交流电场（精选5篇）
交流电场 篇1
0 引言
随着我国经济的持续快速发展,社会对电力需求日趋增大,目前正处在输变电工程建设的高峰时期,超高压、特高压输变电工程也在积极建设中。由于人们对高压输电线路电场的理解存在误区,把电场与“辐射”联系起来,甚至与核辐射联系起来,形成了对高压输变电工程的恐慌,尤其以高压输变电工程产生的电磁环境对人体影响最为关注[1,2,3,4],使得近年来因输变电工程电磁环境引发的环境纠纷日趋增多,严重制约了高压输变电工程的建设和发展。
本文着重就高压交流输电线路的电场特性、电场的短期生态效应及改善措施进行研究和分析,重点计算了高压交流输电线路产生的工频电场中人体感应电流及人体内部电场强度,以便人们能更为清楚地认识和了解工频电场的本质,同时消除对高压输变电工程电磁环境存在的误解,实现电网、社会、环境三者和谐发展。
1 高压交流输电线路电场特性
高压交流输电线路正常运行时,由于集肤效应,导线上的电荷主要分布在架空导线表面,同时导线上电荷将在空间产生工频电场。其产生的工频电场波长λ=C/f,其中光速C=3×108 m/s,工频f=50 Hz,则波长λ=6 000 km,因此工频电场是一种低频、长波的电波,极易被各种障碍物屏蔽,同时穿透能力弱。
由于工频电场的电场方向具有周期性变化的特点,对位于交变电场的导体会引起该导体表面电荷的移动,称为静电感应或静电效应。静电感应量值只与导体的尺寸、形状及外加电场强度有关,与导体的电阻率无关。
高压交流输电线路产生的工频电场强度具有以下特点[1]:随着距输电线路边导线距离的增加,电场强度快速下降;工频电场很容易被树木、房屋等屏蔽,受屏蔽后,电场强度明显下降。
2 电场短期生态效应
工频电场对处在场中的人或物的作用(或对活的有机体的影响)称为生态效应[5]。人体处在高压输电线路产生的工频电场中短期停留可能受到影响,即为电场的短期影响。输电线路工频电场的短期影响发生最为可能,感觉最为明显,因而受到人们的广泛关注。短期影响表现为在电场中人或动物接触对地绝缘体或接地不良的物体后产生的电击以及人在电场中的直接感受。
2.1 高压交流输电线路下的暂态电击和稳态电击
工频电场对周围环境的影响首先表现在由静电感应产生的电击。在高压输电线路下或高压设备附近,当人体接触电场中对地绝缘体时,可能会产生刺痛的感应电流,即电击。电击按作用时间不同,分为暂态电击和稳态电击。
2.1.1 暂态电击
暂态电击指人接触电场中受到静电感应的物体瞬间,原来积累在感应物体上的电荷通过人体向大地释放所造成的电击。暂态电击的能量为CU2/2,其中C为物体对地电容,U为感应电压。高压输电线路下发生的电击,主要表现为暂态电击。高压交流线路下暂态电击的强弱主要取决于人对地的绝缘电阻及电场强度,绝缘电阻越大,电场越强,物体表面积累的电荷越多,暂态电击越严重。
暂态电击一般不会对人体带来危险,主要因为作用时间很短,仅为几微秒至十几微秒,但会给人体带来不舒服的感觉。国内外研究表明[6],电击能量为0.1 mJ时,人可以感到电击的存在;电击能量为0.5～1.5 mJ时,将使人产生疼痛感和引起肌肉的不自觉反应;对人体有危险的暂态电击能量为25 J。
2.1.2 稳态电击
稳态电击指人接触电场感应物体后,由于感应物体与高压输电线路的电容耦合,产生流过人体的持续工频电流所造成的电击。稳态电击的水平取决于电场强度、导体的外形尺寸,并与之成正比。国内外研究表明[6],当短路电流大于0.8×103～1.1×103μA,人就会产生刺痛感;短路电流大于2×103μA时,会引起肌肉反应;当短路电流达到6×103～9×103μA时,就会造成人体伤害,但此时尚能自己摆脱,因而称为摆脱电流。在高压输电线路下,避免放置大而长的金属物体或使其接地,能有效避免稳态电击。
2.2 电场中人体电场效应分析
2.2.1 人体感应电流计算
对处在电场中的人体[7]感应电流可采用模拟电荷的方法进行近似计算。图1为电场强度是E0的电场中感应电荷和电流计算简化示意图,图2为人体与导线相对位置示意图。
图1中,电荷q1和q2分别代表人体头部及躯干所产生的感应电荷,计算分别见式(1)和式(2)[8,9]。
式中:ε0为真空介电常数(8.85×10-12),F/m;E0为输电线路产生的工频电场强度,kV/m;h1为躯干对地高度,m;h2为头部对地高度,m。
则头部、躯干及通过脚的总感应电流的计算见式(3)至式(5)[8,9]。
式中:i1、i2、i3分别为头部、躯干及通过脚部的总感应电流,μA;ω为电流的角频率,ω=2πf,rad/s。
对于一个身高约1.7m的人体,其h1约为0.8 m,由公式(1)—(5)整理得出:i3=15E0,μA/(kV·m-1)。根据国家环保总局颁布的《500 kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》(HJ/T24-1998)规定“推荐暂以4 kV/m作为居民区工频电场评价标准”的要求,拟当输电线路产生的工频电场强度E0=4 kV/m时,通过人体脚部的总感应电流仅为60μA。表1为交流电击电流的临界值表[10],由表1可知,当通过人体脚部的总感应电流为60μA时,人体不会出现刺痛感,也不会出现不舒服的感觉。
2.2.2 人体内部电场计算
对于人体位于线下站立模型,当人体进入输电线路下电场后,头顶具有最大的表面电场强度,其计算见式(6):
人体表面产生的最大电流密度J计算见式(7):
人体内部电场强度计算见式(8):
式中:γ为人体特性参数,取值为1/Ω·m。
当E0=4kV/m时,整理得出人体头顶最大场强Emax为64 kV/m;人体表面产生最大电流密度为0.176 mA/m2;人体内部电场强度为0.176×10-3 V/m。其人体内部产生的电场强度0.176×10-3 V/m,远小于高压输电线路产生的电场强度4×103 V/m,因此人体内部电场强度对外加电场强度而言是极其微弱的。
3 改善电场短期生态影响的措施
有效改善电场短期影响的措施主要通过减小高压输电线路产生的工频电场强度及改变电场中导体的物理性质来实现。
由于高压交流输电线路产生的工频电场强度有其特殊性质,采用增加导线对地高度、合理布置导线、架设架空屏蔽线、减小相间距、减小导线分裂间距及减少分裂导线根数等方式,均能减少线下工频电场强度,减轻高压交流输电线路可能产生的工频电场短期生态效应影响。
为保护电力走廊,输电线路走廊区域应尽量避免放置对地绝缘导体,同时也应尽量减少其尺寸,对于不可避免的导体应有效地实现接地,以减少导体发生静电感应的可能性,有效防止人体接触时可能出现的电击现象。
4 结论
(1)工频电场是一种低频(f=50 Hz)、长波(λ=6 000 km)的电波,其极易被各种障碍物屏蔽,同时穿透能力弱。
(2)对处在电场中的人体感应电流可采用模拟电荷的方法进行近似计算,身高约1.7 m的人体,工频电场强度E0=4 kV/m时,通过人体脚的总感应电流仅为60μA,远低于人体伤害电流6×103～9×103μA,人体不会出现刺痛感和不舒服的感觉。
(3)当外加工频电场强度E0=4 kV/m时,人体内部电场强度为0.176×10-3 V/m,其人体内部产生的电场强度远小于高压输电线路产生的电场强度4×103 V/m,人体内部电场强度对外加电场强度而言是极其微弱的。
(4)采用增加导线对地高度、合理布置导线、架设架空屏蔽线、减小相间距、减小导线分裂间距及减少分裂导线根数等方式,均能减少线下工频电场强度,减轻高压交流输电线路可能产生的工频电场短期生态效应影响。
(5)输电线路走廊区域实现导体接地,能有效减少导体发生静电感应的可能性。
参考文献
[1]邬雄.电场、磁场和电磁场的环境问题[J].电力环境保护, 2007,23(4):8-11.
