电压跌落

2024-11-09

电压跌落（精选7篇）

电压跌落篇1

1引言

当前, 我国经济的发展水平在不断的提升, 同时人们在生产和生活中对电能的需要越来越剧烈, 而供电安全问题也逐渐成为了社会发展和运行的一个最为基本的前提, 所以如果电力企业要想在激烈的市场竞争中获得更大的优势, 就必须要保证配电系统的运行质量。当前, 配电系统运行的过程中还存在着非常多的问题, 而这些问题如果不解决, 就会影响到电网运行的质量和状态。在配电系统运行的过程中, 电压跌落问题是一个非常重要的问题, 所以我们在实际的工作中, 必须要采取有效的措施对其进行全面的控制。

2配电系统电压跌落的含义和原因

配电系统电压跌落通常就是指配电系统在运转的时候。某一个时刻的电压值没有达到正常应该达到的标准, 但是在较短的时间内又恢复到了正常的水平, 在一个地区, 一些相对较为特殊的天气也会使得配电系统在运行的过程中会出现比较电压跌落的情况。因为社会生产对其的要求相对比较高, 因此在电力生产的过程中, 如果其自身的电压也相对较高, 就会在电流方面出现非常大的变化, 这样也就使得母线在系统运行时无法承受其自身所产生的电压负荷, 这样也就出现了较为严重的电压跌落情况。

3电压跌落的解决途径

电压跌落问题出现的主要原因就是自然因素的影响, 这种因素是不受人为控制的, 因此电压跌落问题是不能从根源上得到控制和解决的, 供电企业要想保证生产的平稳运行, 一定要对电压跌落现象予以高度的重视, 从而也就达到了减小电压跌落问题出现的概率, 要想达到这一要求, 就必须要在实际的工作中对系统进行全面的完善, 同时供电企业在发展中还要针对一些问题采取一些积极的应对措施, 如果发生了电压跌落的问题, 一定要及时采取有效的措施对其进行全面的控制, 这样也就减少了对人们生产生活的不利影响。

3.1电压跌落检测技术

因为配电系统在运行的时候, 电压跌落问题具有十分明显的周期性和固定性, 所以我们必须要对其进行全面的调整和控制, 也就是说在配电系统当中, 设置控制系统, 同时还要保证系统可以十分充分的保证电压检测跌落的准确性和科学性。当前电压跌落检测的方法主要有三种, 一种是dqo变换方法、αβ0转换法和小波分析法, 三种方法在解决电压跌落的实时性的同时也可以根据实际的情况确定一个更加科学和合理的目标。而在这一过程中, 稍微比较特殊的就是小波分析法, 它对信号不同的点有着非常敏锐的感知, 因此在实际的工作中也可以非常清晰和准确的将异常点放大, 并通过一定的介质和平台显示出来。比如小波分析法当中分析的结果实际上和小波函数的选择有着十分密切的联系。比如使用小波分析法的时候, 如果小波函数的选取不具有准确性的时候, 其最终的结果准确性也就会受到十分不利的影响。此外小波分析法在噪音和微弱信号识别方面也有着非常好的效果, 因此在这样的情况下, 就会使得分析的结果和实际的结果之间存在着非常明显的差异。所以在实际的应用当中, 我们要综合多种方式, 这样也就使得配电系统的电压跌落现象更加难以控制, 对配电系统的运行质量也会产生十分不利的影响。

3.2电压跌落的动态补偿技术

动态补偿技术对于电压跌落问题有着非常好的控制效果, 动态补偿技术通常又分成两个类型, 一个设计串联电压补偿, 一个是并联电压补偿, 其中, 前者主要是指在配电系统电压跌落的一瞬, 用最快使得速度往配电系统当中注入三相电压, 使其和供电电压形成一个整体, 这样就可以有效的对电压跌落现象进行有效的控制, 配电系统在这一过程中也保持比较好的运行状态。而后者在应用的过程中, 其作用主要表现在两个方面, 一个是他能够有效的控制大电容设备忽然启动的时候出现电流畸变的问题, 在这样的情况下也就保证了系统整体的运行质量和运行水平。其次是它能够在配电深度系统出现电压跌落现象的时候保持正常的电压水平, 这样也就可以有效的保证配电系统正常的工作状态。但是并联技术在实际的应用中经济性相对较差, 所以在实际的工作中会采用并联电压电流补偿技术减少配电系统运行过程中所产生的不利影响, 此外还使用串联电压补偿技术对电网中存在的一些干扰负荷进行有效的控制, 这样一来一方面可以有效的对电网系统运行的质量予以保障, 同时也使得系统的安全性得以提升。

3.3网络重构技术

网络重构技术通常就是指在配电系统中安装分段开关和联络开关, 这种技术在实际的应用中可以有效的降低电网系统在运行的过程中出现的损伤现象。同时它还可以减少或者是消除线路过载问题, 从而使得系统运行的质量和水平得到了非常显著的提升。在某种程度上来说, 对电压跌落, 网络重构技术能够体现出非常好的效果, 如果配电系统发生了电压跌落现象的时候, 这种技术可以根据实际的情况及时的解决一些问题, 这样也就使得非故障区的用电需求可以得到全面的满足。此外这种技术在应用的过程中也可以充分的按照配电系统自身的特点和结构的特性提出一个相对较为科学合理的规划方案, 从而也就使得这项技术的作用和功能得到了充分的显现。网络重构技术在应用的过程中也可以将故障进行量化处理, 这样一来也就在最大限度上满足了社会实际的用电需要, 更好的保证了供电企业的经济效益。

结语

当前, 人们对供电的数量和质量都提出了非常高的要求, 供电系统在运行的过程中也需要承受更大的负荷, 所以配电系统在运行的过程中也更容易出现电压跌落的现象, 为了对这种现象进行严格的控制, 相关部门必须要采取有效的措施, 只有这样, 才能更好的保证供电的连续性和安全性, 这样也使得供电系统的运行质量得以显著的提升, 从而也促进我国电力事业的健康发展。

摘要：在社会发展和进步的过程中, 供电安全是非常重要的一个环节, 电能安全的运行对社会生产和生活的正常进行有着不容忽视的影响。在电网系统正常运行的过程中, 有很多因素都会影响到其运行的质量和水平, 所以必须要采取有效的措施对其进行调整和改进。本文主要分析了配电系统电压跌落问题, 以供参考和借鉴。

关键词：配电系统,电压跌落,问题,对策

参考文献

[1]虞苍璧, 夏祖华, 胡伯源, 马师模.电压跌落与动态电压调节技术[J].供用电, 2007 (03) .

[2]梁亮, 李建林, 赵斌, 许洪华.适合于风力发电系统的电压跌落发生器[J].可再生能源, 2007 (03) .

