高溫超導(dǎo)限流器對風電場故障穿越能力的影響研究

梁亞波,栗磊,楊雅蘭,牛建,赫嘉楠

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院,寧夏 銀川 750011;2.中國石油天然氣股份有限公司寧夏石化分公司,寧夏 銀川 750026)

0 引 言

風能作為可再生能源,具有分布廣、無污染、蘊藏量大等優(yōu)點,高效利用以風能為代表的可再生能源是實現(xiàn)雙碳目標的重要保證[1-3]。如今電力系統(tǒng)的風電比例日益增大,使得風電對電力的影響不容忽視,當電網(wǎng)發(fā)生故障時直接將風電機組切除可能引發(fā)系統(tǒng)穩(wěn)定性問題,因此,尋求更好的故障穿越方法對于風力發(fā)電具有重要意義。雙饋風力發(fā)電機由于具有電能雙向流動、調(diào)節(jié)特性較好、變流器成本相對較低等特點而成為最廣泛使用的風力發(fā)電機組。目前雙饋風電機組實現(xiàn)低電壓故障穿越的方式有兩種:一種是改進控制策略;另一種是增加硬件電路,即撬棒電路[4]。由于目前低壓故障穿越方法均存在不足,且隨著第二代高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展[5],高溫超導(dǎo)限流器應(yīng)運而生。因此,本文通過選擇合適的高溫超導(dǎo)限流器種類并根據(jù)其工作原理建立等效模型,在確定高溫超導(dǎo)限流器安裝點后建立含高溫超導(dǎo)限流器的風電場并網(wǎng)模型,通過對比有無高溫超導(dǎo)限流器在不同故障類型、不同拓撲結(jié)構(gòu)風電場并網(wǎng)模型中故障后電流電壓,分析高溫超導(dǎo)限流器在風電場故障穿越能力是否滿足低電壓穿越要求。

1 高溫超導(dǎo)限流器工作原理及模型建立

1.1 高溫超導(dǎo)限流器的類型

高溫超導(dǎo)限流器基于第二代高溫超導(dǎo)材料制成,串聯(lián)接入電網(wǎng)中,不依靠其他機械裝置,僅通過自身的限流能力限制短路故障電流,更利于斷路器開斷,是一種新型的有效解決電網(wǎng)目前遮斷容量過大的途徑之一[6]。主要有以下兩種:一種是失超型超導(dǎo)限流器,比如電阻型、磁屏蔽型、混合型等,這種超導(dǎo)限流器一般都串聯(lián)在電路中,通過隨電流變化的電阻來限制故障電流;另外一種為不失超型超導(dǎo)限流器,比如飽和鐵心型、橋路型、三相電抗器型等,這類超導(dǎo)限流器是利用超導(dǎo)材料能夠承受很大的電流產(chǎn)生很強的磁場,又不會受到磁場影響的特點工作[7]。普通采用電阻型和飽和鐵心型這兩種超導(dǎo)限流器在實際掛網(wǎng)運行中,本文將選擇這兩種超導(dǎo)限流器進行研究。

1.2 電阻型高溫超導(dǎo)限流器的工作原理及模型建立

在無故障發(fā)生時,由于正常電流低于超導(dǎo)材料的臨界電流,限流器此時幾乎無電阻,因此絕大部分電流都從超導(dǎo)限流器通過。當故障時出現(xiàn)短路電流,超導(dǎo)限流器退出超導(dǎo)狀態(tài),電阻增大,若此時沒有分流電阻,雖然電流會被限制,但是電壓降會非常大,因此需要一個分流電阻來進行分流,使電壓降降低,同時又能限制故障電流。當限流器電阻在失超過程中超過分流電阻時,部分電流會流過分流電阻。

由于在限流過程中失超電阻與短路電流的變化以及超導(dǎo)帶材的溫度密切相關(guān),難以確定真實的電阻值,因此模型建立分為電阻率模型和溫度場模型兩個部分[8]。在故障電流下,超導(dǎo)帶材的電阻率是隨電流密度和溫度變化的,可以通過高溫超導(dǎo)體的E-J特性表示[9],即

(1)

(2)

式中:JC是限流器的臨界電流密度,隨溫度變化;JC0為77K下的臨界電流密度;TOP為超導(dǎo)帶材的工作溫度;EC為帶材失超時的電場強度;f(T)表現(xiàn)超導(dǎo)帶材基底層材料的性質(zhì);n表現(xiàn)高溫超導(dǎo)材料特性。通過電阻率算出超導(dǎo)帶材的電阻。

