一般来讲,暂态电能质量问题主要指:电压跌落、电压骤升、短时断电等。,电压跌落定义为供电电压有效值快速下降到额定值的90%一10%,持续时间为.05个周波一1分钟。在同样的持续时间下,电压有效值快速上升到额定值的110%一180%,则定义为电压骤升。如果持续时间超过了l分钟,则认为是电压偏低或电压偏高。短时断电定义为完全丧失电力供应,持续时间至少为1.5个周波。电压跌落问题由于发生的频率远远大于短时断电,即使几百公里以外的故障,也有可能引起本地的电压幅值跌落,己经上升为国际上电能质量问题关注的焦点。
简介
目前国内外有关电压跌落本身的研究主要集中在以下几个方面：引起电压跌落的原因分析，电压跌落特征量监测方法的研究，电压跌落控制装置的研究，电压跌落在复杂网络中传播特性的研究，电压跌落预估方法的研究。系统凹陷域分析是计算出系统中发生会引起所关心的公共连接点(point of common coupling， PCC)节点电压幅值跌落至低于设定电压值的故障范围，它将为该节点连接的敏感负荷遭受电压跌落影响的可能性提供分析依据，是电压跌落评估中的一项重要内容。因此，对系统的凹陷域进行分析与研究具有重要意义。
对电压跌落凹陷域进行评估的主要方法有：临界距离法、故障点法、直接法、系统重构法、解析法等。传统的电压跌落评估方法或多或少均存在计算速度慢、精度低以及不适合复杂网络等特点。临界距离法算法简单，评估精度高，但仅适用于放射形网络。故障点法能够计及各种故障类型和故障分布特性，但需要对系统故障进行大量的仿真或短路计算，缺乏故障点位置和数量选取的依据，因此，故障点法不能满足复杂系统的电压跌落评估要求。直接法通过对支路残压方程的二次插值得到电压跌落的凹陷域，但计算过程中往往出现节点导纳矩阵不可逆、系统等值参数无法求解的情况。系统重构法本质上是对直接法的一种拓展，但对于大规模电路，其重构过程过于复杂。解析法通过计算节点故障残压得出评估结果，具有精度高、理论成熟、能够计及对称和不对称故障类型的特点，但该方法只考虑单点故障未考虑系统发生多重故障的情形，且忽略了故障电阻的影响。
电压跌落激起的双馈型风力发电机
随着风力发电装机容量的不断扩大 ,电力部门对风力发电机提出如电网频率控制 、无功功率和电网电压控制、低电压穿越( LVRT)控制以及电能质量控制等要求。对双馈型风力发电机而言 ,双馈电机定子与电网直接相连接的特殊拓扑结构使其转子驱动变流器仅能对双馈电机实施部分控制, 并且双馈电机定子电压方程又具有欠阻尼特性 , 这样在电网发生如电压跌落等运行状态变化时, 必将在双馈电机内部产生电磁过渡过程 ,在电网电压深度跌落时甚至造成双馈电机转子回路过流或过压。过去风力发电在电网中的容量相对较小 ,因此 ,在电网发生扰动时 ,风力发电机所采取的多是脱网自我保护措施。然而, 当风力发电容量与常规电厂容量相比不可忽略时, 如果在电网出现故障的情况下,所有风力发电机都同时脱离电网,而不能像常规能源那样对电网提供频率和电压的支撑, 将会给电力系统的安全运行带来不利的影响。近年来这一问题的严重性已经被认识到: 为了使风力发电能够得到大规模的应用 ,当电网发生的电压跌落故障在一定范围内时, 风力发电机不仅不能脱离电网而且还要像常规电能那样向电网提供有功功率(频率)和无功功率( 电压)支撑。
为了满足电力系统对风力发电机的 LV RT 要求,目前主要采用主动式撬棒( active crow bar) 保护电路实现双馈型风力发电机的 LV RT 运行。这一控制策略尽管可以实现双馈型风力发电机的LVRT 运行, 但也存在其不可避免的不足之处, 如一旦撬棒电路动作, 双馈电机将从电网吸收无功励磁功率 ,不利于电网电压的恢复 ,而且 2 种不同运行状态之间的切换需要精密设计的复杂动作逻辑, 否则可能会引起较大的过渡过程 。鉴于此 , 目前已有文献对多种不同的 LV RT 技术进行了研究, 如基于短暂中断( S TI)技术的 LVRT 控制策略、基于双馈电机 暂态磁 链补偿 技术的 LVRT 控制策略、基 于 能 量 管 理 技 术 的 LVRT 控 制 策略、基于双馈电机定子电压动态补偿控制的LVRT 控制策略、基于提高转子电流环动态控制增益的 LVRT 控制策略] 等。以上报道的控制策略尽管均能够在一定程度上提高风力发电机的 LV RT 能力 ,但并没有对阻碍实现双馈型风力发电机 LVRT 功能的因素 ,即双馈电机的电磁过渡过程进行深入全面的分析。
