高温超导限流器对风电场故障穿越能力的影响研究

2023-10-19梁亚波栗磊杨雅兰牛建赫嘉楠

宁夏电力 2023年5期

梁亚波,栗磊,杨雅兰,牛建,赫嘉楠

(1.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院,宁夏银川 750011;2.中国石油天然气股份有限公司宁夏石化分公司,宁夏银川 750026)

0 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[1-3]。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[4]。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[5],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。

1 高温超导限流器工作原理及模型建立

1.1 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[6]。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[7]。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。

1.2 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[8]。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E-J特性表示[9],即

(1)

(2)

式中:JC是限流器的临界电流密度,随温度变化;JC0为77K下的临界电流密度;TOP为超导带材的工作温度;EC为带材失超时的电场强度;f(T)表现超导带材基底层材料的性质;n表现高温超导材料特性。通过电阻率算出超导带材的电阻。

1.3 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1所示。

图1 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。

2 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2所示,设置总长100 km的送出线路,3 s时在20 km处发生故障,3.8 s时结束。

图2 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100 mH,将电阻型高温超导限流器的阻值设置为31.4 Ω,其他参数见表1。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:1)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;2)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1 风电场具体参数

2.1 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。

2.1.1 电阻型高温超导限流器

如图3所示,当系统发生A相接地故障时,无高温超导限流器时故障相电压稳态A相电压为42.85 kV,含有电阻型高温超导限流器故障相A相电压为92.12 kV。后者的故障电压约为前者的2.15倍。

(a)无限流器的故障电压。

(b)含电阻型高温超导限流器的故障电压图3 单相接地故障穿越过程电压对比。

系统发生A、B相间短路时,无高温超导限流器时故障A、B两相电压稳态值分别为36.45 kV和38.14 kV,含有电阻型高温超导限流器故障A、B两相电压稳态值分别为54.89 kV和54.35 kV。两相相间短路时,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1.5倍,如图4所示。

(a)无高温超导限流器的电压。

(b)含电阻型高温超导限流器的故障电压图4 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A、B、C三相电压稳态值分别为8.87、8.58、8.76 kV,含有电阻型高温超导限流器故障A、B、C三相电压稳态值分别为22.18、21.96、22.05 kV。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2.5倍,如图5所示。

(a)无限流器的故障电压。

(b)含电阻型高温超导限流器的故障电压图5 三相接地故障穿越过程电压对比。

2.1.2 饱和铁心型高温超导限流器

系统发生A相接地故障时,图3(a)所示无高温超导限流器时故障相电压稳态A相电压为42.85 kV,图6中含有饱和铁心型高温超导限流器故障A相电压为76.56 kV。后者电压约为前者的1.78倍。

图6 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4(a)所示,当系统发生A、B相间短路时,无高温超导限流器时故障相电压稳态A、B相电压分别为36.45 kV和38.14 kV。含有饱和铁心型高温超导限流器故障A、B相电压分别为35.18 kV和51.34 kV,如图7所示。两相相间短路时,限流器故障电压的A相几乎相等,B相后者约为前者的1.35倍。