[2]FRIED L,GORDON D.UHV:Onward and Upward[J].IEEE Spectrum,1977,14(2):56-65.
[3]PARIS L.Future of UHV Transmission Lines[J].IEEE Spectrum,1969,6(9):44-51.
[4]朱景林.国网典型220 kV输变电工程工频电场和无线电干扰分析[R].上海:上海交通大学,2007:1-7.
[5]邬雄.1000 kV交流输电线路电磁环境研究[J].电力设备,2005,6(12):24-27.
[6]胡白雪.超高压及特高压输电线路电磁环境研究[R].杭州:浙江大学,2006:58-62.
[7]蒋伟,吴广宁.有限元法分析特高压直流线路对人体的影响[J].高电压技术,2008,34(9):1826-1830.
[8]邵方殷.输电系统产生的电场和磁场[M].北京:水力水电出版社,1984:8-35.
[9]粟福珩.高压输电的环境保护[M].北京:水力水电出版社,1988:34-61.
[10]李顺元.±500千伏直流输电线路电场效应及人体感受的研究[J].电网技术,1991,(2):25-31.
交流电场 篇2
【教学内容】
第五单元第1节。
【教学目标】
知识与技能：了解电场是客观存在的一种特殊物质形态；理解电场强度的概念及其定义式，理解电场强度方向的规定；理解电场线的意义和性质。了解匀强电场的概念。
过程与方法：能用电场线描述电场，能运电场强度的定义式进行简单的计算；学会运用观察、归纳等方法从现象进行分析推理、发现客观规律，体会比值法定义物理量。
情感态度价值观：通过介绍静电研究的历史知识，激发学生热爱科学的情感，通过实验观察、分析推理培养学生严谨的科学态度和正确的思维方法。
【教学重点】
电场强度的定义及电场线的意义。
【教学难点】
对电场强度定义及电场线意义的理解。
【教具准备】
橡胶棒、玻璃棒、丝绸、毛皮、验电器、铁架台、通草球等。
【教学过程】
◆创设情境──引出课题
1．课件展示：播放视频及PPT，展示生活及生产中的静电现象。
2．实验演示：捋不拢的丝线，随梳飘动的头发等等。
3．生活现象回顾：弹不掉的灰尘，冬天脱毛衣时的火花与噼啪声等等。
4．教师讲述：以上现象的发生都与静电有关，从今天开始我们将探究静电现象。
5．人类研究静电的历史回顾
人类认识静电现象，最早的记载是希腊哲学家泰勒斯（生活时代略早于中国的孔子）发现了当时的希腊人摩擦琥珀吸引羽毛。在中国，西汉末年已有“顿牟（玳瑁）掇芥（细小物体之意）”的记载；晋朝时有关于摩擦起电引起放电现象的记载：“今人梳头，解著衣时，有随梳解结有光者，亦有咤声”。但对静电现象的科学研究却开始于2000年后的18世纪，其主要原因，一是当时的社会发展水平尚未出现对电的需求，二是科学技术水平落后，无法对研究提供技术和设备支持。
历史上，人类研究静电现象时遇到的主要困难：
一是一般物体的带电量较小，静电力非常小，没有精密仪器测量非常小的力；二是没有电量的单位，无法衡量和控制电荷的多少；三是物体有一定的大小和形状，电荷在物体上的分布情况不清楚，不好确定两带电物体之间的距离。
对静电力的科学研究，关键是上述问题的解决，谁能解决上述问题，谁就能取得研究的成功。
◆实验与探究──新课学习
一、两种电荷及电荷间的相互作用
1．摩擦起电及带电物体的特性
演示及学生实验：分别用玻璃棒、橡胶棒靠近碎纸屑，它们不会吸引碎纸屑；将玻璃棒与丝绸摩擦，橡胶棒与毛皮摩擦，分别用摩擦后的玻璃棒、橡胶棒靠近碎纸屑，它们吸引碎纸屑。
教师讲述：通过摩擦，玻璃棒、橡胶棒带了电，有了电荷，这种带电方式叫摩擦起电，各种不同物质相互摩擦，都可以带电或有电荷。带电或有电荷的物体能吸引轻小物体。
2．两种电荷及相互作用
教师讲述：人类通过探究知道，自然界存在两种电荷，分别叫做正电荷与负电荷。人们把与丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷叫做正电荷，将与毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷叫做负电荷。人们还发现，电荷间有相互作用，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。
3．物体带电的多少──电量
不管用什么方式使物体带电，总可以使物体带电的多少不同。物体所带电荷的多少叫做电荷量，简称电量。在国际单位制中，电量的单位是库仑，简称库，用大写英文字母“C”表示。
4．提出问题
带电物体即就是不相互接触，它们之间也会发生力的作用。那么，这个力是怎样产生的？又是怎样作用给另一个带电物体的呢？
二、电场
1．什么是电场？
电荷的周围空间存在电场。不管物体是通过什么方式带电的，也不管物体处在什么样的物理环境中，只要物体带电，在它周围的空间就一定存在电场。
电场是一种特殊的物质。在自然界里，物质的存在形式有两种，一种就是我们平时能够看得见摸得着的实物，如生活中使用的由各种物质构成的物体，它们有形态、色泽、硬度、密度、导电性、功能、结构等方面的差异。物质的另一种存在形式就是场，比如电场、磁场等，它们看不见摸不着，但它们能表现出被人们感知的特性，人们就是借助这些特性来研究电场的。
2．电场的基本特性
电场的基本特性就是对处在其中的电荷有力的作用，这个力称为电场力或库仑力。
两个带电物体间的电场力是通过电场实现的。比如甲乙两个电荷，甲电荷在它周围空间建立电场，乙电荷就处在了甲的电场中，受到甲电荷电场的电场力作用；同理，乙电荷在它周围空间建立电场，甲电荷处在乙电荷的电场中，受到乙电荷电场的电场力作用。
通过分析可以知道，电荷间的电场力是通过电场发生的。
三、点电荷
1．引入背景
