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        基于IEC60909標準的風/光互補微電網(wǎng)短路電流水平分析

        2020-06-07 13:36:20句榮濱宋旭日鐘麗波趙曉娜
        東北電力技術 2020年4期
        關鍵詞:發(fā)電機故障模型

        句榮濱,宋旭日,鐘麗波,趙曉娜,鄭 璐

        (1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司,遼寧 沈陽 110006;2.中國電力科學研究院,北京 100192; 3.國網(wǎng)沈陽供電公司,遼寧 沈陽 110003;4.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司技能培訓中心,遼寧 錦州 121003; 5.國網(wǎng)葫蘆島供電公司,遼寧 葫蘆島 125003)

        微電網(wǎng)是具有規(guī)模小、分散式特點的獨立系統(tǒng),利用豐富而先進的現(xiàn)代電力技術,將分布式電源(燃氣輪機、風機、光伏發(fā)電、燃料電池等)儲能及保護系統(tǒng)等裝置整合在一起,直接與用戶側相接。微電網(wǎng)作為我國社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎設施和重要的公用事業(yè),充分發(fā)揮其資源優(yōu)化配置,滿足了電力短缺地區(qū)用戶的特定需求,有效提高了用戶側的電力特性,例如在提高本地供電可靠性的同時降低了饋線損耗;在保持本地電壓穩(wěn)定性和提供不間斷電源的同時提高了余熱能量利用效率等[1-4]。

        目前微電網(wǎng)控制特性、能量管理及控制是微電網(wǎng)集中性研究范疇,而對于微電網(wǎng)動態(tài)運行特性缺少更加專業(yè)且深入地發(fā)掘及研究。文獻[5-6]首先在不同微電源的微電網(wǎng)動態(tài)仿真結果的基礎上,分析研究不同微電源配置方案對微電網(wǎng)運行模式轉換動態(tài)運行特性的影響,但沒有對不同微電源的特性進行對比研究分析;文獻[7]建立了風/光/柴互補的微電網(wǎng),對故障情況下微電網(wǎng)故障恢復能力進行了仿真驗證,但沒有對抑制微電網(wǎng)暫態(tài)特性的措施進行研究;文獻[8]考慮了風/光/燃氣輪機等微電源的動態(tài)特性,對微電網(wǎng)運行模式切換進行了仿真,但忽略了模式切換過程中的暫態(tài)特性;文獻[9-10]闡述了基于IEC60909標準的分布式電源短路計算,用交/直流電壓源代替分布式電源,但忽略了各微電源的外在特性。

        風能和太陽能具有天然互補性,因此風能與太陽能混合微電網(wǎng)可以向用戶提供更加穩(wěn)定的電能,從而提高微電網(wǎng)的供電可靠性。本文在電磁暫態(tài)仿真軟件EMTP/ATP搭建太陽能電池模型、永磁同步風力發(fā)電機模型、負荷模型,并利用軟件自帶的變壓器、線路等一起構成簡單的微電網(wǎng)模型。根據(jù)IEC60909標準對微電網(wǎng)暫態(tài)運行特性(包括三相接地短路、單相接地短路等)進行了仿真研究,結果表明本文建立的微電源及微電網(wǎng)模型能夠很好的模擬實際運行情況,為實際工程計算提供了方法和手段。

        1 IEC60909標準概述

        IEC60909標準是2001年由國際電工委員會IEC(International Electrotechnical Commission)制定的新的關于短路計算的國際標準,標準明確指出三相交流系統(tǒng)短路電流計算使用的元件數(shù)學模型、計算方法、計算假定條件等,可以為暫態(tài)穩(wěn)定計算提供支持。

        IEC60909標準規(guī)定電力系統(tǒng)內(nèi)部某點發(fā)生短路故障時,在該點引入1個虛擬電壓源作為網(wǎng)絡的唯一電壓源。其他電源電勢為零,并用內(nèi)阻抗代替,包括同步發(fā)電機、同步電動機、異步電動機和其他饋電網(wǎng)絡的電勢等。短路電流計算如圖1所示。

