簡介
目前國內外有關電壓跌落本身的研究主要集中在以下幾個方面：引起電壓跌落的原因分析，電壓跌落特徵量監測方法的研究，電壓跌落控制裝置的研究，電壓跌落在複雜網路中傳播特性的研究，電壓跌落預估方法的研究。系統凹陷域分析是計算出系統中發生會引起所關心的公共連線點(point of common coupling， PCC)節點電壓幅值跌落至低於設定電壓值的故障範圍，它將為該節點連線的敏感負荷遭受電壓跌落影響的可能性提供分析依據，是電壓跌落評估中的一項重要內容。因此，對系統的凹陷域進行分析與研究具有重要意義 。
對電壓跌落凹陷域進行評估的主要方法有：臨界距離法、故障點法、直接法、系統重構法、解析法等。傳統的電壓跌落評估方法或多或少均存在計算速度慢、精度低以及不適合複雜網路等特點。臨界距離法算法簡單，評估精度高，但僅適用於放射形網路。故障點法能夠計及各種故障類型和故障分布特性，但需要對系統故障進行大量的仿真或短路計算，缺乏故障點位置和數量選取的依據，因此，故障點法不能滿足複雜系統的電壓跌落評估要求。直接法通過對支路殘壓方程的二次插值得到電壓跌落的凹陷域，但計算過程中往往出現節點導納矩陣不可逆、系統等值參數無法求解的情況。系統重構法本質上是對直接法的一種拓展，但對於大規模電路，其重構過程過於複雜。解析法通過計算節點故障殘壓得出評估結果，具有精度高、理論成熟、能夠計及對稱和不對稱故障類型的特點，但該方法只考慮單點故障未考慮系統發生多重故障的情形，且忽略了故障電阻的影響 。
電壓跌落激起的雙饋型風力發電機
隨著風力發電裝機容量的不斷擴大 ,電力部門對風力發電機提出如電網頻率控制 、無功功率和電網電壓控制、低電壓穿越( LVRT)控制以及電能質量控制等要求。對雙饋型風力發電機而言 ,雙饋電機定子與電網直接相連線的特殊拓撲結構使其轉子驅動變流器僅能對雙饋電機實施部分控制, 並且雙饋電機定子電壓方程又具有欠阻尼特性 , 這樣在電網發生如電壓跌落等運行狀態變化時, 必將在雙饋電機內部產生電磁過渡過程 ,在電網電壓深度跌落時甚至造成雙饋電機轉子迴路過流或過壓。過去風力發電在電網中的容量相對較小 ,因此 ,在電網發生擾動時 ,風力發電機所採取的多是脫網自我保護措施。然而, 當風力發電容量與常規電廠容量相比不可忽略時, 如果在電網出現故障的情況下,所有風力發電機都同時脫離電網,而不能像常規能源那樣對電網提供頻率和電壓的支撐, 將會給電力系統的安全運行帶來不利的影響。近年來這一問題的嚴重性已經被認識到: 為了使風力發電能夠得到大規模的套用 ,當電網發生的電壓跌落故障在一定範圍內時, 風力發電機不僅不能脫離電網而且還要像常規電能那樣向電網提供有功功率(頻率)和無功功率( 電壓)支撐 。
為了滿足電力系統對風力發電機的 LV RT 要求,目前主要採用主動式撬棒( active crow bar) 保護電路實現雙饋型風力發電機的 LV RT 運行。這一控制策略儘管可以實現雙饋型風力發電機的LVRT 運行, 但也存在其不可避免的不足之處, 如一旦撬棒電路動作, 雙饋電機將從電網吸收無功勵磁功率 ,不利於電網電壓的恢復 ,而且 2 種不同運行狀態之間的切換需要精密設計的複雜動作邏輯, 否則可能會引起較大的過渡過程 。鑒於此 , 目前已有文獻對多種不同的 LV RT 技術進行了研究, 如基於短暫中斷( S TI)技術的 LVRT 控制策略、基於雙饋電機 暫態磁 鏈補償 技術的 LVRT 控制策略、基 於 能 量 管 理 技 術 的 LVRT 控 制 策略、基於雙饋電機定子電壓動態補償控制的LVRT 控制策略、基於提高轉子電流環動態控制增益的 LVRT 控制策略] 等。以上報導的控制策略儘管均能夠在一定程度上提高風力發電機的 LV RT 能力 ,但並沒有對阻礙實現雙饋型風力發電機 LVRT 功能的因素 ,即雙饋電機的電磁過渡過程進行深入全面的分析 。
電壓跌落過程中雙饋電機的電磁特性
在電網電壓發生跌落故障時會造成雙饋電機定子磁鏈的振盪,使得定子磁鏈中出現較大的直流暫態分量 ,對不對稱電網故障還會使其含有負序暫態分量。由於風力發電系統中雙饋電機的轉速通常較高,較高的轉速相對於定子磁鏈中的直流分量和負序分量而言均形成較大的轉差頻率 ,這勢必導致轉子電路中電壓、電流的升高,嚴重時會導致轉子側變流器保護動作甚至使其燒壞 。
