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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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海上风电场并网发电过程中开关过电压的缓解

艾曼·阿瓦德1伊布拉希姆·a·巴德兰说2法特希·m·h·优素福3.
  1. 研究助理,电气工程埃及曼苏拉曼苏拉大学工程学院工程系
  2. 副教授,电气工程埃及曼苏拉曼苏拉大学工程学院工程系
  3. 教授,电气工程埃及曼苏拉曼苏拉大学工程学院工程系
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

本文介绍了在与近海风电场并网时，由于通电程序而产生的开关过电压的缓解。预插入电阻、断路器控制开关、并联电抗器或避雷器作为保护装置，以减轻通电过电压。本文采用交替瞬态程序(ATP)对试验电力系统进行模拟，并对各种缓解方法进行模拟。介绍了电力系统中四种抑制过电压的方法的比较。

关键字
采购产品开关过电压，风力发电机，缓解，DFIG, ATP。

介绍
风力发电场通常位于较偏远的地方，那里的馈线较长，并在中压水平[1]下运行。远离主电网的孤立风电场被认为是弱电网，因为长馈线[2]。风电场恢复的主要问题之一是由于开关程序[3]导致的过电压的发生。风力发电机系统受到许多形式的瞬态现象的影响，这些瞬态现象主要是由电压或电流的稳态值的突然变化引起的。这种变化可能是由于一次照明冲程，系统的一些故障，或者是由电路的开关引起的，要么是为了清除故障，要么是作为正常的操作程序[4-6]。
开关过电压(SOV)具有较低的前端瞬态，具有较高的阻尼，持续时间短(几毫秒或更短)[7]。它们可能发生在正常运行或故障[8]的通电和断开过程中。sov的大小和形状随系统参数和网络配置而变化。即使具有相同的系统参数和网络配置，sov也高度依赖于断路器操作的特性和开关操作发生的波上点[3]。
通电SOV的严重程度取决于通电[9]瞬间供电和传输系统电压的差值。当输电系统通电时，SOV不仅在输电系统上产生，而且在供电网络[10]中也产生。采用预插入电阻(PIR)、断路器控制开关、并联电抗器、避雷器等作为保护装置，以减轻通电过电压。
双馈感应发电机(DFIG)在风力发电中的应用越来越受到重视[9,11]。DFIG基本是一种标准绕线转子感应电机，定子绕组直接接入电网，转子绕组通过滑环由电子变换器接入电网，如图1[12]所示。
DFIG是目前最常用的技术之一，因为它们提供了诸如有功和无功功率的解耦控制和最大功率跟踪等优点。由于在这种类型的发电机[13]中使用的电力电子转换器，这些功能是可能的。
在本文中，评估了由于并网离岸风电场的通电程序而产生的sov的缓解。PIR、断路器控制开关、并联电抗器和避雷器被用作保护装置，以减轻通电sov。本研究采用交替瞬态程序(ATP)模拟试验电力系统及SOV缓解方法[14]。

2所调查的海上风电场
A.风电场的描述
研究风电场由72台额定功率为2.3兆瓦的风力涡轮机(WTs)组成。涡轮呈平行四边形排列，由8行组成，每行9个WTs，如图2[15,16]所示。水闸采用33千伏海底电缆成排连接。然后，每一行通过一根根电缆连接到平台。园区变压器(132/33/33 kV)位于中心位置。每个馈线由真空断路器连接，然后是根电缆。从A到H共8行，其中A、B、C、D连接一个中压绕组，E、F、G、H连接另一个中压绕组[15]。
海底电缆连接在每个WT的底部，在那里装甲和防护罩接地。然后变压器(2.5 MVA, 33/0.69 kV)通过MV上的开关断开器-熔断器连接。两个污水处理厂通过36千伏长505米的电缆相连。此外，高电压(HV)电网(132千伏)，海电缆(10.5公里)和陆地电缆(18.3公里)都包括在型号[16]中。
B.风电场建模
ATP被用于模拟所研究的海上风电场的组件，如本节所示。图3为所研究海上风电场的ATP模型。在该模型中，可以看出:
1.电网被建模为电压源。
2.高压132千伏三相单芯海陆电缆采用对称、分布参数和集总电阻模型进行建模。
3.风电场变压器采用HYBRID变压器模型[14]进行建模。
4.B、C和D行被建模为一根三相单芯电缆，因为它们是并联连接的。同样，行E、F、G和H也以相同的方式建模。
5.只有行A被详细建模。
图3为a排9台相同的风力发电机变压器(wtt)，为减少仿真时间，采用等效模型降低了风电场模型的复杂性。风电场中的wtg被聚合为三个独立的等效模型，a排的其余涡轮机被建模为连接在wtt的低压侧的非常轻的负载。轻负载建模为1200 Ω的高电阻。因此，考虑A行9个wtt为空载变压器。如果所有风力发电机组[16]上的来风速度相同或相似，则可认为风力发电机组运行在等效的内部电网上。
C.电缆和变压器的建模
中压单芯海底电缆是海上风电场中最具特色的电气元件。33千伏三相单芯海底电缆连接在wtt的高压侧之间。根据传输功率[16]计算的海底电缆几何构型及电缆计算参数如表1所示。
海底电缆的装甲通常相当厚。因此，本研究假设在三相单芯海底电缆设计中，采用钢丝厚度5mm的护甲和外绝缘厚度5mm的护甲。因此，中压单芯海底电缆的整体外径为65mm。MV (33 kV)单芯海底电缆采用频率相关LCC模型[14]进行建模。该模型反映了单芯海底电缆参数的频率依赖性，因此在电磁瞬变研究[14]中推荐使用该模型。
海、陆电缆采用三相克拉克模型[14]进行建模，避免了高压电缆长度过大带来的数值误差。采用50 Hz下三相转置模型的分布参数，根据电缆尺寸和材料计算出模型参数。高压海、陆电缆的尺寸和材料均取自[17]。表2分别给出了132千伏海陆电缆的正序电阻和零序电阻、感应电抗和电容电抗。
风电场变压器和近海风电场变压器均采用hybrid变压器模型进行建模。A排风机变压器采用三相双绕组hybrid模型。风电场变压器采用hybrid模型建模为三绕组变压器，适用于中低频暂态研究[18,19]。表3给出了变压器建模所需的数据。
D.基于dfig的风力机建模
本研究采用一个完整的风力机模型[20]。该模型包括风速模型、风力机气动模型、传动系统力学模型和电气部件模型。对感应发电机、PWM (Pulse Width modulation)电压源变换器、变压器以及控制和监控系统进行了详细建模。
图4为ATP[20]中基于dfig的风力机模型。该模型用于基于dfig的风电场的精确模拟。此外，表4总结了用于参数化DFIG的数据。

