线继电保护的影响。 1 风光储互补系统 55 互补系统由风力发电机组，光伏发电系统，储能装置，变流器和控制器组成。风力发电 机组和光伏发电系统是能量生产部分，储能装置起能量调节作用，变流器实现交直流转换， 控制器调节储能装置的出力，保证互补系统运行的稳定性和连续性。 汇流母线有交流母线、直流母线和交直流混合母线三种方式，本文选择扩容方便的交流 汇流母线。大容量储能装置有蓄电池，抽水蓄能，压缩空气储能等，本文选用容量大，技术 60 成熟可靠的抽水蓄能作为储能装置。图 1 为以抽水蓄能为储能装置，基于交流母线组网方式 的互补系统结构图： 图 1 风光互补系统的结构图 Fig. 1 Structure of wind-solar complementary power system 65 容量优化配置则以跟踪调度曲线为输出目标，以生命周期内总成本最小为优化目标，考 虑占地面积、风光资源利用率、风光资源互补性、跟踪调度曲线偏差率等约束，用 HOMER 软件仿真求解，得到最优容量配置。 2 风光储互补系统暂态模型 2.1 光伏发电系统 70 光伏发电系统由光伏阵列、直流侧电容、变流器以及滤波装置组成： 图 2 光伏发电系统的结构图 Fig. 2 Structure of photovoltaic power system 光伏阵列的 I-V 关系如式(1)： - 2 - DC/AC风光互补控制器DC/AC......风力发电机组光伏发电系统抽水蓄能发电机组交流集电线电网LC光伏阵列并网变压器交流母线
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 75 (1) 实际和标况下光伏电池单体的短路电流、开口电压、最大功率点电流、电压的关系如下： (2) 式中 、 、 为常数； 、 、 、 分别是实际和标况下的光强、温度； 、 、 、 、 、 、 分别是实际和标况下光伏电池单体的短路电流，开口电压，最 80 大功率点电流，电压； 、 分别是光伏阵列的串并联数。 图 3 是变流器的控制原理图，采用基于电网电压定向的矢量控制策略，即 dq 坐标系中 的 d 轴与电网侧的电压矢量始终指向同一个方向，控制目标为：电容电压恒定为光伏阵列最 大功率点电压， 跟随设定值。 85 90 图 3 变流器的控制原理图 Fig. 3 Control schematic of converter 2.2 双馈风力发电机 双馈风电机的典型结构是异步电机的转子经背靠背双 PWM 电压源型变流器接入电网 (见图 4)： 图 4 双馈发电机的结构图 Fig. 4 Structure of doubly-fed induction generator 其中风力机的模型如式(3)： (3) 95 式中 为风机输出机械功率； 为风能利用系数； 为空气密度； 为叶片半径； 为风速； 为叶尖速比， ， 为风机转速； 为桨距角。 双馈发电机在电动机惯例，满足右手螺旋定则，dq 坐标系下定子侧、转子侧电压方程 - 3 - 121212/(1{exp[]1})(1)exp[](1)[ln(1)]spscnocnmnmnscnocnmnmnocnscnVNINICCVIVCICVVICVI)]ln()1[( )1()( ] )ln()1[( )1()(1 SbeTcVVTaSSIISbeTcVVTaSSIISSSTTTmmnbmmnococnbscscnbbabcSbSTbTscnIscIocnVocVImnmImnVmVsNpNqi电压矢量观测+-+-+iaibicωLuαuβuaubucidiqUdcUdc*PIPIPIPWMid*iq*-+dqωtabcuαubωtabcαβudUdcdqabcωL--+-+uc齿轮箱变压器机侧变流器网侧变流器风力机1332)]1/(035.0)08.0/(1[)5.12exp()54.0116(22.0),(),(5.0iiipwpmCVCRPmPpCRwV/wRV
    中国科技论文在线 和磁链方程分别下式： http://www.paper.edu.cn (4) 100 (5) 式中 、 、 、 、 分别是绕组电压、电流、磁链，电阻和电感，下标 s 表示定 子侧，r 表示转子侧； 为定转子间的等效互感； 、 分别为同步、转差角速度； 为 微分算子。 双馈发电机有机侧和网侧两个变流器，网侧变流器控制原理和光伏发电系统的变流器类 105 似。机侧变流器则采用定子磁链定向的矢量控制策略，即 d 轴始终和定子磁场的空间矢量 同向，化简式(4)、(5)，得到定子有功 (转速)由转子电流 q 轴分量决定，定子无功由转子电 流 d 轴分量决定。采用电流滞环比较控制的机侧变流器控制原理如图 5 所示： 110 Fig. 5 Control schematic of generator-side converter 图 5 机侧变流器的控制原理图 2.3 抽水蓄能水轮机组 抽水蓄能水轮机有三种工况：抽水工况，发电工况和不工作状态。抽水时，将下水库水 抽到上水库，将电能转换成水的势能储存；发电时，利用上下水库的水位差将水的势能转化 为电能；不工作状态即停运。风光互补系统的控制器根据风、光出力情况和调度曲线，调节 115 抽水蓄能水轮机的工作状态。抽水蓄能水轮机的本质是凸级同步发电机，其暂态模型这里就 不赘述了。 2.4 风光储互补系统 根据风光储互补系统的结构，在分别建立光伏发电系统、双馈风力发电机、抽水蓄能水 轮机的暂态模型，并经交流汇流母线连接在一起后即可得互补系统的暂态模型。 120 图 6 风光储互补系统暂态仿真图 Fig. 6 simulation schematic of wind-solar-storage complementary power system - 4 - 11sdssdsdsqsqssqsqsdrdrrdrdsrqrqrrqrqsrduRipuRipuRipuRipsqmrqrrqsdmrdrrdrqmsqssqrdmsdssdiLiLiLiLiLiLiLiLuiRLmL1sps磁链相角计算DFIGisaisbiscusausc光电编码器ωrθ1θr_irairbircPI滞环比较abcdqPI+_+_Q*irq﹡ird﹡usbθs+ωrefABC有功无功计算QP
