SEN的次同步共振分析变压器补偿风力发电系统

R.Ashik¹, Dr.V.Sivachidambaranathan²

印度金奈萨提亚拉巴马大学电子电气工程系研究生
印度金奈萨提亚拉巴马大学电子电气工程系系主任

摘要

本文利用基于电力系统模块集(PSB)的Mat lab，结合Simulink对IEEE第二基准系统的次同步谐振(SSR)进行了研究。研究了串联补偿水平和故障输送量对SSR的影响。这项工作的主要目的是研究风力发电场中SEN变压器对感应发电机(IG)效应以及扭转相互作用(TI)的行为。为了进行研究，将IEEE第一个SSR基准模型与基于自激感应发电机(SEIG)的风力发电机组相结合。

关键字

森变压器;SSR;事实设计;IEEE第一个基准模型

介绍

世界正在变得越来越热，事实上，在过去的100年里，陆地上的温度上升了1°C，科学观点的压倒性共识是，人类活动，特别是温室气体的排放是原因。到目前为止，能源部门是全球这些排放的最大来源，如果我们要应对气候变化，很明显我们需要从燃烧有限的化石燃料储备转向更可持续和可再生的能源。风力发电是一种经过充分验证且具有成本效益的技术，预计将成为工业响应政府目标的主要方式-因此在未来几年成为重要的电力来源。这种向风能的转变将不可避免地导致大型风力发电机(WTGs)被整合到电网中。此外，还需要通过能够维持大功率流的输电网络来传输所产生的电力。串联补偿是提高现有输电网输电能力的有效手段。然而，串联补偿在电网中引起一种非常有害的现象，称为次同步谐振

电力系统中的次同步谐振

本节简要回顾SSR的基础数学之后，提出了一雷竞技苹果下载个分类的杂项SSR种类。SSR是电力系统中机械系统(汽轮发电机)与电网[4]-[5]交换能量时可能产生的一种潜在现象。串联补偿线路将包括具有频率的次同步电流

式中，cx为串联电容电抗，L(eq) X为输电线路、发电机和变压器的等电抗，f0为电力系统的标称频率。产生的次同步电流将导致转子转矩在互补频率处，即。

电力系统中可能发生的两种SSR相互作用[6]如下

1.自激或稳态SSR

2.瞬态扭矩或瞬态SSR

1)自激或稳态SSR:输出到发电机终端的次同步频率转子电流产生终端电压的次同步频率分量。这些元件将支持电流产生自激，自激有两个方面，即:

A. IG效应

b .钛

A) IG效应:串联补偿引起的电谐振在发电机定子上产生与谐振频率相对应的旋转磁场。对于高补偿电平，电谐振频率，即ef，将小于系统标称频率，即0f。因此，由电网吸引的谐振电流在次同步频率上产生旋转场。对于同步发电机，发电机转子以同步频率旋转;因此，同步电机根据亚同步旋转场充当IG。另一方面，正在调查的风力发电场等电力系统可能包含SEIGs。对于这两种类型，被视为IG的机器的滑移是由

由于电谐振频率小于系统标称频率，因此转差为负。因此，转子的电阻(从电枢终端的角度来看，在次同步频率)同样是负的。参考图1所示的SEIG通用等效电路，当该电阻的大小超过谐振频率下电枢和网络电阻的总和时，就会出现自激情况。

(B) TI:频率为m f的发电机转子扭振感应电枢电压分量，频率为

当次同步频率分量e(ind) f接近或匹配任何一个电谐振频率，即e f时，扭振和电谐振相互激发，产生SSR。

2)瞬态转矩或瞬态SSR:瞬态转矩是由系统扰动引起的转矩。系统的扰动和故障会引起网络的突然变化，从而导致电流的突然变化，而电流往往会在网络的固有频率上振荡。当电网谐振频率的补数与扭转固有频率之一重合时，通常会发生暂态SSR。

sen变压器简介

同时也对输电线路中的无功潮流产生影响。

考虑传输线中的补偿点在它的发送端。假设传输线阻抗和接收端电压不变，功率流控制器(PFC)通过将发送端电压修改为特定的幅值和相角，将有功和无功潮流(Pr和Qr)控制为特定的一对值。这可以通过使用并联串联功率转换器将补偿电压串联到线路上来实现。并联串联型转换器已安装在多个位置，用作统一的功率流控制器(upfc)。±160 mva额定值的UPFC首次证明了输电线路中的有功功率和无功功率可以独立调节，同时在补偿点保持固定的线路电压。

通过交流传输线的电流是线路阻抗、发送端电压(Vs)和接收端电压(Vr)的大小以及这两个电压之间的相位角(V)的函数。图9- 1显示了一条仅用电抗(X)表示的简单传输线，以及线路接收端有功和无功潮流的相关表达式。

