Analysis of Short-circuit Characteristics and Calculation of Steady-state Short-circuit Current for DFIG Wind Turbine

Large-scale doubly-fed induction generator(DFIG)wind turbines are connected to the grid and required to remain grid-connection during faults,the short-circuit current contributed by the generation has become a significant issue.However,the traditional calculation methods aiming at synchronous generators cannot be directly applied to the DFIG wind turbines.A new method is needed to calculate the short-circuit current required by the planning,protection and control of the power grid.The short-circuit transition of DFIG under symmetrical and asymmetric short-circuit conditions are mathematically deduced,and the short-circuit characteristics of DFIG are analyzed.A new method is proposed to calculate the steady-state short-circuit current of DFIG based on the derived expressions.The time-domain simulations are conducted to verify the accuracy of the proposed method.

基于扰动观测器的五相永磁同步电机开路和短路容错矢量控制

针对反电动势含有3次谐波的五相永磁同步电机(PMSM)开路和短路故障导致转矩脉动大的问题,该文提出一种基于扰动观测器的矢量控制(DOB-FOC)策略。该策略基于降阶正交变换矩阵在同步旋转坐标系上建立PMSM开路故障情况下的基波模型,将3次谐波反电动势、短路电流等作为扰动信号。在此基础上,设计扰动观测器,观测出以上扰动导致的转矩脉动,将其转化为q轴补偿电流前馈到q轴电流指令中,有效地抑制了故障导致的转矩脉动,并且实现了PMSM在开路和短路故障情况下的平稳无扰运行。仿真和实验结果验证了所提容错策略的有效性。

基于开口变压器法的交流电机定子非激励相绕组匝间短路检测研究

为了解决交流电机定子绕组中线圈绝缘损伤引起匝间短路故障无法准确、快速定位的问题,提出将检测转子绕组匝间短路的开口变压器法移植到检测交流电机定子绕组匝间短路,定子单相添加激励源,非激励相绕组设置故障点,开口变压器检测故障点所在槽,分析故障前后开口变压器绕组感应电动势的变化。首先阐述开口变压器检测定子非激励相的工作原理,分析正常和故障状态下通过开口变压器铁心漏磁通的表达式,进一步得到开口变压器绕组感应电动势表达式,获取故障变化规律。随后建立交流电机电磁仿真模型,进行仿真分析,最后用一台定子样机进行实验验证。结果表明:故障状态下,随着故障程度的加深,故障点所在槽的开口变压器感应电动势随之减小,证明了开口变压器可以作为离线检测交流电机定子非激励相绕组匝间短路故障的有效手段。

基于短时傅里叶变换和深度网络的模块化多电平换流器子模块IGBT开路故障诊断

针对现有模块化多电平换流器(MMC)子模块故障诊断过程中所需传感器较多、测量干扰较大等问题,提出一种基于深度学习的MMC子模块IGBT开路故障诊断方法。在对MMC子模块开路故障特征进行分析的基础上,利用短时傅里叶变换(STFT)提取桥臂电压信号的谐波分量信息作为故障诊断所需的特征参数。将所得到的特征参数进行处理后构建故障诊断样本,在通过深度置信网络实现故障类型快速检测的基础上,依据不同故障类型,构建多个基于卷积神经网络的故障定位网络,进而实现开路故障的检测与定位。通过129电平的MMC系统仿真模型和降功率的MMC实验系统搭建,对该文所提方法进行了验证。仿真和实验结果表明,所提故障诊断方法可以在减少传感器数量的基础上实现子模块开路故障的诊断,提高系统的可靠性。

72.5 kV快速真空断路器技术研究及开发

短路故障的快速切除对提高电网输电线路的输电能力和提高电力系统暂态稳定性至关重要。快速真空断路器是实现短路故障快速切除的理想选择。文中目标是设计一款新型单断口72.5 kV快速真空断路器并对其短路电流开断性能进行验证。采用具有多重悬浮屏蔽罩与轻量化技术的72.5 kV真空灭弧室用作灭弧器件,电磁斥力机构用作操动机构,一款特殊设计的油阻尼器用作速度调节器。为满足短路电流开断要求,依据阳极放电模式将分闸速度特性定量化调控为:前15 mm行程内平均分闸速度v1为5 m/s,满开距30 mm内平均分闸速度v2为1.59 m/s。经测试,开发的72.5 kV快速真空断路器的分合时间分别为(1.2±0.04)ms和(18±0.20)ms;进行了T100s(b)方式下的40 kA(rms)和80 kA(rms)的短路开断性能验证。开断结果显示,研制的72.5 kV单断口快速真空断路器满足了国标GB 1984—2014全燃弧时间窗口开断要求。

