logo资料库

考虑LVRT的风电场馈线稳态短路电流特性.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.38M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
第1页 / 共13页
第2页 / 共13页
第3页 / 共13页
第4页 / 共13页
第5页 / 共13页
第6页 / 共13页
第7页 / 共13页
第8页 / 共13页
资料共13页，剩余部分请下载后查看
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 考虑 LVRT 的风电场馈线稳态短路电流 特性# 乔颖，武晗* （清华大学电机工程与应用电子技术系,北京,100084） 摘要：近年我国发生了多起大规模风电机组脱网事故，其中部分事故以 35kV 电气设备故障 为诱因，明确 35kV 集电线路的故障特征对避免事故扩大具有重要意义。本文通过理论分析 和仿真验证，确定了低电压穿越（Low Voltage Ride Through，缩写为 LVRT）期间影响风电 机组短路电流受到 LVRT 策略、机端电压跌落程度和故障前风机出力三者的共同作用，明 确了馈线故障时其稳态短路电流受到故障点位置、电网强弱程度和故障严重程度的交互影 响，馈线外部故障时整条馈线稳态短路电流呈现出类受控功率源特性，并发现馈线故障时其 最小短路电流，与风电机组故障和馈线外部故障时馈线最大短路电流的幅值接近。 关键词：电力系统及其自动化；风电场；风电机组；集电线路故障；短路电流 中图分类号：TM713 The Character of Steady State Short Circuit Current of Feeder Line in Wind Farm Considering Low Voltage Ride Through QIAO Ying, WU Han (Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, 100084) Abstract: There has been a lot of cacading trip-off failures occuring in China recently. It was reported that some of failtures were induced by the 35kV device faults in collection system. So it is important to find out the charasticstics of faults occuring in the 35kV collection system. In this paper, the characticsics of short current of wind turbine generators during LVRT has been discussed in theory and by simulation. The impact factors of the short current of wind turbine generator include the strategy of LVRT, the voltage of generator terminal, and the pre-fault active power output of the generator. The results show that the steady component of short circuit current acts like a quasi-controlled-power source. The minimum value of fault current in the feeder line may be close to the max value out of the feeder or turbine faults. Key words: power system and automation; wind farm; wind tubine generator; the fults of collector system; short current 0 引言 十几年来，全球风电技术飞速发展，中国风电装机容量早已跃居世界首位，每年新增装 机容量占全球 40%以上，俨然成为风电大国[1, 2]。