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弱电网下异步电动机负荷与STATCOM的动态相互作用分析

2018-03-07 11:37:04
作者: 王玎 袁小明
来源: 万选通资讯
分类: 技术应用
导读

本文基于所提的以有功功率和无功功率为输入、定子侧电压幅值和相位为输出的异步电机小信号模型,分析了弱电网下异步电机负荷与无功补偿装备STATCOM之间的相互作用,揭示了异步电机负荷与无功补偿装备之间相互作用的物理机理。

研究背景

近些年,电力电子装备大规模接入电力系统,以STATCOM为代表的无功补偿装备因其在低电压下仍能保持良好的无功输出性能,故广泛用于为系统提供无功功率,补偿系统中的无功缺额。这种电力电子无功补偿装备主要采用矢量电流控制方式,对系统的无功功率输出主要通过控制其并网点的电压水平来实现,因而可以作为本地的无功补偿装备,对异步电机负荷进行就地无功补偿。针对无功补偿装备和异步电机负荷,目前大多数的研究主要集中于利用STATCOM无功补偿装备来改善异步电机的低电压穿越特性、异步电机启动时的电压特性以及次同步振荡的稳定性等方面,鲜有文献研究两者之间的相互作用。实际上,在弱电网下,两者之间存在较强的无功功率交换,且从以往的研究中表明,异步电机负荷与其他设备中的电压控制会发生相互作用而导致系统失稳。针对用STATCOM补偿异步电机负荷的系统中,STATCOM的电压控制在弱电网下将主要影响其并网的电压动态,从而影响异步电机负荷吸收的功率。因此,有必要研究异步电机负荷与STATCOM之间在弱电网下的相互作用。

相互作用的基本解释

具有本地无功补偿装备的异步电机负荷与外部电网相连,其吸收的功率主要由两部分构成:1)由外部电网经传输网络供给的异步电动机负荷的功率,这个功率主要是有功功率;2)本地无功补偿装备STATCOM提供的无功功率。弱电网下,异步电机负荷和STATCOM的相互作用较为明显,主要原因有:一方面,当系统处于弱电网状态下时,异步电机需求的无功功率增多,而这些无功功率将主要由STATCOM提供,因而异步电机和STATCOM之间存在较多的功率交换;另一方面,由外部大电网经传输线路输送的有功功率受到异步电机端口电压幅值动态变化的影响,在弱电网下异步电机端口电压幅值的动态特性主要受本地STATCOM端电压控制而决定,因此外部大电网传输到异步电机的有功功率依赖于STATCOM端电压控制的特性,在弱电网下,若STATCOM的端电压控制不当,将可能导致传输至异步电机的有功功率振荡,从而使异步电机转子转速失稳。

相互作用的分析模型

基于对异步电机负荷与无功补偿装备之间相互作用的理解,从功率的角度建立相应的模型。其中异步电机的模型以其吸收的有功、无功功率为输入,定子侧电压幅值和相位为输出,小信号模型如图1所示。

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STACOM的模型与传输网络的模型详见正文。基于特征值与参与因子分析可知,系统的主导模态主要受异步电机负荷和STATCOM端电压控制的影响。随着STATCOM端电压控制积分增益的变化,主导模态的振荡频率在1.6 Hz左右变化。以异步电机的相位运动为研究对象,可以得到整个系统的相互作用分析框图模型,如图2所示。图2中,STATCOM的端电压控制对异步电机的影响表现为图中的传递函数G1(s)和G2(s)。通过对图2提取影响速度ωut变化的阻尼,可以来分析系统的稳定性。

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相互作用的影响因素分析

通过提取图2中速度变化的阻尼项,可以得到表示系统阻尼的传递函数G3(s),则端电压控制对系统稳定性的影响可以通过研究传递函数G3(s)的幅频特性曲线和相频特性曲线来进行分析。

图3为不同积分增益下G3(s)的伯德图,阴影部分对应为系统主导模态的频率振荡范围。根据图3中阴影部分G3(s)的幅频、相频响应特性,图4在相平面给出了积分增益参数变化时的转矩向量。由于采用电动机惯例,当G3(s)与Δωut同相时,阻尼为负,当G3(s)与Δωut反相时,阻尼为正。

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从图4可以看出,一、二象限中转矩向量在Δωut方向投影与Δωut同相,因而为负阻尼区域,三、四象限中由于转矩向量在Δωut方向投影与Δωut反相,因而为正阻尼区域。图3中,当端电压控制的积分增益从30变化到120时,相频特性中对应阴影部分的G3(s)曲线向上移动最终超过90°,对应到图4中,则转矩向量由负阻尼区域变化到正阻尼区域。因此,随着积分增益的增大,系统的阻尼将增加。

仿真验证

通过在MATLAB/Simlink仿真平台中搭建相应的分析系统,并采用分析时所用的参数,可以对上述分析进行时域的仿真验证。图5对比了无功补偿装备有端电压控制和无端电压控制(仅q轴电流控制)两种情况下的异步电机转子转速。在弱电网下,无功补偿装备有端电压控制时,若端电压控制器参数设计不当,异步电机负荷的转子转速将失稳;保证STATCOM输出同等无功功率的情况下,若无功补偿装备无端电压控制,异步电机负荷的转速稳定。

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图6为不同端电压控制积分增益下异步电机负荷转子转速的响应对比,系统在6 s有一个小扰动。从图6可以看出,增大积分增益,系统的稳定性变好。时域仿真和理论分析一致。

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结论

本文基于所提的以有功功率和无功功率为输入、定子侧电压幅值和相位为输出的异步电机小信号模型,分析了弱电网下异步电机负荷与无功补偿装备STATCOM之间的相互作用,揭示了异步电机负荷与无功补偿装备之间相互作用的物理机理。通过本文的分析,发现无功补偿装备中端电压控制器参数的大小会影响异步电机定子侧输出电压矢量相位运动中速度变化的阻尼,减小端电压控制参数,速度变化的阻尼可能不足继而出现系统失稳的现象。尽管增大端电压控制器参数可以改善系统中的阻尼,然而受其他控制环路比如直流电压环和锁相环的影响,端电压控制参数不能无限制的增大,因而在有限的端电压控制器参数设计范围内,应综合考虑实际的情况来进行合理的配置。

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作者及团队介绍

王玎: 华中科技大学电气学院博士研究生,主要研究方向:含异步电机负荷系统机电时间尺度的电压-功角联合稳定分析。

袁小明: 华中科技大学教授,科技部重点领域创新团队“可再生能源并网消纳”团队负责人,国家重点基础研究计划(973计划)项目“大规模风力发电并网基础科学问题研究”首席科学家,国家高技术研究计划(863计划)新型电力电子关键技术及装备主题专家,国家十三五规划智能电网技术与装备重点专项专家组成员,“千人计划”国家特聘专家,教育部科技委能源学部委员。主要研究方向:电力电子化电力系统安全稳定问题研究。

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