电压跌落篇2

随着电力技术的不断发展,电力负荷更加多样,对电能质量[1]的要求越来越高。电压跌落是电能质量中常见问题之一,容易造成电网中的敏感负载无法正常工作,进而带来大量经济损失[2]。

动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer,DVR)是目前补偿电压跌落综合性较好的电力装置[3],兼具快速性和经济性。DVR的工作原理:在敏感负载侧安装电压检测装置,当敏感负载侧电压跌落时,通过检测电路迅速发现电压跌落现象,并计算电压跌落的幅值。根据计算结果,由控制单元发出补偿电压的指令,给逆变器的电力开关管送出通断脉冲控制信号。此时逆变单元开始工作,其直流储能单元将已经储存的电能向外输出。逆变器的输出经过滤波器和变压器向电网注入补偿电压,弥补之前发生的电压跌落现象。

传统的电压跌落检测算法有三相瞬时无功d-q检测算法和Hilbert检测算法,但它们在补偿快速性和抗干扰性方面存在着矛盾,为此,笔者提出一种将d-q检测算法和Hilbert检测算法结合起来的电压跌落检测新算法,用于应对以3次谐波为主的电压跌落情况,具有较好的电压补偿效果。

1 2种常用检测算法及其优缺点

1.1 三相瞬时无功d-q检测算法

三相瞬时无功d-q检测算法原理如图1所示。将三相电压采样后进行d-q变换[4],电压的基波分量变成直流分量,n次谐波变成n-1次谐波。若电压发生跌落,得到的直流分量幅值就会下降,求出其与参考直流电压的差值,并通过PI调节和d-q反变换,即可得到补偿电压的波形。

该算法动态响应速度较快,并且可以滤除电网中的谐波,具有很好的抗谐波干扰能力。但是低通滤波器LPF存在延时,PI调节器的积分环节也限制了动态响应速度,将此检测算法运用于DVR拓扑电路时,PI参数的选择很大程度上影响着补偿效果。因此,一些研究者提出使用模糊参数自适应的PI调节器[5]代替固定参数的PI调节器,提升了DVR的电压补偿效果。

1.2 Hilbert检测算法

对于连续信号f(t),其Hilbert变换数学[6]表达为

$\hat{f} (t) = Η (f (t)) = \frac{1}{π} \int_{- \infty}^{+ \infty} \frac{f (τ)}{t - τ} d τ = f (t) \frac{1}{π t} (1)$

它的反Hilbert变换数学表达为

$f (t) = Η^{- 1} (\hat{f} (t)) = - \frac{1}{π} \int_{- \infty}^{+ \infty} \frac{f (τ)}{t - τ} d τ = \hat{f} (t) (- \frac{1}{π t}) (2)$

对式(1)进行Fourier变换:

$F (\hat{f} (t)) = \frac{1}{π} F (\frac{1}{t}) F (f (t)) = - j (sgn ω) F (f (t)) (3)$

式中:

$sgn ω = {\begin{cases} + 1 ‚ ω > 0 \\ - 1 ‚ ω < 0 \end{cases} ‚ ω$

为频率。

由式(3)可看出,Hilbert变换的本质是相移全通滤波器,该滤波器的幅频特性恒为1,将信号的正频率成分相移-90°,将信号的负频率成分相移+90°。构造解析表达式:

$X (t) = f (t) + j \hat{f} (t) = A (t) \exp (j φ (t)) (4)$

式中: $A (t) = \sqrt{f^{2} (t) + \hat{f}^{2} (t)}$ ; $φ (t) = \arctan \frac{\hat{f} (t)}{f (t)}$ 。

Hilbert检测算法原理如图2所示。Hilbert变换的特点是准确地提取信号包络[7],用于DVR时可以把提取的信号包络向后差分来确定电压跌落的起止时刻,动态性极好。但由于Hilbert检测算法对于电网谐波没有滤除作用,故仅适用于补偿单纯的电压幅值跌落。综合来看,Hilbert检测算法动态响应迅速,而抗谐波干扰能力差。

2 电压跌落检测的新算法

如果电网电压跌落时存在以3次为主的谐波,单独使用上文介绍的d-q检测算法可滤除谐波,但其动态响应速度受限于低通滤波器和PI调节器;单独使用Hilbert检测算法,动态响应速度很快,但无法滤除谐波。因此,提出了一种结合d-q检测算法和Hilbert检测算法的新检测算法,兼顾快速性和抗干扰性。该算法可补偿电压幅值跌落,并滤除3次谐波,其仿真模型如图3所示。

算法步骤:① 含有3次谐波的电压信号经锁相后进行d-q变换,将d轴和0轴电压置零、q轴电压取反,再进行d-q反变换,得到补偿谐波的电压波形;② 将补偿谐波的电压波形与输入电压波形叠加,得到滤除3次谐波后的波形,对此波形的每一相电压进行Hilbert检测算法处理,得到三相补偿电压幅值的波形;③ 叠加补偿谐波的电压波形和补偿电压幅值的波形,获得最终的补偿波形;④ 将上一步得到的波形输入至SPWM逆变器信号控制端,逆变器输出实际补偿电压,通过变压器与电网侧电压耦合。

3 仿真与分析

DVR采用三相四线制桥式逆变拓扑结构和前馈控制方式[8]。通过Matlab/Simulink软件进行仿真,参数[9]设置如下:

(1) 逆变模块:该模块采用Simulink元件库中的Inverter,补偿控制信号输至门控引脚g,直流电源电压为500 V,逆变输出采用三相LC滤波方式[10],电感为2 mH,滤波电容为63 μF。

(2) 负载:纯电阻负载,采用Y(grounded)连接方式,功率为50 kW。

(3) 变压器:每相补偿电压都需要1个变压器耦合至电网,变比为220 V/50 V。

(4) 三相电源:电压为380 V,频率为50 Hz。

设仿真时间为0.12 s,即6个电压周期,在0.04～0.08 s发生伴随3次谐波的电压跌落。跌落至正常电压的85%,3次谐波幅值为基波电压的20%,相角置零。仿真结果如图4所示。

从图4可看出,电网电压发生伴有3次谐波的跌落时,本文提出的算法快速性良好,比较有效地补偿了电压幅值跌落,并且一定程度上消除了谐波影响,负载侧电压波形接近于标准正弦波形。Hilbert检测算法通过后差分迅速确定电压幅值变化的时刻,提高了响应速度。进一步仿真可知,该算法适用于主要含有3次谐波的电压跌落检测,当5次、7次谐波幅值很大时,补偿效果变差。

4 结语

提出的电压跌落检测新算法主要针对含3次谐波的电压跌落现象,结合了传统的d-q检测算法和Hilbert检测算法的优点,将滤除谐波和补偿电压幅值分开进行,兼具电压幅值补偿的快速性和抗谐波干扰的能力,满足DVR的要求。下一步可考虑加强滤除更高次谐波的能力,扩大该算法的应用范围。

参考文献

[1]唐治德,余小闯,金幸,等.动态电压恢复器的补偿策略研究与仿真分析[J].电气自动化,2010,32(4):63-65.

[2]黄本润,夏立,吴正国.H桥级联型多电平动态电压恢复器的研究[J].船电技术,2011,31(5):1-3.

[3]曹凤莲,李磊,陶鸿.基于PSpice的动态电压恢复器研究[J].电子设计工程,2011,19(20):38-40,46.

[4]齐玮,张成效.动态电压恢复器补偿信号改进检测法[J].山西电力,2009(1):15-17.

[5]郝晓弘,孙红雨,郝守庆.模糊PID控制策略在动态电压恢复器中的应用研究[J].工矿自动化,2010,36(12):36-40.

[6]陈亮,杨吉斌,张雄伟.信号处理算法的实时DSP实现[M].北京:电子工业出版社,2008.

[7]王光荣.基于Hilbert变换的信号包络提取方法研究[J].中国科技信息,2012(1):87-88.

[8]王晶,徐爱亲,翁国庆,等.动态电压恢复器控制策略研究综述[J].电力系统保护与控制,2010,38(1):145-151.

[9]宋刚,孙佩石,张国荣.动态电压恢复器功率电路设计[J].电测与仪表,2011,48(1):72-76.

