李少林,秦世耀,王瑞明,王文卓
(中國電力科學(xué)研究院,北京 100192)
風(fēng)電的快速發(fā)展給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來了一些負(fù)面影響,其中,風(fēng)電的電網(wǎng)適應(yīng)性問題受到了越來越多的關(guān)注[1]。一方面,風(fēng)電機組/風(fēng)電場應(yīng)能耐受國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)的電壓波動、頻率波動、電壓不平衡、電壓閃變與諧波等電網(wǎng)運行的極限工況而不脫網(wǎng);另外一方面,風(fēng)電機組應(yīng)自主實現(xiàn)電網(wǎng)與自身運行狀態(tài)的辨識,具備快速、可靠、準(zhǔn)確的防孤島保護能力。
光伏等分布式發(fā)電的防孤島保護問題一直是研究熱點[2-10]。分布式電源的孤島檢測方法主要分為基于通信的系統(tǒng)級孤島檢測和基于發(fā)電單元的局部孤島檢測。前者主要是利用核心設(shè)備相互通信來檢測孤島效應(yīng),而后者主要是通過監(jiān)控分布式發(fā)電裝置的端電壓及電流信號來檢測孤島效應(yīng)。基于發(fā)電單元的局部孤島檢測可以進一步分為被動式孤島檢測與主動式孤島檢測。與被動式孤島檢測相比,主動式孤島檢測的不可檢測區(qū)域小,在實際孤島檢測中得到了廣泛的應(yīng)用[11-13]。 文獻[11]提出了帶有諧波補償功能的主動式移頻孤島檢測法,在保證孤島檢測功能的情況下,減少了傳統(tǒng)方法對系統(tǒng)造成的諧波污染;文獻[12]通過對分布式發(fā)電系統(tǒng)公共連接點(PCC)處的電壓進行小波變換,提取孤島發(fā)生的特征諧波高頻信號來實現(xiàn)孤島檢測,該方法理論上可徹底消除孤島的不可檢測區(qū),也不會影響系統(tǒng)電能質(zhì)量;文獻[13]提出多分辨率奇異譜熵和支持向量機結(jié)合進行孤島與擾動識別的方法,通過對公共連接點處電壓進行小波變換與分析,將多分辨分析與熵融合表征電網(wǎng)與孤島的不同特征,但其計算復(fù)雜,對具體電力系統(tǒng)參數(shù)依賴性高。
風(fēng)電也同樣存在孤島問題。另外,近年來我國分散式風(fēng)電也快速發(fā)展,分散式風(fēng)電孤島問題更加突出,與集中式、大規(guī)模風(fēng)電相比,分散式風(fēng)電分散安裝于配電網(wǎng)負(fù)載端,通過小規(guī)模分布式開發(fā),就地分布接入低壓配電網(wǎng),在風(fēng)電機組滿發(fā)或限功率運行時,發(fā)生孤島的概率更大,且分散式風(fēng)電更加靠近用戶,發(fā)生孤島所造成的危害也更大。因此,國家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW1866—2012《分散式風(fēng)電接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》對分散式風(fēng)電的防孤島保護做出了明確的要求[14],然而針對風(fēng)電機組防孤島保護的文獻鮮有發(fā)表[15-16]。如前文所述,基于通信的系統(tǒng)級孤島檢測需通信支持,保護算法與配電網(wǎng)拓?fù)鋸娤嚓P(guān),由于風(fēng)電開發(fā)的分散性及配電網(wǎng)的復(fù)雜性,該方法不適合風(fēng)電的防孤島保護?;诎l(fā)電單元的局部孤島檢測方法更加適用于風(fēng)電,然而由于風(fēng)資源的隨機性與湍流特性,風(fēng)電機組并網(wǎng)點電能質(zhì)量復(fù)雜多變,通過監(jiān)測風(fēng)電機組并網(wǎng)點電壓、電流等電能質(zhì)量信號的被動式孤島檢測方法容易失效,而傳統(tǒng)的主動式孤島檢測方法易造成系統(tǒng)電能質(zhì)量下降,風(fēng)電機組孤島檢測需選擇對并網(wǎng)電能質(zhì)量影響小、可靠性高、簡單易操作的方法。
