桥式限流器提高定速风力发电机组故障穿越的研究

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报3（2016）119采用桥式限流器提高定速风力发电机组故障穿越穆斯塔法岛Hamdy S.K. Marei兰达·图希希Ain Shams大学工程学院电力和机械系，开罗11517，埃及接收日期：2015年7月9日;接收日期：2015年10月25日;接受日期：2016年1月3日2016年3月17日在线发布摘要风能涡轮机和电网之间的相互作用导致两个主要问题，增加短路水平和降低故障期间的故障穿越（FRT）能力。本文的目的是解决这些问题，为定速风力发电系统（WECS），利用桥式故障限流器（FCL）与放电电阻（）。提出了一种简单的串级控制系统，用于FCL调节发电机端电压和限制电流。在PSCAD/EMTDC软件上对该系统进行了仿真，以评估FCL补偿的WECS的动态性能仿真结果表明，FCL作为一种简单而有效的方法解决WECS的并网问题的潜力。© 2016电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：故障限流器;故障穿越;电压调节;风能转换系统1. 介绍年复一年，世界化石燃料储备减少，清洁的可再生能源资源正在世界各地大量安装风能是这些资源之一，由于其可靠性和成本效益，在世界范围内广泛安装风电场与电网的互连可能会导致稳定性问题。此外，降低短路电流和提高风电场的FRT能力是最重要的问题。文献中研究了几种解决方案技术（Firouzi和Ghapetian，2013）。传统上，WECS被分为两种主要类型，即固定速度和可变速度。最近，变速风力涡轮机由于其效率、改善的电能质量以及有功功率和无功功率的独立控制而被广泛使用（Ali，2012）。然而，在过去的几年里，世界范围内大量安装了定速WECS，代表了很大的装机容量。由于直接连接鼠笼式感应发电机，与固定*通讯作者。联系电话：+2 0100 6957052。电子邮件地址：mostafa ibrahim@eng.asu.edu.eg（M.I. Marei）。电子研究所（ERI）负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2016.01.0022314-7172/© 2016电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。120M.I. Marei等人/电气系统与信息技术学报3（2016）119高速风力涡轮机的使用寿命超过二十年，因此研究和改善其性能至关重要（Ali和Wu，2010年）。为了提高风电场的FRT，提出了许多技术，如变桨控制、并联和串联补偿。基于并联补偿的技术包括STATic同步补偿器（STATCOM）（Awad等人，2014; Molinas等人， 2008）、静止无功补偿器（SVC）（Molinas等人， 2008）和晶闸管开关电容器（TSC）（Ren等人， 2012年）。 基于串联补偿的技术包括动态电压恢复器（DVR）（Ramirez等人，2011; Leon等人， 2011）、串联动态制动电阻器（SDBR）（Causebrook等人， 2007）、磁能恢复开关（MERS）（Wiik等人， 2009年，FCL。 虽然变桨控制提供了改善LVRT的最低成本解决方案，但其动态响应较低（Rashid和Ali，2014）。STATCOM和SVC有能力通过控制故障发生后的无功功率来提高暂态稳定裕度，然而，机械应力增加（Ramirez等人，2011年）。TSC不产生谐波，但无功功率不能连续变化（Tayyebifar等人， 2014年）。 DVR是一个很好的解决方案，以提高电能质量和隔离电网故障的WECS的大规模和复杂的控制（侯赛因和阿里，2014年）。SDBR具有高可靠性，增强了暂态稳定性，并且需要低维护。SDBR的主要缺点是它允许故障电流瞬间突然上升（Rashid和Ali，2014年; Causebrook等人， 2007年）。为了减少开关损耗，提出了具有紧凑尺寸的MERS，然而，其注入谐波（Wiik等人，2009年b）。FCL提供了一种有效且简单的解决方案来增强WECS的FRT。此外，FCL尺寸紧凑，限制了故障电流的瞬时上升（Rashid和Ali，2014年; Chen等人， 2013年）。