我国风资源分布集中，主要分布在“三北” 地区，这些地区拥有众多大型风电基地。大型风电基地具有典型的风电场集中接入架构， 35kV 集电系统采用多条馈线，每条馈线接入 10 台以上风电机组。 风电场典型的网架结构下，35kV 集电系统由于其线路距离长、回路多等特点，发生故 障概率大。2011 年“三北”地区发生了多起大规模风电机组脱网事故，事故的诱因多数为 35kV 电气设备故障引起[3, 4]。由此可见对 35kV 集电线路的短路电流特性进行深入的研究是有必 要的，进而对集电线路的保护提供参考。 基金项目：博士点基金（20110002120030） 作者简介：乔颖(1981-)，女，副教授，风力发电与并网. E-mail: qiaoying@tsinghua.edu.cn - 1 - 5 10 15 20 25 30 35 40
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 现有文献对风电机组和风电场的短路电流特性进行了丰富的讨论[5-11]，但并未对汇集线 路的短路电流特性进行足够细化的研究。文献[12]根据实际风电场计算出了相应的并网点、 馈线母线等处的短路电流、短路容量等的大小，得出结论风电场向故障点提供的短路电流所 占百分比较小。文献[13]提出了短路容量法进行风电场短路电流计算，并进一步分析了风电 场的低电压穿越能力。文献[14]通过 DigSILENT 对双馈风机风电场送出线路和集电线路发 生三相短路故障和单相接地故障进行了仿真研究，并给出了多种风电场短路电流计算方法。 但文献[12-14]均并未对集电线路不同位置发生故障的短路电流特征进行分析和研究，对集电 线路保护提供的参考价值有限。 45 50 双馈风机作为装机的主流机型，本文主要讨论基于双馈风机的风电场。本文首先介绍了 风电场的典型网架结构，然后分析了低电压穿越期间风电机组的短路电流特性，接着进一步 分析了三类故障下风电场馈线稳态短路电流特性，最后对分析结果进行仿真验证。 1 风电场典型网络架构和场内故障分类 220/35kV 区域C 公用 电网 风电场 变电站 区域B 35/0.69kV 区域A A 区域C’ 区域B’ 区域A’ A A A 图 1 风电场典型的网架结构 Fig.1 Typical Grid Structure of Wind Farm 55 60 65 风电场的典型网架结构如图 1 所示，多台风电机组经一条馈线汇集，多条馈线经并网点 汇集，升压后接入电网[15]。集电系统采用这种架构，一方面适用于风电场风机分布分散的 特点，节约了电缆成本；另一方面每条馈线上多台风电机组只需设置一组保护设备，采用的 35kV 电压等级开关设备较少，降低了电力电子设备成本。 风电场的典型网架结构下具有典型的保护配置：风力发电机机端配置 690V 断路器，风 电机组单元变压器高低压侧配置熔断器和刀闸，馈线首端配置 35kV 断路器，如图 1 所示。 同时，从风电场保护的角度出发，可将风电场划分为若干个保护区域[16]： 保护区域 A：包括风力机、发电机和电力电子换流器； 保护区域 B：包括 35/0.69kV 风电机组单元变压器和 690V 电缆； 保护区域 C：包括整条馈线和风电机组变压器高压侧刀闸与馈线之间的线缆。 可将区域 A 中的故障称为风机故障，可将区域 A 和 B 中的故障统称为风电机组故障， 可将区域 C 中的故障称为馈线故障。 2 考虑 LVRT 策略的风电机组短路电流特性 70 为了研究风电场馈线电流保护与低电压穿越的配合，本节首先对低电压穿越和撬棒保护 动作的过程简要介绍，然后讨论低电压穿越过程中风电机组的短路电流特性，分析影响风电 机组稳态短路电流特性的主要因素，为进一步分析风电场馈线的稳态短路电流特性做铺垫。 - 2 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 2.1 低电压穿越的要求和撬棒保护动作的过程 75 80 85 90 根据我国要求，风电场需保证在 20%并网点电压条件下不脱网运行 625ms 以上，实现 低电压穿越，如图 2 所示[17]。同时，当并网点电压跌落至 0.9pu 以下时风电场需提供动态无 功支撑，其所提供的无功功率一部分由风电机组提供，另一部分由无功补偿装置提供。 