    中国科技论文在线 3 三相短路电流计算 http://www.paper.edu.cn 125 (1)双馈风力发电机 双馈风力发电机三相短路时，若撬棒保护不动作，根据式(4)、(5)推导出短路电流如下[7]： 若撬棒保护动作，则推导出短路电流如下[7]： (6) (7) 式中 、 分别为定、转子电流； 为短路前机端电压； 为电压跌落系数； 、 分 130 别为定、转子回路衰减时间常数； 为短路前转子磁链矢量幅值； 为短路时刻。 分析式(6)和(7)：无论撬棒保护是否动作，定子短路电流均包含衰减直流与稳态工频， 衰减直流与电压跌落程度相关。若撬棒保护动作，转子回路经撬棒电阻短路，转子磁链很快 衰减，短路电流包含转子频率衰减交流。若撬棒保护不动作，双 PWM 变流器能依靠 PI 控 制器控制转子电流，转子电流的变化情况取决于 PI 控制器的余差平抑能力。 135 (2)光伏发电系统 光伏发电系统经逆变器并网，逆变器响应速度快，热过载能力低，通常限制逆变器的输 出电流不大于额定电流的 1.5 倍。 计算光伏发电系统三相短路电流时，若端电压下降严重，则将光伏发电系统等效为 1.5 倍额定电流的恒流源，若端电压下降不严重，则将光伏发电系统等效为恒功率源。 140 (3)抽水蓄能水轮机 抽水蓄能水轮机的三相短路电流与同步电机类似，包含稳定基频和以不同时间常数衰减 的暂态基频、直流、二倍频，具体表达式这里就不赘述了。 (4)风光互补系统 风光互补系统是双馈风力发电机组、光伏发电系统、抽水蓄能水轮机组的并列运行，其 145 三相短路电流特性应包含三者的特点，既包含风电机组和抽水蓄能短路瞬间提供的暂态“尖 峰”，还应包含光伏发电系统和抽水蓄能提供的持续稳定基频。 4 仿真系统 4.1 系统参数 根据某地风、光资源特性，应用 HOMER 软件仿真求解得到风光储的最优容量配置为 150 8:2:1。算例系统安装 4MW 的双馈风力发电机组、1MW 光伏阵列，0.5MW 抽水蓄能水轮机 组。 双馈风力发电机参数：额定容量 2MW，额定线电压 690V，极对数 2，定子电阻 0.0054 pu，转子电阻 0.0061pu，互感 3.362pu，定子漏感 0.102 pu，转子漏感 0.11pu，风机的额定 功率为 2MW，叶片半径 40m，齿轮比 67。光伏电池单体的 、 、 分别为 8.37A， 155 37.2V，7.72A，29.8V。抽水蓄能水轮机组的额定功率为 500kW，额定电压为 400V，额定 电流为 902A。风速为 8m/s，光强为 1000W/m2。 系统运行图如图 7，t=7s 时在 f1 点发生三相短路，短路持续时间为 0.5s。 - 5 - 011/11(1)jtsttTssmsrsssAUeAUeLieijLjLL011//011(1)'''jtssrttTjttTssrsrsssAUeAUeKieeejLjLLsirisUAsTrT0r0tscIocVmImV
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 7 系统运行图 Fig. 7 Simulation motion diagram 4.2 风光互补系统短路电流特性仿真分析 图 8 为 f1 点发生三相短路，电流测量元件测得的互补系统提供的短路电流，图 9-11 分 别是短路电流经 FFT 分解得到的基频，直流，二倍频分量。 图 8 短路电流图 Fig. 8 The diagram of three phase short current 图 9 短路电流基频分量 Fig. 9 The fundamental frequency component 图 10 短路电流直流分量 Fig. 10 The direct current component 图 11 短路电流二倍频分量 Fig. 11 The second harmonic component 由图知，三相短路时互补系统短路电流包含衰减直流，基频，二倍频和稳定基频。暂态 直流分量的大小与短路前电压电流的相位有关。其中 a 相短路电流最大值约为稳态运行时的 2.2 倍，暂态电流约经 0.2s 就衰减至较小值，稳定短路电流值近似等于稳态运行电流值。 综上，互补系统的短路电流特性与只能提供稳定短路电流的光伏发电系统，与暂态分量 - 6 - 160 165 170 175 DC/AC......35kV电网110kV风光互补电站f1D 电流测量元件双馈风力发电机组光伏阵列抽水蓄能水轮机组区域风光互补电站三相短路电流 6.80 7.00 7.20 7.40 ... ... ...-0.080 -0.060 -0.040 -0.020 0.000 0.020 0.040 0.060 0.080 ydq1_Iadq1_Ibdq1_Ic短路电流的基频分量 6.50 7.00 7.50 ... ... ...0.0000 0.0050 0.0100 0.0150 0.0200 0.0250 0.0300 0.0350 0.0400 yla_m1lb_m1lc_m1abc三相的直流分量 6.50 7.00 7.50 ... ... ...-0.050 -0.040 -0.030 -0.020 -0.010 0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 yIa_dIb_dIc_d短路电流的2倍频分量 7.0 ... ... ...0.0000 0.0020 0.0040 0.0060 0.0080 0.0100 0.0120 yla_m2lb_m2lc_m2
