带负荷测试（共7篇）
带负荷测试 篇1
作为变压器的主保护,差动保护不正确的比例非常之大,远不能满足变压器安全可靠运行的要求。分析造成差动保护不正确动作的原因,二次回路和整定计算的疏忽是不可忽视的问题。要及时掌握差动保护的运行情况,检验差动保护的整定、接线正确性,一个重要的方法即是用负荷电流对差动保护进行测试。本文对变压器差动带负荷测试过程中要测哪些量,如何准确有效地分析测得的数据进行讨论。
一、造成变压器差动保护不正确动作的原因分析
分析变压器差动不正确动作的原因,跟现场运行有关的主要有以下两点。
(一)电流互感器二次端子极性接反或二次回路接线错误。少数继电保护工作人员专业素质较差,不能严格按照正确的设计图纸施工,差动保护二次电流回路端子极性的选择未与一次设备相协调,执行调试规定时马马虎虎,在新安装或二次回路有改动时,造成差动二次电流回路的错误接线。
(二)尽管各型主变差动保护在原理上大同小异,但在具体细节上却又各个不同。如:相位调整方式(软件内部调整还是通过电流互感器外部调整)的选择、各侧不平衡系数的计算方法等,增加了其在回路接线和整定计算的复杂性,增大了人为因素特别是整定计算错误造成保护误动的可能性。
二、主变差动保护带负荷测试的主要内容
借助于带负荷测试,通过对以下数据的收集、整理,可以很好地发现施工、设计、计算等过程当中问题的存在。
(一)差流(或差压)。
(二)各侧电流的幅值和相位。同时,差动保护二次电流回路中N线的电流幅值的测量也至关重要。
(三)变压器的实际负载电流。通过本站被测试设备上级电源侧间隔的表计,或者监控后台机上的数据,或者调度端的遥测数据,结合当前电网运行方式,计算并记录变压器各侧实际电流大小和流向,作为电流互感器变比、极性分析的依据。
(四)差动保护用电流互感器备用次级完整性的测量。电流互感器各线圈之间是相互影响的,任何一个线圈的开路都将影响电流互感器的运行工况,使电流互感器出现饱和等情况,从而引起差动保护的不正确动作。因此,在带负荷测试过程中,不光测试差动保护本身的二次电流回路,同时还得对差动保护用电流互感器其他线圈二次回路(特别是备用回路)进行测量,以检查各线圈回路的完整性。当然对这部分的测量仅须测试数据,确认不存在开路或过载运行等情况,无须太多的分析。
三、主变差动保护带负荷测试后数据的分析
收集整理完测试数据,还需对各组数据进行认真的分析。数据分析是差动保护测试至关重要的一步,如若不能准确掌握保护原理而对数据不能准确理解,再正确的数据也只能得出错误的结论,整个测试工作将功亏一篑。具体而言,对测得的数据进行分析,主要包括以下环节。
(一)检查电流相序。在一次、二次接线都正确的情况下,主变同一侧三相电流都应是正序:A相超前B相120°,B相超前C相120°,C相超前A相120°。
(二)检查三相电流的平衡性。由于主变三相负载是基本平衡分布的(特别是带电容器等负载测试时),所以主变各侧三相电流幅值应基本相等。
(三)通过获得的主变负载一次电流和流入保护二次电流值,核实电流互感器变比。用主变各侧一次负载电流除以二次电流,得到各侧实际电流互感器变比,该变比应和整定变比基本一致。
(四)通过测量各侧同名相电流相位差,检查差动保护二次电流回路极性组合的正确性。将变压器Y型侧CT二次绕组接成△形(微机保护已较少采用)的,其两侧同名相二次电流相位应相差180°。变压器各侧CT二次绕组都接成Y型,其两侧二次电流相位相差角度与变压器接线方式有关,如:Y△11接线的变压器,其两侧二次电流相位应相差150°。对于三圈变等使用的多侧差动,可分别同时只运行其中两侧,来检查差动保护电流回路极性组合的正确性。
(五)检查单侧电流相位的正确性。目前,许多变压器保护尤其是高电压等级变压器保护差动保护电流回路与后备保护电流回路是合二为一的,二次电流回路的极性设置不光要满足差动保护的各侧极性组合的要求,对于带有方向元件的后备保护,二次电流回路的极性设置必须同时满足方向元件的极性要求。测试时必须根据变压器实际潮流进行验证,以使得二次电流回路的极性设置符合定值要求。
(六)看差动保护二次电流回路N线的电流幅值。正常带负荷情况下,由于负荷电流三相基本平衡,故流过N线的电流很小,即使N线未接好,对整个差动电流回路也没有明显影响,因此仅从三相电流值的测试数据往往无法检测到N线回路是否完整。专业人员往往忽略对该回路电流的测试。而如果N线未正确接线或未接通,对差动保护的安全运行又是至关重要的。当差动保护区外发生接地故障时,变压器中性点将流过零序电流,该零序电流也将传变到相应的差动保护二次电流回路,而零序电流须经N线形成回路,N线未正确接线或未接通,则相当于零序电流回路造成了开路,会引起CT的严重饱和,造成差动保护的误动作。一般来说,尽管N线的电流很小,但一般也有几个毫安,目前常用测试仪器还是能够测得,我们也无须对其强求精度,有数据测出即表明该回路是完善的,反之,如测试数据为零,则必须检查该回路是否有开路现象了。
(七)看差流(或差压)大小,检查整定值的正确性。差流生产的原因,主要是受到来自于变压器激磁电流的影响,例如一台变压器的激磁电流(空载电流)为1.5%,基本侧额定二次电流为1A,则由激磁电流产生的差流等于1.5%×1=0.015A;另外还有电流互感器变比误差,保护装置误差的影响。一般来说,对于微机型差动保护,要求在整定分接头状态下各相差流应不大于实际负荷电流的5%,三相差流之间差别不宜超过20m A。对于差压,主要出现于非微机型保护中,按照相关规程:正常运行差压不应大于150mv。变压器上的差流如若小于上述数值,则可将该台变压器的整定值看作是正确的。
