CN108539788A - 一种基于sfcl和smes提高双馈风机故障穿越能力的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力系统及自动化技术，具体涉及一种基于SFCL和SMES提高双馈风机故障穿越能力的系统及方法，系统包括以经典双馈风机为基础，在双馈风机的定子侧安装电阻型超导故障限流器，在双馈风机的直流链路上经双向DC/DC换流器安装超导磁储能装置；电阻型超导故障限流器用于限制双馈风机定子故障电流，改善双馈风机机端电压暂降，并吸收双馈风机中部分多余有功功率；超导磁储能装置用于平抑不平衡功率和电磁转矩振荡。基于SFCL和SMES的双馈风机故障穿越方法在对称故障及不对称故障下均能限制故障电流，抑制电压变化，平抑不平衡功率和电磁转矩振荡。可使双馈风机在故障穿越期间得到高效的故障穿越支撑，提升双馈风机的暂态性能。
Description
技术领域
本发明属于电力系统及自动化技术领域，尤其涉及一种基于SFCL和SMES提高双馈风机故障穿越能力的系统及方法。
背景技术
随着电力需求的大幅增加，风力发电由于其较低的成本、易于维护、环境友好等优点得到了广泛的重视，在全球可再生能源发电装机容量中占据了绝大部分份额。
按发电机运行方式分类，风力发电系统可分为恒速恒频和变速恒频风力发电系统。与恒速恒频发电系统相比，基于双馈感应发电机的风力发电机组(Doubly FedInduction Generator Based Wind Turbine，DFIG-WT，以下简称双馈风机)作为一种变速恒频风力发电系统，具有以下4个优点：1)能有效捕获最大功率；2)可运行于较宽的转速范围内；3)能减小的涡轮机械应力；4)可降低声学噪音。
双馈风机对电网扰动，特别是电网故障具有很高的敏感性。当电网发生故障时，双馈风机定子电流增加，机端电压骤降。此外，由于定子和转子之间的磁耦合，转子将流过过大的电流，导致转子侧换流器(Rotor Side Converter，RSC)故障。因此，转子侧换流器将被闭锁，风力发电机组将跳闸。随着风能作为可再生能源的日益普及，这个问题会变得更加严重，并且会对系统的整体稳定性造成负面影响。因此，有必要提高双馈风机在故障期间保持连接到电网的能力，即故障穿越(Fault Ride-Though，FRT)能力。
故障限流器(Fault Current Limiter，FCL)常用于限制电力系统电路容量，减轻高压电气设备的动、热负担，提高其使用寿命和动作可靠性。目前故障限流器类型不一而足，如电力电子故障限流器、固态故障限流器、超导故障限流器(Superconducting FaultLimiter，SFCL)等。其中，超导故障限流器凭借其反应迅速、可自动复位、自动触发、限流效果突出、多次动作等优点得到广泛关注。可利用超导故障限流器的优点，将其应用于双馈风机故障穿越中。目前电力存储技术主要包括蓄电池储能、超导磁储能、飞轮储能、超级电容器储能、蓄水储能、压缩空气储能等。考虑到应用于双馈风机的储能装置在故障穿越期间应能够快速进行大功率充放电的需求，而超导磁储能装置(Superconducting MagneticEnergy Storage，SMES)正好具有快速充放电、循环寿命长等特点，因此超导磁储能装置在双馈风机的故障穿越中具有很大的应用价值。但超导磁储能装置仅对于平抑不平衡功率具有显著作用，对于限制故障电流和抑制电磁转矩振荡的效果有限。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种针对典型的双馈风机，在对称故障及不对称故障下均能限制故障电流，抑制电压变化，平抑不平衡功率和电磁转矩振荡的系统。