本文提出了一种简单的桥式限流器的控制系统与放电电阻，以提高FRT的定速风力发电系统的2. 故障限流器FCL有多种类型，可总结如下：1. 超导FCL依赖于利用超导元件，该超导元件在正常操作期间具有低阻抗，并且在电流突然上升时具有高阻抗需要冷却设备来控制超导元件的温度以进行适当的操作，这增加了这种类型的FCL的成本（Sheng等人，2012;deSousa等人， 2012年）。2. 固态故障限流器是基于半导体器件的控制注入一定的阻抗串联馈线限制故障电流。虽然这种类型的FCL易于控制，但它经历了许多技术挑战（Abramovitz和Smedley，2012;Corzine和Ashton，2012）。3. 饱和铁芯FCL，在正常运行期间，直流电流使铁芯饱和，隔离二次侧阻抗在故障期间，高交流电流驱动铁芯脱离饱和，将次级侧阻抗插入电力线。 由于需要许多铁芯，该技术需要庞大的装置（Chen等人，2013;Cvoric等人，2009;Abbott等人， 2006年）。3. 桥式故障限流器已经提出了非超导桥式FCL，因为与其他类型相比，其控制简单且成本降低（Hagh和Abapour，2009;Min等人， 2008年）。 它由二极管电桥和直流电抗器L d组成，如图1所示（Ise等人，2001年）。此外，与半导体开关并联的电阻器与直流电抗器串联连接，以通过控制直流电抗器电流来控制故障电流的水平。FCL通过插入式Transformer的开路次级绕组连接在WECS和电网之间在正常操作期间，半导体开关接通以旁路放电电阻器。因此，从Transformer的开路绕组侧看到的阻抗是最小的，并且由Transformer的等效阻抗决定因此，直流电抗器电流id与WECS产生的电流成比例，并在正常值范围内。在电网故障期间，直流电流值突然上升到其极限值以上。一旦检测到故障，控制电路关断半导体开关以将放电电阻器插入到WECS与电网之间的馈线中 通过控制半导体开关的开关时间，风力发电机的电流水平被控制在极限值内（Firouzi和Ghappetian，2013年）。M.I. Marei等人/电气系统与信息技术学报3（2016）119121i*限制器D+−我HCC−Pi戴维南阻抗电网Transformer高压电抗FCL单个单元IG可编程故障LDRFig. 1.带放电电阻的桥式故障限流器。图二.带FCL的定速风力涡轮机系统。图图2示出了连接到电网的固定速度WECS。电网由其戴维南等效电压和阻抗表示风力涡轮机配备有鼠笼式感应发电机、功率因数校正电容器组、升压Transformer和连接电缆。 FCL连接在风力涡轮机和高压Transformer低压侧之间的公共耦合点（PCC）处，以限制电网故障期间WECS的份额（Marei和El-Goharey，2013年）。4. FCL的拟议控制系统当故障发生时，线路电流超过额定电流，并通过插入式Transformer的匝数比转移到FCL的二次回路控制电路测量直流电抗器电流，并将其用于所提出的控制系统。当该电流超过预定值时，检测到故障状况，并且通过半导体的切换来激活在电路中引入放电电阻器以限制电流并吸收存储在直流电抗器中的能量因此，通过控制半导体开关的导通和关断持续时间来控制直流电抗器电流水平（Firouzi和Ghapetian，2013）。 图图3给出了将WECS与电网故障隔离的FCL拟议控制系统的框图。它是基于两个级联的循环。外环控制发电机的端电压，而内环调节电流。终端将发电机电压Vg与参考值Vg进行比较，并将误差馈送到简单的比例积分（PI）control r. 该控制回路的作用是直流电抗器电流id的参考信号。限制器用于防止连接WECS和PCC的线路过载内环利用磁滞电流控制器（HCC），通过控制半导体门极信号，将电抗器电流id调节到其参考信号G.*G + 的Vgd切换信号G图三.建议的FCL控制系统框图。TaTBIDTCVD不V122M.I. Marei等人/电气系统与信息技术学报3（2016）119表1系统参数。感应发电机额定值600 kW，50 Hz，4极升压Transformer1.05 MVA，690 V/22kV连接电缆6 mH和0.8▲22 kV电网戴维南等值0.2465 mH和0.00968▲高压Transformer5.83 mH直流电抗器（Ld）10 mH放电电阻器（右侧）20▲1.10.22 461.20.80.402 466（一）（b）第（1）款8 10 128 10 120−62 4610（c）810 12−42 46（d）时间8 10 12见图4。