配电网电压跌落检测技术的研究篇3

随着我国工业生产的自动化水平不断提高, 敏感设备 (如计算机、可编程控制器等自动化设备) 在电力负荷中所占比重逐渐增多。这类负荷对电压的短时间突变 (本文简称为电压跌落) 非常敏感, 电压的突然跌落将大大影响其工作状况。为了保证敏感负荷的正常工作, 对配电网的电压质量提出了更高要求。

配电网电压跌落是指在某一时刻电压的幅值突然偏离正常工作范围, 经很短时间后又恢复到正常水平的现象。为了减少配电网电压跌落的影响, 供电方要提供给用户高质量的电压;设备制造厂家要降低设备对电压跌落的“敏感度”, 即提高设备对电压跌落的“免疫力”。在生产实践中常采用动态不间断电源 (DUPS) 、静止开关切换 (STS) 等抑制电压跌落影响的装置。本文主要讨论动态电压恢复器 (DVR) 对配电网电压跌落进行补偿的技术。

1 动态电压恢复器 (DVR) 的基本结构

配电网动态电压恢复器 (DVR) 是对电压进行补偿的电力电子装置, 在抑制电压跌落及补偿方面具有经济性、快速性、可靠性等优势。发生电压跌落时, DVR能在5ms内瞬间做出反应, 进行快速补偿 (1) 。

DVR (图中虚线部分) 接入系统的方式如图1所示。其主电路包括储能装置、Delta逆变器、滤波器和串联注入变压器四个部分。直流侧储能装置的主要作用是当配电网电压发生跌落时, 为负载提供足够的有功功率。当前比较常用的从网络中引入电压, 将电能储存在电容中来代替传统的蓄电池。Delta逆变器是DVR装置的核心, 它接在电网与负载之间起调节电压源的作用。逆变器产生的电压主要用来补偿用户侧电压的跌落, 保证敏感负载正常运行。

2 动态电压恢复器 (DVR) 的补偿量检测算法

DVR的补偿对象主要是配电网电压的跌落、闪变和谐波等, 故要求其控制系统的响应速度要足够快, 同时对畸变的输入电压应具有很强的抑制作用。因此, 要实现以DVR补偿负载侧电压跌落的目的, 前提是必须快速准确地从含有扰动的电压信号中检测出电压波动的特征量以及电压基波分量。当检测电路检测到负载电压的跌落信号时, 经检测算法变换后生成电压补偿指令对Delta逆变器进行控制, 产生所需要的补偿电压 (2) 。

在有源电力滤波器和无功补偿技术中, 常使用d-q检测算法检测谐波电流。传统的d-q检测算法进行坐标系的变换, 基波和谐波的分离是由低通滤波器来实现的, 由于低通滤波器本身的延时和衰减特性, 在很大程度上影响了算法的检测结果。本文提出改进的d-q算法, 原理如图2所示。

(1) 虚拟三相电压的构造

利用求导法构造虚拟三相电压, 求导的对象是电压跌落发生相的相电压, 通过求导获取该相电压的余弦信号。其余两相电压可以根据对称三相电压的幅值及相位关系而得到。

(2) d-q变换

将构造好的虚拟三相电压ua、ub、uc进行d-q变换, 其中的变换因子矢量为公式 (1) :

(3) 分离直流变量

通过分离出dq坐标下直流分量, 以获得基波正序分量。本文通过求导的方法能够瞬时分离出dq坐标系中的直流分量, 可以很好地满足实时性, 消除分离时延带来的影响。求导分离的公式 (2) :

(4) 确定电压补偿量

分离出来的dq坐标系下的直流分量后, 求得正序基波电压暂降幅值和相位差如公式 (3) 、 (4) :

配电网动态电压恢复器的补偿启动取决于求得的Usag和α与额定的正序基波电压有效值和允许的相位差相比较结果。如果需要补偿, 则依据补偿策略, 通过DVR装置对电压跌落进行补偿。

3 结语

通过仿真实验, 验证了本文提出的基于dq变换的配电网动态电压恢复器的改进算法, 该算法可以快速准确地检测出电压暂降的幅度和相角跳变, 具有很好的实时性和较高的检测精度, 能够很好地满足DVR装置对电压暂降检测的需要, 以保证装置进行精确的电压补偿。

参考文献

[1]肖小兵等.基于配电网电压跌落的DVR研究[D].电气开关, 2011, 3.

电压跌落篇4

大容量风电并网面临的主要问题之一是风力发电机的低电压穿越问题[1,2]。电力系统故障是电压跌落产生的主要原因,也是影响风电机组低电压穿越控制策略的主要因素。对称故障下制约双馈风力发电机不间断运行能力的主要因素是转子侧脉宽调制(PWM)变换器输出电流的上限和直流母线电压的上、下限,因而相关研究均是从如何实现对双PWM变换器的有效控制,以期达到减少转子电流冲击和维持直流母线电压稳定来开展的[3,4,5]。而系统不对称故障下双馈风力发电系统不间断运行能力控制的增强除考虑上述因素之外,还在于对励磁变频器的网侧、转子侧变换器进行改进控制,消除负序分量的影响[6,7,8]。

目前,提高低电压穿越能力的主要研究均是针对风力发电机个体从改进变换器控制策略的角度来展开的,但是受变换器容量或电力电子器件设计参数的限制,对于某些恶劣故障情况,低电压穿越的控制策略将失效,只能使用Crowbar将转子短路。

实际电力系统中,任何故障的切除、隔离均是继电保护的任务。如果能够有效地辨识风电场并网处母线电压跌落的危害程度[9,10,11,12],自适应调整相应的保护控制策略,将有效地整体降低风力发电机感受到的电压跌落持续时间,从而降低对风电场低电压穿越能力的要求,减少Crowbar的投入使用,提高风电场的整体平稳运行能力。因此,有必要将继电保护的动作特性引入风力发电机低电压穿越能力的研究中,而首先需要分析的是风电场并网母线感受到的电压跌落特性,特别是故障概率较大的不对称故障导致的电压跌落特性。

风电场并网侧感受到的电压跌落可能源于110 kV高压侧故障引起的电压跌落传播至低压侧,也可能是由35 kV馈线故障直接引起的。35 kV馈线故障直接引起的电压跌落主要受配电系统中性点接地方式的影响,其直接以故障相电压的形式影响风电机组,比较直观。实际运行中,110 kV/35 kV降压变压器主要采用Y0/D11接线,变压器高压侧线电压将耦合到低压侧相电压,影响风力发电机的并网;特别是故障发生概率较大的单相接地故障也将以故障点线电压的形式影响风力发电机,其故障特征需要特殊考虑。

针对该问题,本文主要面向35 kV风电场并网侧感受到的来自110 kV高压侧的电压跌落,分析不对称故障状态下故障点线电压的变化特性,探讨不同过渡电阻和接地程度系数下故障点电压相量的变化规律,量化分析电压跌落畸变极值,为后续的继电保护算法设计提供理论依据。