电压跌落过程中双馈电机的电磁特性
在电网电压发生跌落故障时会造成双馈电机定子磁链的振荡,使得定子磁链中出现较大的直流暂态分量 ,对不对称电网故障还会使其含有负序暂态分量。由于风力发电系统中双馈电机的转速通常较高,较高的转速相对于定子磁链中的直流分量和负序分量而言均形成较大的转差频率 ,这势必导致转子电路中电压、电流的升高,严重时会导致转子侧变流器保护动作甚至使其烧坏。
电网电压跌落所激起的双馈电机电磁过渡过程进行定量分析的基础, 其中不难看出: 双馈电机的电磁过渡过程不仅受定子电压 usd 和 u sq的影响 ,而且还受转子侧所施加电压 u rd 和 u rq的影响 ,而转子侧电压则由转子侧变流器的具体控制策略决定。
双馈电机的运行状态对电磁过渡过程的影响
研究发现 : 电网故障发生时双馈电机的运行状态能够对其电磁过渡过程产生较大的影响 ,为此将分 2 种极端情况对双馈电机的电磁过渡过程受其运行状态影响的特性进行深入研究 。
1 忽略电流环动态响应时
在电网电压跌落时,为了迫使转子侧电流保持为其初始值不变 ,则转子侧必须施加频率为转速频率 ω r 的附加电压, 以抵消该频率反电动势的作用, 从而保持转子电流不变。通过电网电压跌落过程中定子电流表达式( 3) 和转子电压表达式( 2) 的运算不难发现: 为保持转子电流不变,所需对转子施加的端电压的最大值不仅受电网电压跌落程度的影响 , 而且也受双馈电机运行转速的影响,具体影响关系可用加以描述 。故障发生时刻双馈电机定子侧与电网之间交换的有功电流和无功电流的大小也对维持转子电流不变所需施加的转子端电压的最大值具有一定影响。
对于相同的电压跌落度而言, 超同步转速运行状态比次同步转速运行状态更难控制,即需要转子侧变流器输出更高的转子端电压; 但无论是超同步转速运行还是次同步转速运行, 转速越接近同步转速点时, 由于需要控制的转子电压相对较低,因而转子电流的控制相对较为容易; 在相同转速的情况下, 电网电压跌落度越大,对转子电流控制时所需转子端电压也就越大 , 对转子电流的控制也就越困难 。在双馈电机的转速和定子电压跌落度不变的情况下 , 为对双馈电机转子电流进行控制, 所需施加的转子端电压随故障发生时刻的定子有功电流的增大几乎呈线性增加, 而随无功电流的增加几乎呈线性减小。这一现象表明 :在电网电压跌落发生时, 对重载双馈电机的控制比轻载时困难,而对无功功率的情况恰好相反, 即双馈电机从定子进行励磁时比从转子进行励磁时控制更加容易 。
2 转子端电压保持稳态值不变时
在分析双馈电机的运转状态对其过渡过程的影响时 , 还可从另一极端情况即转子端电压保持其稳态值不变时, 考察双馈电机的运行状态对其电磁过渡过程中转子电流峰值的影响。首先在相同运行状态下 ,考察故障发生时双馈电机的运转速度以及电压跌落度对其电磁过渡过程中转子电流峰值的影响。
在相同功率和转子电压保持其稳态值不变的条件下, 在电压跌落所激起的双馈电机电磁过渡过程中, 转子电流的尖峰值随转速的升高略有增加,而随电压跌落度的增大其值有较大幅度的增加 。同样, 可以分析双馈电机定子侧与电网之间交换的有功功率和无功功率对其电磁过渡过程中转子电流峰值的影响。
在相同电压跌落度、相同转速且转子端电压保持其稳态值不变的条件下, 在电压跌落所激起的双馈电机电磁过渡过程中 ,转子电流尖峰值随着定子有功电流的增加而增加 ,而随着定子无功电流的增加而减小 。
双馈电机电磁过渡过程的物理含义
双馈电机在受到电网电压扰动时 ,在定子电路中产生以时间常数 τ s 衰减的直流暂态分量 ,与此同时 ,也在转子电路中产生以同样时间常数衰减且频率为转速频率 ω r 的交流暂态分量; 而转子电路状态的变化将使转子电流中出现以时间常数 τ r衰减的暂态直流分量 , 并且这一直流分量又会在定子电路中感应出频率为转速频率 ω r 且以同样时间常数 τ r 衰减的交流暂态分量 。由于定 、转子电路之间的耦合作用,在定子电路和转子电路中还会出现更高频率的谐波分量, 但因其幅值相对较低,暂不考虑 。
通过对电网电压跌落过程中双馈电机内部的电磁过渡过程的分析 ,深刻剖析了双馈电机内部的电磁过渡过程,揭示了电磁过渡过程的衰减特性和谐波特性。在此基础上分析了双馈电机的运行状态对其电磁过渡过程的影响, 分析表明 ,电网电压跌落所激起的双馈电机的电磁过渡过程不仅受故障发生时定子侧有功功率和无功功率的影响 ,而且受双馈电机运转速度的影响。