一般带电物体，都有大小及形状的差别，即就是它们带电量相等，由于它们大小、形状的不同，使得电荷在物体上的分布情况不同，这会影响到对电荷间相互力的研究。带电体体积越小，或者描述带电体大小的线度相比于两带电体的距离可以忽略时，带电体本身的大小对问题研究的影响越小，这种情况下，可以忽略带电体自身的大小，把带电体看成是只具有电荷的点。就像研究物体的机械运动时，把物体看成具有质量的点──质点一样。
2．点电荷
点电荷是为了简化研究而引入的理想模型，实际的带电物体，总有一定的体积和形状，不会是一个“点”，所以点电荷实际上是不存在的。但物理学研究中的一个重要策略就是舍弃次要因素，抓主要因素。当带电体间的距离比它们的大小尺寸大很多时，它们的大小对于它们之间的电场力的影响是非常小的，影响它们之间电场力的主要因素是各自的电量和它们之间的距离，这时，可以忽略电荷自身的大小，把它们看成是只具有电量的几何点──点电荷。
比如两个直径为20cm的带电球，当两球心的距离为30cm时，由于球的直径与间距差不多，这种情况下，两个带电球就不能视为点电荷；如果两球心的距离为10m，这时他们的间距远远大于球的直径，球的直径对与它们间的电场力几乎没有影响，可以把它们视为电量集中在球心的点电荷。
四、电场强度
1．电场中不同位置电场特性的强弱不同
（1）科学家的实验探究：如图所示，在带电体Q产生的电场中的不同点A、B先后放入同一带电体q，发现q所受电场力的大小、方向不同，q在A点受到的电场力比在B点时受到的电场力大。
（2）实验结果剖析：既然两个位置放置的是同一电荷，那么两次受到的电场力大小、方向的不同肯定不是q引起的，应该是Q的电场引起的，这说明电场有强弱、方向的差别。如上述实验中，带电体Q电场中A点的电场比B点的电场强一些。
2．电场强度
（1）科学家的实验探究：如图所示，在带电体Q产生的电场中的不同点A、B先后放入另一带电体q，发现它在A、B两点时受到的电场力与q不同，但对于A点来说，q及q所受的电场力与电量的比值却一样；对于B点来说，q及q所受的电场力与电量的比值也一样。而且A点的这个比值比B点的这个比值大，而我们已经知道A点的电场比B的电场强，这样可以得出一个结论，将带电体放入电场中，放入的带电体在电场中的某点所受到的电场力与自己的带电量的比值的大小恰好与电场的强弱相对应。在其他任何电场中进行探究，也会有这样的结果。
（2）电场强度的定义
放入电场中某一点的电荷所收到的电场力F与它所带电量q的比值，叫做该点的电场强度（简称场强），用符号E表示。/
/
/
（3）单位：N/C（牛顿/库仑）
（4）方向：正的点电荷所受电场力的方向。
五、电场线
1．引入背景
用图像形象表示电场的强弱和方向。电场强度是描述电场强弱及方向的物理量，因此电场强度、电场线描述的是同一现象，可以说电场线是电场强度的图示。就像用力的图示形象描述力的三要素一样。
2．怎样用电场线描述电场
（1）力的图示中线段的方向表示力的方向，因此可以在电场中画出有方向的线条，用线条的方向或线条上的切线方向表示电场的方向。
（2）可以按上述要求画出多条线条，电场强（电场强度大）的地方线条密一些，电场弱（电场强度小）的地方线条疏一些。这样线条的相对疏密程度就可以表示电场的强弱（电场强度的大小）
3．电场线
（1）画法及意义：可以在电场中画出一系列从正电荷出发到负电荷终止的曲线，使曲线上每一点的场强方向都在该点的切线方向上，这些曲线就叫做电场线。
同一电场中，电场线密集的区域电场强度大一些，电场线稀疏的区域电场强度小一些；电场线上某点的切线方向表示该点的电场强度方向。
4．对静电场中电场线的讨论
（1）电场线是人为引进形象描述电场的线，在电场中人们总是画出有限的条数，不能认为两线条之间的“空白”处没有电场。
（2）电场线总是起始于正电荷，终止于负电荷。对于孤立的正电荷，可认为无限远处有一个负电荷，等着“接收”它“发出”的电场线；对于孤立的负电荷，可认为无限远处有一个正电荷，“发出”让它“接收”的电场线。
（3）在没有电荷的地方，任何两条电场线不相交。因为对于电场中的一个点来说，电场的方向是唯一的，如果两条电场线在某点相交，就会出现该点电场强度方向不唯一，这与事实相违背。
（4）电场线不是带电粒子在电场中运动的轨迹。
5．几种电场中的电场线
（1）孤立正、负点电荷电场。
（2）等量异号、同号点电荷电场中的电场线。
六、匀强电场
1．匀强电场的概念
在电场的某一区域里，如果各点场强的大小和方向都相同，这一区域的电场就叫匀强电场。如两块相互靠近的带电平行金属板间的电场中，除去边缘附近以外，两板正对部分空间的电场是匀强电场
2．匀强电场的说明
（1）匀强电场是某电场中的一个区域。
（2）匀强电场中的电场线是等间距的平行直线。
◆交流与评价──总结归纳
1．问题讨论：课本第129页“复习与巩固”1、2、3。
2．引导学生归纳本节要点（见板书设计）
【作业布置】
1．复习课文，书面完成课本第129页“复习与巩固”
4、5。
2．撰写小论文《电场强度与电场线》
3．预习第2节
【板书设计】
交流电场 篇3
关键词：高压架空线路,工频电场,等效电荷法,感应电位,接触电流
1 引言
由于超高压和特高压输电线路具有输送距离远,输送容量大等特点,在我国电力系统中得到了广泛的应用,取得了长足的发展。在采用超高压和特高压线路输电时,一个颇受关注的问题是线路周围的电磁环境问题,如架空线路在其周围产生的交变电磁场产生的无线电干扰,噪声干扰以及处在该交变电磁场中人的生态效应等。近些年来,这一问题一直是国内外电磁兼容和强电磁环境领域里的重要研究课题之一。关于架空线路电磁环境的研究,从现在已经接触到的文献来看,主要是针对线路下的电磁场分布计算[1,2,3],尚未见有针对人体接触电流的计算结果报道。为此,本文将较为系统地讨论处在三相高压交流架空线路下人体感应电位和人体接触电流计算方法,以适应架空线路电磁环境安全设计需求,最后还采用所提出的计算方法,进行实例计算。
2 架空线路下人体电位的计算
根据参考文献[4],首先将人体等效为一个等值圆柱。基于这一假设,本文首先讨论单相架空线路下人体对地电位的计算模型。在此基础上,进一步将模型与算法推广到三相高压交流架空线路的情况。