電網電壓跌落所激起的雙饋電機電磁過渡過程進行定量分析的基礎, 其中不難看出: 雙饋電機的電磁過渡過程不僅受定子電壓 usd 和 u sq的影響 ,而且還受轉子側所施加電壓 u rd 和 u rq的影響 ,而轉子側電壓則由轉子側變流器的具體控制策略決定 。
雙饋電機的運行狀態對電磁過渡過程的影響
研究發現 : 電網故障發生時雙饋電機的運行狀態能夠對其電磁過渡過程產生較大的影響 ,為此將分 2 種極端情況對雙饋電機的電磁過渡過程受其運行狀態影響的特性進行深入研究。
1 忽略電流環動態回響時
在電網電壓跌落時,為了迫使轉子側電流保持為其初始值不變 ,則轉子側必須施加頻率為轉速頻率 ω r 的附加電壓, 以抵消該頻率反電動勢的作用, 從而保持轉子電流不變。通過電網電壓跌落過程中定子電流表達式( 3) 和轉子電壓表達式( 2) 的運算不難發現: 為保持轉子電流不變,所需對轉子施加的端電壓的最大值不僅受電網電壓跌落程度的影響 , 而且也受雙饋電機運行轉速的影響,具體影響關係可用加以描述 。故障發生時刻雙饋電機定子側與電網之間交換的有功電流和無功電流的大小也對維持轉子電流不變所需施加的轉子端電壓的最大值具有一定影響 。
對於相同的電壓跌落度而言, 超同步轉速運行狀態比次同步轉速運行狀態更難控制,即需要轉子側變流器輸出更高的轉子端電壓; 但無論是超同步轉速運行還是次同步轉速運行, 轉速越接近同步轉速點時, 由於需要控制的轉子電壓相對較低,因而轉子電流的控制相對較為容易; 在相同轉速的情況下, 電網電壓跌落度越大,對轉子電流控制時所需轉子端電壓也就越大 , 對轉子電流的控制也就越困難 。在雙饋電機的轉速和定子電壓跌落度不變的情況下 , 為對雙饋電機轉子電流進行控制, 所需施加的轉子端電壓隨故障發生時刻的定子有功電流的增大幾乎呈線性增加, 而隨無功電流的增加幾乎呈線性減小。這一現象表明 :在電網電壓跌落髮生時, 對重載雙饋電機的控制比輕載時困難,而對無功功率的情況恰好相反, 即雙饋電機從定子進行勵磁時比從轉子進行勵磁時控制更加容易 。
2 轉子端電壓保持穩態值不變時
在分析雙饋電機的運轉狀態對其過渡過程的影響時 , 還可從另一極端情況即轉子端電壓保持其穩態值不變時, 考察雙饋電機的運行狀態對其電磁過渡過程中轉子電流峰值的影響。首先在相同運行狀態下 ,考察故障發生時雙饋電機的運轉速度以及電壓跌落度對其電磁過渡過程中轉子電流峰值的影響 。
在相同功率和轉子電壓保持其穩態值不變的條件下, 在電壓跌落所激起的雙饋電機電磁過渡過程中, 轉子電流的尖峰值隨轉速的升高略有增加,而隨電壓跌落度的增大其值有較大幅度的增加 。同樣, 可以分析雙饋電機定子側與電網之間交換的有功功率和無功功率對其電磁過渡過程中轉子電流峰值的影響 。
在相同電壓跌落度、相同轉速且轉子端電壓保持其穩態值不變的條件下, 在電壓跌落所激起的雙饋電機電磁過渡過程中 ,轉子電流尖峰值隨著定子有功電流的增加而增加 ,而隨著定子無功電流的增加而減小 。
雙饋電機電磁過渡過程的物理含義
雙饋電機在受到電網電壓擾動時 ,在定子電路中產生以時間常數 τ s 衰減的直流暫態分量 ,與此同時 ,也在轉子電路中產生以同樣時間常數衰減且頻率為轉速頻率 ω r 的交流暫態分量; 而轉子電路狀態的變化將使轉子電流中出現以時間常數 τ r衰減的暫態直流分量 , 並且這一直流分量又會在定子電路中感應出頻率為轉速頻率 ω r 且以同樣時間常數 τ r 衰減的交流暫態分量 。由於定 、轉子電路之間的耦合作用,在定子電路和轉子電路中還會出現更高頻率的諧波分量, 但因其幅值相對較低,暫不考慮。
通過對電網電壓跌落過程中雙饋電機內部的電磁過渡過程的分析 ,深刻剖析了雙饋電機內部的電磁過渡過程,揭示了電磁過渡過程的衰減特性和諧波特性。在此基礎上分析了雙饋電機的運行狀態對其電磁過渡過程的影響, 分析表明 ,電網電壓跌落所激起的雙饋電機的電磁過渡過程不僅受故障發生時定子側有功功率和無功功率的影響 ,而且受雙饋電機運轉速度的影響。