无补偿故障下的动态性能：（a）PCC均方根电压，（b）发电机均方根电压，（c）三相发电机电流，以及（d）发电机端子处的无功功率。1.510.50246（a）810 121146076403820024 6（b）8 10 122702402101801502 46(c)时间（秒）8 10 12图五. 在没有补偿的故障下的动态性能：（a）涡轮机和发电机功率，（b）涡轮机和发电机扭矩，以及(c)发电机的速度。5. 仿真结果PmPeTmTeVg（pu）扭矩（Nm）VPCC（pu）Ig（KAQ（KVAR速度（rad/s）有功功率（KW）M.I. Marei等人/电气系统与信息技术学报3（2016）119123图2所示的系统在PSCAD/EMTDC软件包上表示。系统参数见表1。 假设风速恒定在13 m/s。因此，风力涡轮机几乎在额定功率下运行，以检查所提出的FCL在这种极端条件下的能力两个案例研究是124M.I. Marei等人/电气系统与信息技术学报3（2016）1191.11（一）0.21.11.081.0410.9622 4 6 8 10 12（b）第（1）款2 4 6 8 10 120（c）−243001500−150−30041.510.5（d）其他事项（五）0114602 4 6 8 10 1276403820（f）第（1）款01681581482 4 6 8 1012（g）2 4 6 8 1012时间（秒）见图6。采用所建议的FCL时故障下的动态性能：（a）PCC均方根电压，（b）发电机均方根电压，（c）三相发电机电流，（d）发电机终端的无功功率，（e）涡轮机和发电机功率，（f）涡轮机和发电机扭矩，以及(g)发电机的速度。执行，其中具有不同持续时间的不同故障被编程。第一种情况说明了WECS在没有补偿的情况下，当经受三个具有不同持续时间的电压骤降时的性能第二个测试案例是专门检查系统性能时，建议的FCL是在第一种情况下相同的故障条件下应用5.1. 无FCL的图4示出了固定速度风力涡轮机系统在经受如图1所示的连续三个PCC电压骤降至0.25 pu时的动态性能。第4（a）段。第一个故障在t= 2.5 s时启动，持续时间为0.5 s，第二个故障在t= 4 s时启动，持续时间为0.75s，第三个故障在t= 8 s时启动，持续时间为0.8 s。当第一个故障启动时，发电机电压Vg下降到0.185 pu，如图4（b）所示。在故障清除瞬间，t= 3.5 s，电机产生高浪涌电流Ig，如图4（c）所示。因此，如图所示，消耗了高无功功率Q。 4（d）. 因此，发电机端电压不能恢复到故障前的值，如图所示。 4（b）. 经过约0.6s的恢复期后，系统恢复到故障前状态TeTM扭矩（Nm）Vg（pu）Q（VARVPCC（pu）速度（rad/s）Ig（KA有功功率（KW）26810122681012PePmM.I. Marei等人/电气系统与信息技术学报3（2016）1191255845835826 838203247267421016 82702402101801502 46(c)时间（秒）8 10 12见图7。带和不带建议FCL的涡轮机的机械性能。1.41.210.80.60.40.202 3 4 5 6 7 8时间（秒）见图8。第一次和第二次故障期间FCL直流电流的参考和实际信号。在第二次故障期间揭示了类似的动态性能，除了恢复周期由于故障周期的增加而增加。增加故障周期会导致产生的有功功率P e降低，从而导致电磁转矩T e降低，如图所示。 5（a）和（b）。由于机械转矩Tm变得高于电磁转矩，发电机轴被加速到比第一故障的速度更高的速度，如图5（c）所示。结果，在故障清除的时刻，感应发电机的操作点向其临界稳定极限移动。如果故障持续时间增加，则如果感应发电机的操作点超过稳定性极限，则感应发电机可能无法恢复，其中电磁转矩变得低于故障清除时的涡轮机转矩这种情况在第三个故障中得到证明，其中发电机在故障清除后继续加速，并且电磁转矩减小。如图所示，在恢复期间，风力涡轮机组从电网中抽取4 MVAR。 4（d）. 为了降低该值并改善风力涡轮机系统的动态性能，在下一小节中应用并评估了所提出的桥式FCL。