高温超导限流器对风电场故障穿越能力的影响研究.pdf

宁夏电力 年第 期新能源 基金项目:国网宁夏电力有限公司科技项目()高温超导限流器对风电场故障穿越能力的影响研究梁亚波栗磊杨雅兰牛建赫嘉楠(.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院宁夏 银川 .中国石油天然气股份有限公司宁夏石化分公司宁夏 银川)摘 要:当电网发生故障时风电场容易自动解列而导致故障更加严重因此风电机组应具备一定的故障穿越能力 本文提出将高温超导故障限流器应用于风电场以提高风电场低电压穿越的能力 通过建立高温超导限流器模型以及含高温超导限流器的风电机组并网模型然后仿真在不同故障类型和不同拓扑下高温超导限流器对风电场故障穿越能力的影响 研究表明使用高温超导限流器能够有效提高风电机组在系统发生单相、多相故障下的穿越能力同时提高单回线与双回线送出电能的风电场模型故障穿越能力关键词:高温超导超导限流器风电场故障穿越中图分类号:文献标志码:文章编号:()有效访问地址:/././.(.):.().().:./.宁夏电力 年第 期 引 言风能作为可再生能源具有分布广、无污染、蕴藏量大等优点高效利用以风能为代表的可再生能源是实现双碳目标的重要保证 如今电力系统的风电比例日益增大使得风电对电力的影响不容忽视当电网发生故障时直接将风电机组切除可能引发系统稳定性问题因此寻求更好的故障穿越方法对于风力发电具有重要意义 双馈风力发电机由于具有电能双向流动、调节特性较好、变流器成本相对较低等特点而成为最广泛使用的风力发电机组 目前双馈风电机组实现低电压故障穿越的方式有两种:一种是改进控制策略另一种是增加硬件电路即撬棒电路由于目前低压故障穿越方法均存在不足且随着第二代高温超导材料的发展高温超导限流器应运而生 因此本文通过选择合适的高温超导限流器种类并根据其工作原理建立等效模型在确定高温超导限流器安装点后建立含高温超导限流器的风电场并网模型通过对比有无高温超导限流器在不同故障类型、不同拓扑结构风电场并网模型中故障后电流电压分析高温超导限流器在风电场故障穿越能力是否满足低电压穿越要求 高温超导限流器工作原理及模型建立.高温超导限流器的类型高温超导限流器基于第二代高温超导材料制成串联接入电网中不依靠其他机械装置仅通过自身的限流能力限制短路故障电流更利于断路器开断是一种新型的有效解决电网目前遮断容量过大的途径之一 主要有以下两种:一种是失超型超导限流器比如电阻型、磁屏蔽型、混合型等这种超导限流器一般都串联在电路中通过随电流变化的电阻来限制故障电流另外一种为不失超型超导限流器比如饱和铁心型、桥路型、三相电抗器型等这类超导限流器是利用超导材料能够承受很大的电流产生很强的磁场又不会受到磁场影响的特点工作 普通采用电阻型和饱和铁心型这两种超导限流器在实际挂网运行中本文将选择这两种超导限流器进行研究.电阻型高温超导限流器的工作原理及模型建立 在无故障发生时由于正常电流低于超导材料的临界电流限流器此时几乎无电阻因此绝大部分电流都从超导限流器通过 当故障时出现短路电流超导限流器退出超导状态电阻增大若此时没有分流电阻虽然电流会被限制但是电压降会非常大因此需要一个分流电阻来进行分流使电压降降低同时又能限制故障电流 当限流器电阻在失超过程中超过分流电阻时部分电流会流过分流电阻由于在限流过程中失超电阻与短路电流的变化以及超导带材的温度密切相关难以确定真实的电阻值因此模型建立分为电阻率模型和温度场模型两个部分 在故障电流下超导带材的电阻率是随电流密度和温度变化的可以通过高温超导体的 特性表示即()()()/()()式中:是限流器的临界电流密度随温度变化为 下的临界电流密度为超导带材的工作温度为带材失超时的电场强度()表现超导带材基底层材料的性质 表现高温超导材料特性 通过电阻率算出超导带材的电阻.