為此,本文通過分析風(fēng)電機組孤島運行狀態(tài),揭示了孤島運行時風(fēng)電機組輸出有功功率和無功功率對孤島運行電壓與頻率的影響規(guī)律及靈敏度;在此基礎(chǔ)上,提出基于綜合功率擾動的風(fēng)電機組孤島運行狀態(tài)檢測方法,并以雙饋風(fēng)電機組為對象,進行了雙饋變流器孤島檢測功率擾動控制環(huán)設(shè)計。該方法無檢測盲區(qū),對并網(wǎng)電能質(zhì)量影響小,且具有檢測速度快、可靠性高、操作性強等特點。最后,通過仿真與現(xiàn)場試驗證明了理論分析的正確性與孤島檢測方法的有效性。
雙饋風(fēng)電機組是分散式風(fēng)電開發(fā)的主流機型之一,雙饋風(fēng)電機組發(fā)電機定子直接與電網(wǎng)相連,發(fā)電機轉(zhuǎn)子通過背靠背變流器與電網(wǎng)相連。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器可控制雙饋電機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和并網(wǎng)功率因數(shù),網(wǎng)側(cè)變流器則主要維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定。雙饋風(fēng)電機組孤島運行示意圖如圖1所示。
圖1 雙饋風(fēng)電機組孤島運行示意圖Fig.1 Schematic diagram of islanded DFIG operation
如圖1所示,當(dāng)開關(guān)閉合時,風(fēng)電機組并網(wǎng)運行,風(fēng)電機組與負(fù)荷公共連接點的電壓和頻率由電網(wǎng)決定,風(fēng)電機組通過檢測并網(wǎng)點電壓控制并網(wǎng)電流的幅值、相位與頻率;而當(dāng)開關(guān)斷開時,若風(fēng)電機組提供的功率與負(fù)載需求匹配,此時風(fēng)電機組并網(wǎng)點電壓、頻率不會發(fā)生明顯變化,風(fēng)電機組與負(fù)荷之間形成了一個獨立的供電系統(tǒng),即風(fēng)電機組處于孤島運行狀態(tài),孤島系統(tǒng)形成后,風(fēng)電機組與負(fù)荷公共連接點的電壓幅值和頻率由符合歐姆定律的負(fù)荷響應(yīng)特性決定。
為簡單起見,將孤島運行的風(fēng)電機組等效為受控電流源,負(fù)荷則用對孤島檢測最為不利的RLC并聯(lián)負(fù)載代替[3],此時風(fēng)電機組孤島運行等效電路如圖2所示。圖中,U、I分別為風(fēng)電機組并網(wǎng)點電壓與輸出電流;P、Q分別為風(fēng)電機組輸出的有功、無功功率;PR、QL、QC分別為 RLC并聯(lián)負(fù)載所消耗的有功功率、感性無功功率與容性無功功率。
圖2 風(fēng)電機組孤島運行等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit of islanded DFIG operation
系統(tǒng)發(fā)生孤島時,風(fēng)電機組輸出的有功、無功功率與RLC并聯(lián)負(fù)載消耗的有功、無功功率基本匹配,可得:
LC并聯(lián)電路的阻抗是頻率的函數(shù),即:
LC并聯(lián)電路的阻抗亦是其消耗的有功、無功功率的函數(shù),即:
RLC并聯(lián)電路的品質(zhì)因數(shù)定義為:
由式(2)—(4)可得孤島運行時的頻率解析表達(dá)式為:
系統(tǒng)孤島運行時的電壓解析表達(dá)式為:
由式(5)、(6)可知,風(fēng)電機組孤島運行時其并網(wǎng)點電壓幅值由負(fù)荷消耗的有功功率決定,并網(wǎng)點頻率則由負(fù)荷消耗的有功功率、無功功率與負(fù)荷品質(zhì)因數(shù)共同決定,即風(fēng)電機組孤島運行時并網(wǎng)點電壓幅值與頻率和孤島系統(tǒng)的有功、無功功率匹配度密切相關(guān)。
