新能源发电系统在电压恢复期间的故障穿越分析

2016-06-29 16:45 [新能源论文] 来源于：MPCE 作者：李瑞琪耿华杨耕

导读：具备低电压穿越能力是新能源系统接入电网的基本要求。由于负载切除、无功设备投切延时、线路重合闸等原因，实际新能源系统并网点电压在故障恢复过程中伴随瞬时过电压现象，会对并网电力电子设备造成二次伤害，或导致并网设备切机、影响电力系统稳定性。此外

“具备低电压穿越能力”是新能源系统接入电网的基本要求。由于负载切除、无功设备投切延时、线路重合闸等原因，实际新能源系统并网点电压在故障恢复过程中伴随瞬时过电压现象，会对并网电力电子设备造成二次伤害，或导致并网设备切机、影响电力系统稳定性。此外，并网点电压由于故障恢复中各项操作的非同期性还将出现不平衡分量，不仅会影响直流母线电容的寿命，而且会导致新能源系统输出高次谐波电流从而对电网的电能质量造成危害。目前，由于关于不平衡高电压穿越的并网导则尚未提出，新能源系统在实际故障恢复中的行为缺乏参考。为此，需要分析此时并网点不平衡过电压的特性，讨论新能源系统的不平衡高电压穿越能力，并寻找新能源系统在故障恢复期间的穿越策略。

1、故障恢复期间新能源系统并网点过电压的起因

故障恢复期间引起并网点电压上升的典型操作包括负载的切除，并联电容器组的投切，线路的重合闸以及主变压器的变抽头操作。由于这些操作存在各相动作的非同期性，并网点电压在骤升的同时还将包含有不平衡分量。

1)负载的切除

当负载发生不平衡切除时，电网电压有可能出现不平衡骤升。考虑到负载建模的复杂性，负载切除的影响可以等效为电网电压的突变，而且所引起的极限情况可以参考并网导则对新能源系统长期正常工作电压要求的上限。

2)并联电容器组的投切

并联电容器组是最常用的无功补偿设备，具有投切简单和成本低的优势，但当故障恢复时存在切除延时而且无法连续调节。另外，为了防止切入和切除时受到较大冲击，电容器组还需要采用选相投切策略。

3)线路的重合闸

新能源系统接入电网时主变压器高压侧电压通常在110kV以上，因此当回线出现短路故障时故障线路的切除和断路器的重合闸均为单相操作。

4)主变压器的变抽头

由于主变压器的变抽头动作时间较长，该操作对电压的调节更适用于长时间电网电压较低的情况，对于接地短路等短时故障并不适用。

2、故障恢复期间新能源系统并网点不平衡过电压的极限

当三相短路故障引起并网点电压的大幅跌落时，新能源系统有功出力的骤降将导致电力系统中部分负载被切除，大量的并联电容器组也将切入以支撑电网电压。当故障恢复时，第1节所述的典型操作出现叠加，这将导致并网点处出现持续时间长且不断改变的过电压过程。通过仿真可得，故障恢复期间并网点正、负序电压如图1所示。

(a) 正序

(b)负序

图1 故障恢复期间并网点电压

根据相关技术规定，风电场中并联电容器组的容量一般选取系统容量的25%至50%。考虑并联电容器组的最大补偿容量，本文对新能源系统建模并分析得出：整个故障恢复过程可以划分为暂态阶段和持续阶段。在暂态阶段，并网点处的正、负序电压变化迅速且负序电压幅值较高，并有可能出现单相暂态过电压。在持续阶段，并网点的不平衡过电压相对稳定，而且并网点正、负序电压分别小于1.3与0.07(标幺值)。这也说明了关于高压穿越的并网导则中选取1.3(标幺值)作为新能源系统最大工作电压是合理的。

3、新能源系统的不平衡高电压穿越能力

如果并网点电压骤升过高，新能源系统由于最大输出电压受直流母线电压的严格限制将无法输出所需电压，引起系统失控，并导致能量倒灌以及直流母线电压骤升。当并网点电压不平衡时，直流母线电压上还将存在二倍频波动。该波动不仅对电容反复进行充放电进而导致母线电容寿命缩短，而且由于正序输出有功电流受直流母线电压控制还将导致系统输出高次谐波电流从而对电网的电能质量造成危害。

根据第2节分析可知，并网点电压在持续阶段时所包含不平衡分量较小同时直流母线电压波动对新能源系统性能影响较大，因此选择消除直流母线电压波动作为故障恢复期间新能源系统的控制目标。基于系统输出容量以及直流母线电压约束，同时考虑消除直流母线电压波动的控制目标，建立相应的数学模型，可以得出该数学模型为带有不等式约束条件的非线性规划问题。通过对数学模型求解，可以得出不同并网点正、负序电压下新能源系统的高电压穿越能力。

4、新能源系统的不平衡高电压穿越策略

根据第2节所述，由于故障恢复期间两阶段并网点电压的特点不同，新能源系统需要采用不同的高电压穿越策略。在暂态阶段，受锁相环检测速度以及暂态过电压的影响，直流母线有可能出现过电压。为此，采用直流撬棒以防止新能源系统的切机。在持续阶段，调节正序无功输出电流以及直流母线电压提高新能源系统的不平衡高电压穿越能力，并消除直流母线电压的波动以提高新能源系统的可靠性。关于不平衡高电压穿越策略的仿真验证结果如图2所示。从图中可以看出，新能源系统基于所提出的穿越策略在故障恢复期间并网点电压不平衡骤升的情况下不仅保持了直流母线电压的稳定，而且大幅减少了直流撬棒投切的频率。

(a) 基于正常控制策略

(b) 基于所提控制策略

图2 新能源系统的控制效果

5、结语

与传统发电系统不同，新能源发电系统由于受功率器件的约束过载能力有限。本文针对故障恢复期间新能源系统的不平衡高压穿越能力问题，研究了该阶段并网点过电压的特性，讨论了新能源系统的不平衡高电压穿越能力，进而提出了一种不平衡高电压穿越控制策略。仿真结果表明所提出的控制策略可以有效地保证新能源系统穿越整个故障恢复阶段。

（编辑：东北亚）

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