(八)对于微机保护,还应通过检查保护装置各单元电压、电流的幅值相位,并与实际测试数据相一致。如保护装置显示电压电流的幅值、相位与实际测得的数据不一致,则有可能是端子排到保护装置的屏内接线连接的错误,必须加以查找改正,以保证保护内部回路的正确无误。
总之,作为主变差动保护过程中最为可靠的一环,带负荷测试对于安全运行的保护起着极为重要的作用,在工作中必须对这项工作给予高度的重视。同时也只有对差动保护工作原理进行深入研究、探讨,认真做好测试工作并进行准确的分析,变压器差动保护才会万无一失。
直流站换流变压器带负荷测试方法 篇2
关键词：高压直流输电,继电保护,电流互感器
江苏地区某500 kV直流站极I、极II换流变和5012CT、5013CT、5031CT、5032CT变比为4000/1, 换流变网侧套管CT变比为2000/1, 阀侧套管CT变比3 000/1。换流变电量保护当前集成在极控制保护PCP中, 保护不经切换逻辑直接动作出口, 存在误动风险。根据国家电网公司调度中心起草的《换流站直流系统保护装置标准化规范》的要求, 每极改造为独立的2套南瑞继保PCS977D装置, 按照完全双重化配置方式, 每套保护均采用“启动+保护”的方式实现。在政平换流站启动调试过程中, 需要对换流变压器带负荷测试以校验换流变压器各CT的极性与变比。由于直流换流变交流侧的谐波给带负荷测试的精度增加了困难, 因此研究直流换流变带负荷测试具有工程实用价值。在该次启动调试过程中先通过直流控制系统传输10%的额定有功, 然后测量各CT二次侧电流的大小与相位, 最后通过比较电流大小与相位的测量值与理论计算值来校验CT的变比与极性的正确性。
1 无功计算方法
在传输10%的额定有功时, 计算各CT二次侧电流之前首先需要计算换流站吸收的无功。无功计算方法如下。六脉动整流器理想空载直流电压[1]为:
式中:U1为换流变压器阀侧绕组空载线电压有效值。由式 (1) 可得:
当整流站交流母线上装设性能完好的滤波器时, 可以认为谐波电流均被滤波器所吸收, 流入交流系统的为基波电流, 此时换流器的功率因数可近似认为是基波电压和基波电流的相位差φ1角所决定的cosφ1, 在忽略整流器损耗的情况下, 整流器交流侧的基波有功功率等于其直流功率, 可用下式表示[2]:
式中:P1为交流侧基波功率;Pd1整流侧的直流功率;Ud1为整流侧的直流电压;Id为整流侧的直流电流。由式 (3) 可得:
当忽略换相过程时, 六脉动整流器阀的导通顺序为 (6, 1) , (1, 2) , (2, 3) , (3, 4) , (4, 5) , (5, 6) , (6, 1) 等, 每组阀的导通角为60°[3,4], 当阀1导通时, 换流变阀侧A相绕组向换流器注入的电流近似为Id;当阀4导通时, 换流变阀侧A相绕组向换流器注入的电流近似为-Id;其余时刻换流变阀侧A相绕组向换流器注入的电流近似为0。一个开关周期内换流变阀侧A相电流波形如图1所示。
采用傅立叶级数展开可得换流变阀侧A相电流基频峰值为:
换流变阀侧A相电流基波电流的有效值为:
由式 (6) 可得:
将式 (2) 、 (7) 代入式 (4) 可得:
由式 (8) 可得:
整流器吸收的无功为:
同理, 对于逆变侧有:
式中:Pd2为逆变侧传输的有功;φ2为逆变器交流侧的基波电压、电流的相角差;Ud2为逆变侧的直流电压;Ud02为逆变器直流侧空载直流电压。
政平换流站为十二脉波换流器, 直流线路电压为515 kV与500 kV, 计算即得Ud01为541.62 kV, Ud1为515 kV, Ud2为500 kV。根据式 (10) 、 (11) , 可以得到当传输有功为300 MW时, 整流站吸收的无功为96.7MV·A, 逆变站吸收的无功为124.7 MV·A, 换流站吸收的总的无功为221.4 MV·A。政平换流站在传输不同有功时无功的测量值与理论计算值如表1所示, 计算误差如图2所示, 由图2可以看出, 最大误差为13%, 最小误差为0.5%, 在工程上满足精度要求。
2 CT二次侧电流计算方法
政平换流站极ⅠCT配置如图3所示, 各CT二次侧电流的计算方法如式 (15) 所示。
式中:P, Q分别为换流站注入交流系统的有功、无功;U为交流母线电压;K为CT变比;政平换流变极Ⅰ各CT二次侧电流的测量值与理论计算值如表2所示。政平换流站CT的配置情况如图3所示。
可见, 各CT二次侧电流的测量值与理论计算值符合较好, 从而验证了CT的极性与变比的正确性。
3 结束语
推导了换流站传输不同有功时无功的计算方法, 通过实测数据验证了该方法的正确性。提出了CT二次侧电流的计算方法, 通过与实测数据的对比验证了政平换流站CT极性与变比的正确性。
参考文献
[1]陈坚.电力电子学[M].2版.北京:高等教育出版社, 2004.
[2]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].2版.北京:中国电力出版社, 2010.
[3]冯玉生, 李宏.电力电子变装置典型应用实例[M].北京:机械工业出版社, 2008.
