大容量双馈风电场送出线路差动保护的研究

摘要

风能以其清洁性、可再生性以及丰富的储量而得到了优先发展。风力发电机是以随机的和不可控的自然风为原动力的，这将造成风力发电具有不稳定性。当数量较多、容量较大的双馈风电机组汇集而成的大容量风电场并入系统时，必然会对送出系统的继电保护造成一定的影响。因此，研究大容量双馈风电场送出系统的继电保护性能很有必要。
　　首先，建立了双馈风力发电机及其控制系统的数学模型，研究了低电压穿越特性及转子Crowbar保护电路的接线形式，再利用MATLAB/Simulink仿真软件搭建了双馈风电场送出系统仿真模型，通过分析风电场送出线路的各种短路故障及其故障电流，验证了双馈风电场故障电流具有频率偏移特性与弱馈特性。
　　其次，研究了大容量双馈风电场送出线路故障选相元件的改进方法。由于双馈风电场送出线路短路电流具有频偏特性与弱馈特性，导致送出线路故障选相元件可能选相失败。为了消除频偏特性与弱馈特性的影响，采用经相模变换后的模故障分量结合形态谱分析的新方法进行故障选相。仿真结果表明，所提出的模故障分量结合形态谱进行双馈风场送出线路故障识别的方法是可行有效的。
　　最后，研究了大容量双馈风电场送出线路电流差动保护的改进方法。在送出线路发生故障的情况下，传统傅里叶工频算法不能准确地提取故障电流工频分量，有可能导致电流差动保护元件的灵敏度降低，甚至不正确动作，为此提出了基于ESPRIT算法的电流差动保护改进方法。运用MATLAB/Simulink仿真验证了ESPRIT算法能够准确地提取出两侧基波故障分量电流，使电流差动保护能够准确动作，同时将ESPRIT算法与Prony算法进行比较，结果表明ESPRIT算法具有更高的信号提取精度。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 低电压穿越的研究现状

1．2．2 微机保护算法的研究现状

1．3 本论文的主要工作

2 双馈风电机组建模

2．1 双馈风力发电机工作原理

2．1．1 传统风力机数学模型

2．1．2 双馈风力发电机数学模型

2．1．3 变流器及其控制系统数学模型

2．1．4 Crowbar保护

2．2 双馈风力发电系统的仿真实现

2．2．1 仿真软件的简单介绍

2．2．2 双馈风力发电机的MATLAB模型

2．2．3 功率变换器的MATLAB模型

2．3 本章小结

3 短路电流特性分析

3．1 短路电流表达式

3．2 频偏特性

3．3 弱馈特性

3．4 本章小结

4 故障选相元件的影响与改进

4．1 对故障选相元件的影响分析

4．1．1 电流序分量选相元件

4．1．2 相电流差突变量选相元件

4．2 数学形态谱

4．2．1 数学形态学概述

4．2．2 多尺度形态学运算

4．2．3 形态谱的提取

4．3 基于形态谱的故障选相改进方法

4．3．1 相模变换

4．3．2 结构元素的选取

4．3．3 提取形态谱

4．4 仿真验证及结果

4．4．1 相模变换仿真结果

4．4．2 形态谱提取结果

4．5 本章小结

5 电流差动元件的影响与改进

5．1 线路差动保护原理与配置

5．1．1 稳态量差动原理

5．1．2 故障分量差动原理

5．1．3 对差动元件的影响

5．2 送出线路差动保护性能测试

5．2．1 仿真模型建立

5．2．2 仿真结果分析

5．3 基于ESPRIT技术的差动保护性能分析

5．3．1 常用工频分量提取算法

5．3．2 空间谱估计数学模型

5．3．3 ESPRIT算法原理

5．3．4 ESPRIT算法的信号辨识测试

5．3．5 基于MATLAB的差动保护性能仿真

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况