為進一步研究功率擾動對并網(wǎng)點電壓幅值與頻率影響的靈敏度,針對式(5)和(6)分別對功率求偏導(dǎo)數(shù)和導(dǎo)數(shù)可得:
其中由負(fù)荷的阻容部分決定。
考慮風(fēng)電機組能量輸出的單向性(P>0),由式(7)可知:并網(wǎng)點電壓角頻率與無功功率成正比例函數(shù)關(guān)系,即無功功率變化越大對并網(wǎng)點頻率的影響越大;而無功變化對頻率影響的靈敏度與風(fēng)電機組的有功功率成反比例函數(shù)關(guān)系,即風(fēng)電機組輸出有功功率越大,無功功率變化對并網(wǎng)點頻率的影響越小,并網(wǎng)點頻率f與無功功率(標(biāo)幺值)的關(guān)系曲線如圖 3(a)所示。
由式(8)可知:并網(wǎng)點電壓角頻率與有功功率的單調(diào)性與無功功率的正負(fù)有關(guān),當(dāng)無功功率為正時,并網(wǎng)點頻率與有功功率成反比例函數(shù)關(guān)系;當(dāng)無功功率為負(fù)時,并網(wǎng)點頻率與有功功率變化成正比例函數(shù)關(guān)系。另外,負(fù)荷的品質(zhì)因數(shù)越小,功率擾動對頻率影響的靈敏度越大,并網(wǎng)點頻率與有功功率(標(biāo)幺值)的關(guān)系曲線如圖3(b)所示,值得注意的是,當(dāng)負(fù)荷無功功率為0時,有功功率的擾動不會引起并網(wǎng)點頻率的變化。
由式(9)可以看出,并網(wǎng)點電壓幅度與有功功率成正比例函數(shù)關(guān)系。圖3(c)為不同負(fù)荷品質(zhì)因數(shù)下無功功率與系統(tǒng)頻率的關(guān)系曲線,可以看出,負(fù)荷品質(zhì)因數(shù)越大,無功功率不匹配度對系統(tǒng)頻率的影響越小,從諧振角度考慮,品質(zhì)因數(shù)越大,負(fù)載的諧振能力越強,諧振平衡狀態(tài)越不易被打破。而實際電網(wǎng)中負(fù)載的品質(zhì)因數(shù)一般不可能大于2.5,因此,實際研究中通??紤]負(fù)載的品質(zhì)因數(shù)在0.5~2.5之間。
圖3 功率不匹配與品質(zhì)因數(shù)對系統(tǒng)頻率的影響Fig.3 Effect of power mismatch and quality factor on system frequency
由式(7)—(9)可得孤島運行時系統(tǒng)有功、無功功率變化對其輸出頻率變化靈敏度的比值和有功變化對并網(wǎng)點頻率及電壓幅值靈敏度的比值分別為:
實際風(fēng)電機組通常運行在單位功率因數(shù)條件下,孤島運行時系統(tǒng)工作在負(fù)荷的諧振點附近,負(fù)荷無功功率近似為零,為對孤島檢測最不利的情況。因此,孤島運行時無功功率擾動對頻率變化的靈敏度遠(yuǎn)大于對電壓變化的靈敏度,而有功擾動對并網(wǎng)點電壓變化的靈敏度遠(yuǎn)大于對頻率變化的靈敏度。
如前文所述,功率擾動可使得孤島運行電壓幅值與頻率偏離諧振平衡點,而有功功率與無功功率對并網(wǎng)點電壓與頻率的影響的靈敏度也不盡相同。功率擾動法是主動式孤島檢測的有效方法之一,在負(fù)荷完全匹配的情況下也不存在不可檢測區(qū),功率擾動法包括有功功率擾動法與無功功率擾動法。傳統(tǒng)功率擾動法的孤島檢測時間受擾動步長的影響較大,而風(fēng)電通常接入電網(wǎng)末端,電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣,擾動步長的選擇與電網(wǎng)強弱強相關(guān)。