浅谈变压器差动保护带负荷测试 篇3
差动保护原理简单、使用电气量单纯、保护范围明确、动作不需延时, 一直用于变压器做主保护, 其运行情况直接关系到变压器的安危。怎样才知道差动保护的运行情况呢?怎样才知道差动保护的整定、接线正确呢?唯有用负荷电流检验。但检验时要测哪些量?测得的数据又怎样分析、判断呢?下面就针对这些问题做些讨论。
二、变压器差动保护的简要原理
差动保护是利用基尔霍夫电流定理工作的, 当变压器正常工作或区外故障时, 将其看作理想变压器, 则流入变压器的电流和流出电流 (折算后的电流) 相等, 差动继电器不动作。当变压器内部故障时, 两侧 (或三侧) 向故障点提供短路电流, 差动保护感受到的二次电流和的正比于故障点电流, 差动继电器动作。
三、变压器差动保护带负荷测试的重要性
变压器差动保护原理简单, 但实现方式复杂, 加上各种差动保护在实现方式细节上的各不相同, 更增加了其在具体使用中的复杂性, 使人为出错机率增大, 正确动作率降低。比如许继公司的微机变压器差动保护计算Y-△接线变压器Y型侧额定二次电流时不乘以, 而南瑞公司的保护要乘以。这些细小的差别, 设计、安装、整定人员很容易疏忽、混淆, 从而造成保护误动、拒动。为了防患于未然, 就必须在变压器差动保护投运时进行带负荷测试。
四、变压器差动保护带负荷测试内容
要排除设计、安装、整定过程中的疏漏 (如线接错、极性弄反、平衡系数算错等等) , 就要收集充足、完备的测试数据。
(1) 差流 (或差压) 。变压器差动保护是靠各侧CT二次电流和——差流——工作的, 所以, 差流 (或差压) 是差动保护带负荷测试的重要内容。电流平衡补偿的差动继电器 (如LCD-4、LFP-972、CST-31A型差动继电器) , 用钳形相位表或通过微机保护液晶显示屏依次测出A相、B相、C相差流, 并记录;磁平衡补偿的差动继电器 (如BCH-1、BCH-2、DCD-5型差动继电器) , 用0.5级交流电压表依次测出A相、B相、C相差压, 并记录。
(2) 各侧电流的幅值和相位。只凭借差流判断差动保护正确性是不充分的, 因为一些接线或变比的小错误, 往往不会产生明显的差流, 且差流随负荷电流变化, 负荷小, 差流跟着变小, 所以, 除测试差流外, 还要用钳形相位表在保护屏端子排依次测出变压器各侧A相、B相、C相电流的幅值和相位 (相位以一相PT二次电压做参考) , 并记录。此处不推荐通过微机保护液晶显示屏测量电流幅值和相位。
(3) 变压器潮流。通过控制屏上的电流、有功、无功功率表, 或者监控显示器上的电流、有功、无功功率数据, 或者调度端的电流、有功、无功功率遥测数据, 记录变压器各侧电流大小, 有功、无功功率大小和流向, 为CT变比、极性分析奠定基础。
五、变压器差动保护带负荷测试数据分析
数据收集完后, 便是对数据的分析、判断。数据分析是带负荷测试最关键的一步, 如果马虎, 或对变压器差动保护原理和实现方式把握不够, 就会让一个个错误溜走, 得出错误的结论。那么对于测得的数据我们应从哪些方面着手呢?
(1) 看电流相序
正确接线下, 各侧电流都是正序:A相超前B相, B相超前C相, C相超前A相。若与此不符, 则有可能:
a.在端子箱的二次电流回路相别和一次电流相别不对应, 比如端子箱内定义为A相电流回路的电缆芯接在了C相CT上, 这种情况在一次设备倒换相别时最容易发生。
b.从端子箱到保护屏的电缆芯接反, 比如一根电缆芯在端子箱接A相电流回路, 在保护屏上却接B相电流输入端子, 这种情况一般是由安装人员的马虎造成的。
(2) 看电流的对称性
每侧A相、B相、C相电流幅值基本相等, 相位互差120°, 即A相电流超前B相120°, B相电流超前C相120°, C相电流超前A相120°。若一相幅值偏差大于10%, 则有可能:
a.变压器负荷三相不对称, 一相电流偏大或一相电流偏小。
b.变压器负荷三相对称, 但波动较大, 造成测量一相电流幅值时负荷大, 而测另一相时负荷小。
c.某一相CT变比接错, 比如该相CT二次绕组抽头接错。
d.某一相电流存在寄生回路, 比如某一根电缆芯在剥电缆皮时绝缘损伤, 对电缆屏蔽层形成漏电流, 造成流入保护屏的电流减小。
若某两相相位偏差大于10%, 则有可能:
a.变压器负荷功率因数波动较大, 造成测量一相电流相位时功率因数大, 而测另一相时功率因数小。
b.某一相电流存在寄生回路, 造成该相电流相位偏移。 (3) 看各侧电流幅值, 核实CT变比
用变压器各测一次电流除以二次电流, 得到实际CT变比, 该变比应和整定变比基本一致。如果偏差大于10%, 则有可能:
a.CT的一次线未按整定变比进行串联或并联。b.CT的二次线未按整定变比接在相应的抽头上。
(4) 看两 (或三) 侧同名相电流相位, 检查差动保护电流回路极性组合的正确性
六、结束语
带负荷测试对变压器差动保护的安全运行起着至关重要的作用, 对其我们要有足够的重视。带负荷测试前, 要深入了解变压器差动保护原理、实现方式和定值意义, 熟悉现场接线;带负荷测试中, 要按照带负荷测试内容, 认真、仔细、全面收集数据;带负荷测试后, 要对照上述5条分析方法, 逐一检查、逐一判断。只要切实做到了这三点, 变压器差动保护就万无一失了。
参考文献
[1]高永昌, 电力系统继电保护[M], 水利电力出版社, 1988
变压器差动保护带负荷相量测试 篇4
关键词：变压器,差动保护,相量测试
0 引言