饱和铁心型高温超导限流器的工作原理及模型建立 饱和铁心型高温超导限流器中直流电源所提供的直流电流流过超导材料制成的线圈交流绕组串联在电路中通过工作电流超导线圈绕在两个回形铁心上直流电流通过为铁心提供直流励磁 由于铁心越饱和交流电流流过时产生的感应电动势就越小对电流的阻碍就越小铁心退出饱和时交流电流流过对铁心磁通量的改变增大产生的感应电动势就增大对电流的阻碍作用就增大从而达到限制短路电流的作用 本文研究梁亚波等:高温超导限流器对风电场故障穿越能力的影响研究中忽略了超导限流器的电阻将饱和铁心型超导限流器等效为一个可变电抗交流电流越小引起的磁通量变化越小对电流的阻碍就越小反之交流电流越大阻碍作用就越大当交流电流重新减小时阻碍作用也会跟着减小 具体变化函数需要通过一系列方法得到其思路如图 所示图 阻抗变化曲线函数化根据限流器厂家提供的阻抗变化曲线将该曲线进行分段根据不同的电流区间得到不同的曲线函数最后得到一个分段函数 对每段曲线适当采样后采用不同阶数进行曲线拟合将不同阶数拟合得到的曲线与实际阻抗曲线进行比较得到最大误差和误差方差选择合适的拟合曲线函数化 由于根据超导限流器阻抗的非线性特性进行了曲线的高精度拟合因此能够精确地在仿真中实现限流阻抗与实测限流阻抗的一致性含高温超导限流器的风电场故障穿越仿真及分析 通过搭建含有高温超导限流器的风电场并网模型进行含高温超导限流器的风电场在不同故障类型和不同拓扑结构时的故障穿越能力分析如图 所示设置总长 的送出线路 时在 处发生故障.时结束图 高温超导限流器的风电场并网模型将饱和铁心型高温超导限流器的电感设置为 将电阻型高温超导限流器的阻值设置为.其他参数见表 即让两种类型的高温超导限流器的阻抗值相等以便更好地对比两种高温超导限流器的效果 从两方面进行仿真分析:)含高温超导限流器的风电场在不同故障类型下的故障穿越能力)含高温超导限流器风电场在不同拓扑结构时的故障穿越能力表 风电场具体参数参数额定功率/定子电阻/(.)定子漏感/(.)额定电压/额定定子频率/额定风速/()数值.两种高温超导限流器在不同故障类型时的故障穿越能力 在同等条件下分析两种高温超导限流器的风电场模型在单相接地、两相相间、三相接地故障时的故障穿越能力.电阻型高温超导限流器如图 所示当系统发生 相接地故障时无高温超导限流器时故障相电压稳态 相电压为.含有电阻型高温超导限流器故障相 相电压为.后者的故障电压约为前者的.倍()无限流器的故障电压()含电阻型高温超导限流器的故障电压图 单相接地故障穿越过程电压对比系统发生、相间短路时无高温超导限流器时故障、两相电压稳态值分别为.和.含有电阻型高温超导限流器故障、两相电压稳态值分别为.和.两相相间短路时含电阻型高温超导限流器故障宁夏电力 年第 期电压约为无高温超导限流器故障电压的.倍如图 所示()无高温超导限流器的电压 ()含电阻型高温超导限流器的故障电压图 两相接地故障穿越过程电压对比同等条件下系统发生三相间接地短路时无高温超导限流器时故障、三相电压稳态值分别为.、.、.含有电阻型高温超导限流器故障、三相电压稳态值分别为.、.、.三相接地短路时含电阻型高温超导限流器故障电压约为无高温超导限流器故障电压的.倍如图 所示()无限流器的故障电压()含电阻型高温超导限流器的故障电压图 三相接地故障穿越过程电压对比.饱和铁心型高温超导限流器系统发生 相接地故障时图()所示无高温超导限流器时故障相电压稳态 相电压为.图 中含有饱和铁心型高温超导限流器故障 相电压为.后者电压约为前者的.倍 图 单相接地故障时含饱和铁心型高温超导限流器故障电压如图()所示当系统发生、相间短路时无高温超导限流器时故障相电压稳态、相电压分别为.和.含有饱和铁心型高温超导限流器故障、相电压分别为.和.如图 所示 两相相间短路时限流器故障电压的 相几乎相等 相后者约为前者的.倍 图 两相接地故障时含饱和铁心型高温超导限流器的故障电压当系统发生三相间接地短路时无高温超导限流器时故障相电压稳态、三相电压分别为.、.、.(见图()含有饱和铁心型高温超导限流器故障、三相电压分别为.、.、.