风电机组的低电压穿越装置多采用撬棒保护，撬棒保护的一般过程为：当转子电流超过 一定值时转子侧变流器闭锁撬棒投入，转子短接撬棒电阻，为浪涌电流提供通道，使转子短 路电流直流分量迅速衰减，当电流衰减到一定值时撬棒投出。撬棒未投入或已投出阶段，风 机应根据机端电压跌落程度保持有功出力或发出无功电流支撑电网电压，直到故障消除系统 恢复正常或最后风机低电压脱网 2.2 低电压穿越过程中风电机组短路电流特性分析 撬棒投入后短路电流迅速衰减，一般故障发生后 5~6 个周波（约 100ms）转子短路电流 即进入稳态。将故障后风电机组短路电流变化过程分为两个阶段：快速衰减阶段和稳态阶段。 如图 2 所示为一台加入撬棒保护的风电机组的三相短路电流：20s 时刻故障发生，机端电压 跌落至 0.27pu，短路电流迅速上升，故障发生约 3ms 后撬棒投入，短路电流进入快速衰减 阶段，20ms 后撬棒投出，100ms 后短路电流进入稳态阶段。不难看出，短路电流上升超过 2pu 撬棒即投入，将短路峰值电流限制在 2pu，以保护风电机组变频器；撬棒投入后短路电 流衰减时间常数减小，使得短路电流快速衰减。 u p / I 2 1 0 -1 撬棒投入 IWT 故障前 快速衰减阶段 稳态阶段 撬棒投入 20 20.05 20.1 time/s 20.15 20.2 20.25 图 2 加入撬棒保护的风电机组短路电流 Fig.2 Short Circuit Current Transient of Wind Tubine with Crowbar 95 可见由于撬棒保护策略的限制，风电机组短路电流峰值仅能达到约 2pu。在经过快速衰 减阶段之后，风电机组短路电流很快进入稳态阶段。本文对快速衰减阶段的暂态短路电流特 性不做过多讨论，仅讨论低风电机组和风电场电压穿越期间的稳态短路电流特性。 2.3 影响风电机组稳态短路电流特性的主要因素 S w = 2 P Q w w + 2  U I w w (1) 、 、 、 、 分别为风力发电机机端输出的视在功率、有功功率、无功功率、 w P Q I U w S 式中 w w 电流和机端电压。 w 100 由式（1）可得，发生故障时风机的有功功率、无功功率、机端电压直接对风机的稳态 短路电流产生影响。风机发出的有功和无功功率受低电压穿越控制策略和故障前有功出力 的影响，机端电压跌落由网侧故障严重程度决定，主要因素为： （1）低电压穿越控制策略 - 3 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 105 低电压穿越控制策略除了设置撬棒保护，还提供风机无功电流支撑的控制策略，决定 风机有功和无功出力。例如设置风机机端电压在 0.7pu 以上时保持有功出力，不发出无功， 在机端电压跌落至 0.7pu 以下时进入无功电流支撑状态并提供最大无功出力，不发出有功。 （2）网侧故障严重程度 网侧故障严重程度的不同造成机端电压跌落程度不同，根据低电压穿越策略，风机进 110 入不同的运行状态。同时机端电压跌落程度也影响到短路电流的幅值大小。 （3）故障前有功出力 假设故障前后风速并未发生大的变化，风机输入的风能保持不变。进入低电压穿越状态 后，若风机保持有功出力不发出无功，短路电流取决于故障前有功出力和机端电压跌落；若 风机发出无功的同时保持一定的有功出力，以减少风场的有功损失，所发出有功受到故障前 有功出力制约，同时影响短路电流大小；若风机只发出无功，此时短路电流与故障前有功出 力几乎无关，取决与所发出无功和机端电压跌落程度。 3 三类故障下风电场馈线稳态短路电流特性 在研究风电机组馈线稳态短路电流特性的基础上，进一步研究风电场馈线稳态短路电 流特性。对于风电场馈线电流保护而言，主要面向产生馈线短路电流的四种故障：风电机 组故障，馈线故障，相邻馈线故障和网侧故障。其中相邻馈线故障和网侧故障通过影响公 共连接点（Point of Common Coupling，PCC）电压影响馈线短路电流，将二者归为馈线外 部故障。下文将分别讨论发生风电机组故障、馈线故障和馈线外部故障时馈线的稳态短路 电流特性。 3.1 馈线故障时其稳态短路电流特性 馈线故障可以发生在图 1 中保护区域 C 的任一位置。