变压器是电力系统中十分重要的供电设备,它的故障会对供电系统的正常运行带来很大影响。纵差保护是变压器的有效保护之一,因此加强差动保护是非常必要的。差动保护是用某通道将电气设备两端的保护装置纵向连接起来并将两端的电气量进行比较,从而判断保护装置是否动作。在变压器投入运行时,应带负荷测相量,并对所测数据进行分析、判断,以保证变压器接线正确。
1 变压器Y/△-11接线
变压器常采用Y,d11的接线方式,其两侧电流相位差30°,如果两侧的TA仍采用通常的接线方式,则会有一个差电流流入继电器。为消除不平衡电流的影响,将变压器星形侧的TA接成三角形,而将变压器三角形侧的TA接成星形并适当考虑连接方式,即可把二次电流的相位校正过来,如图1所示。
图1中、、为星形侧的一次电流,、、为三角形侧的一次电流,后者超前30°。现星形侧的TA采用三角形接法,则其副边输出的电流为、、,它们刚好与、、同相位,这样差动回路就同相位了。但是在TA接成三角形侧的差动一臂中,电流增大了倍,为保证在正常运行及外部故障情况下,差动回路中没有电流,就必须将该侧TA的变比加大倍,以减小二次电流,使之与另一侧电流相等。
2 带负荷测相量的重要性和要求
差动保护的原理简单,但保护装置具有较高的选择性和灵敏性,因此实际运行中影响差动保护装置工作的各种因素都应该加以考虑、重视。变压器一般有双绕组或三绕组,而各侧的TA均与差动保护直接相连,因此在安装、调试、检修过程中,必须选择合适的TA变比,检查二次回路的完整性,各侧TA的极性、相序的正确性,了解一次系统的运行情况等。如果这些方面出现差错,都将可能造成保护装置误动作。在工作中,为了判断变压器差动保护TA二次接线是否正确,回路是否完整,不但要对其进行理论分析,还应在负荷状态下进行带负荷检验,即采用六角向量图试验[1]。
进行相量测试时,负荷电流越大越好。这样,各侧错误在测量中体现就越明显,越容易判断。但实际运行中,变压器在刚投运时所带负荷不会很大,一般要求测量值达到测量仪器的精度要求为准,运行工况比较稳定为宜。
3 带负荷测相量的方法
变压器的相量,一般可以通过带负荷和外加电流2种方法测得。带负荷测相量更接近实际运行情况,不需改动接线,并能够验证TA极性,检查整个二次回路的完整性,但是如果发现回路不正确时,只能在变压器停运以后才能处理。外加电流法需要改动接线,不能验证整个二次回路,比起前者优点是如果发现问题,可以立即解决。一般在现场中,我们采用带负荷测相量[2]。
下面以带负荷测相量为例,说明其测试方法。在测量各侧电流相位前,电流幅值应该大于误差的一半;变压器应带有足够的负荷,能够达到仪器的精确度,且在测量过程中运行工况较稳定。测量时一般以高压侧的A相电压为基准点,以保证在测量过程中有统一的基准点。在绘制相位图时,参考相方向在时钟零点位置,其他各相参照参考相顺时针为正绘制,所测得角度为电流滞后电压的角度。
4 带负荷测相量实例及数据分析
4.1 相量测试实例
一台三绕组变压器差动相量测试,以同一电压为基准,测绘流入差动继电器原边和副边电流相位,如表1。
4.2 相量测试实例数据分析
主变差动保护的分析原理是测量出主变的高压侧、中压侧、低压侧绕组TA的电流幅值和相对于参考相电压的角度,根据原边(电源侧)合成和副边(负荷侧)合成的幅值和相角平衡的原理判断TA接线是否正确。
首先根据数据作出相量图,如图2。
(1)相序正确。同一侧电流成120°夹角,A相超前B相,滞后于C相,三相电流相量之和为零。
(2)变压器各侧同名相电流角度基本平衡,原边合成量与副边合成量角差:A相:178.7°;B相:183.6°;C相:180.3°。在实际测试过程中,各侧TA自身存在角度误差及带负荷测试过程中的负荷波动,致使测试结果存在一定角度误差,一般在10°以内。
(3)变压器各侧同名相电流幅值基本平衡,原边合成量与副边合成量幅值差:
A相:6.2%;B相:1.7%;C相:3.2%。
在分析之前,在仪器设置上应该先设置分析误差。误差可以设得比较大,分析结果将会给出当前的误差。一般设置误差在10%以内。
根据以上测试结果分析,接线正确。
5 测试注意事项
(1)在谐波比较大的变电所采用线电压作为参考电压,有助于减小误差。
(2)正确使用仪器,注意电流流入、流出的方向,选择参考相电压时,注意电压与电流的同极性端关系。
(3)在测试过程中,由于TA自身存在角度误差及测试过程中负荷的波动,所测得相位及幅值存在误差,一般相位误差在10°以内。
(4)各绕组电流幅值不能过小,否则分析结果将出现错误。电流幅值应该大于误差的一半。如:三绕组变压器,基准绕组为高压侧,高压侧电流为2A,分析误差为20%,则中低压侧的电流应该大于0.2A(2×200%/2)。
(5)在分析所测得数据时,应该注意在变压器接成三角形一侧电流相位超前于变压器接成星型一侧电流30°。
6 结束语
变压器带负荷测相量是一种行之有效的检验二次回路接线的正确性、回路的完整性,保证差动保护正确动作的方法。测试过程中,要掌握变压器接线方式、二次接线的实际情况,变压器所带的负荷要满足测量仪器精度的要求,正确使用测量仪器。然后,对所测量的数据作出六角图,经过认真、仔细的分析、判断,得出结论。
参考文献
[1]贺家李,宋从矩.电力系统继电保护原理[M].北京:中国电力出版社,2004
[2]袁军芳.变压器差动保护相量测试
带负荷测试 篇5