(见图)后者故障电压约为前者的.倍.两种高温超导限流器的低压故障穿越能力风电场送出线路有单回线和双回线两种拓扑分别研究两种高温超导限流器的低压故障穿越能力梁亚波等:高温超导限流器对风电场故障穿越能力的影响研究 图 三相接地故障时含饱和铁心型高温超导限流器的故障电压.电阻型高温超导限流器如图 所示含电阻型高温超导限流器的系统发生 相接地故障时单回线拓扑故障 相电压为.双回线 相电压为.含电阻型高温超导限流器双回线相电压为单回线故障电压的.倍左右()单回线故障的电阻型限流器故障电压()双回线电阻型限流器故障电压 图 含电阻型高温超导限流器不同拓扑结构故障穿越电压对比.饱和铁心型高温超导限流器如图 所示含饱和铁心型高温超导限流器的系统发生 相接地故障时单回线拓扑故障 相电压为.双回线 相电压为.含电阻型高温超导限流器双回线相电压为单回线故障电压的约.倍()单回线的饱和铁心型限流器故障电压()双回线的饱和铁心型限流器故障电压 图 含饱和铁心型高温超导限流器不同拓扑结构故障穿越电压对比 结 论根据故障时高温超导限流器的阻抗变化建立适用于本文研究的等效模型并在/中建立相应的仿真模型研究含高温超导限流器风电场在不同情况下低压穿越能力得到以下结论:)不同故障类型、不同拓扑结构下的故障高温超导限流器对风电场的故障穿越能力均有提升)在单相/两相接地故障时电阻型高温超导限流器电压穿越能力高于饱和铁心型高温超导限流器三相接地故障时电阻型高温超导限流器电压穿越能力低于饱和铁心型高温超导限流器)同种情况下双回线比单回线更容易实现低电压故障穿越)在系统发生故障时高温超导限流器能够有效提高风电机组的低电压穿越能力能提高单/双回线送出电能的风电场故障穿越能力参考文献 前瞻产业研究院.年中国风电行业市场现状及发展前景分析.:.(下转第 页)宁夏电力 年第 期向短轴长为 )防鸟挡板通用设计为矩形宽度为 长度覆盖整个横担宽度但实际设计制作过程中还应根据其具体安装位置在满足防护范围的前提下适当调整形状及尺寸)新型磁吸式防鸟挡板采用永磁铁加弹簧连接组件的安装方式挡板下侧螺栓采用硅胶帽加绝缘胶防护结构合理满足实际运行过程中安装牢固、绝缘性好、抗风抗震等要求)聚碳酸酯具有绝缘性好质量轻、强度高、耐候性好等特点可作为防鸟挡板制作材料参考文献 伍弘郝金鹏杨凯等.复合 型绝缘子鸟粪闪络影响因素研究.宁夏电力():.伍弘徐兆国刘世涛等.一起鸟粪闪络引起 引流跳线与地线短接故障分析.宁夏电力():.全国架空线路标准化技术委员会.架空输电线路涉鸟故障防治技术导则:/.北京:中国标准出版社.国家电网有限公司.架空输电线路防鸟装置技术规范:/.付豪张东绳飞等.防鸟挡板在 输电线路上防鸟害的应用研究.电瓷避雷器():.刘玺杨金明王文忠.玄武岩纤维复合材料防鸟挡板的制备及性能研究.信息记录材料():.谢金杨伟军.纳米/玄武岩纤维增强环氧树脂复合材料的制备和耐久性能研究.功能材料():.陈泓伍弘刘世涛等.宁夏电网 及以上输电线路鸟害故障分析及防治.宁夏电力():.吴斌刘涛王海默.架空输电线路的鸟害故障对策措施分析.集成电路应用():.郝金鹏伍弘刘世涛等.输电线路复合绝缘子鸟粪闪络仿真研究.绝缘材料():.王华倩王胜辉杨广华等.复合型绝缘子的直流鸟粪闪络特性研究.电测与仪表():.收稿日期:作者简介:徐兆国()男高级工程师主要从事输电线路运维检修工作(:.)(上接第 页)周双喜鲁宗相.风力发电与电力系统.北京:中国电力出版社:.():.王欣.风电场送出线路故障暂态分析及保护方案研究.天津:天津大学.林良真.我国超导技术研究进展及展望.电工技术学报():.():.秦汉阳.高温超导限流器限流特性实验测试与分析.北京:北方工业大学.龚珺诸嘉慧方进等.电阻型高温超导限流器暂态电阻特性分析.电工技术学报():.盛超肖磊石骆潘钿等.电阻型超导限流器失超电阻测量方法.广东电力():.收稿日期:修回日期:作者简介:梁亚波()男工学硕士高级工程师从事继电保护相关研究工作(:.)