        對稱三相短路初始電流計算為

        (1)

        IEC 60909對于各元件通用模型處理方法基本是以元件銘牌參數(shù)作為變量,以相應系數(shù)進行計算修正。通過不同系數(shù)值的變量變換,得出模型系統(tǒng)最大及最小短路電流值。各元件數(shù)學模型主要分析如下。

        a.同步發(fā)電機(適用于永磁同步風力發(fā)電機)

        系統(tǒng)發(fā)生短路時,同步發(fā)電機存在1個暫態(tài)過程,尤其靠近發(fā)電機機端短路瞬間發(fā)電機會產(chǎn)生較大的次暫態(tài)電勢,該暫態(tài)過程不可以忽視。假定短路瞬間E″的縱分量保持不變,如圖2所示,可以算出發(fā)電機短路阻抗修正公式,見式(2)、式(3)。

        (2)

        (3)

        b.異步電動機(適用于太陽能電池)

        IEC60909規(guī)定通過DC/AC并網(wǎng)的微電源,忽略其原動機類型,可將其等效為異步電動機,等效電路為接地阻抗,短路阻抗值為

        (4)

        式中:UrM、IrM和SrM分別為異步電動機的額定電壓、額定電流和額定視在功率;ILR/IrM為異步電動機的堵轉電流與額定電流比值,一般取3。

        c.變壓器

        IEC60909標準規(guī)定變壓器短路阻抗可以根據(jù)式(5)進行修正。

        (5)

        式中:xT為短路電抗,對于三繞組變壓器,把xT改為xAB,xBC,xAC。

        2 微電源模型

        2.1 永磁同步風力發(fā)電機模型

        a.風輪機模型

        風輪機簡化數(shù)學模型為

        (6)

        式中:Pg為風輪機獲得風能的功率,W;ρ為空氣密度(標準狀況為1.29 kg/m3);A為掃風面積,m2;R為風輪機葉片半徑,m;Cp為風能利用系數(shù);Vw為風速,m/s。

        風輪機捕獲風能的大小是由風能利用系數(shù)CP決定,CP是槳距角β和葉尖速比λ的函數(shù),葉尖速比λ計算為

        (7)

        式中:ω為風輪角速度,rad/s;R為風輪半徑,m;Vw為風速,m/s。

        b.永磁同步風力發(fā)電機模型

        永磁同步風力發(fā)電機仿真模型如圖3所示[11]。

        永磁同步風力發(fā)電機在dq同步旋轉坐標系下電壓方程為

        (8)

        式中:id和iq分別為發(fā)電機的d軸和q軸電流;Ld和Lq分別為發(fā)電機的d軸和q軸的電感;Ra為定子電阻;ωe為電角頻率,ωe=npωg;np為發(fā)電機轉子極對數(shù);λ0為永磁鐵磁鏈,λ0=0.175 Wb;ud和uq分別為發(fā)電機出口電壓的d軸和q軸分量。

        永磁同步風力發(fā)電機電磁轉矩為

        Te=1.5np[(Ld-Lq)idiq+iqλ0]

        (9)

        永磁同步風力發(fā)電機傳動模型為

        (10)

        式中:ω為風輪角速度,rad/s;R為風輪半徑,m;Vw為風速,m/s。

        2.2 太陽能發(fā)電單元模型

        2.2.1 太陽能電池數(shù)學模型

        本文采用的太陽能電池數(shù)學模型為工程用模型,模型計算技術參數(shù)為工程技術參數(shù),包括短路電流Isc、開路電壓Uoc、最大功率點電流Im、最大功率點電壓Um、最大功率點功率Pm,從而可以在一定精度的計算模型基礎上,研究分析太陽能電池特性。太陽能電池模型描述如下[12-13]。

        a.參考條件下,輸出電壓為Uo、對應電流為I時,太陽能電池的I-U特性方程為

        (11)

        在最大功率點處,式(11)仍然成立。

        式中:參數(shù)C1、C2分別為

        (12)