2.1 光脚时单相输电线路下人体所占空间平均对地电位的计算
如图1(a)所示,设单相架空线路单位长度的等效电荷量为Q,当输电线半径a远远小于距离地面高度H时,等效电荷的位置可以认为是在高压输电线的几何中心。根据电磁场的相关知识,考虑到镜像电荷的影响,人体在该单相架空线路下的平均对地电位可用式(1)进行计算。平均对地电位的定义如下:人体在架空线路下各部位对地电位和的平均值。
式(1)中:
ha—人体平均高度
H—线路对地高度
Q—单相导线上的电荷,Q=C1 wU1
U1—单相导线电压
C1 w—单相导线对地电容,
2.2 穿鞋时单相输电线路下人体平均对地电位的计算
根据文献[4],等值圆柱的等效电容可用下式计算:
式(2)中:
h—等值圆柱高,也即人体的高度
rc—等值圆柱的半径,取16cm
ha—等值圆柱平均对地距离,可取0.5h[4]
利用光脚时人体平均对地电位得出的人体电荷的计算公式为Q1 c=U1 aCc。一般情况下,人体站在架空线路下是通过脚下的鞋与大地绝缘的,这样,人体对地的电容可以分为两部分,一部分为人体皮肤对地的电容,一部分为脚和地之间的鞋的电容,这两部分之间是并联的。因此,考虑鞋的影响,人体对地的电容是增大的。人体平均对地电位可用下式进行计算:
式(3)中:
Cp—人体对地实际电容,取400μF[4]
Cs—鞋对地电容
2.3 穿鞋时三相输电线路下人体平均电位的计算
在电磁场的工程应用领域,当电磁场随时间做缓慢变化时,麦克斯韦方程组中的可以忽略。所以对于三相交流工频架空线路而言,其周围的电场可视为电准静态场。对于三相交流线路,由于电压是时间的变量,所以每相架空线路单位长度的等效电荷量也是时间的变量。如图1(b)所示,设A,B,C三相输电线路每相导线单位长度的等效电荷量分别为QA(t),QB(t),QC(t)。导线视为无限长并且平行于地面,地面视为良导体。各导线单位长度的等效电荷量可以采用电压u(t)和麦克斯韦电位系数P用以下方程求解,电位系数矩阵P和时间无关。三相传输线系统的麦克斯韦电位系数矩阵如下:
式(4)中:
运用电磁场的相关知识可推导出三相传输线系统的麦克斯韦电位系数矩阵如下:
上式中:D—相间距离
H—线路对地最低高度(考虑弧垂)
A—导线等值半径
麦克斯韦电位系数矩阵的推导如下:
令QA(t)=Q,QB(t)=QC(t)=0,地面影响用镜像电荷代替。则有:
所以,得:
同理便可得出a12,a13,a22,a23,a32,a33的表达式,最终得出以上的麦克斯韦电位系数矩阵P的表达式。
得出QA(t),QB(t),QC(t)后,采用叠加法计算三相交流线路下人体所占空间的平均电位。当QA(t)单独存在时,它在点M产生的电位为
当QB(t)单独存在时,它在点M产生的电位为
当QC(t)单独存在时,它在点M产生的电位为
ha的值为0.3~0.4h,取ha=0.3 h[4],所以三相交流输电线路下人体所占空间的平均电位为:
所以三相交流线路下人体对地电位可用下式计算:
3 三相交流架空线路下人体电流的计算
架空线路下存在导体(树木)时,当人体接触导体(树木),就会在体内产生电流。从上面的讨论可知,三相交流线路每相导线单位长度所带电荷量QA(t),QB(t),QC(t)是随着工频作周期变化的。因此人体所占空间平均电位Uta(t)也是随着工频作周期变化的,从而Uthe(t)也是随着工频作周期变化的,所以体内电流的计算可通过等值电路图2进行。
图2中,R1为接触电阻,R2为树枝电阻。R1的大小主要依赖于接触面积和表皮的湿度,阻值范围为2~6×104Ω[7]。考虑到最大电流的影响,树枝的电阻率取2MΩ/m[4]。所以人体接触树枝时,流过人体的电流大小的计算公式为:
4 工程实例
假设人体处在单回路500k V高压交流输电线下,导线采用4×LGJ—400的形式(子导线计算半径为13.41mm),分裂间距450mm,则导线的等值半径为203.8mm。导线与地面的距离H为15m,相间距离D为7.5m。人体高度设为180cm,人体对地电容取400p F。根据上面的假设,则可以得出该条件下三相传输线系统的麦克斯韦电位系数矩阵如下:
对矩阵P求逆后,根据(4)式计算得,Uta(t)=0.0046 UA(t)+0.0048UB(t)+0.0046UC(t),进而根据(7)式得人体对地电位:
根据图2,运用向量法对人体电流进行计算,设,树枝的长度为2m,人体电阻为4×104Ω。根据(8)式得,人体接触树枝时通过人体的电流
所以通过人体的电流为1.47×10-4∠154.62°m A。
5 结论
(1)本文系统讨论了三相交流高压架空线路下人体电位的计算方法,并在此基础上计算出通过人体电流的大小。本文推出的模型与算法具有计算步骤简单,计算量小,便于工程运用等优势。
(2)从上面的分析可知,三相交流高压架空线路下人体的感应电压也是随工频变化的余弦量。
(3)将人体等效为一个等值圆柱,从而人体对地阻抗等效为一个电容。在计算人体的电流时,等值电路的阻抗不仅包括人体阻抗,还包括人体接触树枝的接触阻抗以及导体(树枝)的阻抗。
参考文献
[1]王建华,文武,阮江军(Wang Jianhua,Wen Wu,RuanJiangjun).UHV交变电场在人体中感应电流计算分析(Calculation of electric field induced currents on humanbodies under 1000kV UHV)[J].高电压技术(HighVoltage Eng.),2007,33(5):46-49.
[2]刘元庆,邹军,张波(Liu Yuanqing,Zhou Jun,ZhangBo).高压电力线路工频电场对人体影响的分析(A-nalysis of influence of 50Hz electric fields generated byhigh voltage power lines on human body)[J].高电压技术(High Voltage Eng.),2004,30(12):35-36.