本发明的目的之二是提供一种基于超导故障限流器-超导磁储能装置的双馈风机故障穿越方法。
为实现上述第一个目的，本发明采用的技术方案是：一种基于SFCL和SMES提高双馈风机故障穿越能力的系统，以经典双馈风机为基础，在双馈风机的定子侧安装电阻型超导故障限流器，在双馈风机的直流链路上经双向DC/DC换流器安装超导磁储能装置；电阻型超导故障限流器用于限制双馈风机定子故障电流，改善双馈风机机端电压暂降，并吸收双馈风机中部分多余有功功率；超导磁储能装置用于平抑不平衡功率和电磁转矩振荡。
为实现上述第二个目的，本发明采用的技术方案是：一种基于SFCL和SMES的双馈风机故障穿越方法，包括以下步骤：
步骤1、以经典双馈风机为基础，构建基于SFCL和SMES的双馈风机系统，分析不同时间尺度下电阻型超导故障限流器的暂态特性；
步骤2、通过调节双向DC/DC换流器开关之间的占空比，控制超导磁储能装置的平均功率；
步骤3、采用PI控制策略实现对双向DC/DC换流器的控制。
在上述的基于SFCL和SMES的双馈风机故障穿越方法中，所述步骤1中不同时间尺度下电阻型超导故障限流器的暂态特性分析如下，
电阻型超导故障限流器的变化规律表示为：
其中τ为时间常数；RSC是正常态下的电阻值；t0、t1、t2分别定义为失超起始时间、首次恢复起始时间和二次恢复起始时间；a1、b1、a2均为相关系数。
在上述的基于SFCL和SMES的双馈风机故障穿越方法中，所述步骤2的具体实现包括：
1)通过调节双向DC/DC换流器的开关S1和S2之间的占空比D，控制超导磁储能装置在一个开关周期中的平均功率；占空比可以通过以下公式计算得到：
PSMES＝VC·(2D-1)·iSMES
其中PSMES是超导磁储能装置的响应功率；Vc是直流链路电压；iSMES是流过超导磁储能装置中超导磁体的电流；
2)根据对双向DC/DC换流器的控制，超导磁储能装置有以下3种基本模式：充电模式、放电模式和稳态模式；
3)当D>0.5时，超导磁储能装置将吸收能量，如果D<0.5，超导磁储能装置将释放能量。
在上述的基于SFCL和SMES的双馈风机故障穿越方法中，所述步骤3中对双向DC/DC换流器的控制包括：
a.确定调节器的比例Kp、积分参数Ki；
b.结合直流链路电压测量值与指令值的偏差量，计算占空比偏差ΔD；
c.经过限幅器后，在ΔD基础上加0.5，以此得到占空比D；
d.最后引入比较器，与三角波比较，产生双向DC/DC换流器的栅极驱动信号。
本发明的有益效果是：在对称故障及不对称故障下均能限制故障电流，抑制电压变化，平抑不平衡功率和电磁转矩振荡。在故障穿越期间，能在故障初期有效地限制双馈风机的定子侧和转子侧的过电流；可有效地抑制双馈风机的机端电压和直流链路电压的波动；可平抑双馈风机的电网侧不平衡功率和电磁转矩振荡。可使双馈风机在故障穿越期间得到高效的故障穿越支撑，提升双馈风机的暂态性能。
附图说明
图1为本发明一个实施例基于SFCL和SMES提高双馈风机故障穿越能力的系统示意图；
图2为本发明一个实施例中电阻型超导故障限流器简化数学模型示意图；
图3为本发明一个实施例中超导磁储能装置经双向DC/DC换流器接入直流链路示意图；
图4为本发明一个实施例中双向DC/DC换流器控制策略示意图；
图5为本发明一个实施例中三相对称故障下装设超导故障限流器和超导磁储能装置对双馈风机定子电流的影响仿真结果；
图6为本发明一个实施例中三相对称故障下装设超导故障限流器和超导磁储能装置对双馈风机转子电流的影响仿真结果；