        (13)

        式中:Np為光伏電池并聯(lián)數(shù);Ns為光伏電池串聯(lián)數(shù)。

        b.考慮不同光照強度、不同溫度的太陽能電池輸出特性變化

        首先通過已知的參考日照強度和參考電池溫度的Isc、Uoc、Im、Um計算出新的日照強度和電池溫度的I'sc、U'oc、I'm、U'm,然后代入實用表達式得到新的太陽能電池的I-U特性曲線。

        (14)

        式中:Sref為參考太陽能輻射強度(1000 W/m2);Tref為參考電池溫度(25 ℃);ΔT為實際電池溫度與參考電池溫度的差值;ΔS為實際光強與參考光強差值;太陽光強為S和電池溫度為T時,I'sc為太陽能電池短路電流;U'oc為開路電壓;I'm為最大功率點電流;U'm為最大功率點電壓;a、b、c的典型值為a=0.0025/℃、b=0.5/℃、

        c=0.00 288/℃。

        2.2.2 太陽能電池控制策略

        太陽能電池輸出電流為直流,輸出電壓受溫度、光強等因素影響,所以輸出頻率并不穩(wěn)定,因此需要通過整流逆變裝置進行電路調節(jié)后對負載供電,從而提高穩(wěn)定的供電特性。太陽能電池并網(wǎng)控制如圖4所示。

        太陽能電池采用下垂控制,高壓系統(tǒng)的功率因數(shù)受控制頻率影響,因此可以通過改變逆變器輸出電壓頻率控制有功功率的動態(tài)表現(xiàn),同理控制逆變器輸出電壓幅值可以控制其無功功率的流動。

        3 風/光互補微電網(wǎng)電磁暫態(tài)模型

        微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)電壓等級為10 kV;變壓器容量為400 kVA;變比為10 kV/400 V;輸電線路為等值模型,其中Lc=0.264 mH/km,Rc=0.28 Ω/km,為方便計算負荷模型由RL串、并聯(lián)組成;系統(tǒng)功率因數(shù)為0.8。具體參數(shù)如圖5所示,為方便計算,供電線路均采用三相三線制,所有的微電源和負荷為三相電源和負荷,仿真主要設計三相對稱接地短路和單相接地短路,利用電力系統(tǒng)分析軟件EMTP/ATP進行仿真計算。

        4 仿真分析

        當公共耦合母線發(fā)生故障,與其對應的PCC(公共耦合點)并網(wǎng)斷路器檢測到系統(tǒng)電壓降落,并有較大的故障電流持續(xù)從微電網(wǎng)涌入大電網(wǎng),此時斷路器能夠及時動作。微電網(wǎng)內(nèi)部各微電源在合理的控制策略下,維持微電網(wǎng)電壓和頻率穩(wěn)定,保證對微電網(wǎng)內(nèi)部負荷持續(xù)供電。

        4.1 發(fā)生三相接地短路故障

        假設圖5中公共耦合母線t=0.8 s時發(fā)生三相接地短路故障,故障持續(xù)0.4 s,t=1.2 s時故障解除。微電網(wǎng)暫態(tài)特性分析如下。

        微電網(wǎng)各微電源出口端電壓值如圖6所示,0.8 s前,系統(tǒng)正常運行,端電壓為220 V;0.8 s時系統(tǒng)發(fā)生三相接地短路故障,端電壓下降為正常值的20%左右;1.2 s后故障解除,端電壓恢復到短路前正常水平。由于風機、太陽能電池等效短路阻抗不同,同時由于線路阻抗的存在,故障時其端電壓并不相同。