目前, 国内外专家主要从微网的模型、保护和控制等方面进行了研究, 并取得了一定的成果。文献[5]用PSCAD仿真软件建立了微电网模型, 通过仿真软件研究了微电网由并网运行切换至独立运行过程中的暂态振荡情况。文献[6]通过对下垂控制方式的微电网孤岛运行小信号稳定分析获得了一些规律。文献[7]利用MATLAB/simulink软件建立了微电网模型, 提出了基于状态跟随的控制器平滑切换的控制方法。文献[8]对微电网在下垂控制的孤岛运行模式下, 多机协调出力的控制策略进行了研究。但对微电网由下垂控制方式下的孤岛运行模式向并网运行模式实现平滑切换的控制策略还没有深入的研究。因此, 本文提出了基于电压、频率调节环和基于状态跟随的控制器平滑切换的控制方法, 有效抑制了微电网从孤岛向并网运行切换时的暂态振荡, 并通过仿真验证了所提出控制方法和策略的有效性。
1 微电网系统介绍
1.1 微电网的结构分析
本文建立的微电网结构如图1所示。微电源由三相电压源型逆变器设计而成, 所带负荷是RLC并联负荷。微电网孤岛运行时采用下垂控制方式, 由自身提供电压和频率;切换至并网运行状态时采用PQ恒功率控制方式, 由大电网提供电压和频率以及调节。
1.2 并网控制器模型
并网控制器为PQ控制, 控制器结构如图2所示, 分为两部分:功率外环控制和电流内环控制。其中外环控制是恒功率控制, 并为内环控制器提供电流参考值。
Pdref, Qqref—有功、无功功率参考值;P、Q—微电源有功、无功功率输出值;vd、vq—微电源输出电压的d、q轴分量;idref, iqref—内环电流参考值;vsd、vsq—控制器输出电压值的d、q轴分量。
1.3 孤岛控制器模型
孤岛控制器由下垂控制和电压控制两部分组成。下垂控制部分利用下垂特性对功率进行合理分配[9], 所得参考值可以直接用于微电源的控制。由于这是一种单环控制, 微电源的输出电压受负荷不对称和非线性的影响较大。下垂控制增加了电压控制, 为避免产生电压波动, 将其输出值提供给电流内环控制器做为电流参考信号。下垂控制器结构如图3所示。
Pdref, Qqref—功率参考值;P, Q—微电源功率输出值;u0, f0—电压、频率输入信号;ud, uq—微电源机端输出电压的dq输分量;Idref, Iqref—内环电流参考值;KP, KQ—控制器下系数
2 基于调节环的切换控制方法及仿真研究
微电网在孤岛运行状态下采用下垂控制方式时, 微电网与大电网在电压和频率上会分别有一个偏差。如果偏差超过允许范围, 强行并网, 会在状态过程中产生较大振荡, 影响系统的稳定。因此, 在下垂控制器中加入电网电压和频率调节环, 使微网电压和频率能够跟踪到大网并自动调节, 从而减小与大电网的偏差, 最终实现平滑切换, 如图4所示。
具体实现方法如下:频率调节器首先将大网频率fs与微网频率fDG进行比较, 其差值通过PI调节器并除以下垂系数KP, 加入到有功功率给定值Pref侧, 然后微电网根据其调节自身有功功率的输出, 进而通过调节自身的频率与大网频率一致, 从而减小并网时与大电网的频率差值;同理, 电压调节器是将大网电压Us与微网电压UDG进行比较, 所得差值通过PI调节器, 然后除以下垂系数KQ, 加入到无功功率给定值Qref上, 微电网以此调节自身无功的输出, 进而通过调节自身的电压与大网电压保持一致, 从而减小并网时与大电网的电压差值, 符合并网要求。
下面通过仿真验证控制策略的有效性。仿真参数设定:电压基准值Vbase=310 V, 功率基准值Sbase=10 k VA;微电源额定功率Pref=0.4 (p.u.) , Qref=0.1 (p.u.) ;微电源电压VDG=380 V, 频率fDG=50 Hz;电网电压VS=380 V, 频率fS=50 Hz;线路参数Rg=3Ω, Xg=0.1Ω, Rl=0.2Ω, Xl=0.03Ω;负荷额定功率为Pload=4000 W, Qload=1000 var;在0.5 s时微电网由孤岛运行模式切换到并网运行模式。仿真结果如图5、图6所示。
从图5、图6仿真结果可以看出:在加入控制策略之前, 切换过程中微网电压U和频率f的振荡比较厉害, 振幅也较大;加入控制策略之后电压和频率的振荡明显得到改善, 但有功功率输出P和无功功率输出Q在切换过程的波动还是比较大。为解决这一问题, 本文在此基础上加入了基于状态跟随的切换控制方法。
3 基于状态跟随的切换控制方法
微电网孤岛控制器和并网控制器完全不相同, 因此要实现微电网从孤岛到并网的平滑切换, 就要同时通过逻辑开关实现孤岛控制器到下垂控制器的切换。切换控制器结构如图7所示, 其中孤岛控制器为下垂控制方式, 并网控制器为PQ控制方式。
当微电网由孤岛运行模式转换到并网运行模式时, 控制器由下垂孤岛控制切换到PQ并网控制, 但在两种控制方式切换过程中会产生较大的暂态振荡, 如图8所示。
通过对图7、图8分析发现, 暂态振荡是由于切换过程中孤岛控制器与并网控制器的状态不匹配造成的。当下垂孤岛控制器运行时, PQ并网控制器也一直在运行, 致使两种控制器输出状态不同, 切换时造成控制器输出发生跳变, 从而在切换中发生振荡。为解决这些问题, 采取了状态跟随的控制方法, 其控制结构如图9所示。将下垂控制器的输出与PQ控制器的输出差值作为PQ控制器的一个输入, 使PQ控制器在并网之前能跟随下垂控制器的输出, 从而使两个控制器的输出状态能够保持一致。孤岛运行时, K1、K4闭合, K2、K3开关打开;切换时, K1、K4打开, K2、K3开关闭合。