图7为本发明一个实施例中三相对称故障下装设超导故障限流器和超导磁储能装置对双馈风机机端电压的影响仿真结果；
图8为本发明一个实施例中三相对称故障下装设超导故障限流器和超导磁储能装置对直流链路电压的影响仿真结果；
图9为本发明一个实施例中三相对称故障下装设超导故障限流器和超导磁储能装置对电网侧功率和电磁转矩的影响仿真结果，图9(a)为电网侧功率仿真结果，图9(b)为电磁转矩仿真结果；
图10为本发明一个实施例中两相不对称故障下装设超导故障限流器和超导磁储能装置对双馈风机定子电流的影响仿真结果，图10(a)无辅助装置仿真结果，图10(b)同时装设超导故障限流器和超导磁储能装置仿真结果；
图11为本发明一个实施例中两相不对称故障下装设超导故障限流器和超导磁储能装置对双馈风机直流链路电压的影响仿真结果；
图12为本发明一个实施例中两相不对称故障下装设超导故障限流器和超导磁储能装置对电网侧功率和电磁转矩的影响仿真结果，图12(a)电网侧功率仿真结果，图12(b)电磁转矩仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本实施例通过如下技术方案来实现：
如图1所示，一种基于SFCL和SMES提高双馈风机故障穿越能力的系统，在典型双馈风机的基础上，在双馈风机的定子侧安装电阻型超导故障限流器，在双馈风机的直流链路上经双向DC/DC换流器安装超导磁储能装置。图中RSC为转子侧换流器，GSC为电网侧换流器。
一种基于SFCL和SMES的双馈风机故障穿越方法，以期在双馈风机故障穿越期间，在限制定子及转子故障电流、抑制双馈风机机端电压和直流链路电压变化的同时，也在平抑不平衡功率和电磁转矩振荡方面起到积极作用。具体实施方法如下：
本实施例所选故障限流器为电阻型超导故障限流器，采用如图2所示的电阻型超导故障限流器简化数学模型，其变化规律可表示为：
其中τ为时间常数；RSC是正常态下的电阻值；t0、t1、t2分别定义为失超起始时间、首次恢复起始时间和二次恢复起始时间；a1、b1、a2均为相关系数。从(1′)式看出，引入3个时间节点以及3个系数可描述电阻型超导故障限流器的时域特性。不同于基于幂律方程的精确电阻SFCL模型，这种简化模型有4个运行段，仍能有效地反映不同时间尺度下电阻型超导故障限流器的暂态特性。
图3所示为本实施例超导磁储能装置经双向DC/DC换流器接入直流链路示意图。通过调节开关S1和S2之间的占空比D，可控制超导磁储能装置在一个开关周期中的平均功率。占空比可以通过以下公式计算得到：
PSMES＝VC·(2D-1)·iSMES (2′)
其中PSMES是超导磁储能装置的响应功率；Vc是直流链路电压；iSMES是流过超导磁储能装置中超导磁体的电流。根据对双向DC/DC换流器的控制，超导磁储能装置有以下3种基本模式：充电模式、放电模式和稳态模式。当D>0.5时，超导磁储能装置将吸收能量，如果D<0.5，超导磁储能装置将释放能量。
图4所示为本实施例双向DC/DC换流器采用PI控制策略示意图。Kp，Ki分别为调节器的比例、积分参数，再结合直流链路电压测量值与指令值的偏差量，计算占空比偏差ΔD。在经过限幅器后，在ΔD基础上加0.5，以此得到占空比D。最后引入比较器，与三角波比较，以产生双向DC/DC换流器的栅极驱动信号。
以下首先从理论分析的角度，验证本实施例的一种基于SFCL和SMES的双馈风机故障穿越方法的有效性。
假设t＝t0发生故障，双馈风机机端电压从Vs1下降到Vs2：
其中，ωs是同步旋转角频率。基于磁链守恒定律，故障前后的双馈风机定子磁链可写为：