為有效解決不同電網(wǎng)環(huán)境下風(fēng)電機組孤島檢測問題,本文基于功率擾動對系統(tǒng)影響靈敏度分析,將無功功率擾動-頻率反饋和有功功率擾動-電壓反饋相結(jié)合,通過無功功率擾動進行孤島狀態(tài)常規(guī)探測,有功功率擾動進行孤島狀態(tài)最終確認(rèn),從而達(dá)到快速檢測風(fēng)電機組孤島運行狀態(tài)的目的。無功與有功功率擾動相結(jié)合的綜合功率擾動孤島檢測法的大體思想是:在風(fēng)電機組正常運行時,為不影響風(fēng)電機組發(fā)電量,并盡可能減小對并網(wǎng)點電能質(zhì)量的影響,無功功率擾動-頻率反饋單元單獨作用,風(fēng)電機組間歇性輸出無功功率擾動,擾動輸出1個周期,擾動間隔1個周期,無功功率擾動量值通常選取為ΔQ=1%Pn(Pn為風(fēng)電機組額定功率)。同時,監(jiān)測風(fēng)電機組并網(wǎng)點頻率,如果此時發(fā)生孤島,即使在負(fù)載完全匹配的情況下,將有一個頻率偏移被檢測出來,為了證實這一頻率變化確實由孤島效應(yīng)造成,隨后每周期等量加大無功擾動的值,并監(jiān)測系統(tǒng)頻率是否進一步偏移,若并網(wǎng)點頻率偏移量超過限值,則有功功率擾動-電壓反饋單元使能,有功功率擾動量值通常選取為ΔP=10%Pn,風(fēng)電機組有功功率快速大幅擾動;同時還需監(jiān)測風(fēng)電機組并網(wǎng)點的電壓幅值,當(dāng)并網(wǎng)點電壓幅值超出一定限值時,直接觸發(fā)風(fēng)電機組過/欠壓保護,達(dá)到風(fēng)電機組防孤島保護的目的。值得注意的是,綜合功率擾動孤島檢測法利用風(fēng)電機組孤島運行特征值進行孤島檢測,不會因風(fēng)電機組低電壓穿越所造成的電壓、電流等電能質(zhì)量的異常而產(chǎn)生誤判,該方法保證了風(fēng)電機組同時具備低電壓穿越功能和快速可靠的防孤島保護功能。綜合功率擾動孤島檢測流程圖如圖4所示。
圖4 綜合功率擾動孤島檢測流程圖Fig.4 Flowchart of composite island detection by power disturbance
本文所述雙饋發(fā)電機采用定子電壓定向矢量控制,雙饋發(fā)電機在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的定轉(zhuǎn)子電壓與磁鏈方程為:
其中,u為電壓,i為電流,ψ 為磁鏈,下標(biāo) sq、sd和rq、rd分別表示對應(yīng)電氣量的定子和轉(zhuǎn)子的q、d軸分量;Rs、Rr分別為雙饋發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子等效電阻;Ls、Lr、Lm分別為雙饋發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子等效電感及互感;ωs為同步旋轉(zhuǎn)角頻率;ωslip為轉(zhuǎn)差角頻率;p表示微分算子。
而對于MW級大容量雙饋風(fēng)電機組,其定子電阻遠(yuǎn)小于定子電感,故忽略定子電阻,由式(12)與(13)可得雙饋電機轉(zhuǎn)子電壓和定子功率方程分別如式(14)、(15)所示。
其中為漏磁系數(shù)。
圖5 雙饋風(fēng)電機組孤島檢測控制原理圖Fig.5 Schematic diagram of island detection and control for DFIG
由式(14)與(15),結(jié)合綜合功率擾動孤島檢測算法,可得定子電壓矢量定向的雙饋發(fā)電機矢量控制綜合功率擾動孤島檢測控制原理圖如圖5所示。圖中,上標(biāo)“*”表示指令值;θr為電機角度;θs為電網(wǎng)角度;θslip為定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差角度;ωr為電機轉(zhuǎn)速;Sa、Sb、Sc為三相開關(guān)信號;Ua、Ub、Uc為電網(wǎng)三相電壓;ira、irb、irc為轉(zhuǎn)子三相電流。