1.3 飽和鐵心型高溫超導(dǎo)限流器的工作原理及模型建立

飽和鐵心型高溫超導(dǎo)限流器中直流電源所提供的直流電流流過超導(dǎo)材料制成的線圈,交流繞組串聯(lián)在電路中,通過工作電流,超導(dǎo)線圈繞在兩個回形鐵心上,直流電流通過為鐵心提供直流勵磁。由于鐵心越飽和,交流電流流過時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢就越小,對電流的阻礙就越小,鐵心退出飽和時,交流電流流過對鐵心磁通量的改變增大,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢就增大,對電流的阻礙作用就增大,從而達到限制短路電流的作用。本文研究中忽略了超導(dǎo)限流器的電阻,將飽和鐵心型超導(dǎo)限流器等效為一個可變電抗,交流電流越小,引起的磁通量變化越小,對電流的阻礙就越小;反之交流電流越大,阻礙作用就越大;當交流電流重新減小時,阻礙作用也會跟著減小。具體變化函數(shù)需要通過一系列方法得到,其思路如圖1所示。

圖1 阻抗變化曲線函數(shù)化。

根據(jù)限流器廠家提供的阻抗變化曲線,將該曲線進行分段,根據(jù)不同的電流區(qū)間得到不同的曲線函數(shù),最后得到一個分段函數(shù)。對每段曲線適當采樣后,采用不同階數(shù)進行曲線擬合,將不同階數(shù)擬合得到的曲線與實際阻抗曲線進行比較,得到最大誤差和誤差方差,選擇合適的擬合曲線函數(shù)化。由于根據(jù)超導(dǎo)限流器阻抗的非線性特性進行了曲線的高精度擬合,因此能夠精確地在仿真中實現(xiàn)限流阻抗與實測限流阻抗的一致性。

2 含高溫超導(dǎo)限流器的風電場故障穿越仿真及分析

通過搭建含有高溫超導(dǎo)限流器的風電場并網(wǎng)模型,進行含高溫超導(dǎo)限流器的風電場在不同故障類型和不同拓撲結(jié)構(gòu)時的故障穿越能力分析。如圖2所示,設(shè)置總長100 km的送出線路,3 s時在20 km處發(fā)生故障,3.8 s時結(jié)束。

圖2 高溫超導(dǎo)限流器的風電場并網(wǎng)模型。

將飽和鐵心型高溫超導(dǎo)限流器的電感設(shè)置為100 mH,將電阻型高溫超導(dǎo)限流器的阻值設(shè)置為31.4 Ω,其他參數(shù)見表1。即讓兩種類型的高溫超導(dǎo)限流器的阻抗值相等,以便更好地對比兩種高溫超導(dǎo)限流器的效果。從兩方面進行仿真分析:1)含高溫超導(dǎo)限流器的風電場在不同故障類型下的故障穿越能力;2)含高溫超導(dǎo)限流器風電場在不同拓撲結(jié)構(gòu)時的故障穿越能力。

表1 風電場具體參數(shù)

2.1 兩種高溫超導(dǎo)限流器在不同故障類型時的故障穿越能力

在同等條件下,分析兩種高溫超導(dǎo)限流器的風電場模型在單相接地、兩相相間、三相接地故障時的故障穿越能力。

2.1.1 電阻型高溫超導(dǎo)限流器

如圖3所示,當系統(tǒng)發(fā)生A相接地故障時,無高溫超導(dǎo)限流器時故障相電壓穩(wěn)態(tài)A相電壓為42.85 kV,含有電阻型高溫超導(dǎo)限流器故障相A相電壓為92.12 kV。后者的故障電壓約為前者的2.15倍。

(a)無限流器的故障電壓。

(b)含電阻型高溫超導(dǎo)限流器的故障電壓圖3 單相接地故障穿越過程電壓對比。

系統(tǒng)發(fā)生A、B相間短路時,無高溫超導(dǎo)限流器時故障A、B兩相電壓穩(wěn)態(tài)值分別為36.45 kV和38.14 kV,含有電阻型高溫超導(dǎo)限流器故障A、B兩相電壓穩(wěn)態(tài)值分別為54.89 kV和54.35 kV。兩相相間短路時,含電阻型高溫超導(dǎo)限流器故障電壓約為無高溫超導(dǎo)限流器故障電壓的1.5倍,如圖4所示。

(a)無高溫超導(dǎo)限流器的電壓。

(b)含電阻型高溫超導(dǎo)限流器的故障電壓圖4 兩相接地故障穿越過程電壓對比。

同等條件下,系統(tǒng)發(fā)生三相間接地短路時,無高溫超導(dǎo)限流器時故障A、B、C三相電壓穩(wěn)態(tài)值分別為8.87、8.58、8.76 kV,含有電阻型高溫超導(dǎo)限流器故障A、B、C三相電壓穩(wěn)態(tài)值分別為22.18、21.96、22.05 kV。三相接地短路時,含電阻型高溫超導(dǎo)限流器故障電壓約為無高溫超導(dǎo)限流器故障電壓的2.5倍,如圖5所示。