1 风电场低电压穿越能力规定及系统侧解决方案探讨

国家电网公司已于2009年颁布了风电场接入电网技术规定,规定了风电场低电压穿越要求,如图1所示[13]。

风电机组的低电压穿越控制特性需满足如图1所示粗实线,在某些超出变换器容量的情况下需迅速投入Crowbar。而实际中,若能有效地考虑配电线路保护的动作特性,如图1虚线所示的反时限低电压保护特性示例(实际系统保护配置以电流保护为主),则图中阴影部分所需容量将不再需要通过变换器的控制策略来补偿,而改由保护的动作特性来实现,这种实现是面向所有馈线间隔的全局性措施,不再是面向单一风力发电机的个体行为。因此,评估现有保护的动作特性,并设计自适应电压跌落特性的馈线低电压保护算法很关键,而其中首先需要分析风力发电机并网点感受到的电压跌落特性。

2110 kV不对称故障引起的电压跌落特性分析

配电线路单位电抗值明显大于电阻值,如实际中普遍采用的LGJ240/30型导线,线路阻抗角可达70°。因此,以下分析均假定各元件序阻抗为纯电抗,正序电抗等于负序电抗,且过渡电阻为纯电阻。

2.1 单相接地故障分析

A相经过渡电阻Rf发生单相接地故障时,故障点K的线电压为:

${\begin{cases} \dot{U}_{Κ A B} = \dot{E}_{A} - \dot{E}_{B} - j 3 X_{1} \dot{Ι}_{0} \\ \dot{U}_{Κ B C} = \dot{E}_{B} - \dot{E}_{C} \\ \dot{U}_{Κ C A} = \dot{E}_{C} - \dot{E}_{A} + j 3 X_{1} \dot{Ι}_{0} \end{cases} (1)$

式中: $\dot{E}_{A}, \dot{E}_{B}, \dot{E}_{C}$ 为故障前相电压; $\dot{Ι}_{0}$ 为故障点零序电流,

$\dot{Ι}_{0} = \frac{\dot{E}_{A}}{j (X_{1} + X_{2} + X_{0}) + 3 R_{f}}$

X1,X2,X0分别为整个系统的等值正序、负序和零序电抗。

故障点线电压的变化轨迹取决于 $\dot{Ι}_{0}$ 的变化,可见其受制于系统导纳Y的变化。

$\begin{array}{l} Y = \frac{1}{3 R_{f} + j (X_{1} + X_{2} + X_{0})} = \frac{1}{3 R_{f} + j X} = \\ - j \frac{1}{2 X} + \frac{1}{2 X} e^{j φ} (2) \end{array}$

式中: $φ = \arctan (\frac{R_{f}}{2 X} - \frac{X}{2 R_{f}})$ ,当Rf由0～∞变化时,φ从-90°～90°变化。

式(2)表示以(0,-j/(2X))为圆心、1/(2X)为半径的圆轨迹。

因此,故障点线电压变化轨迹如图2所示。由图2可见, $\dot{U}_{Κ A B}$ 和 $\dot{U}_{Κ C A}$ 随过渡电阻Rf的变化保持半圆变化,而 $\dot{U}_{Κ B C}$ 则保持额定线电压不变。

观察图2可知,线电压 $\dot{U}_{Κ A B}$ 的最大畸变幅值和最小畸变幅值分别为AOM和AOP。其中:

$\max | \dot{U}_{Κ A B} | = A_{Ο Μ} = | \dot{E}_{A} - \dot{E}_{B} | = \sqrt{3} E_{A} (3)$

定义接地程度系数k=X0/X1,则

$\begin{array}{l} A_{Μ Ν} = \frac{1}{2} \max | X_{1} 3 \dot{Ι}_{0} | = \frac{1}{2} | X_{1} \frac{3 \dot{E}_{A}}{j (2 X_{1} + X_{0})} | = \\ \frac{3 E_{A}}{2 | 2 + k |} (4) \end{array}$

根据余弦定理,可以求得:

$\begin{array}{l} A_{Ο Ν} = \sqrt{A_{Ο Μ}^{2} + A_{Μ Ν}^{2} - 2 A_{Ο Μ} A_{Μ Ν} \cos 30 °} = \\ \frac{\sqrt{4 k^{2} + 10 k + 7}}{2 | 2 + k |} \sqrt{3} E_{A} (5) \end{array}$

因此,

$\begin{array}{l} \min | \dot{U}_{Κ A B} | = A_{Ο Ρ} = A_{Ο Ν} - A_{Μ Ν} = \\ \frac{\sqrt{3} E_{A}}{2 | 2 + k |} | \sqrt{4 k^{2} + 10 k + 7} - \sqrt{3} | (6) \end{array}$

同理可得:

$\max | \dot{U}_{Κ C A} | = \frac{\sqrt{3} E_{A}}{2 | 2 + k |} (\sqrt{4 k^{2} + 10 k + 7} + \sqrt{3}) (7)$

$\min | \dot{U}_{Κ C A} | = \frac{\sqrt{3} E_{A} \sqrt{k^{2} + k + 1}}{| 2 + k |} (8)$

由图3可见,线电压畸变极值的大小随着接地程度系数k的增加,逐渐逼近线电压标幺值,特别是 $\min | \dot{U}_{Κ A B} |$ ,在0<k<4之间变化显著。

定义过渡电阻系数p=Rf/X1,则单相接地故障状态下,根据

$\begin{array}{l} \min | \dot{U}_{Κ C A} | = E_{A} | - \frac{3}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2} j + \frac{3}{(k + 2) - j 3 p} | = \\ \frac{\sqrt{3} E_{A} \sqrt{k^{2} + k + 1}}{| 2 + k |} (9) \end{array}$

可得变量k与p的函数关系式为:

${\begin{cases} p_{1} = 0 \\ p_{2} = - \frac{\sqrt{3}}{9} \frac{(k + 2)^{2}}{1 + k} \end{cases} (10)$

同理,在 $\min | \dot{U}_{Κ A B} |$ 极值点,也可以得到变量k与p的函数关系式。单相故障下, $\min | \dot{U}_{Κ C A} |, \min | \dot{U}_{Κ A B} |$ 极值下的k,p函数特性分别如图4(a)和图4(b)所示。

根据式(1),可得故障后故障点线电压增量为:

$Δ \dot{U} = j 3 X_{1} \dot{Ι}_{0} = \dot{E}_{A} \frac{3}{k + 2 - j 3 p} (11)$

由式(11)可见,点(k,p)=(-2,0)为谐振点,即系统的单相对地容抗ωC0与2ωX1发生谐振,线电压趋向于无穷。

当-2<k<+∞时,系统零序阻抗呈感性;实际运行中p值都大于0,由图4(a)可见,此时 $\min | \dot{U}_{Κ C A} |$ 无解,此状态在实际系统中不会出现,由图4(b)可见, $\min | \dot{U}_{Κ A B} |$ 的(k,p)解处于间歇状态,而且随着k值的增加,p值的线性增加幅度很小。可见,跌落极值主要受中性点接地方式而不是过渡电阻的影响。

当-∞<k<-2时,中性点经容抗接地。此时, $\min | \dot{U}_{Κ C A} |$ 和 $\min | \dot{U}_{Κ A B} |$ 畸变极值均可能出现,特别是 $\min | \dot{U}_{Κ A B} |$ 畸变极值出现时,p值与k值保持镜像正比例线性增加状态。在此情况下,单相接地故障电压跌落畸变极值发生的概率较大;但是,由于国内110 kV中性点容抗接地的方式较少见,因此,实际应用中此畸变极值出现的概率较低。

2.2 两相短路故障分析

BC两相经过渡阻抗Rf短路时,故障点K的线电压为:

${\begin{cases} \dot{U}_{Κ A B} = \dot{E}_{A} - \dot{E}_{B} + \sqrt{3} X_{1} \dot{Ι}_{s A} \\ \dot{U}_{Κ B C} = \dot{E}_{B} - \dot{E}_{C} - 2 \sqrt{3} X_{1} \dot{Ι}_{s A} \\ \dot{U}_{Κ C A} = \dot{E}_{C} - \dot{E}_{A} + \sqrt{3} X_{1} \dot{Ι}_{s A} \end{cases} (12)$

式中: $\dot{Ι}_{s A}$ 为BC两相短路故障时的A相电流,

$\dot{Ι}_{s A} = \frac{\dot{E}_{A}}{R_{f} + j 2 X_{1}}$

此时,线电压变化轨迹如图5所示,畸变极值如表1“两相短路故障”行所示。由表中数据可见,故障点线电压畸变极值均为常数。

两相短路故障状态下,根据

$\begin{array}{l} \min | \dot{U}_{Κ C A} | = E_{A} | - \frac{3}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2} j + \sqrt{3} X_{1} \frac{1}{R_{f} + j 2 X_{1}} | = \\ \frac{\sqrt{39} - \sqrt{3}}{4} E_{A} (13) \end{array}$

可以得到p=1.5。

此时,

$\begin{array}{l} | \dot{U}_{Κ A B} | = | \dot{E}_{A} - \dot{E}_{B} + \sqrt{3} X_{1} \dot{Ι}_{s A} | = 1.121 \sqrt{3} E_{A} \\ | \dot{U}_{Κ B C} | = | \dot{E}_{B} - \dot{E}_{C} - 2 \sqrt{3} X_{1} \dot{Ι}_{s A} | = 0.6 \sqrt{3} E_{A} \end{array}$

同理,两相短路故障状态下,其余线电压畸变极值出现时,相应的过渡电阻系数及线电压幅值如表2所示。

可见线电压畸变极值主要出现在p=0或p=∞时刻,这与线路故障的物理本质相吻合:在金属性短路故障下(p=0),短路电流最大、电压幅值下降最大,所以故障点线电压达到最小值;正常状态下(p=∞),线电压保持额定值不变,为线电压最大值。但是必须注意到, $\max | \dot{U}_{Κ A B} |$ 和 $\min | \dot{U}_{Κ C A} |$ 发生时,过渡电阻系数p并不为0或∞,而是一个固定的正数,如图6所示。

定义此种状态为“超越状态”,具有如下特征:

1)只有涉及非故障相的线电压,如表中 $\dot{U}_{Κ A B}, \dot{U}_{Κ C A}$ 才会出现超越状态,这与常识中的最恶劣故障状态只出现在故障相不同。特别是在超越状态附近,过渡电阻系数大于1.73时,出现超越状态的故障线电压比未出现超越状态的故障线电压还低。

2)2种超越状态必定一种出现线电压极大值,另一种出现线电压极小值。

3)全故障相线电压 $\dot{U}_{Κ B C}$ 在2种超越状态下均发生明显的电压跌落,特别是在极小值超越状态下, $\dot{U}_{Κ B C}$ 电压跌落将达到60%。

4)2种超越状态下,线电压 $\dot{U}_{Κ A B}$ 均发生电压骤升,而 $\dot{U}_{Κ C A}$ 将发生电压跌落。

5)超越状态下,线电压 $\dot{U}_{Κ A B}$ 与 $\dot{U}_{Κ C A}$ 具有较强的关联效应,其中一个线电压达到极值时,另一个线电压必将发生严重的电压畸变,并且接近其畸变极值。

实际运行中,如果发生金属性两相短路故障(p=0),虽然全故障相线电压 $\dot{U}_{Κ B C}$ 将降为0,造成比较恶劣的影响,但是由于短路电流很大,继电保护将会可靠动作切除故障,且金属性短路故障已经引起了广大电力工作者的重视。反而在超越状态下,由于故障电流比较小,相间距离保护或速断保护可能没有足够的灵敏度,需要后备保护来动作,大大延长了电压跌落的持续时间,会带来严重的后果;而且电压跌落与电压骤升同时存在,必须引起额外关注。

2.3 两相接地故障分析

BC两相经过渡阻抗Rf接地,故障点K的线电压为:

${\begin{cases} \dot{U}_{Κ A B} = \dot{E}_{A} - \dot{E}_{B} - j \frac{\sqrt{3}}{2} \dot{E}_{A} - j \frac{3}{2} X_{1} \dot{Ι}_{e A} \\ \dot{U}_{Κ B C} = 0 \\ \dot{U}_{Κ C A} = \dot{E}_{C} - \dot{E}_{A} + j \frac{\sqrt{3}}{2} \dot{E}_{A} + j \frac{3}{2} X_{1} \dot{Ι}_{e A} \end{cases} (14)$

式中: $\dot{Ι}_{e A}$ 为BC两相接地故障时的A相电流,

$\dot{Ι}_{e A} = \frac{\dot{E}_{A}}{j (X_{1} + 2 X_{0}) + 6 R_{f}}$

当k>0时,故障点线电压相量图及变化轨迹如图7所示,畸变极值如表1“两相接地故障”行所示。

两相接地故障情况下,根据

$\begin{array}{l} \min | \dot{U}_{Κ A B} | = \min | \dot{U}_{Κ C A} | = | \frac{3 k}{1 + 2 k} | E_{A} = \\ \frac{3}{2} E_{A} | 1 - \frac{1}{1 + 2 k - j 6 p} | (15) \end{array}$

可得变量k,p的函数关系式为p=0。

观察图7,纵轴贯穿线电压轨迹圆的直径,因此,线电压极值必定为O点与轨迹圆纵轴直径的2个顶点连线,即线电压极值出现情况下,p始终等于0。

因此,两相接地故障情况下,110 kV配电网电压跌落极值出现在金属性接地故障状态下,且全故障相线电压幅值降为0,非故障相线电压跌落(至少下降到额定值的86.6%),对低压用户的影响很大。

2.4 电压跌落特性对风力发电机低电压穿越能力的要求

两相短路故障状态下,电压跌落幅值仅受过渡电阻的影响,与系统的中性点接地方式无关。电压跌落极小值不仅出现在金属性短路故障状态下,而且可能出现在超越状态下,此时,电压跌落极小值仅为额定值的60%,而且短路电流值较小,速断保护可能没有足够的灵敏度,需要后备保护来动作,可能不满足图1所规定的2 s故障切除时间的要求,需要风力发电机的低电压穿越控制特殊考虑,或需要对Ⅰ段保护的自适应动作特性进行改进。

接地故障状态下,电压跌落幅值不仅受过渡电阻的影响,而且与系统的中性点接地方式密切相关。对于110 kV中性点有效接地系统,单相接地故障状态下,在临界值(k=3)时,最多可引起32%的电压跌落。随着接地程度系数k的降低,畸变幅值下降更加严重。两相接地故障时,全故障相线电压幅值降为0,非故障相线电压跌落(至少下降到额定值的86.6%),但畸变极值只能出现在金属性接地故障情况下。单相接地故障时,畸变极值的出现不仅限制在金属性接地状态下,且其状态并不唯一;考虑到单相接地故障发生概率较大,如何实现自适应电压跌落幅值的单相接地保护需要进一步研究。