        如圖7所示,0.8 s前系統(tǒng)電流處于正常水平,0.8 s系統(tǒng)發(fā)生三相接地短路故障。短路初期,圖7(a)中太陽能電池出口短路沖擊電流高達68 A,5個周波之后,由于直流分量迅速衰減到零,短路電流穩(wěn)定值為38.3 A左右,為正常值的6~7倍,短路沖擊系數(shù)為1.78;1.2 s后故障切除,系統(tǒng)恢復正常。圖7(b)中風機出口短路沖擊電流高達120 A,3個周波之后,由于直流分量迅速衰減到零,短路電流穩(wěn)定值為67.54 A左右,為正常值的4~5倍,短路沖擊系數(shù)為1.75;1.2 s后故障切除,系統(tǒng)恢復正常。由于風機、太陽能電池內(nèi)阻抗值不同,短路電流直流分量衰減速度存在一定的差距,阻抗L/R比值越低,直流分量衰減越快,短路電流達到暫態(tài)穩(wěn)定的速度也就越快。

        4.2 發(fā)生單相接地短路故障

        假設圖5中公共耦合母線t=0.8 s時發(fā)生A相接地短路故障,系統(tǒng)檢測到故障發(fā)生,斷路器斷開微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間連接,故障持續(xù)0.4 s,t=1.2 s后故障解除,微電網(wǎng)重新并網(wǎng)運行。以風機為例進行系統(tǒng)故障暫態(tài)特性分析。

        如圖8所示,0.8 s之前系統(tǒng)正常運行,風機各相端電壓均為220 V;0.8 s時系統(tǒng)發(fā)生A相接地短路故障,風機A相端電壓下降為正常值的10%左右,而B、C兩相則上升為線電壓;1.2 s之后故障切除,A、B、C各相端電壓恢復到短路前正常水平。

        如圖9所示,0.8 s之前,系統(tǒng)電流處于正常水平;0.8 s系統(tǒng)發(fā)生A相接地短路故障,與B、C相相比,A相短路電流幅值增加較大,為正常值的4倍左右;1.2 s之后系統(tǒng)恢復正常。

        5 算例驗證

        為驗證在EMTP/ATP平臺上搭建的模型及基于IEC60909標準的短路計算有效性,本部分采用手算的方法來驗證,包括相關計算模型參數(shù)和最大化的三相接地短路故障結果,系統(tǒng)接線如圖5所示,建模過程中對系統(tǒng)進行如下處理。

        a.將太陽能發(fā)電單元、風力發(fā)電單元以等值電壓源加內(nèi)阻抗串聯(lián)代替,其他參數(shù)與圖5相同。

        b.忽略線路正序和零序的對地電容,采用等值線路參數(shù)。

        c.負荷采用定負荷模型,以恒定阻抗代替。

        表1 風力發(fā)電單元三相短路計算結果對比

        表2 太陽能發(fā)電單元三相短路計算結果對比

        由于在數(shù)學模型和計算方法上的差異,EMTP/ATP和手算模型的計算結果不完全一致,但差別不大。從表1和表2的計算結果來看,短路電流交流分量初始值誤差較大,為13%左右,沖擊電流誤差值較小,基本可以驗證模型的有效性。

        引起計算結果誤差的原因有以下3個方面。

        a.模型元素自身誤差,例如風力發(fā)電單元、太陽能發(fā)電單元。

        b.應用典型參數(shù)帶來的誤差,例如輸電線路采用的典型參數(shù)與實際參數(shù)有一定偏差。

        c.運行方式選取帶來的誤差,IEC60909的結果實際是對最大短路電流的估算,并沒有提供系統(tǒng)運行方式的詳細數(shù)據(jù)。

        6 結束語

        本文在電磁暫態(tài)仿真軟件EMTP/ATP環(huán)境中搭建風/光互補發(fā)電的微電網(wǎng)模型,并基于IEC60909標準對微電網(wǎng)暫態(tài)短路特性進行仿真,詳細分析了微電網(wǎng)公共耦合母線處三相接地短路和單相接地短路故障。研究表明在故障情況下,微電源出口電壓會降為正常值的20%左右,短路電流水平為正常值的6~10倍;故障解除后微電網(wǎng)能夠快速恢復穩(wěn)定運行,滿足用戶的電能質量要求;最后通過與人工計算的短路電流結果進行對比,結果證明了模型的有效性。

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