为了讨论馈线故障的稳态短路电 流，对风电场等效电路作如下简化：（1）故障发生后馈线短路电流已进入稳态，此时风机 输出有功和无功保持稳定，机端电压也保持不变，将风机看做保持一定电势的电源；（2） 忽略风电场主变压器、风电机组单元变压器和集电线路上的电阻，且线路电抗是均匀的；（3） 假设每台风电机组单元变压器的电抗相同；（4）认为电网为无穷大系统发生短路故障为三  、 … 相对称短路。可得风电场简化等效电路如图 4（a）所示，其中 GE 为电网电压， E E E   r s t 1 对应为三条馈线上所有风机机端电压， cX 为无穷大电网与风电场 PCC 点间电抗， TX 为 X 风电机组单元变压器电抗， 1 为对应线路的电抗， kU 为故障点电压。 r+s+t  X 、 … X 2 2 115 120 125 130 GE XC PCC X1 X2 Xr… XT 1E XT K 2E XT rE Xr+1 Xr+2 … Xr+s XT  1rE  Xr+s+1 XT  2rE  Xr+s+t … GE XT  r sE  XT  r sE   1 XT  E   r s t 11kI 12kI 1kI X2∑  1E  kU K 2kI X3∑  2E  XC X1∑ X3∑ K X2∑  1E  X∑  stE  2E  GE stE XC∑ X4∑  （a）原始图 （b）简化图 1 （c）简化图 2 135 (a) original (b) simplification 1 (c) simplification 2 Fig.3 Simplified Short Circuit Current Model of Wind Farm under Short Circuit Fault in Feeder Line 图 3 馈线故障时风电场简化电路 - 4 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 对图 3（a）中电路进一步简化：将其他馈线上第 r+1 台至第 r+s+t 台风机及其线路电抗等效 为电源 stE ，其电抗等效为 X∑；将故障点与 PCC 点之间的风机和线路等效得到线路电抗 X1∑  ，其与故障点间电抗为 X2∑；将故障点与馈线末端之间的风机和线路等效得到电 和电源 1E   ，其与故障点间电抗为 X3∑。从而得到简化电路如图 3（b），对图 3（b）电路进一步 源 2E  进行星三角变换，由式（2）可得 Xc∑和 X4∑，可得简化单路如图 3（c）所示。 X c   X c  X 1   X 4   X   X 1   1 X X c X  X X  X c  1  (2)       I  K 2  E  1  jX 2  U k    E 2   jX 3  U k  (3) 从而可得短路点的电流 KI 的计算公式为：   I I  K K 11   E U  st jX   I I  K K   E U  G jX  I K     1 2 k 12 k  c  4  140 145 其中短路电流 11KI 为馈线断路器上通过的稳态短路电流（以下简称馈线稳态短路电 流）：  I K 11    E U  G jX c  k    E U  st jX 4  k (4) 150 由式（2）、（4）可得影响馈线稳态短路电流大小的变量有故障点电压 kU ，其他馈线上 的风机等效电源电势 stE 及等效线路电抗 X  ，无穷大电网与风电场 PCC 点间电抗 cX ，故 障点与 PCC 点之间的等效电抗 1X  。 表 1 馈线故障时影响风电场馈线稳态短路电流的变量 Tab.1 The Variables of Short Circuit Fault in Feeder Line 因素 kU 影响方式 故障点电压上升，故障严重程度下降，馈线稳态短路电 stE X  cX 1X  流减小 其他馈线上的风机的等效电势越小，说明其所提供的短 路电流越少，馈线稳态短路电流越小 其他馈线上的风机与 PCC 间等效电抗越大，距离也就越 远，所提供短路电流越小，馈线稳态短路电流越小 无穷大电网与风电场 PCC 点间电抗越大，说明风电场接 入的电网越弱，馈线稳态短路电流越小 故障点与 PCC 点等效电抗越大，说明故障点距离 PCC 点越远，馈线短路电流越小 3.2 风电机组故障时馈线稳态短路电流特性 155 研究风电机组故障时馈线稳态短路电流，与馈线故障时稳态短路电流对比，确定馈线 电流保护是否具有选择性。根据图 1 所示，风电机组故障包括区域 A（即风机故障）和区 域 B 中故障。