在加入电压和频率调节环的基础上, 同时加入状态跟随策略, 可以更加有效解决并网过程中的暂态振荡问题。仿真结果如图10、图11所示。其中, 虚线为控制器上只加有电压、频率调节器时各参数在切换过程中的暂态波形, 实线为在加有电压、频率调节器的基础上, 同时加入状态跟随控制时各参数的暂态波形。
从图10、图11可以看出, 两种控制策略同时运用时, 切换过程中微网电压U和频率f的暂态振荡幅值更小, 有功输出P和无功输出Q的振荡幅度也得到有效控制。
4 结论
1) 采用逆变器为接口的微电网模型, 设计了下垂孤岛控制和PQ并网控制器, 并提出了微电网由孤岛运行向并网运行切换过程的控制方法及策略。设计了电压和频率调节器, 有效减小了电压和频率的暂态振荡, 并通过仿真验证了控制策略的有效性。
2) 提出了基于状态跟随的切换控制策略, 克服了电压和频率调节器的不足, 更为有效地减小了微电网由孤岛运行模式切换到并网运行模式过程中产生的暂态振荡, 实现了微电网的平滑切换, 并通过仿真验证了控制策略的有效性。
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带负荷测试 篇6
本标准中定义的额定值应当适用于成套传动模块 (CDM) , 包括诸如GB/T 12668.1和GB/T 12668.2中定义的导体、开关、电抗器和变压器等部件。半导体 (包括冷却装置) 的热时间常数要比变流变压器和传动电动机的热时间常数小得多, 在各种类型调速传动系统的正常负载工作制中, 出现的高短时峰值电流对半导体变流器本身的影响要大于对变流变压器和电动机的影响。短时峰值电流往往会使半导体中的温升比变压器和电动机中的温升更快, 而且相对而言更高。在某些情况下, 其它的部件如电动机绕组, 可能具有同样短的时间常数。
本标准定义的负载工作周期用来确定超过基本电流时或者在重复性负载工作制情况下超过均方根电流时的短时过载能力, 被简化用来仅仅说明短时过载能力。实际工作周期的均方根电流值不能超过较长时间常数部件 (例如变压器和电动机) 额定值的100%。
制造商对半导体器件规定的最大结温是临界温度, 超过该温度就可能会发生失控、故障或品质降低。结温不能直接测量, 但可以针对任何负载电流—时间曲线图计算出来。如果用户能够规定出负载电流—时间曲线图, 那么制造商就可以计算出半导体的结温, 以保证不超过最大的允许结温。
负载电流—时间曲线图可以用作额定值的基础。在本标准中对两种应用类别加以考虑, 一种应用类别是在变流器负载条件下, 在所有叠加的负载之间达到平衡温度条件, 另一种应用类别是在周期性可变负载条件下, 在循环周期内未达到热平衡、但在若干循环周期内平均可能达到热平衡。
第1种应用类别由下列负载工作制类型定义:
1) 均匀负载工作制 (见图1) ;
2) 间歇峰值负载工作制 (见图2) ;
3) 间歇负载工作制 (见图3) ;
4) 有空载时间间隔的间歇负载工作制 (见图4) 。
第2种应用类别由下列负载工作制类型定义:
1) 重复性负载工作制 (见图5) ;
2) 非重复性负载工作制 (见图6) 。
为了避免混淆, 必须仔细区分部分额定值和设备额定值。除额定连续输出电流IaN外, 所有额定值仅适用于包括诸如导体、开关、电抗器和变压器等部件在内的半导体变流器部分。某些部件可能为一个以上部分所共有, 而且对于这样的部件应当分别规定出额定值。当额定值的基础是与设备 (系统) 有关而不是与部件有关时, 这种情况没有任何影响。
额定电流适用于变流器设备, 并且用作适用于变流器部分的所有额定值的单位值基础。
2 半导体组件和设备额定电流—时间值的确定
2.1 一般要求
对于所有的变流器, 不管带不带变压器, 都应当选定下列6种负载工作制中的一种来规定额定值:
1) 均匀负载工作制;
2) 间歇峰值负载工作制;
3) 间歇负载工作制;
4) 有空载时间间隔的间歇负载工作制;
5) 重复性负载工作制;
6) 非重复性负载工作制。
所有的电流额定值都应当是针对一个规定的负载工作制给定。如果将一个半导体组件或设备设计成能可供不同类型的负载工作制使用, 则应当规定单独的电流—时间值。
这些额定值也适用于作为成套系统用于某一规定用途的设备, 而不适用于该系统的任何特定组成部分。
2.2 负载工作制类型的确定
对于调速传动应用而言, 负载电流—时间曲线图常常是很复杂的, 而且在电流幅值、持续时间和重复频率方面也都各不相同。但是, 对负载电流—时间曲线图的分析研究通常能确定出最适合于用作额定电流基础的负载工作制类型。
如果负载工作制改变, 则应当检查这种改变对系统所有组成部分的影响。还可能需要对控制和保护元件进行调整。
3 电流额定值
3.1 一般要求
所有电流额定值均适用于规定环境条件 (最大温度、海拔高度) 下的整个规定调速范围。
3.2 均匀负载工作制的额定电流 (见图1)
对于这种情况而言, 其基本负载电流值通常被规定为额定连续输出电流。其它基本值须由供应商和用户协商确定。
3.3 间歇峰值负载工作制的额定电流 (见图2)
在这种情况下, 额定电流不适用。间歇峰值负载工作制的电流额定值须由供应商和用户协商确定。制造商应当规定出峰值电流持续时间 (tp) 和幅值 (Ip) , 以及在可以重新施加峰值电流之前的最小空载时间 (to) 。
3.4 间歇负载工作制的额定电流 (见图3)
在这种情况下, 基本负载电流通常被规定为额定电流 (Ib =IaN) 。间歇负载工作制的电流额定值须由供应商和用户协商确定。