[3]潘顺启(Pan Shunqi).强电场对人体影响的理论分析(Theory analysis of influence of strong electric field to hu-man)[J].西安邮电学院学报(J Xian Post&Tele-communications),1991,3(2):23-31.
[4]G N阿历克山德罗夫,V A卡西娜,T V利索奇金娜.利用植被维护架空输电线路的生态安全(Protect eco-logical safety of high-voltage overhead power lines by u-sing vegetation)[J].电工技术杂志(Elec.Tech.Mag-azine),1993,12(5):36-39.
[5]刘振亚(Liu Zhenya).特高压交流输电工程电磁环境(Electromagnetic environment of UHV AC transmissionproject)[M].北京:中国电力出版社(Beijing:ChinaElec.Power Press),2008.
[6]冯磁璋,马西奎(Feng Cizhang,Ma Xikui).工程电磁场导论(Introduction to engineering electromagneticfields)[M].北京:高等教育出版社(Beijing:ChinaHigher Education Press),2000.46-50.
[7]Wlodzimierz Korniluk,Dariusz Sajewicz.Probabilisticmodel of the human body electric impedance[J].Ar-chives of Elec.Eng.,2009,10(1):43-58.
[8]郭思顺(Guo Sishun).架空送电线路设计基础(Basisof overhead transmission line design)[M].北京:中国电力出版社(Beijing:China Elec.Power Press),2009.
交流电场 篇4
关键词：交流输电线路,电场强度,环境影响,对比分析
伴随着高压、超高压交流输电线路规模及电压等级的扩大,输电线路对周围人员及环境的影响也备受关注[1]。但是对高压、超高压交流输电线路工频电场强度的理论计算研究却未能紧跟电网扩充速度。传统的二维电场强度在粗略计算对称线路电场强度具有很好的应用,但是随着对计算精度要求的增加以及一些特殊输电线路,传统二维电场强度计算公式的理论计算结果与实际测量结果差别较大,已不在适用[2—4]。而对于高压、超高压交流输电线路电场强度的三维计算结果虽然在计算精度、与实际测量结果符合度都能够满足要求,但是传统三维电场强度计算公式十分复杂,在实际工程应用中很难推广普及。为满足高压、超高压交流输电线路电场强度理论计算精度、与实际测量结果的符合度以及理论计算公式的简易度,有必要对传统计算公式进行优化改进。
1 计算公式改进
传统的高压、超高压交流输电线路电场强度理论计算公式已经很难满足现阶段工程应用需求和计算精度要求[5,6]。在研究传统二维和三维高压、超高压交流输电线路工频电场强度计算方法的基础上进行改进。
1.1 计算线路等效电荷
常用的等效模拟电荷的形式有直线电荷、点电荷以及弧线电荷,假设空间中某一导线上任意一等效电荷Q的坐标为(x1,y1,z1),根据麦克斯韦方程式可知,高压、超高压交流输电导线上的对地电压与等效电荷之间的关系有
式(1)中Q为该输电线路上等效电荷大小组成的矩阵;U为该输电线路上各等效电荷对地电压矩阵;P为该输电线路上各等效电荷的电位系数矩阵[7—9]。
在不考虑大地对输电线路等效电荷的影响的情况下,空间中任意一等效电荷的电位系数P可近似为
式(2)中π和ε为常数,R为空间中任意一点A(x,y,z)到分列导线的等效单根圆柱导线表面之间的距离,R的近似计算公式可表示为
式(3)中d为分裂导线的几何半径,m;deq为等效单根圆柱导线半径,m。而deq可以根据如下公式计算得出
式(4)中n为分裂导线的个数,r为分裂导线半径,m。
1.2 电场强度计算
在计算出输电线路上等效电荷后,就可以根据叠加原理来求出空间中任意一点的合场强[10,11]。假设三维坐标系的建立中,X轴与输电线路和大地平行,Y轴与输电线路垂直但和大地平行,Z轴垂直于输电线路和大地,则可知A(x,y,z)的x、y、z的电场强度分量为
式中m为输电相线个数,xi,yi,zi为导线i上等效电荷坐标,R'为P点到该输电线路镜像等效电荷之间的距离。
通过上式就可以求的A点处的合场强的大小为
2 计算精度对比
为简化与传统三维输电线路工频电场强度的理论计算结果进行对比,在这里选取无限长线电荷产生的电场进行研究。三维坐标系的选择为:垂直于地面和输电线路的方向为Y轴方向、平行于地面但垂直于输电线路的方向为X轴方向、平行于地面和输电线路的方向为Z轴方向。根据以上假设条件且取定P点坐标、等效电荷坐标以及d、n,则可知Ez=0。对比传统三维理论计算与改进后理论计算,其结果如表1所示。
对比传统三维计算结果和改进三维理论计算结果,改进后的三维理论公式计算出的结果在计算精度上与传统三维计算精度相同。同时对比发现,运用改进之后的三维电场强度计算公式计算出的Ex和Ey较传统三维电场强度理论计算结果要高,这对于高压、超高压交流交流输电线路设计阶段的预测十分有利,具有一定的实用价值。
3 实例验证
为验证该三维理论计算结果实际测量结果之间的关系,选择某330 k V和某500 k V已建高压、超高压交流输电线路进行实测对比分析。为保证实测结果的准确性,在测量时将仪器屏蔽进行测量。其中330 k V双回线路下相导线弧垂处离地距离9.0m,导线各相水平间距分别为5 m(上相线)、6 m(中相线)、5.5 m(下相线),垂直线间距分别为8.0 m、7.1 m。其他各参数如表2所示。
500 k V已建超高压交流输电线路中单回导线弧垂处离地距离17.5 m,导线为水平排列,线间距为12 m;同塔双回导线弧垂处离地距离17.2 m,导线各相水平间距分别为14 m(上相线)、20 m(中相线)、17 m(下相线),垂直线间距为11.6 m/11.7 m。其余各参数如表3所示。
330 k V已建高压交流输电线路工频电场强度理论计算结果与实际测量结果对比结果如图1所示。
在设定条件下进行330 k V已建高压交流输电线路工频电场强度理论计算。由表4和图1可知,330 k V已建高压交流输电线路工频电场强度实测结果与预测结果相比,大多数数据基本吻合,理论值和监测所得工频电场强度值变化趋势一致。理论计算工频电场强度最大值为5.392 k V/m,出现在边相导线投影处;工频电场强度实测最大值为4.073k V/m,出现在边相导线投影处。理论计算工频电场强度最大值略大于实际测量最大值。
500 k V已建超高压交流输电线路工频电场强度理论计算结果与实际测量结果的对比如图2所示。