3 结语

本文针对电力系统故障导致的电压跌落是影响风力发电机低电压穿越控制特性的主要因素、切除故障受继电保护控制这一现状,提出了提高现有线路保护能力的动作特性,降低对风力发电机的低电压穿越能力要求。分析了风力发电机并网点感受到的电压跌落特性,探讨了不同过渡电阻和接地程度系数下故障点电压相量的变化特性,量化分析了风力发电机并网点电压跌落畸变极值及产生条件。指出:相间短路故障时存在超越状态,对保护的动作特性影响较大;接地故障时电压跌落的畸变极值受接地程度系数的影响严重,A相接地故障时AB相线电压的电压跌落极值出现的概率较大。后续研究需要从电压跌落的传播特性入手,分析自适应电压跌落幅值的保护动作特性。

电压跌落篇5

1 常规的检测算法

1.1 d q坐标变换检测算法[4]

令系统三相电压uabc为：

式(2)三相电压uabc经dq变换后：

由于三相测量电压中还包含谐波分量和测量误差，常将式(4)通过低通滤波器(LPF)，如图1所示。理论上dq坐标变换检测算法的判断量为：

1.2 基于αβ坐标变换检测算法

文献[5]提出一种只基于αβ坐标变换的检测算法，通过电压的α、β分量构造同步旋转坐标变换，模拟d q变换检测算法，并可省去锁相环节和三角函数计算。将dq变换矩阵P可分解为

式中：θ=ωt。故uabc可分2次变换：

同步旋转角θ可用电压矢量uαβ表示：

将式(11)代入式(10)，同步电压矢量udq为：

将式(12)代入式(4)，得

式(13)与式(4)相同，即基于αβ坐标变换的检测算法与dq变换检测算法等效，其检测原理如图3。理论上αβ坐标变换检测算法的判断量为：

1.3 带陷波器的d q坐标变换检测算法

观察式(3)，三相不对称电压的正序基频分量转换成直流量，而基频负序分量转换成2次分量。为分离基波正序分量，可采用陷波器(Notch)，其传递函数为：

式中：ω0为陷波角频率，设为2ωf(ωf为基频角频率);ζ为阻尼比。带陷波器的d q坐标变换检测算法如图4所示。理论上该算法的判断量为：

2 基于正负序双旋转坐标变换检测算法

传统dq坐标变换是正序同步旋转坐标变换，考虑构造负序同步旋转坐标变换，将-θ代入式(8)，则：

将uαβ通过上述负序同步旋转坐标变换，得

式中：ud N,uq N为三相电压在负序同步坐标下的d、q分量。正负序双同步旋转坐标变换检测算法如图5所示。理论上该算法的判断量为：

3 仿真分析与比较

利用PSCAD通过单相接地短路对传统d q变换算法和αβ变换算法的检测性能进行仿真比较。仿真中设定三相380 V系统中a相0.2 s时发生接地短路，仿真波形如图6所示。

图6中：Ua,Ub和Uc为三相电压;Vd q,Vαβ，VP,VP-N分别为d q坐标变换，αβ坐标变换，带陷波器d q坐标变换和正负序双同步旋转坐标变换四类检测算法的检测量;VN为负序同步旋转坐标变换检测到的负序分量;Vref为判跌门限，三相系统中设为0.38×90%=0.342 kV;F_trig为故障发生逻辑，Detect_d q,Detect_αβ，Detect_P,Detect_P-N分别为上述4类检测算法的检测逻辑，0表示未发生或未检测到，1表示发生或检测到。

不同故障情况下各类检测算法仿真结果如表1所示，仿真结果由电压跌落检测时间和稳态值2部分组成，单位分别为ms和kV。由于αβ坐标变换和d q坐标变换的检测性能极为相似，故将其数据列为一类。

4 结束语

正负序双同步旋转坐标变换算法，通过构造一个由正序和负序2个分量构成的检测量，当发生各类对称故障时，所构成的检测量具有更快的下降速度，并且普遍适用于各类故障情况。因此，具有较常规的dq变换检测算法更快的检测速度。

摘要：电压跌落的快速准确检测对于电能质量的监测与治理具有重要意义。通过进行正序和负序的同步旋转坐标变换,构造一个由正序和负序2个分量构成的检测量,用于电压跌落的检测。5种情况下的跌落检测仿真均验证了该算法的有效性,并且较其他算法具有更高的检测精度和更快的检测速度。

关键词：电压跌落,dq变换,αβ变换,正负序双同步旋转坐标变换

参考文献

[1]孙连旗.电网电压瞬间跌落的危害和防范措施[J].天津电力技术,2006,(2):28-29.

[2]金钊,刘炳.电压跌落分析与对策[J].电力设备,2006,7(4):63-66.

[3]李光琦.电力系统暂态分析[M].北京:中国电力出版社,1995.

[4]肖湘宁,徐永海,刘昊.电压凹陷特征量检测算法研究[J].电力自动化设备,2002,22(1):19-22.

电压跌落篇6

风力发电多位于偏远地区,大都与农村电网(农网)并联,而农网的线径小、半径长、负荷波动大且频繁,因而发生电压跌落的现象比较严重。而电网电压的下降会影响风力发电机的有功输出,使双馈感应风力发电机(DFIG)组定子端电压下降,出现过电流现象。由于定转子间的强耦合关系,在转子侧也会出现过电流、过电压[1]。由于风电系统的网侧变流器受到来自网侧和负载侧两方面扰动的影响,在农网电压发生跌落时,很容易出现直流母线电压不稳定现象,进而影响整个系统的稳定运行[2]。目前,与农网并网的小型风力发电系统一般都采用引入负载扰动(传统的前馈补偿)的双PI闭环控制策略,来降低直流母线电压的不稳定性[3]。该方法的优点是控制比较及时,在一定程度上可以抑制负载扰动对系统直流母线电压的影响,但是忽略了农网电压扰动对系统直流母线电压的影响。本文基于传统前馈补偿方法,介绍了一种引入电网扰动补偿的双PI闭环控制策略,来更好地解决农网电压跌落下直流母线电压波动问题。

1 传统的前馈补偿

前馈补偿是一种根据干扰进行补偿的开环控制,就是按干扰的幅值和变化趋势对操控变量进行补偿,从而来降低干扰对被控量的影响[4]。

由文献[5,6]分析可知,直流母线电压的波动与负载电流的突变有直接的关系。因此,在未引入负载电流前馈时,倘若负载电流发生了变化,那么将直接导致直流母线电压偏离设定值。由于电压调节环的调节速度比较慢,当负载电流突然增大时,变流器还不能完全为负载消耗提供所需要的能量。此时,直流侧的电容将释放所存能量,与变流器一起为负载提供能量。相反,当负载电流突然减小时,变流器提供的能量将超出负载消耗所需要的能量,那么多余的能量就会流向直流侧的电容并对其充电。正因为在动态过程中系统的输入输出不平衡,导致了直流母线电压的波动。根据控制理论,理论上采用引入负载扰动的双PI闭环控制策略可以消除负载电流扰动对系统的影响。

小信号分析:首先,假定DFIG的变流器采用dq同步旋转坐标系的空间矢量算法[7]。忽略功率器件的开断损耗,当系统功率因数为1时,由功率平衡原理和基尔霍夫电流定律,可以得到

其中,i1为整流器输出电流;udc为直流母线电压;Cdc为直流母线电容;i2为整流器输入电流;u,i分别为电网相电压和相电流的有效值;K为比例系数;ir为电流内环参考值。令