制造商应当规定出峰值电流持续时间 (tp) 和幅值 (Ip) 、基本负载电流 (Ib) 和在可以重新施加峰值电流之前以基本负载工作的最小时间 (tb) 。在选择半导体时必须保证在其最长持续时间 (tp) 内在峰值电流 (Ip) 时不超过其最大允许结温。
3.5有空载时间间隔的间歇负载工作制的额定电流 (见图4)
对于这种情况而言, 其基本负载电流通常被规定为额定电流 (Ib =IaN) 。间歇负载工作制的电流额定值须由供应商和用户协商确定。
制造商应当规定出峰值电流的持续时间 (tp) 和幅值 (Ip) 、基本负载电流 (Ib) 和以基本负载工作的最小时间 (tb) 以及在可以重新施加峰值电流之前的最小空载周期 (to) 。在选择半导体时, 必须保证在其最长持续时间 (tp) 内在峰值电流 (Ip) 时不超过其最大允许结温。
3.6 重复性负载工作制的额定电流 (见图5)
按负载工作制循环周期估算的负载电流均方根值Is, 应当不超过变流器的额定电流IaN。变流器的额定电流IaN通常相当于由变流器设备供电的一台或多台电动机的额定连续电流。
额定电流涉及变流器设备。在双变流器的情况下, 额定电流可能在很大程度上超过两部分中任何一部分的均方根电流额定值。
3.7 非重复性负载工作制的额定电流 (图6)
这种负载工作值的额定电流通常被规定为基本负载Ib。非重复性负载的额定值须由供应商和用户协商确定。
制造商应当用不同峰值负载持续时间tp值时的一组曲线 (Ip, Ib) 规定出非重复性电流额定值。通常可以为其他类型的负载工作制定义出一种等效非重复性负载工作制。这种额定值经常用作制定负载工作制类别的基础, 或者用作变流器设备负载工作制能力试验的基础。
3.8 过载能力和冲击电流能力
半导体变流器单元应能够耐受使其保护设备可预期动作所需幅值和持续时间的过载和冲击电流。保护器件应当允许变流器承受其规定额定值范围内的任何负载。
带负荷测试 篇7
随着微电源容量的增加以及微电网运行的可靠性日益增强,越来越多的微电网接入到大电网中,不可避免的会给大电网造成冲击[1]。因此如何减小微电网并网时对大电网造成的影响,使其能够由孤岛模式平滑切换到并网运行模式,实现同期并网,成为一个重要的研究内容[2]。文献[3]给出微电网在并网时必须满足条件:并网瞬间,开关的两侧电压差必须接近于0;并网时电流的方向必须从大电网流向微电网。文献[4]指出,若使电流方向由大网流向微网,则需使电网电压必须超前微电网电压,并且电网频率要高于微电网频率。文献[5]指出,并网开关两侧的电压差对大网的冲击要比频率差对大网的冲击小得多,而微电网孤岛运行时,频率往往小于大网频率,当其最大有功输出小于本地负荷需求时,则不能通过传统方式调节有功,从而需要通过牺牲电压差改变微网频率和相位,使微网近似满足并网条件。但这些文献没有具体给出电压差、相角差和频率差三者对并网造成冲击的比较分析。因此,本文研究的重点是以微电网孤岛运行时采用v/f控制为研究对象,建立仿真模型,通过仿真分别验证了微电网的并网所需满足的最佳并网条件,同时对电压差、频率差和相角差因素对并网造成的影响进行比较,得出其中对并网切换动态过程影响大小的相对关系,提出相应的控制方法和策略,实现微电网自动根据大电网的条件调节微电网内部的电压和频率,并在合适的相位下进行并网。最后通过仿真验证所提出的平滑切换控制方法和策略的有效性。
1 电压差、频率差和相角差对并网造成的影响
差频并网是指电网与电网之间相序相同,且并网开关两侧电压差、相角差和频率差在允许范围之内的并网操作。微电网一般电压等级比较低,故并网前与大网的电压差值不应超过额定电压的10%,相角差不应超过10°,频率差值不应超过额定频率的0.5%,即不能超过0.25 Hz。下面分别选取电压差、相角差和频率差为最大允许偏差的80%时,即并网前分别使频率差∣Δf∣=0.2 Hz,相角差∣Δδ∣=8°,电压差∣ΔU∣=0.08 p.u.,进行并网仿真分析,所得结果如图1所示。
从图1中可以看出,有相角差时对并网切换造成的影响最大,频率震荡的幅值要远大于其它两种情况。而从图1中难以比较出电压差和频率差两者对并网造成影响的大小,将其单独进行对比,其结果如图2所示。
从图2中可以看出,切换时电压差和频率差对电网电压造成的影响都比较小,而频率差对系统频率震荡的影响要较大于电压差对频率震荡造成的影响。
根据以上分析可知,在同期并网允许条件下,相角差在并网切换时对系统造成的影响要远远大于电压差和频率差对其造成的影响。频率差其次,电压差对并网造成的影响最小。
为从定量上比较3种因素造成的影响程度,下面通过仿真分别讨论在相角差和频率差减小到何种程度时,其对并网造成的影响程度与存在有0.08p.u.(即8%)的电压差造成的影响相当。
1.1 相角差与电压差对并网影响的比较
首先令微网电压高于大网,使ΔV=0.08 p.u.(8%),频率差和相角差为零,进行并网切换,得出1组结果;然后令开关两侧电压差和频率差为零,而改变相角差的大小,分别令Δδ1=1°和Δδ2=0.5°,进行并网仿真,得出两组结果,对3组仿真结果进行比较,所得图形如图3所示。
可以看出,在电网电压低于微电网电压时,切换过程中频率会首先有一个向下的波动,然后慢慢增加至稳定值(图中实线所示);而在大网电压超前于微电网电压时,切换过程频率会首先有一个向上的波动,然后慢慢减小到额定值。当相角差逐渐减小时,频率的波动也会逐渐减小,当减小至0.5°时(短线所示),其对频率造成的影响与电压差为8%时所造成的影响大致相当。