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 180 大、稳定工频小的双馈风力发电机组均不同。 4.3 风光互补系统短路电流特性影响因素分析 (1) 风速 图 12 为不同风速下短路电流比较图，y 轴为 a 相电流均方根值，箭头方向表示风速上 升。由图知，风速越大，稳定短路电流越大，暂态“尖峰”略微增大。 185 图 12 不同风速下风光互补系统短路电流比较 Fig. 12 Short current under various wind speeds (2) 光强 图 13 为不同光强下短路电流比较图，y 轴为 a 相电流均方根值，箭头方向表示光强变 190 大。由图知，光强越大，暂态“尖峰”无明显变化，稳定短路电流也仅稍微变大。 图 13 不同光强下风光互补系统短路电流比较 Fig. 13 Short current under various light intensity (3) 抽水蓄能水轮机组状态 195 图 14 为抽水蓄能水轮机组不同工作状态下短路电流比较，y 轴为 a 相电流均方根值。 由图知， 抽水和发电状态的最大短路电流约相等，为不工作状态的 1.21 倍；对于稳定短路 电流，发电状态最大，约是不工作状态的 1.5 倍，抽水状态的 1.95 倍。 200 205 图 14 抽水蓄能水轮机组不同工作状态下短路电流比较 Fig.14 Short current under various states of pump-turbine (4) 撬棒保护状态 图 15 为撬棒保护不同工作状态下短路电流比较，y 轴为 a 相电流均方根值。由图知， 撬棒保护动作时，暂态分量衰减很快，稳定短路电流较小，撬棒保护不动作时，暂态分量较 小，能提供较大稳定短路电流。 - 7 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 15 撬棒保护不同状态下短路电流比较 Fig.15 Short current under various states of crowbar (5) 风光储的容量配置 图 16 为不同容量配置下短路电流比较，y 轴为 a 相电流均方根值，箭头方向表示总容 210 量不变，光电比重增加，风电比重减小，储能比重不变。由图知，随着风电比重变大，光电 比重变小，短路电流的“尖峰”现象越明显，稳定短路电流越小。 215 (6)短路故障类型 图 16 不同容量配置下互补系统短路电流比较 Fig. 16 Short current under various capacity configurations 图 17-18 分别是单相接地、两相接地、两相短路时互补系统提供的短路电流。与图 8 对 比知，短路类型不同，短路电流特性差别很大。 220 图 17 单相接地短路时的短路电流 Fig.17 Short current of single phase ground short 图 18 两相接地短路时的短路电流 Fig. 18 Short current of two phase ground short 225 图 19 两相短路时的短路电流 Fig.19 Short current of two phase short 由图知，接地短路时，abc 三相短路电流几乎重合，表现出弱馈特性。bc 两相短路时， 三相电流都瞬间增大，其后 b 相短路电流渐渐增大，c 相短路电流渐渐变小，a 相短路电流 略微下降，三相电流差异不大，与同步机两相短路时完全不同。 230 4.4 风光互补系统短路电流特性影响因素分析 风光互补系统升压后经联络线并入 110kV 或 220kV 母线。目前，联络线上的三段式电 - 8 - 单相接地短路时风光互补电站短路电流 6.90 7.00 7.10 7.20 7.30 7.40 ... ... ...-1.25 -1.00 -0.75 -0.50 -0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 ydq3_Iadq3_Ibdq3_Ic两相接地短路时风光互补电站短路电流 6.90 7.00 7.10 7.20 7.30 7.40 ... ... ...-0.80 -0.60 -0.40 -0.20 0.00 0.20 0.40 ydq4_Iadq4_Ibdq4_Ic两相短路时风光互补电站短路电流 6.90 7.00 7.10 7.20 ... ... ...-0.080 -0.060 -0.040 -0.020 0.000 0.020 0.040 0.060 0.080 0.100 ydq2_Iadq2_Ibdq2_Ic
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