涡轮扭矩（Nm）涡轮功率（KW）idrefid速度直流电抗器电流（KA）不带FCL带FCL2 4（一）10122 4（b）第（1012126M.I. Marei等人/电气系统与信息技术学报3（2016）1191.41.210.80.60.40.208 9 10 11 12时间（秒）见图9。第三次故障期间FCL直流电流的参考和实际信号。5.2. 带FCL的如图2所示，在系统中插入一个带有放电电阻的桥式FCL。同样的故障的情况下，前面的模拟，以评估所提出的控制系统的FCL的性能 图图6示出了具有FCL的系统的动态性能。 很明显，所提出的FCL成功地将发电机电压调节在1 pu，即使在故障发生和清除期间，如图所示。 6（b）过电压小于5%。因此，发电机不馈送故障，并且其电流受到限制，如图6（c）所示。此外，故障清除期间从电网提取大量无功功率的问题得到解决，如图所示。 6（d）. 所产生的有功功率、电磁转矩和发电机速度分别在图6（e）、（f）和（g）中示出。很明显，与未补偿的情况相比，发电机功率、转矩和速度的波动减小。此外，建议FCL稳定WECS在第三故障。由于限制了发电机电流，该动作是预期的，限制了转矩波动，并且因此改善了稳定裕度以及FRT能力。图7评估了所提出的FCL对风力涡轮机动态性能的影响。在相同的风况下，机械功率保持不变，如图7（a）所示。在未补偿的情况下，速度加速导致转矩波动，这也是感应发电机的复杂动态的函数，特别是所提出的FCL成功地抑制了汽轮机在电网故障期间的机械振动，从而延长了其使用寿命。最后，控制FCL直流电流的第二个级联环路在图1和图2中进行了评估。第8和第9条。第一次和第二次故障期间电抗器电流的参考和实际信号如图所示。8.第八条。 图 9示出了第三故障期间的电抗器电流。电抗器的实际电流在故障和正常条件期间跟踪其参考信号。FCL的直流电流限值设定为1.3 kA。在电网电压突然恢复的故障恢复期间，FCL的直流电流接近其极限值，其相位角不同于感应发电机的相位角。然而，所提出的控制成功地限制在故障清除期间的限制值的反应器电流。这些结果表明，建议的FCL提高了WECS的动态性能，提高了稳定性极限和FRT能力，并减少了汽轮机的机械振动。6. 结论本文利用带放电电阻的桥式故障限流器对电网故障时的定速风电机组进行保护。所提出的控制系统调节发电机的端电压，并限制其电流，同时。在PSCAD/EMTDC软件包上对所提出的FCL进行了仿真，以评估固定速度WECS涡轮的低电压穿越能力的增强仿真结果表明，所提出idrefid直流电抗器电流（KA）M.I. Marei等人/电气系统与信息技术学报3（2016）119127故障限流器不仅成功地限制了故障时的发电机电流，而且成功地阻尼了电网故障时汽轮机的机械振动，从而延长了汽轮机的寿命。此外，所提出的FCL提高了电网故障条件下的感应发电机的稳定极限。引用Abbott，S.B.，罗宾逊，地方检察官，Perera，S.，Darmann，F.A.，霍利，C.J.，Beales，T.P.，2006. 用于中压配电系统的高温超导可饱和芯型FCL的模拟。IEEETrans. 波瓦德尔21，1013-1018。Abramovitz，A.，Smedley，K.M.，2012年。 固态故障限流器综述。 IEEE Trans. 电力电子27，2770-2782。Ali，M.H.，2012年。 风能系统：电能质量和稳定性的解决方案。 CRC出版社，美国佛罗里达州博卡拉顿。Ali，M.H.，吴，B.，2010. 定速风力发电系统稳定方法之比较。IEEETrans. 波瓦德尔25（1），323-331。Awad，A.S.A.，沙沙特河萨拉马医学硕士EL-Fouly，T.H.M.，2014. 风电场发电机的低电压穿越能力增强：DV R与ST A TCOM。在：IEEEPES大会会议和博览会，7月27日至31日，美国马里兰州国家港。Causebrook，A.，阿特金森，DJ，杰克检察官2007年 采用串联动态制动电阻的大型风电机组故障穿越。 IEEE Trans. 宝威22（3），966-975。陈淑仪，Li，P.，Lehman，B.，鲍尔河，de Palma，J. 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