1.2 频率差与电压差对并网影响的比较
令微网电压高于大网,ΔV=0.08 p.u.(即8%),频率差和相角差为零,进行并网切换,得出1组结果;在电压差和相角差为零的情况下,改变频率差,分别令Δf1=0.2 Hz和Δf2=0.1 Hz,进行并网仿真,得出另2组结果,3组结果的电压和频率如图4所示。
可以看出,频率差逐渐减小时,系统频率的波动会逐渐减小,当减小至0.1 Hz时(图4中短线所示),对频率造成的影响与电压差为8%(p.u.)时所造成的影响大致相当。
2 微电网并网控制方法及策略
2.1 并网控制器结构
微电网孤岛运行时采用v/f控制,自身提供电压和频率的支撑。在运行过程中,微网的电压和频率与大电网会分别有一个偏差ΔV和Δf。如果超过允许值,就会对并网切换造成很大影响,故需在v/f控制器中加入电网电压和频率自动跟踪控制环节,使微网电压和频率能够跟踪到大电网并调节到并网允许范围之内,最终实现平滑并网。在v/f控制中的电压和频率调节环节中,频率调节环首先将大网频率fs与微网频率fDG进行比较,其差值通过PI调节器加入到频率给定值fc侧,使微网能够根据大网自动调节自身频率,从而达到减小频率差值的目的;同理,电压调节器是将大网电压Us与微网电压UDG进行比较,所得差值通过PI调节器加入到电压给定值Uref上,使微网能够根据大网自动调节自身电压,从而减小电压差,使其符合并网要求。
2.2 并网控制策略
微电网并网的最佳条件是大电网电压相角超前于微电网,频率高于微电网。而实际独立运行中微网的电压一般都不高于大网电压,且电压差的影响对并网切换影响最小,故在以下仿真中令VDG
根据并网具体标准:为保证并网安全,需要满足并网前电压差值不应超过额定电压的10%,相角差不应超过10°,频率差值不应超过额定频率的0.5%,即不能超过0.25 Hz。这里经过仿真比较,选择相角超前微电网3°,幅值低于微电网0.05p.u.,频率高于微电网0.2 Hz。
根据并网要求,文中采用如图5所示的流程图实现并网控制。独立运行过程中,当微网与大网的电压差、相角差和频率差任何一个因素没有达到上述控制策略的允许范围内时(Δδ≤3°,ΔV≤0.05p.u.,Δf≤0.2 Hz),微电网均不能进行并网操作;而当检测到电压差和频率差在允许范围内后,通过自动检测装置观测大网与微网的相角差,在其满足并网条件的时刻,自动发出并网操作命令,闭合并网开关,并将控制方式由v/f控制切换为PQ控制,最终实现微电网的并网平滑切换。
3 并网切换仿真
微网初始时工作在孤岛状态,采用v/f控制方式,初始频率为fDG=49 Hz,而大网频率fS=50 Hz,频率差Δf1大于并网允许值;孤岛模式时,微网电压值VDG=0.82 p.u.,大网电压VS=1 p.u.,其差值ΔV1也大于允许值。
将控制方法及策略应用于仿真系统中的微电网控制,考察其并网的过渡过程,分析其控制效果,并与未加并网平滑切换控制的情况进行对比分析。并网开关闭合后,微电源的控制方式均由v/f控制切换为PQ控制。
进行并网切换控制时,相角在t=2.98 s时达到并网条件合闸;而不加切换控制时,相角在t=3 s时达到并网条件合闸,但此时微电网的频率和电网却没有调整至允许的范围,与大电网有一定偏差。为了进行二者的对比,仿真图中特将未加切换控制的并网时刻移至2.98 s,与加上调节环时的并网时刻重合。
所得仿真结果如图6-图10中实线所示,其中图6为未加切换控制直接并网与采用控制策略后并网时开关两侧相角差的对比。2.9 s之前开关两侧的相角差都比较大,不适合并网,故图中从2.9 s时刻开始比较分析。从图中可以看出,直接并网时相角差为12°(图中实线所示),超出合闸允许范围,加上控制策略后相角差为3°(图中虚线所示),相角差得到了改善;图7和图8是上述两种情况下并网时微网的电压和频率波动曲线。而在t=0.2 s时刻加上控制环节之后,微网的电压值升至0.95 p.u.,频率升至49.8 Hz,达到并网要求,与直接并网相比频率的震荡程度明显减小;图9和图10分别为负荷的有功功率和无功功率吸收情况。可以看出直接并网时切换过程震荡幅度很大,而采用控制策略以后有了明显改善,切换过程震荡比较缓和。因此,该控制方法及策略可以严格控制电压差、相角差和频率差在允许范围之内,能有效的实现微网由独立运行向并网运行的平滑切换。
4 结束语
通过上述微电网带负荷并网对大电网影响的分析,提出了微电网并网控制方法及策略,设计了电压调节器和频率调节器,确保了电压差、频率差和相角差能控制在并网允许范围之内。通过仿真验证,表明了该方法及策略能够有效地实现微网的平滑切换。
摘要：以v/f孤岛控制方式的微电网为研究对象,建立了微电网模型,通过对微电网分别带恒功率负荷和恒阻抗负荷进行仿真分析,比较带不同类型负荷时对并网动态过程的影响大小。然后比较了压差、频差和角差对切换造成影响的大小,得出相角差在并网切换时对系统造成的影响要远远大于电压差和频率差对其造成的影响。频率差其次,电压差对并网造成的影响最小。最后提出了相应的控制策略,使微网根据大网调节自身的电压和频率,在合适的相位下进行并网,并通过仿真验证了所提策略的有效性。
关键词：微电网,差频并网,v/f控制,切换条件
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