其中ω,R,L分别是电压、电流、磁通、角频率、电阻和电感；下标r、s、m分别表示定子侧、转子侧和互耦电量。
定子磁通的自然分量可以表示为：
定子电流可由下式获得：
由于引入了电阻型超导故障限流器，故障发生后超导故障限流器因为失超可等效为电阻RSFCL被限制后的双馈风机定子故障电流可表示为：
同时，电阻型超导故障限流器能够通过其感应电压来改善双馈风机机端电压暂降，并吸收双馈风机中部分多余有功功率
在电阻型超导故障限流器起作用后，控制超导磁储能装置投入工作，以减轻直流链路中不平衡功率，同时将直流链路电压维持在可接受的水平内。
鉴于在双馈风机中同时装设超导故障限流器及超导磁储能装置，可得出以下功率平衡方程：
∫PSFCLdt+∫PSMESdt＝∫PDFIGdt-∫PGriddt (8′)
其中，PDFIG是双馈风机输出功率；PGrid是与主电网的交互功率，在故障穿越期间它通常会降到较低的水平。
在某种意义上说，装设超导故障限流器可辅助吸收部分双馈风机多余的电能，降低对超导磁储能装置的容量要求。假设磁体初始电流为ISMES0，则超导磁储能装置中磁体电流可用以下方程描述：
其中LSC是超导磁储能装置中超导磁体的电感。
再结合(2′)式，超导磁储能装置的最大功率计算如下：
为了确保超导磁储能装置的工作效率，必须满足PSMES≤PSMES-max的条件。确定超导磁储能装置的储存能量和功率要求后，可通过计算超导磁体的临界电流ISMES-max来确定超导电感LSC。
综上可知，同时装设电阻型超导故障限流器和超导磁储能装置以改善双馈风机在故障穿越期间的暂态性能，在理论上有效。
为了进一步检验本实施例方法的有效性，通过仿真验证的方式进行检验。
参照图1在MATLAB中建立起详细的仿真模型。其主要仿真参数在表1中列出。
表1仿真模型的主要仿真参数
针对双馈风机的建模，在MATLAB元件库中选取采用标准模型；针对超导故障限流器的建模，考虑到超导材料恢复特性的一些经验数据，将超导故障限流器的投入时间设为1s。所设计的超导磁储能装置模型用于补偿双馈风机80％额定功率，其最大持续时间为0.5s，使保护继电器有充足的时间来处理短路故障。
假设t＝1s时三相对称故障发生在主电网。故障接地电阻和持续时间分别设定为0.2Ω和200ms。图5、图6、图7、图8分别为本实施例中三相对称故障下装设超导故障限流器和超导磁储能装置对双馈风机定子电流、转子电流、机端电压、直流链路电压的影响仿真结果。
表2显示出三相对称故障下，上述4种配置方式性能比较，即将表中4种电量最大波动值列出。由表2可见，超导磁储能装置虽然可有效抑制直流链路电压的过电压，但在限制故障电流和补偿机端电压下陷方面不如超导故障限流器。同时装设超导故障限流器和超导磁储能装置，对于改善故障穿越期间双馈风机的电压-电流特性具有优良的效果。
此外，图9(a)、图9(b)为本实施例三相对称故障下装设超导故障限流器和超导磁储能装置对电网侧功率和电磁转矩的影响仿真结果。由仿真结果可以看出，同时装设超导故障限流器和超导磁储能装置，可减小不平衡功率和平抑电磁转矩振荡，进一步提升双馈风机的暂态性能。
表2三相对称故障下4种配置方式性能比较
假设t＝1s时两相不对称故障(A相和B相)发生在主电网，其中两相均接地。故障接地电阻和持续时间与对称故障相同，分别为0.2Ω和200ms。图10(a)为无辅助装置仿真结果，图10(b)为同时装设超导故障限流器和超导磁储能装置仿真结果；图11为两相不对称故障下装设超导故障限流器和超导磁储能装置对双馈风机直流链路电压的影响仿真结果；图12(a)为两相不对称故障下装设超导故障限流器和超导磁储能装置对电网侧功率影响仿真结果，图12(b)为两相不对称故障下装设超导故障限流器和超导磁储能装置对电磁转矩的影响仿真结果。由图可知，尽管不对称故障所引起的电压和电流波动小于对称故障，但装设超导故障限流器和超导磁储能装置仍然有效。表3显示出两相不对称故障下，上述4种配置方式性能比较，即将表中4种电量最大波动值列出。