对于风电机组单元变压器高压侧的故障，其短路电流与馈线故障相当，若未 及时切除将发展为馈线故障，所以此区域不在本节讨论范围内。 - 5 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 在图 3（c）风电场简化电路的基础上得到风电机组故障时风电场简化电路如图 4 所示， 160 其中 kU 为故障后风电机组与馈线连接处电压，其与参数与图 3 中相同。 GE stE XC∑ X4∑  1kI 2kI kU XT K kU 11kI 12kI X2∑  1E  X3∑  2E  图 4 风电机组故障时风电场简化电路 Figure4 Simplified Short Circuit Current Model of Wind Farm under Short Circuit Fault in Wind Turbine Generator 将公式（3）（4）中 kU 替换为 kU 即可得相应的风电机组故障时的短路点电流 KI 和馈 。所以表 1 也适用于风电机组故障时馈线稳态短   I X  K T 线稳态短路电流 11KI ，且 k   U U 路电流。   k 对比馈线故障和风电机组故障时的馈线稳态短路电流，可以看出由于短路点与馈线之 间电抗 XT 的升压作用，使得 kU 比 kU 大很多，所以风电机组故障时馈线稳态短路电流相比 馈线故障时的短路电流小得多。 3.3 馈线外部故障时馈线稳态短路电流特性 馈线外部故障包括相邻馈线故障和网侧故障。对于馈线而言，馈线外部故障引起 PCC 点电压跌落，进而造成风电机组机端电压跌落，使得整个馈线上的风电机组进入低电压穿 越状态。 如图 5（a）所示为馈线外部故障时风电场的简化电路， kU 为故障后 PCC 点电压，其 余参数与图 4 相同。考虑到线路电抗相比于风电机组单元变压器电抗可以忽略不计，将图 5 （a）中线路电抗忽略，可得如图 5（b）所示简化电路。 PCC kU X1 XT X2 XT Xr… XT rE XT XT kU kI  2E 1E （a）简化前 （b）简化后 rE 1E XT 2E (a) before simplification (b) after simplification 图 5 馈线外部故障时风电场简化电路 Figure5 Simplified Short Circuit Current Model of Wind Farm under Short Circuit Fault out of Feeder Line 由图 5（b）可得馈线短路电流 KI 为：  k  k  k (5)  …   I   K   E U  1 jX T    E U  2 jX T   E U  r jX T 由式（5）可得，馈线外部故障时的馈线稳态短路电流相当于馈线上所有风机在低电压 穿越中稳态短路电流的叠加。 根据式（5）和 2.3 节结论可得，馈线外部故障时影响馈线稳态短路电流的因素，与影 - 6 - 165 170 175 180 185
    190 195 200 205 210 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 响风电机组稳态短路电流的因素类似：故障后 PCC 点电压跌落，风电场和风电机组的低电 压穿越控制策略和馈线上风电机组故障前有功出力。 4 仿真验证与分析 本文第 2 节和第 3 节已经对风电机组和馈线稳态短路电流特性进行了一系列的分析， 本节将对这些分析和结论进行仿真验证。 本文在 MATLAB/Simulink 平台进行仿真实验，首先进行针对风电机组短路电流特性进 行仿真实验，然后进行风电机组故障、馈线故障和相邻馈线故障下的馈线短路电流仿真实 验，验证风电场馈线稳态短路电流特性。 4.1 风电机组稳态短路电流仿真 4.1.1 仿真条件说明 仿真采用双馈风力发电机，使用撬棒保护实现低电压穿越，风机的最大无功功率为 0.4pu，设置风机的低电压穿越策略为：当转子短路电流超过 2 倍额定值时撬棒投入，当转 子电流低于 1 倍额定值时撬棒投出；当机端电压高于 0.7pu 时风机保持有功出力，当机端电 压低于 0.7pu 时风机进入无功补偿状态，发出最大无功功率。 仿真实验中，风电机组的控制策略一定，将故障严重程度(即机端电压跌落程度)、故障 前风机出力作为控制变量。通过改变故障接地电阻的大小可以改变故障的严重程度，在模 型中可直接修改风机故障前出力状态。