(a)無限流器的故障電壓。

(b)含電阻型高溫超導(dǎo)限流器的故障電壓圖5 三相接地故障穿越過程電壓對比。

2.1.2 飽和鐵心型高溫超導(dǎo)限流器

系統(tǒng)發(fā)生A相接地故障時,圖3(a)所示無高溫超導(dǎo)限流器時故障相電壓穩(wěn)態(tài)A相電壓為42.85 kV,圖6中含有飽和鐵心型高溫超導(dǎo)限流器故障A相電壓為76.56 kV。后者電壓約為前者的1.78倍。

圖6 單相接地故障時,含飽和鐵心型高溫超導(dǎo)限流器故障電壓。

如圖4(a)所示,當系統(tǒng)發(fā)生A、B相間短路時,無高溫超導(dǎo)限流器時故障相電壓穩(wěn)態(tài)A、B相電壓分別為36.45 kV和38.14 kV。含有飽和鐵心型高溫超導(dǎo)限流器故障A、B相電壓分別為35.18 kV和51.34 kV,如圖7所示。兩相相間短路時,限流器故障電壓的A相幾乎相等,B相后者約為前者的1.35倍。

圖7 兩相接地故障時,含飽和鐵心型高溫超導(dǎo)限流器的故障電壓。

當系統(tǒng)發(fā)生三相間接地短路時,無高溫超導(dǎo)限流器時故障相電壓穩(wěn)態(tài)A、B、C三相電壓分別為8.87、8.58、8.76 kV(見圖5(a))。含有飽和鐵心型高溫超導(dǎo)限流器故障A、B、C三相電壓分別為22.18、21.96、22.05 kV(見圖8)。后者故障電壓約為前者的2.5倍。

圖8 三相接地故障時,含飽和鐵心型高溫超導(dǎo)限流器的故障電壓。

2.2 兩種高溫超導(dǎo)限流器的低壓故障穿越能力

風電場送出線路有單回線和雙回線兩種拓撲,分別研究兩種高溫超導(dǎo)限流器的低壓故障穿越能力。

2.2.1 電阻型高溫超導(dǎo)限流器

如圖9所示,含電阻型高溫超導(dǎo)限流器的系統(tǒng)發(fā)生A相接地故障時,單回線拓撲故障A相電壓為91.54 kV,雙回線A相電壓為99.82 kV。含電阻型高溫超導(dǎo)限流器雙回線相電壓為單回線故障電壓的1.09倍左右。

(a)單回線故障的電阻型限流器故障電壓。

(b)雙回線電阻型限流器故障電壓圖9 含電阻型高溫超導(dǎo)限流器不同拓撲結(jié)構(gòu)故障穿越電壓對比。

2.2.2 飽和鐵心型高溫超導(dǎo)限流器

如圖10所示,含飽和鐵心型高溫超導(dǎo)限流器的系統(tǒng)發(fā)生A相接地故障時,單回線拓撲故障A相電壓為76.56 kV,雙回線A相電壓為96.41 kV。含電阻型高溫超導(dǎo)限流器雙回線相電壓為單回線故障電壓的約1.26倍。

(a)單回線的飽和鐵心型限流器故障電壓。

(b)雙回線的飽和鐵心型限流器故障電壓圖10 含飽和鐵心型高溫超導(dǎo)限流器不同拓撲結(jié)構(gòu)故障穿越電壓對比。

3 結(jié) 論

根據(jù)故障時高溫超導(dǎo)限流器的阻抗變化建立適用于本文研究的等效模型,并在PSCAD/EMTDC中建立相應(yīng)的仿真模型,研究含高溫超導(dǎo)限流器風電場在不同情況下低壓穿越能力,得到以下結(jié)論:

1)不同故障類型、不同拓撲結(jié)構(gòu)下的故障,高溫超導(dǎo)限流器對風電場的故障穿越能力均有提升。

2)在單相/兩相接地故障時,電阻型高溫超導(dǎo)限流器電壓穿越能力高于飽和鐵心型高溫超導(dǎo)限流器;三相接地故障時電阻型高溫超導(dǎo)限流器電壓穿越能力低于飽和鐵心型高溫超導(dǎo)限流器。

3)同種情況下,雙回線比單回線更容易實現(xiàn)低電壓故障穿越。

4)在系統(tǒng)發(fā)生故障時,高溫超導(dǎo)限流器能夠有效提高風電機組的低電壓穿越能力,能提高單/雙回線送出電能的風電場故障穿越能力。