表3两相不对称故障下4种配置方式性能比较
由以上仿真结果可见，本实施例的方法，无论是在对称故障还是非对称故障下的故障穿越期间均能得到高效的故障穿越支撑，具备以下预期具体效果：在故障穿越期间，1)能在故障初期有效地限制双馈风机的定子侧和转子侧的过电流；2)可有效地抑制双馈风机的机端电压和直流链路电压的波动；3)可平抑双馈风机的电网侧不平衡功率和电磁转矩振荡。
综上所述，理论分析和仿真分析的角度，均有效检验了本发明所涉及的一种基于SFCL和SMES的双馈风机故障穿越方法的有效性。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (5)
1.一种基于SFCL和SMES提高双馈风机故障穿越能力的系统，其特征是，以经典双馈风机为基础，在双馈风机的定子侧安装电阻型超导故障限流器，在双馈风机的直流链路上经双向DC/DC换流器安装超导磁储能装置；电阻型超导故障限流器用于限制双馈风机定子故障电流，改善双馈风机机端电压暂降，并吸收双馈风机中部分多余有功功率；超导磁储能装置用于平抑不平衡功率和电磁转矩振荡。
2.一种基于SFCL和SMES的双馈风机故障穿越方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1、以经典双馈风机为基础，构建基于SFCL和SMES的双馈风机系统，分析不同时间尺度下电阻型超导故障限流器的暂态特性；
步骤2、通过调节双向DC/DC换流器开关之间的占空比，控制超导磁储能装置的平均功率；
步骤3、采用PI控制策略实现对双向DC/DC换流器的控制。
3.如权利要求2所述的基于SFCL和SMES的双馈风机故障穿越方法，其特征是，所述步骤1中不同时间尺度下电阻型超导故障限流器的暂态特性分析如下，
电阻型超导故障限流器的变化规律表示为：
其中τ为时间常数；RSC是正常态下的电阻值；t0、t1、t2分别定义为失超起始时间、首次恢复起始时间和二次恢复起始时间；a1、b1、a2均为相关系数。
4.如权利要求2所述的基于SFCL和SMES的双馈风机故障穿越方法，其特征是，所述步骤2的具体实现包括：
1)通过调节双向DC/DC换流器的开关S1和S2之间的占空比D，控制超导磁储能装置在一个开关周期中的平均功率；占空比可以通过以下公式计算得到：
PSMES＝VC·(2D-1)·iSMES
其中PSMES是超导磁储能装置的响应功率；Vc是直流链路电压；iSMES是流过超导磁储能装置中超导磁体的电流；
2)根据对双向DC/DC换流器的控制，超导磁储能装置有以下3种基本模式：充电模式、放电模式和稳态模式；
3)当D>0.5时，超导磁储能装置将吸收能量，如果D<0.5，超导磁储能装置将释放能量。
5.如权利要求2所述的基于SFCL和SMES的双馈风机故障穿越方法，其特征是，所述步骤3中对双向DC/DC换流器的控制包括：
a.确定调节器的比例Kp、积分参数Ki；
b.结合直流链路电压测量值与指令值的偏差量，计算占空比偏差ΔD；
c.经过限幅器后，在ΔD基础上加0.5，以此得到占空比D；
d.最后引入比较器，与三角波比较，产生双向DC/DC换流器的栅极驱动信号。
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