功率流控制参数(电压幅值、相角和线路电抗)可以使用以下设备进行调节，现在被认为是常规设备:

1.调压变压器(VRT)，并联或并联开关电感/电容器，静态无功补偿器(SVC)，或静态同步补偿器(STATCOM)用于电压调节

2.相角调节器(PAR)或移相变压器(PST)用于相角调节

3.用于串联电抗调节的晶闸管控制串联电容器(TCSC)。

通过调节任意一个潮流控制参数，采用上述常规解决方案之一，两者都是有源的

sen变压器的工作

A.调压器

VRT是一个自耦变压器，如图所示，提供三相、双极补偿电压(Vs_sA、Vs_sB和Vs_sC)。当补偿电压与补偿点的线路串联时，未补偿的传输线的三相发送端电压(VsA、VsB和VsC)被调节在Vs_A、Vs_B和Vs_C。由于补偿电压是线路电压的一小部分，自耦变压器的额定值仅是传输功率的一小部分。如图所示，VRT作为自耦变压器工作。励磁装置由三相(a、B、C) y型连接的初级绕组组成，并与线路并联。三相初级绕组由三相线路电压(VsA, VsB和VsC)激励。由感应二次电压产生的三相双极补偿电压(Vs_sA, Vs_sB和Vs_sC)与相应的相-中性电压相或相外。

B.相角调节器

如图3所示，PAR将电压与传输线串联，并与传输线的相中性电压正交。串联的补偿电压引入相移，其弧度大小(对于小变化)随补偿电压的大小(单位)而变化，其中传输线的相中性电压为基电压。在典型配置中，PAR由如图3所示的两个变压器组成，第一个变压器(励磁单元)称为调压变压器，与线路并联连接。它的初级绕组由线路电压()激励，次级绕组感应三相双极电压。利用抽头，从调压变压器感应电压的相相电压中产生一个与线路电压正交的、大小可变的补偿电压。对于这种电压的串联，必须进行电气隔离。第二个变压器(串联单元)称为串联变压器，由调压变压器的相相电压励磁。

串联变压器的感应电压与线路串联。如果串联变压器是降压变压器，则串联变压器的一次绕组和调节变压器的二次绕组都是高额定电压和低额定电流，以便调节变压器二次侧的抽头可以在低电流下工作，并可以骑过高故障电流。请注意，PAR也可以用单芯变压器实现。在这种情况下，抽头总是承受高线路电流，甚至更高的故障电流。

sen变压器的建模

利用matlab建立了ST的数字计算机仿真模型。该模型由两个子系统组成:电气子系统和分接选择算法子系统。

A.电气系统

电气系统由两个交流系统组成，由一条三相传输线连接。ST连接在传输线的发送端。表1给出了ST和网络的参数。

1)电气网络模型:将发送端和接收端交流源建模为无限源，其量级相同，但相位差为20(接收端电压滞后于发送端电压)。传输线采用集总串联阻抗建模。

2) ST型:ST是一种特殊设计的变压器，具有多个绕组，在二次有多个抽头位置。这种变压器的模型在matlab中是不可用的。因此，9个单相变压器，每一个都有负载分接改变能力，已经被用来模拟st。由于没有考虑互磁链，因此没有考虑互感，这可能会导致结果出现一些差异。这9台单相变压器的电阻和漏抗都很小，如表1所示。3台变压器的输出电压(相贡献，和)串联相加，然后馈送到传输线的一相。分接选择算法的9个输出(aa、ab、ac、ba、bb、bc、ca、cb和cc)将分接设定值提供给所有9个变压器分接端子。如果这些输出发生任何变化，变压器将重新调整其分接位置并产生所需的补偿电压。

b)分接开关模型:在实际的变压器中，分接开关是通过分接选择器进行的，其中电阻或电感与分接位置并联，以限制通过两个连续分接之间的短路绕组段的电流。在图2中，显示了分接变换操作的示例以及分接选择器每个位置的等效matlab模型。虽然，实际的变压器带有载分接开关(OLTC)，如来自Reinhausen[8]的变压器使用的分接电压差范围为0.02 p.u.至0.067 p.u.，但在本模型中，为了模拟的清晰性，假设分接之间的电压差为0.1 p.u.。在相邻的抽头位置之间移动抽头选择器所需的时间为2s[8]。为了将抽头选择器从其初始位置，端子E (0.2 p.u)移动到其最终位置，端子C (0.1 p.u)，执行以下四个步骤，每个步骤约0.5秒。

仿真及结果

步骤一:在1位，抽头选择器连接到终端E;因此，在该模型中，连接E端子到线路的断路器(CB)闭合，其余CB断开。现在，选择器移动到连接端子D和E的位置;然而，电流只流过E端。为了模拟这种情况，CB连接端子D是闭合的。