3开关过电压缓解方法
A-缓解方法
传统上，通过在线路断路器中采用PIR来限制SOV。另一种降低SOV的方法是断路器的同步开关。并联电抗器的安装也用于减轻SOV。此外，在电力系统中，避雷器用于限制SOV。ATP被用于研究SOV缓解方法的建模。
预插入电阻(PIR):闭合电阻与电缆串联，通常在10ms后短路，从而阻尼开关过电压[21]。在本例中，实际安装了一个500 Ω电阻，其插入时间等于开关时间。
同步断路器:通过同步开关控制器，可根据点对波位置控制通电和断电操作，以减轻有害瞬态[22]。控制开关的合适合闸时刻是断路器各相接触电压为零的时间，且预计第一极和最后一极合闸时刻之间的时间跨度应尽可能小[23]。雷竞技网页版在本研究中，给出了各相电压连续过零时的闭合顺序。
并联电抗器:并联电抗器用于抑制过电压，使系统电压保持在允许范围内[24]。在许多研究中，电抗器是用一个简单的集总电感和串联电阻来模拟的。为实现实际的高频阻尼[25]，可以增加一个并联电阻。在开关点附近加一个分流电抗器。
电涌放电器:避雷器提供了一个暂时的路径到地球，多余的电荷从系统[26]。根据避雷器的伏安特性信息，在[27]中建立了避雷器的等效模型。本研究采用了该模型。
结果和讨论
评估了风力发电系统在通电过程中由于开关操作而产生的开关过电压。由于a排的通电，研究了SOV缓解的研究。这是通过关闭a排平台上断路器的三个相来进行的。当每个相的电压连续交叉90o时，通过关闭断路器相位在电压峰值处施加开关。分别在a排风机变压器的高电压侧(33.0 kV)和低压侧(0.69 kV)进行开关引起的电压波形研究。图4 - 7分别显示了在使用PIR、断路器控制开关、并联电抗器控制开关和不使用避雷器时，第1台风机变压器高电压侧和低压侧的最大SOV。
如图4所示，由于采用了PIR, A排风机变压器高压侧SOV由1.526 pu (29.08 kV)降低到1.108 pu (21.1 kV)，低压侧SOV由1.576 pu (1.087 kV)降低到1.1965 pu (0.826 kV)。图5所示为A排风机变压器高压侧断路器控制开关的SOV，低压侧由1.576 pu (1.087 kV)降至1.124 pu (0.7758 kV)，低压侧由1.5266 pu (29.08 kV)降至0.9929 pu (18.915 kV)。
如图6所示，采用并联电抗器后，A排风机变压器高压侧SOV由1.5266 pu (29.08 kV)降低至1.305 pu (24.859 kV)，低压侧SOV由1.576 pu (1.087 kV)降低至1.3047 pu (0.9 kV)。如图7所示，采用避雷器后，A排风机变压器高压侧SOV由1.5266 pu (29.08 kV)降低至1.422 pu (27.087 kV)，低压侧SOV由1.576 pu (1.087 kV)降低至1.126 pu (0.777 kV)。
可以看出，PIR和断路器的控制开关具有公认的显著性能。它们将过电压降低到可接受的值(约1.0 pu)。

四。结论
本文研究了弱并网风电场的通电开关过电压的缓解问题。采用ATP中基于dfig的风力机模型对风电场进行模拟。分析使用了一个由72个风力涡轮机组成的风电场。采用预插入电阻、断路器控制开关、并联电抗器、避雷器等保护装置减轻开关过电压。
结果表明，采用PIR或控制开关时，开关过电压降低。并联电抗器和避雷器不能将开关过电压降低到可接受的水平。海上并网风电场开关过电压的优越，促使笔者进一步研究其对DFIG性能的影响。

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图5 图6 图7 图8

参考文献



























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