将式(2)代入式(1),可得

undefined

忽略高次项,求解该式,可得稳态和暂态等式分别为

undefined

由稳态等式可知,稳态时,母线电压与电网电压无关。由暂态等式可知,暂态时,将负载电流的变化补偿到直流母线电压调节器的输出上[8]。便可得到有负载电流补偿的小信号控制框图,如图1所示。

该图1中的参数如下

undefined

由上述推导可得,直流母线电压与负载电流和电网电压扰动的关系表达式为

Δudc=TrΔir+TuΔu+Z1Δi2

式中

undefined

其中,G=1+ZL(GKGU+GS)。

由上面推导分析可知,直流母线电压波动的幅值受负载扰动Δi2和电网扰动Δu大小的影响。如果我们选择合适的控制方法,使得Tu=0,Z1=0,那么理论上直流母线电压就可以不受负载电流和电网电压扰动的影响。在有传统前馈补偿的控制方法下,如果能使1-GK=1-3KU/Udc=0,即有undefined(若变流器采用SVPWM调制方法,undefined),则直流母线电压就不再受负载扰动影响。但是,如果要保证系统工作在线性调制区内,直流母线电压必须保证undefined,因此Z1=0不可能成立。又因undefined,所以undefined。显然,采用带负载扰动补偿的控制方法只能在一定程度上抑制负载扰动对直流母线电压的影响,而且该方法并没有对电网扰动进行前馈补偿(即Tu≠0)。为此,在此基础上,通过引入电网扰动前馈补偿的方法,来提高系统的动态性能。

2 带电网扰动的前馈补偿

在小型风力发电系统的网侧变流器中,可以通过引入电网扰动补偿项,使电网电压跌落时流入直流母线电容的电流为0,从而保证直流母线电压的稳定。此时电网的输出功率应与直流母线的输出功率相等,即3ui=Udci2。

将式(1)代入上式可得

undefined

为了保持直流母线电压在负载和电网扰动时能够稳定,可选取电网扰动补偿项ie=ir,使电压外环的输出iu=0。

下面对补偿项进行小信号分析,令ie=Ie+Δie,可得到

Ie+Δie=KeUdc(I2+Δi2)/(U+Δu)

IeU+IeΔu+UΔie+ΔieΔu=KeUdcI2+KeUdcΔi2

Ke=1/3K

忽略高次项,可得

undefined

结合传统前馈补偿的方法,由此式可以得到引入电网扰动补偿的控制框图,如图2所示。

由上面推导可得,直流母线电压变化与负载电流和电网电压变化的关系表达式,则

Δudc=TrΔir+T′uΔu+Z′1Δi2

undefined

将图2的参数代入该式可得

T′u=0,Z′1=0,Δudc=TrΔir

由此分析,理论上负载电流和电网电压的扰动不再影响直流母线电压,即直流母线电压在稳态和暂态时都能够保持恒定,进而消除了农网电压发生跌落时直流母线电压的波动问题。根据上述分析可以画出网侧变流器直流母线的控制框图,如图3所示。

3 仿真分析

为了更深入地研究采用本文的控制方法能否在农网电压发生电压跌落时抑制直流母线电压的波动,在风力发电系统仿真软件PSCAD平台上,搭建了小型双馈风力发电系统的仿真模型,以对网侧控制系统进行仿真。

仿真的初始条件是电网电压发生跌落前,小型双馈风力发电系统工作在额定运行状态下,即小型双馈风力发电系统的运行速度为1.2p.u,此时机组额定功率为500kW,额定电压为690V,额定频率为50Hz,风速为13m/s。仿真参数如下:

定子电阻Rs:0.007p.u

定子漏感Ls:0.171p.u

转子电阻Rr: 0.005p.u

极对数:2

转子漏感Lr:0.156p.u

定转子互感Lm:2.9p.u

故障电阻R:0.3～0.8Ω

转动惯量:5.04s

当小型风力发电系统t=1s 时发生三相短路故障,导致定子端电压跌落至0.8p.u,t=1.25s时电网电压恢复正常,系统故障持续时间250ms。在PSCAD仿真软件中我们通过改变短路处的故障电阻R的大小来模拟小型风力发电系统中电网电压的跌落。电压跌落时直流母线电压的仿真波形如图4所示。其中,Edc1表示带电网扰动前馈补偿的直流母线电压波形;Edc2表示传统前馈补偿的直流母线电压波形。

图4仿真结果表明,网侧变流器采用本文介绍的控制方法,虽然未能完全消除直流母线电压的波动,但是将直流母线电压峰值由952V降为885V,直流母线电压的波动幅度得到明显降低。由此可见,本文采用引入电网扰动前馈补偿的控制方法有效地提高了直流母线电压的调节速度,减小了电压震荡的幅值,从而保证了系统的稳定运行。

4 结论

本研究针对农网电压跌落时,小型风力发电系统直流母线电压发生波动的问题,介绍了一种带电网扰动前馈补偿的双闭环PI控制方法。同时,利用电力系统仿真软件PSCAD进行了模拟仿真,验证了该方法能够较好地抑制直流母线电压的波动,提高小型风电系统稳定运行能力。

摘要：在农村电网中,由于农村电网的线径小、半径长、负荷波动大,电网电压跌落时有发生,这种现象导致小型风力发电系统直流母线电压发生波动,影响风电系统的正常运行。为此,在传统前馈补偿研究的基础上,利用小信号分析方法,通过对小型风力发电系统网侧变频器控制策略进行分析,提出了一种带农网扰动补偿的双闭环PI控制策略。通过风电系统仿真软件PSCAD对网侧控制系统搭建仿真模型进行仿真分析。结果表明,该策略不仅可以提高直流母线电压的调节速度,而且可以减小峰值电压的震荡幅值,进而降低直流母线电压的波动,保证风电系统的稳定运行。

关键词：农网,电压跌落,小信号分析,网侧变流器,直流母线电压

参考文献

[1]李建林,徐鸿雁,梁亮.VSCF-DFIG在电网电压跌落瞬间情况下的对应策略[J].电力系统自动化,2006,30(19):65-68.

[2]许期英,刘敏军.变流调速技术与系统[M].北京:化学工业出版社,2010.

[3]罗忠玉,马洪飞,徐殿国,等.双馈风力发电系统网侧变换器控制研究[J].电力电子,2007(5):15-19.

[4]李建林,许洪华.风力发电系统低电压运行技术[M].北京:机械工业出版社,2008.

[5]Abbey C,Joos G.Effect of low voltage ride through(LVRT)characteristic on voltage stability[C]//IEEE Transactions onIndustry Applications,2005.

[6]李梅.电网电压跌落情况下双馈感应式风力发电机网侧变换器控制技术的研究[D].北京:中国科学院电工研究所,2007.

[7]王伟,孙明冬,朱晓冬.双馈式风力发电机低电压穿越技术分析[J].电力系统自动化,2007,31(23):84-89.