步骤2:抽头选择器进一步向下移动并连接到端子d。线路电流现在流过电阻，根据电阻的值，电压可能会出现轻微的下降。在模型中，CB连接端子E断开。

步骤3:将抽头选择器移动到连接C、D两个端子的位置，此时由C、D和电阻组成的回路内将流过循环电流。电阻器的值越高，循环电流越低，但是，过高的阻值会导致电压凹陷。在模型中，CB连接端子C现在处于闭合状态。

步骤4:在最后一步中，移动抽头选择器，允许单独与C端子接触，这是所需的最终位置。雷竞技网页版在该模型中，CB连接端子D断开。

电力系统配置

本文研究的系统如图2所示，是对著名的IEEE第一SSR基准的修正模型。在这里，风电场由若干个额定功率为1000马力(0.746兆瓦)的相干IGs表示，这些IGs通过固定的串联补偿线路连接到电网。在本研究中，基于现有安装的实际系统，风电场的输出功率在100 - 500 MW之间。风力机的机械系统由双质量扭转系统组成，其中一个代表风力机系统，另一个代表一组IGs。额定电压为539kv，额定频率为60Hz。传输线用一个电抗、一个电阻和一个串联的固定电容补偿电抗来建模。在IG端采用每相2000 μF的固定并联电容，实现发电机的无功支持

获得WTG功率输出100mw、300mw和500mw的电磁转矩，以检验IG自激的开始。结果如图4所示。观察到，对于100 MW的功率传输“P”，即使串联补偿水平为90%，IG自激效应也不那么突出。振荡在电磁转矩中是可见的，但它们随时间衰减。然而，当功率传递水平增加到300mw时，电磁转矩出现了较大的振荡。当功率传输水平达到500mw时，振荡开始增大，最终使系统产生不确定性。

B. Sen变压器的影响

在风系统中加入森变压器后，电磁转矩的振荡得到了减小。与简单的电容组串联补偿相比，产生的SSR更少。

结论

利用mat lab软件对500MW风电系统进行了建模，通过对系统电磁转矩振荡特性的研究，观察了简单电容补偿系统的SSR行为。作为减少系统SSR的分析的一部分，增加了SEN变压器，建立了模型并进行了测试，以显示不同功率输送对电磁转矩振荡的影响。综上所述，在IEEE第一束标记模型的刺激下，SSR显著降低。

参考文献

K. Varma, Soubhik Auddy, Ysni Semsedini，“基于事实控制器的串联补偿翼场亚同步谐振抑制”，《IEEE电力传输学报》，VOL. 23, NO. 5。2008年7月3日，pg1645-1654
IEEE委员会代表，“次同步共振的读者指南”，IEEE译。电力系统。，vol. 7, no. 1, pp. 150–157, Feb. 1992.
A. Ca ~ nizares和zz . T. Faur，“电压崩溃中SVC和TCSC控制器的分析”，IEEE翻译。《电力系统》，第14卷，第2期。1999年2月1日，第158-165页。
a . Ca˜尼。用于电压和角度稳定性研究的FACTS控制器的潮流和暂态稳定模型。IEEE/PES冬季会议，新加坡，2000年1月。
G. Hingorani和L. Gyugi，理解事实:柔性交流输电系统的概念和技术。IEEE出版社，1999。
A. c ~ nizares, UWPFLOW: AC/DC/FACTS电力系统中分岔定位的连续和直接方法。滑铁卢大学，1999年11月。可在http://www.power.uwaterloo.ca获得。
电力系统工具箱2.0版:负载流教程和功能。Cherry Tree Scientific Software, r -5 Colborne, Ontario, k0k150, 1991-1999。
沈国强、沈明林，“Sen”变压器与统一潮流控制器的比较，电气与电子工程学报。电力输送，第18卷，第2期。3, pp. 1523 - 1533, october 2003。
“Sen”系列变压器:一套功率流控制变压器，IEEE译。电力输送，第18卷，第2期。1，第149 ~ 157页，2003年1月。
陈国强，基于电压源变换器的事实控制器的数值仿真结果比较，电气与电子工程学报。电力输送，第18卷，第2期。1，第300 - 306页，2003年1月。
N. G. Hingorani和L. Gyugyi，理解事实-柔性交流输电系统的概念和技术。Piscataway, NJ: IEEE出版社，2000。
A. B. A. Renz, A. Keri, A. S. Mehraban, C. Schauder, E. Stacey, L. Kovalsky, L. Gyugyi, A. Edris，“AEP统一的潮流控制器性能”，电气与电子工程学报。德尔。，vol. 14, no. 4, pp. 1374–1381, Oct. 1999.
“负载分接开关，RMV-A型”，Reinhausen制造，说明书，tl8001.1