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电路短路电流会变大吗(测电源电动势的短路电流)

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中国电工学会出品

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摘要

2018年第14期,《电工技术学报》,研究员chdjm,慢孙等。湖北省电力有限公司强电磁与新技术国家重点实验室(华中科技大学)、广东电网有限公司阳江供电局负责人撰文指出,新能源故障电流特性研究是电网故障分析和保护原理研究的重要基础。

由于双馈电源的特殊结构和复杂的暂态特性,尤其是非对称故障条件下,与低压穿越控制策略有关,控制策略多样化,导致对其故障电流特性的理论分析薄弱。鉴于此,建立了不对称故障条件下双馈电源的数学模型。考虑到陷波滤波器和RSC励磁调节特性的影响,建立了转子电流内环控制系统的简化等效模型。

在此基础上,推导了PI控制器参数的解析表达式,分析了控制系统的相位裕度和交叉频率范围,建立了双馈电源转子电流的简化计算模型。最终形成了适用于不同控制策略的双馈电源短路电流统一解析表达式,为新能源电网故障分析方法和继电保护新原理奠定了重要基础。利用PSCAD/EMTDC搭建仿真平台,证明了双馈电源短路电流统一解析表达式的正确性。

近年来,为了减少化石能源的过度消耗,实现经济、社会和生态的协调可持续发展,新能源发电技术得到了广泛发展。然而,随着新能源并网容量的不断增加,其对电网安全稳定运行的风险也日益凸显。为防止电网故障期间新能源大规模离网对电网的影响,保障电网安全稳定运行,并网条例明确要求新能源应具备良好的低压穿越运行能力。

新能源低压穿越运行后,电网故障时会馈出短路电流。与传统交流同步发电机相比,新能源的短路电流与其并网方式、低压运行控制策略和本体保护方式等诸多因素有关。且其特性极其复杂,对电网的故障特性和继电保护有严重影响。因此,迫切需要研究新能源的故障电流特性,为新能源电网的故障分析和继电保护原理的研究奠定基础。

根据新能源电源的基本工作原理,可分为双馈电源和逆变电源两种基本形式。对于逆变电源的故障电流特性,国内外学者进行了全面深入的研究,取得了许多研究成果[1-4]。但对于双馈电源,由于逆变器容量小,一般都配有撬棍保护。当发生严重的外部故障,可能导致转子过流或DC母线过电压时,此时,撬棍保护动作会通过撬棍电阻使转子电路短路,保证变频器的安全运行。

当外部故障较远时,双馈电源仍将保持励磁状态并网。由于crowbar保护的动作直接影响双馈电源的短路电流特性,因此双馈电源故障特性的研究应从考虑crowbar保护的动作和考虑励磁调节特性的影响两个方面进行[5]。

国内外学者对短路电流的分析做了大量的研究工作

目前,已有的研究主要集中在三相对称故障上。考虑到转子励磁调节特性的影响,文献[9]深入研究了双馈风力发电机故障电流在端电压对称下降下的特性,推导了双馈风力发电机定子电流的理论解析表达式。在文献[5]中,将转子电流内环控制系统设计成典型的型和型系统,给出了转子电流的简化等效模型,并在端电压降对称的情况下,得到了故障电流的解析解。

然而,上述研究主要针对电网对称故障,没有考虑电网不对称故障情况下转子励磁调节特性和低压穿越控制策略的影响。特别是在电网不对称故障条件下,双馈风力发电机组包括多种不同控制策略的低压穿越方案[10-13],没有统一的适用于不同控制策略的双馈风力发电机组故障电流解析模型。

此外,在工程实践中,双馈电源一般采用陷波滤波器分离正序分量和负序分量,从而提高其在电网不对称故障情况下的低压穿越运行能力[14-17]。然而,陷波滤波器的增加改变了双馈电源控制系统的原有结构,也影响了PI控制器的动态响应性能,使得双馈电源故障电流特性的分析更加复杂。

鉴于此,本文首先建立了电网不对称故障条件下双馈电源的数学模型,并考虑了陷波滤波器和转子侧变流器励磁调节特性的影响,建立了转子电流内环控制系统的简化等效模型。在此基础上,推导了PI控制器参数的解析表达式,分析了控制系统的相位裕度和交叉频率的范围,建立了双馈电源转子电流的简化计算模型,形成了适用于不同控制策略的双馈电源短路电流的统一解析表达式。最后,利用PSCAD/EMTDC搭建仿真平台,验证了双馈电源短路电流统一解析表达式的正确性。

图1不平衡电网电压下的RSC控制原理框图

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结论

本文针对目前双馈型电源故障电流特性研究方面存在的不足,提出了双馈型电源在励磁调节状态下的故障电流分析方法,建立了适用于不同控制策略的双馈型电源故障电流统一解析表达式,为后续含新能源电源接入的电网故障分析及保护研究奠定了重要基础。主要研究结论如下:

1)陷波器的加入将影响DFIG定子磁链的幅值和相位,也使得PI控制器参数的取值范围也发生了较大的变化,进而影响转子变换器的动态特性。

2)DFIG定子磁链d轴分量中只包含衰减的基频分量而不含直流分量,而定子磁链q轴分量中包含直流分量和衰减的基频分量。其中,直流分量的大小与机端电压幅值相关,但基频分量在正转同步坐标系中的幅值和相位与机端电压大小有关,而在反转同步速旋转坐标系中则只有幅值与机端电压大小相关。

3)在不对称故障条件下,DFIG故障电流特性远较传统同步发电机复杂,与机端跌落电压及所采用的控制策略相关,其组成包括稳态基频分量和衰减的直流分量。其中,衰减直流分量的幅值与机端跌落电压和故障前电流相位有关。而稳态基频分量则与机端跌落电压及所采用的控制策略有关。特别是当DFIG采用平衡的定子电流控制策略时,其负序电流中只含有衰减的直流分量而不含稳态基频分量。

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