电压跌落篇7

随着我国经济的快速发展, 能源需求不断增长而化石燃料资源日趋枯竭, 同时国家对环保标准也越来越严格, 洁净的、可再生能源日益受到人们的关注和重视, 这也是符合我国能源可持续发展战略的需要。风力发电有效降低环境污染、节约土地。由于分布式风电能效高, 且利用比煤炭清洁的风能, 所以污染物排放低。当前, 燃煤发电为主的电力生产结构导致有害物质排放逐年增加, 使煤电发展受到制约。而我国风能资源丰富, 在政府大力支持风电产业发展的同时引进国外成熟的技术, 使得风电发展势头良好, 已逐步在我国的电力构成中占据一席之地[1,2]。

1 设备允许电压跌落时间的分析

风力发电机分散布置在配电网中, 由于风速的降低导致风机输出功率不足, 影响配电网中的有功功率, 进而导致配电网电压跌落。如果电压偏差过大, 电气设备和电力系统运行就会出现一系列的问题。对文献[3]分析比较可知, 配电网用户中变压器、互感器、并联电容器、家用电器及电力系统在电压跌落时所受影响不大, 本文暂不考虑。而照明设备 (白炽灯、荧光灯) 和电动机在电压跌落时所受影响较为严重, 本文将会从用电设备电压特性曲线入手, 根据设备敏感曲线、风电场低电压穿越能力和系统清除时间三个约束条件确定接入不同容量的风电时, 用电设备可以允许的电压跌落时间。

用电设备电压特性

电气设备是按照电网的额定电压来制造的, 也在此电压下正常工作。生活和生产中常用来照明的白炽灯、荧光灯, 它们的光通量、发光效率和使用寿命与电压密切相关。

1) 照明灯的电压特性曲线

从图1可见:白炽灯和荧光灯端的光通量、发光效率和寿命会随着其端电压的变化而改变。由图1 (a) 可知, 白炽灯对电压的变动比较敏感, 当电压比额定电压降低8%时, 光通量就会减少25%;如果电压降低更多的话, 照度显著减弱。相反, 当电压升高8%时, 其寿命减少20%;如若电压升高更多, 白炽灯的损坏将大幅增加。而通过荧光灯的电流对灯管的寿命影响较大, 当电压升高, 电流增加时, 寿命随之降低。反之, 电压降低时, 灯丝的预热温度过低, 也会导致灯丝发射物质飞溅使灯管寿命大大降低。

2) 电动机的电压特性曲线

图2表示出了异步电动机的电流、效率和功率因数与电压的关系。在电网中感应异步电动机占交流电动机的90%以上, 占电网总负荷的60%以上。异步电动机的电磁转矩对电源电压是很敏感的, 若电源电压有多降低, 电动机的转矩会大大降低。如果电动机在端电压降低为原来的80%, 它的转矩仅为额定转矩的64%;如电压降低过多, 那么电动机可能停止运转, 由它带动的生产设备就会发生运行异常。此外, 当电源电压降低时, 若电动机的电磁转矩保持不变, 磁通将降低, 转子电流相应增大, 定子电流中负载电源分量随之增加, 造成绕线的铜损耗增大, 致使定、转子绕组过热, 严重时会烧毁电动机。

1.2 三个约束条件

1) 设备敏感曲线

对于电压敏感的设备 (例如:微电子控制设备) , 电压跌落会使其不能正常工作甚至对用户造成危害。不同类型的设备对电压跌落的敏感程度不尽相同, 与其自身的用电特性相关, 为此, 欧美等国家根据设备的特性制定出了不同的敏感曲线。我们应该依据不同的敏感曲线来分析相应的设备对于电压跌落时的危害程度。图3为目前国际上普遍采用的ITI (CBEMA) -Information Technology Industry曲线图[4]。

2) 风电场低电压穿越能力

低电压穿越能力 (Low voltage ride through capability) , 就是指风力发电机的端电压降低到一定值的情况下不脱离电网而继续维持运行, 甚至还可为系统提供一定无功以帮助系统恢复电压的能力。具有低电压穿越能力的风力发电机可躲过保护动作时间, 故障切除后恢复正常运行。这可大大减少风电机组在故障时反复并网次数, 减少对电网的冲击。

我国风电发展时间不长, 风电在电网中比例不高, 因此低电压穿越要求较低。图4为我国风电场低电压穿越要求规定。

3) 系统清除时间

当任何电压属于表1规定的范围时, 分布式能源应该在显示的清除时间内停止给区域电力系统供应电能。清除时间就是非正常状况开始到分布式能源停止给区域电力系统供应电能之间的时间。对于分布式能源最大容量小于或等于30k W时, 电压设定值和清除时间应该是固定的或现场能调整的。对于分布式能源容量大于30k W时, 电压设定值都应现场调整。

2 风电在配电网中占不同比例时设备允许电压跌落时间的确定

首先假定配电网中的电阻R不变, 不考虑其他因素的影响, 那么配网中实际功率比额定功率等于实际电压比额定电压的平方:

以此公式为依据, 然后根据上述三个约束条件, 结合照明灯和异步电动机的电压特性曲线得出风电在配电网中不同比例时设备允许电压跌落的时间。

2.1 配电网中的风电全部切除配电网, 配电网内无备用容量

通过计算分析得出下列表2风电在配电网占不同比例时设备允许电压的时间。

注:1) 综合所得设备允许时间为各个不同设备允许时间的最小值;2) 设备敏感曲线是作为电压允许跌落时间确定的一个参考, 照明设备和电动机并非精明仪器, 允许时间可比设备敏感曲线所定的时间长;3) 综合所得设备允许时间要大于系统清除时间;4) 当电压跌落30%时, 电动机允许时间0.5s (0.5s为工程中整定时间, 即为电动机在电压过低时, 由自身控制装置调节, 保证不停机, 正常运行[7]) 。

2.2 增大风电接入比例, 配电网配备有相应的备用容量

上表2列出的是配电网中没有备用容量的极端情况下, 设备允许的电压跌落时间。而实际配电网由于风电的随机性, 为防止风电功率严重降低时, 影响电网用户的电能质量要求, 都是存在备用容量的。表3为当增大风电接入比例, 配电网中有相应的备用容量时, 同理得出的用电设备允许电压跌落时间。

3 结论

本文从用电设备在电压跌落时不受到严重影响入手分析, 通过比较白炽灯、荧光灯和电动机的电压特性, 在满足设备敏感曲线、风电场低电压穿越能力和系统清除时间三个约束条件下, 当配电网中不存在备用容量时, 风电在配电网容量中占10%、19%、28%、36%、44%和51%时, 当风电全部切除时, 设备允许的电压低落时间分别为10min、5min、1min、10s、1s和0.5s;当配电网中存在备用容量时, 在设备允许电压跌落的时间内, 对应不同的备用容量, 确定了接入配电网相应较大比例的风电。本工作为今后进一步的研究提供一种定性和定量的研究分析数据。

摘要：当配电网不存在备用容量时, 通过比较白炽灯、荧光灯和电动机的电压特性, 依据三个约束条件, 从而确定了配电网中接入不同比例风电下的设备允许电压跌落时间;当配电网中存在备用容量时, 计算在不同备用容量下, 设备允许的电压跌落时间。

关键词：发电机,风力,配电网,电压跌落,允许时间

参考文献

[1]王承煦.风力发电实用技术[M].北京:金盾出版社, 1995.

[2]于承煦, 张源.风力发电[M].北京:中国电力出版社, 2002, 8.

[3]全国电压电流等级和频率标准化技术委员会.电能质量国家标准应用指南[S].北京:中国标准出版社, 2009.

[4]IEEE1250-1995- (ANSI) “IEEEGuidefor ServicetoEquipmentsensitivetoMomentaryVoltage Disturbances”.

[5]中国电力科学研究院.国家电网公司风电场接入标准技术规定 (修订版) [S], 2009.

[6]IEEEP1547TM-2003, IEEEStandardfor InterconnectingDistributedResourceswithElectric PowerSystems.

【电压跌落】推荐阅读：

电网电压跌落08-22

跌落时间09-15