根据低电压穿越控制策略，机端电压跌落程度分别 取 0.4pu、0.6pu、0.8pu，故障前风机出力分别取 0.1pu、0.5pu、0.9pu，共进行 9 组实验。 故障发生在 20s，测量的数据主要包括转子三相电流 IWT、机端电压 VWT、风机有功功率 PWT 和无功功率 QWT。 4.1.2 仿真实验波形 WT 20.1 IWT V P Q 20.15 20.2 20.25 20 20.05 1.5 1 0.5 0 u p Q/ P V - - -0.5 19.95 2 1 0 -1 u p / I -2 19.95 20 20.05 20.1 time/s 20.15 20.2 20.25 图 6 风电机组短路电流波形 Fig.6 Waveform of Short Circuit Current of Wind Turbine Generator 考虑文章篇幅，仅列出机端电压跌落至 0.4pu，故障前风机出力 0.1pu 时的仿真波形。 - 7 -
    中国科技论文在线 4.1.3 仿真结果分析 http://www.paper.edu.cn 215 表 2 风电机组稳态短路电流 Tab.2 Steady-state Short Circuit Current of Wind Turbine Generator 稳态短路电流/p.u. 机端电压跌落/p.u. 短路前风机 出力/p.u. 0.1 0.5 0.9 0.4 0.96 0.96 0.96 0.6 0.63 0.63 0.63 0.8 0.13 0.62 1.08 将 9 组实验结果汇总，得到如表 2 所示风电机组稳态短路电流与机端电压跌落和短路 前风机出力的关系，分析如下： （1）根据仿真风机的低电压穿越控制策略设置，故障后机端电压跌落至 0.7pu 以下 时，风力机发出最大无功功率（Q=Q0），有功功率几乎为 0（P≈0），S=｜P+jQ｜≈Q0 。 220 Q 当机端电压跌落至 0.4pu 时，其稳态短路电流应约为 0 U  0.4 / 0.4 0.96  pu ，机端电压 Q 跌落至 0.6pu 时，其稳态短路电流约为 0 U  0.4 / 0.6 0.63  pu ,实验结果与理论吻合。 所以，当机端电压跌落至 0.7pu 以下时：风电机组稳态短路电流约与故障后机端电 压成反比，与故障前风机出力无关。 225 230 235 （2）故障后风机机端电压高于 0.7pu 时，风电机组仍保持原有功出力，不发出无功， 则 S=｜P+jQ｜≈P0。当机端电压跌落至 0.8pu 时，其短路电流应约为故障前运行电流的 P0/U =1/0.8=1.25 倍，由表 2 可知 0.13 0.1 ，实验结果与理论吻合。 0.62 0.5   1.08 1.25 0.9  所以，当机端电压跌落至 0.7pu 以上时：风机的稳态短路电流约与故障后机端电压成反 比，约与故障前风机出力成正比。 由以上分析可得风电机组短路电流特性受到低电压穿越控制策略、故障严重程度（机端 电压跌落程度）和故障前风机出力的共同作用和影响。 4.2 馈线故障下其稳态短路电流仿真 4.2.1 仿真条件说明 风电场采用典型架构，设置 3 条馈线，馈线 1 接 4 台风机（风机 1~4），馈线 2 接 3 台 风机（风机 5~7），馈线 3 接风机 8。风机 1~7 额定功率均为 1MW，风机 8 额定功率为 26MW， 为 26 台风机的聚合。另外考虑到实际风电场各风机的有功出力不同，设置风机 1~8 的故障 前出力依次为 0.7pu、0.55pu、0.4pu、0.3pu、0.4pu、1pu、0.6pu、0.4pu，各风机之间的距 离设置也不同，如图 8 所示为风电场各风机间线路距离。 - 8 -
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    开发技术

    共收录19306份资料，累计14个分类，关注成员有19位，主要包括：Actionscript,Javascript,PHP,VB,Perl,Delphi,Python,C#,C,Java,C++,Web开发,硬件开发,其它

    热门标签

    Actionscript Javascript PHP VB Perl Delphi Python C# C Java C++ Web开发 硬件开发 其它

    最新资料