通過檢測雙饋風(fēng)電機組定子三相電壓,經(jīng)過兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系鎖相環(huán)(dq-PLL)提取并網(wǎng)點電壓的角頻率與幅值送入綜合功率擾動單元,無功功率擾動-頻率反饋單元輸出無功擾動值ΔQ,輸出結(jié)果疊加到無功功率給定功率外環(huán),經(jīng)無功電流控制內(nèi)環(huán)驅(qū)動雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器,控制雙饋風(fēng)電機組輸出無功功率,產(chǎn)生無功功率擾動進行孤島狀態(tài)常規(guī)探測,當(dāng)并網(wǎng)點頻率超出一定閾值時,觸發(fā)有功功率擾動-電壓反饋單元。有功功率擾動-電壓反饋單元輸出有功擾動值ΔP,輸出結(jié)果疊加到有功功率給定功率外環(huán),經(jīng)有功電流控制內(nèi)環(huán)驅(qū)動雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器,控制雙饋風(fēng)電機組輸出有功功率,進行孤島狀態(tài)最終確認(rèn)和風(fēng)電機組的快速停機。
為驗證理論分析及孤島檢測算法的正確性、有效性,在MATLAB/Simulink中建立了2.5 MW雙饋風(fēng)電機組孤島電磁暫態(tài)仿真模型,仿真研究風(fēng)電機組孤島運行狀態(tài)及綜合功率擾動孤島檢測法的全過程。仿真模型主要由風(fēng)速模型、風(fēng)力機空氣動力學(xué)模型、傳動鏈模型、發(fā)電機變流器模型、風(fēng)電機組主控系統(tǒng)模型、RLC負(fù)荷模擬模型和電網(wǎng)模型組成,系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。
圖6 雙饋風(fēng)電機組孤島仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structural diagram of islanded DFIG simulation
圖7所示為雙饋風(fēng)電機組防孤島保護的全過程仿真波形圖,波形由上至下分別為風(fēng)電機組并網(wǎng)點三相電壓瞬時值(標(biāo)幺值)、三相電流瞬時值(標(biāo)幺值)、頻率、風(fēng)電機組輸出功率(標(biāo)幺值)、雙饋變流器直流側(cè)電壓仿真波形圖。為突出重點,仿真采用12m/s恒定風(fēng)速,初始狀態(tài)下,開關(guān)1閉合,開關(guān)2斷開,風(fēng)電機組正常并網(wǎng)運行,輸出有功功率約為1.0 p.u.,無功功率約為0,無功功率擾動正常開啟。0.2 s時,開關(guān)1斷開,開關(guān)2閉合,外部電網(wǎng)斷電,此時風(fēng)電機組輸出有功無功功率與RLC負(fù)荷消耗的有功無功功率基本匹配,風(fēng)電機組并網(wǎng)點電壓并未發(fā)生大的變化,不足以觸發(fā)風(fēng)電機組過/欠壓或過/欠頻保護,風(fēng)電機組進入了穩(wěn)定的孤島運行狀態(tài),機組并網(wǎng)點電壓、電流稍有畸變,網(wǎng)側(cè)變流器直流電壓由于開關(guān)切換略有波動,風(fēng)電機組無功擾動常規(guī)孤島探測正常工作。由圖7可以看出:由正常的無功功率擾動造成風(fēng)電機組并網(wǎng)點頻率略有波動,0.22s時頻率約為50.04Hz,0.26s時頻率變化為49.7Hz,經(jīng)無功功率擾動的常規(guī)探測,發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)點頻率隨著無功變化而變化,0.32 s時起風(fēng)電機組進入了無功功率擾動-頻率正反饋的孤島狀態(tài)探測過程,通過監(jiān)測并網(wǎng)點頻率變化情況,無功功率擾動值在得到頻率反饋后周期性等量增加,當(dāng)風(fēng)電機組并網(wǎng)點頻率達(dá)到閾值54Hz時,有功功率擾動-電壓正反饋孤島確認(rèn)單元使能,控制風(fēng)電機組快速降低功率輸出,同時監(jiān)測并網(wǎng)點電壓變化可知,并網(wǎng)點電壓迅速降低,風(fēng)電機組最終確認(rèn)發(fā)生孤島運行,迅速進行防孤島保護停機。