在设定条件下对500 k V已建超高压交流输电线路工频电场进行理论计算。由表5可知,已建500 k V超高压交流输电线路工频电场强度实测结果与理论计算结果相比,大多数数据基本吻合。理论值和监测所得工频电场变化趋势一致。其中已建500 k V线路理论计算工频电场最大值为4.26 k V/m,出现在边相导线投影处;工频电场强度实测最大值为4.23 k V/m,出现在边相导线投影处。理论计算工频电场最大值略大于实际测量最大值。
4 结论
(1)在研究传统高压、超高压交流输电线路电场强度理论计算公式基础上对其进行改进,将传统的二维计算公式改进为三维计算公式。不同与传统三维计算方法,其计算方法更接近于二维计算方法,因此简单易用,在提高测量精度的同时更具有工程应用价值;
(2)将传统三维理论计算结果与改进后的三维计算结果进行对比研究,得出其精度相同,满足科研要求;
(3)为进一步验证改进后该电场强度公式理论计算精度和实际应用价值,选取某330 k V和500 k V已建高压、超高压交流输电线路进行实测,通过对比分析理论计算结果和实际测量结果,得出理论计算结果能够很好的符合实际测量精度以及变化趋势的要求,详细数据见图1、图2。由分析数据可知理论计算值较实测值普遍偏大,对高压、超高压交流输电线路设计阶段预测分析具有良好实用价值。
参考文献
[1] Neil C.Evidence that electromagnetic fields from high voltage powerlines and in buildings are hazardous to human health especially to young children.Environmental Management and Design Division Lincoln University,New Zealand,2001
[2] 唐建军.变压器和输电线电磁辐射对环境影响的研究.重庆:重庆大学,2003Tang Jianjun.Study on Environmental pollution by eleetromagnetic radiation for transformers and transmission lines.Chongqing:Chongqing University,2003
[3] 刘华麟.高压输电线、变电站电磁场环境测量方法研究.重庆:重庆大学,2005Liu Hualin.Study on Measurement method of electromagnetic environment caused by high voltage power lines and substations.Chongqing:Chongqing University,2005
[4] 张珂,樊宇璐.两种解决高压输电线路电场计算中奇异点问题的数值方法.电气开关,2009;06:50—52,55。Zhang Ke,Fan Yulu.Two numerical methods for solving the boundary singular points problem in the aspect of calculating electric field intensity.Electric Switchgear,2009;06:50—52,55
[5] 马娜,邹澎,张海东,等.高压输电线附近工频电场模型及仿真研究.微计算机信息,2009;07:210—211,198Ma Na,Zou Peng,Zhang Haidong,et al.Mathematical model and simulation of power frequency electric field on high voltage transmission lines programmed by MATLAB.Micro Computer Information,2009;07 :210—211,198
[6] 邵方殷.我国特高压输电线路的相导线布置和工频电磁环境.电网技术,2005;(08):1—7Shao Fangyin.Phase conductor configuration and power frequency electromagnetic environment of UHV transmission lines in China.Power System Technology,2005;(08):1—7
[7] 谢静.输电线路电磁环境计算方法的研究.武汉:华中科技大学,2009Xie Jing.Research on Electromagnetic environment of transmission lines.Wuhan:Huazhong University of Science and Technology,2009
[8] 季道广.交直流并行输电线路电磁环境的研究.济南:山东大学,2012Ji Daoguang.Study on electric field and radio interference of parallel transmission lines by AC and DC.Jinan:Shandong University,2012
[9] 蒋战朋.高压输电线路电磁环境研究.武汉:华中科技大学,2012Jiang Zhanpeng.Study on electromagnetic environment around the high voltage transmission line.Wuhan:Huazhong University of Science and Technology,2012
[10] 童碧云.500 kV高压输电线路电磁环境计算及控制研究.杭州:浙江大学,2012Tong Biyun.Study on caleulation and control of the electromagnetic environment of 500 kV high voltage electric transmission line.Zhejiang University,2012
交流电场 篇5
风电并网导则规定,风电机组必须具备一定的低电压穿越( low - voltage ride - through,LVRT) 能力,即当交流电网发生电压跌落故障时,风电机组要保证不脱网继续运行一段时间[1]。图1所示为中国的风电并网导则规定的风电机组低电压穿越标准。其中,图1( a) 为并网点电压跌落程度与持续时间的关系,从图中可以看出,在并网点电压跌落到20% 以上时,风电机组要求不脱网持续运行625 ms以上,然后电网电压在规定的2. 375 s时间内恢复正常,风电机组应该一直保持在并网发电状态。此外,现代电网要求风电机组需要在电网电压跌落情况下,快速向电网提供无功功率,以支持电网电压恢复。如图1( b) 所示为无功电流与电压跌落程度的关系,从图中可以看出,当电网电压跌落至额定电压的85% 以下时,风电机组根据电网电压的跌落程度按一定比例地向电网提供无功功率,当电网电压跌落至额定电压50%以下,风电机组额定电流的90% 用于提供无功电流,以支撑电网电压的恢复。
