高溫超導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.國網寧夏電力有限公司電力科學研究院,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、蘊藏量大等優點,高效利用以風能為代表的可再生能源是實現雙碳目標的重要保證[1-3]。如今電力系統的風電比例日益增大,使得風電對電力的影響不容忽視,當電網發生故障時直接將風電機組切除可能引發系統穩定性問題,因此,尋求更好的故障穿越方法對于風力發電具有重要意義。雙饋風力發電機由于具有電能雙向流動、調節特性較好、變流器成本相對較低等特點而成為最廣泛使用的風力發電機組。目前雙饋風電機組實現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材料的發展[5],高溫超導限流器應運而生。因此,本文通過選擇合適的高溫超導限流器種類并根據其工作原理建立等效模型,在確定高溫超導限流器安裝點后建立含高溫超導限流器的風電場并網模型,通過對比有無高溫超導限流器在不同故障類型、不同拓撲結構風電場并網模型中故障后電流電壓,分析高溫超導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 高溫超導限流器工作原理及模型建立

1.1 高溫超導限流器的類型

高溫超導限流器基于第二代高溫超導材料制成,串聯接入電網中,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:一種是失超型超導限流器,比如電阻型、磁屏蔽型、混合型等,這種超導限流器一般都串聯在電路中,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限流器,比如飽和鐵心型、橋路型、三相電抗器型等,這類超導限流器是利用超導材料能夠承受很大的電流產生很強的磁場,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限流器在實際掛網運行中,本文將選擇這兩種超導限流器進行研究。

1.2 電阻型高溫超導限流器的工作原理及模型建立

在無故障發生時,由于正常電流低于超導材料的臨界電流,限流器此時幾乎無電阻,因此絕大部分電流都從超導限流器通過。當故障時出現短路電流,超導限流器退出超導狀態,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帶材的溫度密切相關,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為超導帶材的工作溫度;EC為帶材失超時的電場強度;f(T)表現超導帶材基底層材料的性質;n表現高溫超導材料特性。通過電阻率算出超導帶材的電阻。

1.3 飽和鐵心型高溫超導限流器的工作原理及模型建立

飽和鐵心型高溫超導限流器中直流電源所提供的直流電流流過超導材料制成的線圈,交流繞組串聯在電路中,通過工作電流,超導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,交流電流流過時產生的感應電動勢就越小,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,產生的感應電動勢就增大,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限流器的電阻,將飽和鐵心型超導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 阻抗變化曲線函數化。

根據限流器廠家提供的阻抗變化曲線,將該曲線進行分段,根據不同的電流區間得到不同的曲線函數,最后得到一個分段函數。對每段曲線適當采樣后,采用不同階數進行曲線擬合,將不同階數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化。由于根據超導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限流阻抗與實測限流阻抗的一致性。

2 含高溫超導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限流器的風電場并網模型,進行含高溫超導限流器的風電場在不同故障類型和不同拓撲結構時的故障穿越能力分析。如圖2所示,設置總長100 km的送出線路,3 s時在20 km處發生故障,3.8 s時結束。

圖2 高溫超導限流器的風電場并網模型。

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

表1 風電場具體參數

2.1 兩種高溫超導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 電阻型高溫超導限流器

如圖3所示,當系統發生A相接地故障時,無高溫超導限流器時故障相電壓穩態A相電壓為42.85 kV,含有電阻型高溫超導限流器故障相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。

系統發生A、B相間短路時,無高溫超導限流器時故障A、B兩相電壓穩態值分別為36.45 kV和38.14 kV,含有電阻型高溫超導限流器故障A、B兩相電壓穩態值分別為54.89 kV和54.35 kV。兩相相間短路時,含電阻型高溫超導限流器故障電壓約為無高溫超導限流器故障電壓的1.5倍,如圖4所示。

(a)無高溫超導限流器的電壓。

(b)含電阻型高溫超導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,系統發生三相間接地短路時,無高溫超導限流器時故障A、B、C三相電壓穩態值分別為8.87、8.58、8.76 kV,含有電阻型高溫超導限流器故障A、B、C三相電壓穩態值分別為22.18、21.96、22.05 kV。三相接地短路時,含電阻型高溫超導限流器故障電壓約為無高溫超導限流器故障電壓的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限流器

系統發生A相接地故障時,圖3(a)所示無高溫超導限流器時故障相電壓穩態A相電壓為42.85 kV,圖6中含有飽和鐵心型高溫超導限流器故障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限流器故障電壓。

如圖4(a)所示,當系統發生A、B相間短路時,無高溫超導限流器時故障相電壓穩態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限流器的故障電壓。

當系統發生三相間接地短路時,無高溫超導限流器時故障相電壓穩態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限流器的故障電壓。

2.2 兩種高溫超導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限流器的低壓故障穿越能力。

2.2.1 電阻型高溫超導限流器

如圖9所示,含電阻型高溫超導限流器的系統發生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 含電阻型高溫超導限流器不同拓撲結構故障穿越電壓對比。

2.2.2 飽和鐵心型高溫超導限流器

如圖10所示,含飽和鐵心型高溫超導限流器的系統發生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限流器不同拓撲結構故障穿越電壓對比。

3 結 論

根據故障時高溫超導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中建立相應的仿真模型,研究含高溫超導限流器風電場在不同情況下低壓穿越能力,得到以下結論:

1)不同故障類型、不同拓撲結構下的故障,高溫超導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,電阻型高溫超導限流器電壓穿越能力高于飽和鐵心型高溫超導限流器;三相接地故障時電阻型高溫超導限流器電壓穿越能力低于飽和鐵心型高溫超導限流器。

3)同種情況下,雙回線比單回線更容易實現低電壓故障穿越。

4)在系統發生故障時,高溫超導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。