圖7 仿真波形圖Fig.7 Simulative waveforms
風(fēng)電機組孤島試驗原理圖如圖8所示,將RLC可調(diào)負(fù)荷并聯(lián)于風(fēng)電機組升壓變壓器高壓側(cè),模擬風(fēng)電機組孤島運行時的本地負(fù)荷。為方便試驗,開始時暫時屏蔽風(fēng)電機組孤島檢測功能,通過調(diào)節(jié)RLC負(fù)荷所消耗的有功與無功功率,可使得風(fēng)電機組與RLC負(fù)荷之間達(dá)到孤島運行的功率與相角匹配,模擬風(fēng)電機組孤島運行環(huán)境,當(dāng)風(fēng)電機組輸出功率與RLC負(fù)荷功率完全匹配時,斷開斷路器,風(fēng)電機組則進入了穩(wěn)定的孤島運行狀態(tài)。
圖8 現(xiàn)場試驗原理圖Fig.8 Schematic diagram of field test
圖9 試驗波形圖Fig.9 Experimental waveforms
圖9為雙饋風(fēng)電機組防孤島試驗波形圖,波形由上至下分別為風(fēng)電機組并網(wǎng)點三相電壓瞬時值(標(biāo)幺值)、頻率和輸出功率(標(biāo)幺值)試驗波形圖。0.1s時開啟風(fēng)電機組綜合功率擾動防孤島保護功能,發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機組并網(wǎng)點頻率隨無功功率擾動發(fā)生微小變化,0.22s時風(fēng)電機組進入了無功功率擾動-頻率正反饋孤島辨識過程,風(fēng)電機組無功功率擾動量周期性持續(xù)增大,并網(wǎng)點頻率持續(xù)上升,當(dāng)風(fēng)電機組并網(wǎng)點電壓頻率達(dá)到閾值54 Hz時,觸發(fā)風(fēng)電機組有功功率擾動-電壓反饋使能,風(fēng)電機組輸出有功功率迅速降低,同時并網(wǎng)點電壓快速降低,風(fēng)電機組確認(rèn)進入孤島運行狀態(tài),進行保護停機。值得注意的是,出于機組安全考慮且受變槳動作的速度所限,實際試驗風(fēng)電機組有功功率下降與停機過程較為緩慢。試驗結(jié)果表明,綜合功率擾動孤島檢測法可快速、準(zhǔn)確辨識風(fēng)電機組運行狀態(tài),達(dá)到風(fēng)電機組防孤島保護的目的。
a.風(fēng)電機組存在孤島運行問題,風(fēng)電機組應(yīng)具備主動的防孤島保護功能。風(fēng)電機組孤島運行時其系統(tǒng)電壓幅值由負(fù)荷消耗的有功功率決定,系統(tǒng)頻率則由負(fù)荷消耗的有功功率、無功功率、負(fù)荷品質(zhì)因數(shù)共同決定,但孤島運行時無功功率擾動對頻率變化的靈敏度遠(yuǎn)大于對電壓變化的靈敏度,而有功擾動功率對并網(wǎng)點電壓變化的靈敏度遠(yuǎn)大于對頻率變化的靈敏度。
b.綜合考慮經(jīng)濟性與保護功能性因素,基于無功功率擾動-頻率正反饋與有功功率擾動-頻率正反饋相結(jié)合的綜合功率擾動法是實現(xiàn)對孤島運行狀態(tài)辨識的有效方法,該方法無檢測盲區(qū),檢測速度快、抗干擾性強,實現(xiàn)簡單易操作,對風(fēng)電機組防孤島保護算法的開發(fā)與實現(xiàn)具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。
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