随着大规模远距离海上风电的快速发展,如何将海上电能输送到陆上交流电网成为一个亟待解决的问题。柔性直流输电( VSC-HVDC) 技术的出现,解决了海上风电长距离、低损耗电能传输的发展瓶颈。柔性直流输电技术可以实现风电场与交流电网的隔离,此外,还具有可灵活独立地控制有功功率和无功功率、可直接连接短路容量较小的弱电网甚至无源网络、能够起到STATCOM的作用、具有黑启动能力以及易于构成并联连接的多端直流输电系统等优点,因此非常适用于大规模远距离海上风电场的并网[2,3,4,5,6,7,8]。
柔性直流输电系统可看成是由全功率风电机组的背靠背变流器将直流侧延长后得到,因此,风电场经柔性直流输电系统并网的低电压穿越标准也可按照风电机组的低电压穿越标准[9,10]。基于柔性直流输电的风电场在电网电压跌落时的主要问题是两端换流站有功功率不平衡引起的直流侧过电压,如果不及时采取措施,将导致HVDC线路跳闸,严重时甚至造成直流侧电容或功率开关器件损坏。因此必须采取控制措施使柔性直流输电系统能够穿越受端交流电网的故障,也就是柔性直流输电系统的故障穿越问题( fault ride-through,FRT) 。文献[11]提出在柔直系统直流侧安装卸荷电路,将故障时直流系统功率差额以热量的形式消耗掉,但卸荷电路的成本、占地和散热问题较为突出。文献[12]提出通过风场侧换流器端口频率的控制使受端电网故障期间风电场输出功率降低。文献[13 - 14]提出通过降低风场侧换流器端口电压使受端电网故障期间风电场输出功率降低。但是上述方法都没有考虑实际风电机组的故障保护系统,过大范围的频率或电压变化可能对风电机组产生较大影响,甚至导致切机动作。文献[15]提出将升频法/降压法与模块化卸荷电路法相结合的故障穿越协调控制方法,该方法充分利用风电机组自身特性降低风场出力,同时配合模块化卸荷电阻获得更加理想的故障穿越效果,但是该方法没有考虑风电场并网导则对于无功的要求。
本文在考虑实际风电机组故障保护阈值的基础上,充分利用风电机组自身电压和频率的运行范围,将基于升频法/降压法的软件FRT方法与基于直流卸荷电路的硬件FRT方法相结合,同时按照并网导则规定的风电场无功输出要求,控制电网侧换流器工作在STACOM运行模式。通过这种协调控制策略,不仅可以实现有功功率的自动平衡,还能够满足并网导则对于无功功率的要求。
1 系统结构及控制
1. 1 系统结构
图2 所示为研究的三端直流系统结构示意图。系统包含两个送端换流站( Sending-end Converter,SEC) 和一个受端换流站( Receiving-end Converter,REC) 。其中,由鼠笼定速风电机组构成的风电场接入送端站1,由双馈变速风电机组构成的风电场接入送端站2。正常运行情况下,送端站负责控制风电场PCC( Point of Common Coupling) 点电压的幅值和频率,为风电场提供稳定的交流电源; 受端站负责控制直流母线电压稳定,同时能够向交流电网提供一定的无功功率。
1. 2 受端站控制
受端站的控制目标是维持直流电压稳定,并能够向电网提供一定的无功功率。受端站采用电网电压定向的矢量控制方法,有功和无功解耦控制。正常情况下,受端站的有功电流控制优先,而在电网故障情况下,受端站要由有功电流控制优先切换到无功电流控制优先,以帮助电网电压快速恢复。由于受端站采用有功电流和无功电流解耦控制,只需要按照要求改变无功电流指令即可实现受端换流站的无功功率控制,如图3( a) 所示。
在故障穿越期间,受端站输出无功功率控制成为首要控制目标,按照图1( b) 所示的无功功率曲线要求,LVRT控制中无功电流指令的计算公式为:
式中enm、egd和ignm分别代表额定电网电压幅值、电网电压d轴分量和受端站额定电流幅值。
根据式( 1) 可得,LVRT控制中受端站能够输出的最大有功电流计算公式为:
在LVRT控制中,受端站发出的有功功率可能与风电场输入的有功功率不匹配,因此根据风电场输入功率来考虑受端站的有功电流指令比较合理。则对应的有功电流指令为:
式中Pwf代表风电场输出的有功功率。
实际上受端站有功电流的给定值应该取igd_max和igd_wf中的最小值,具体分为两种情况:
1) igd_max> igd_wf: 这种情况下受端站能够发出的有功功率大于风电场输入的有功功率,对应于风电场捕获风能较小的情况,受端站尚有能力控制直流母线电压,此时电网低电压故障对于柔直系统没有任何影响,受端站和送端站的控制策略也可以不发生任何改变;
2) igd_max< igd_wf: 这种情况下受端站能够发出的有功功率小于风电场输入的有功功率,对应于风电场捕获风能较大的情况,表明受端站已经不能控制直流母线电压的稳定,电网低电压故障将严重影响柔直系统的运行,此时需要增加其他额外措施来保证直流母线电压的稳定。
综上所述,可得受端站有功电流指令的计算公式为:
受端站依旧采用电网电压定向控制,但是只有电流内环,受端站优先保证容性无功功率控制以支撑电网电压恢复,有功电流的指令按照公式( 4) 给出,因此可得受端站的电流指令产生框图如图3( b) 所示。
1. 3 送端站控制
送端站的控制目标是维持风电场PCC点电压的稳定,为风电场提供理想的交流电源。此外,在交流电网故障情况下,通过送端站的电压和频率控制迅速降低风电场输出的有功功率。图4所示为送端站控制策略,由于采用直接电流控制,因此该系统具有限流和动态响应速度快等优点。
2 提出的故障穿越协调控制策略
在实际工程应用中,由于风电机组和柔直换流站都具有故障保护系统,一旦发生故障,达到故障保护阈值并持续一定时间,就会触发相应的故障保护动作,导致风电机组停机脱网或柔直换流站停运。因此,降压法和升频法的应用必须配合故障保护系统,降压和升频的范围必须在故障保护系统允许的范围以内。而往往故障保护阈值范围都很小,也就是说,降压或升频的范围很小,这样一来,如果只是采用降压法或升频法,可能无法实现系统的故障穿越。这时,必须考虑采用几种故障穿越控制策略相配合的方法,软件和硬件相结合,从而实现经济、可靠、有效的系统故障穿越控制方案。
基于VSC-HVDC连接的风电场,主要就是通过协调控制换流站和风电场之间的有功功率实现故障穿越,来解决直流电压升高的问题。如果采用通讯来协调控制,需要在风电场侧换流站与每台风电机组之间安装通讯设备,不仅要确保通讯设备的快速和安全可靠,还要考虑到通讯延迟会造成直流电压大幅上升,这些问题都不利于在工程实际中的应用。
鉴于升频法对定速风电机组效果明显而对双馈风电机组效果不明显,而降压法对定速风电机组和双馈风电机组都有明显效果,针对由定速风电机组和双馈风电机组组成的多类型风电场群,本文提出一种基于升频法/降压法和直流卸荷电路相结合的故障穿越协调控制策略,同时受端站按照并网导则对于无功的要求,根据电网电压跌落程度按一定比例向电网发出无功功率,以帮助电网电压快速恢复。
图5 所示为不同故障穿越控制策略下的直流电压示意图。从图中可以看出,当交流电网发生故障时,采取不同的故障穿越控制策略会产生以下几种不同的控制效果。
2. 1 无任何故障穿越策略
曲线A - B - D表示不采取任何故障穿越措施时的柔直系统直流电压响应曲线。故障发生前,柔直系统运行在额定工况下,t0时刻交流电网发生电压跌落故障,由于有功功率的不平衡,导致柔直系统直流侧电压迅速升高,直至大于柔直系统直流过压保护阈值Udc_ov_thr( 本文取1. 1 p. u. ) ,柔直系统因故障保护动作而闭锁停运。图5 中D点对应的时刻为柔直换流站闭锁时刻。
2. 2 升频法/ 降压法
曲线A - C - E表示只采用升频法/降压法时的直流电压响应曲线。当直流电压高于Udcmax1( 本文取1. 05 p. u. ) 时,如果送端站采用升频法/降压法来降低风电场注入到柔直系统中的有功功率,直流电压将按照A - C曲线上升。由于升频/降压的范围非常有限,降低的功率不足以使有功功率达到平衡,直流电压将沿着C - E曲线继续上升,直至超过柔直系统直流过压保护阈值Udc_ov_thr,柔直系统因故障保护动作而停运。图5 中E点对应的时刻为柔直换流站闭锁时刻。
2. 3 直流卸荷电路
曲线A - B - F表示只采用直流卸荷电路时的直流电压响应曲线。当直流电压大于Udcmax2( 本文取1. 08 p. u. ) 时,投入直流卸荷电路,将多余的能量耗散掉,此时直流电压将按照A - B - F曲线变化,直至t1时刻故障清除,柔直系统成功实现故障穿越,t2时刻系统恢复正常运行。
2. 4 升频法/ 降压法和直流卸荷电路相结合
曲线A-C-F表示同时采用升频法/降压法和直流卸荷电路时的直流电压响应曲线。当直流电压高于Udcmax1时,首先升频法/降压法使能,尽量快速降低故障期间风场功率输出,此时直流电压将沿着A-C曲线上升;当直流电压大于Udcmax2时,投入直流卸荷电路,将多余的能量耗散掉,直流电压被限制在Udcmax2以内,直至t1时刻故障清除,柔直系统成功实现故障穿越,t2时刻系统恢复正常运行。
3 仿真结果与分析
为了验证所提出的故障穿越协调控制策略的控制效果,基于MATLAB / Simulink搭建了风电场接入三端柔性直流输电系统模型,系统结构如图2 所示。为提高仿真效率,根据实际风电场情况,将定速风电场等值成四台风机,额定容量为81. 75 MW,将双馈风电场等值成一台风机,额定容量为45. 05 MW。送端站1、送端站2 和受端站的额定容量分别为100 MW、50 MW和200 MW,柔直系统额定直流电压为 ± 160 k V。15 s时刻交流电网发生三相接地故障,接地点如图2 所示,电压跌落到额定电压的20% ,持续时间为625 ms。故障期间,送端站1 同时使能升频法和降压法,而送端站2 仅使能降压法。故障发生前,系统运行在额定条件下,相应的风电机组故障保护阈值如表1 所示。
图6所示为不同FRT控制策略下的柔直系统直流电压仿真波形。从图中可以看出,如果不采取任何故障穿越措施,柔直系统最终将触发直流过压保护动作而闭锁停运。如果只采用升频法/降压法,考虑风电机组故障保护阈值,升频/降压的范围非常有限,降低的功率不足以实现有功功率的平衡,只能使直流电压上升的稍慢一点,但最后也将触发直流过压保护动作而闭锁停运。只有采用直流卸荷电路时,整个系统才能成功实现故障穿越。当交流电网发生电压跌落故障时,需要柔直受端站向电网提供一定的无功功率,以帮助电网故障清除后尽快恢复,但这意味着柔直受端站将切换到无功电流控制优先模式,有功功率输出能力受到限制,将造成更多的能量聚集在直流电容上,这将加大DC chopper的动作次数,如图6所示。
图7 ~ 9 所示为采用本文提出的FRT协调控制策略下的三端柔直系统仿真波形。图7 所示为交流电网发生三相接地故障下的送端站1 的仿真波形,图中从上到下依次为风电场PCC点的交流电压、交流电流、有功和无功功率以及频率波形。从图中可以看出,故障期间,由于送端站1 同时采用降压法和升频法,风电场PCC点电压的幅值被控制到额定电压的85% 左右( 如图7( a) 所示) ,同时交流电压的频率被控制到51 Hz( 如图7( d) 所示) 。需要注意的是,在频率上升过程中,送端站1 所接的风电场输出的有功功率几乎降至零,但是当频率达到限幅后,风电场输出的有功功率又重新恢复到故障前的水平( 如图7( c) 所示) ,这是因为频率稳定后,风电机组又重新进入另一个新的稳态运行。
图8 所示为交流电网发生三相接地故障下的送端站2 的仿真波形,图中从上到下依次为风电场PCC点的交流电压、交流电流、有功和无功功率以及频率波形。从图中可以看出,由于送端站2 只采用降压法,风电场PCC点电压幅值被控制到额定电压的82% 左右( 如图8( a) 所示) ,而交流母线频率基本保持不变(如图8(d)所示)。值得注意的是,风电场PCC点电压降低后,由于双馈风机变流器具有一定的电流裕度,因此风电场输出的电流会相应增加(如图8(b)所示),这样一来,送端站2所接的风电场输出的有功功率降低得非常有限(如图8(c)所示)。
图9所示为交流电网发生三相接地故障下的受端站的仿真波形,图中从上到下依次为交流电网电压、交流电网电流、有功和无功功率以及直流电压波形。故障穿越期间,受端站控制方式由有功电流控制优先切换到无功电流控制优先,根据电网电压跌落深度,按一定比例向电网提供无功功率,如图9(c)所示。此时,受端站的有功输出能力进一步降低,更多的能量积聚在直流电容上,导致直流电压迅速升高,当直流电压超过105%时,送端站的升频法/降压法使能,但是由于升频/降压的范围非常有限,直流电压继续升高到108% ,此刻直流卸荷电路投入运行,直流电压被限制在108% 以内,如图9( d) 所示。当电网故障清除后,系统经过短暂的调节过程又重新恢复到故障前的状态。
4 结束语
经柔性直流输电并网的风电场在电网电压发生跌落时的主要问题是直流网有功功率不平衡引起的直流侧过电压。由于实际风电机组的电压和频率变化范围非常有限,仅采用升频法/降压法远不足以实现有功功率的平衡。考虑到实际风电机组的故障保护阈值,本文提出了将升频法/降压法和直流卸荷电路相结合的故障穿越协调控制策略,同时故障期间受端站控制方式由有功电流控制优先切换到无功电流控制优先,根据电网电压跌落深度,按一定比例向电网提供无功功率,以帮助电网电压故障后迅速恢复。本文提出的故障穿越协调控制策略不仅能够保证系统安全稳定运行,还能满足并网导则对于无功的要求。此外,由于充分利用了基于升频法/降压法的软件故障穿越控制方法,进一步降低了卸荷电阻的选型压力,减小了直流卸荷电路的体积和成本。基于MATLAB/Simulik搭建了风电场经三端柔性直流输电并网系统模型,仿真结果验证了所提出的故障穿越协调控制策略的有效性,为实际工程提供重要参考。
摘要：研究了用于风电场并网的柔性多端直流输电系统(VSC-MTDC)交流故障穿越协调控制策略。考虑到实际风电机组的故障保护阈值,提出将升频法/降压法和直流卸荷电路相结合的故障穿越协调控制策略,同时故障期间受端站控制方式由有功电流控制优先切换到无功电流控制优先,根据电网电压跌落深度,按一定比例向电网提供无功功率,以帮助电网电压故障后迅速恢复。基于MATLAB/Simulink搭建了风电场经三端柔性直流输电并网系统模型,验证了所提控制策略的有效性。