宽带滤波器传输线法去嵌的研究

为准确获取谐振器材料参数,采用开路短路法、集总参数法、传输线法三种方法分别对谐振器进行去嵌,并分析去嵌对滤波器产生的影响。其中传输线法去嵌无需流片,仿真即可得出谐振器测试结构的寄生参数。采用传输线法对串联、并联谐振去嵌,并运用去嵌后的谐振器材料参数搭建滤波器,滤波器采用九阶π型电路拓扑结构,其带宽为160 MHz,阻带抑制为-25 dB。证实谐振器的测试结构对宽带声表面波滤波器带宽、阻带和零点造成影响,使得去嵌后的滤波器左侧零点向低频偏移,低频抑制上升,高频抑制下降,通带插入损耗增加。

新型电磁感应式无源触发器分析与设计

针对混合型限流熔断器中电子触发器存在的有源触发和不能全范围分断问题,该文提出了一种能够实现无源供电且具备全范围分断能力的新型电磁感应式无源触发器方案。首先介绍了新型触发器的工作原理,开展了自感应供电、幅值整定两个内容的分析设计;然后利用有限元仿真软件将电磁场和电路进行耦合建模,基于该模型分析了铁芯线圈磁感应强度随位置的变化特性;提出了采用单霍尔芯片进行短路电流幅值判断的方法,减小了芯片的功耗,从而解决了新型触发器在低上升率工况下感应供电不足的问题;同时为了提高触发器的可靠性,设计了延时控制电路;最后根据设计参数制造样机,在短路判断幅值10 kA的限流条件下分别对混合型限流熔断器进行了8 A/μs最小短路电流上升率和33 A/μs最大短路电流上升率的检测试验,试验结果验证了分析设计方法的可行性和有效性。

感应电机匝间短路暂态分析及实用辨识方法

感应电机匝间短路是常见的故障类型,可能引发相间短路或接地短路,严重影响系统稳定性。针对电机匝间短路暂态分析及辨识问题,基于匝间短路模型分析了故障期间定子电流、电磁转矩、转速的暂态特性,研究了不同故障支路电阻与短路绕组系数对短路电流的影响。在此基础上,提出了一种以电流矢量为特征量的匝间短路实用辨识方法,最后通过一台1600 kW感应电机验证了方法的有效性。

基于DITC的开关磁阻电机功率变换器容错控制方法

针对开关磁阻电机(SRM)功率变换器中开路故障和短路故障导致的相电流和转矩异常情况,提出了一种容错控制方案。通过分析转速波动的机械运动方程,设计了基于参考转矩补偿的开路容错控制算法,以应对开路故障带来的相电流和转矩过大的问题。针对开关管短路故障,通过分析故障相关断区间内电流峰值和斜率变化特性,实现了对短路故障的及时诊断。一旦发现短路故障,将立即阻断故障相的励磁,并切换至开路故障模式,从而实现短路容错控制。两种故障容错方法均建立在直接瞬时转矩控制(DITC)的基础上。设计了转速分别为500 r/min和1000 r/min时开路、短路故障实验,仿真结果验证了该容错控制的正确性和有效性。

双馈风机故障穿越短路电流计算方法

双馈风电场故障穿越短路电流控制策略和保护电路比较复杂,导致现有短路计算过程繁琐、短路电流计算精确度不足,对当地电网的安全运行产生了较大影响。为了应对这一挑战,提出一种短路电流统一计算方法,以实现双馈风机故障穿越期间输出短路电流的精确数学解析计算。所提出的方法主要包括:1)充分考虑故障穿越期间的不同内部保护电路和控制策略,并建立全过程统一状态空间模型,故障穿越全过程包括撬棒保护阶段、去磁控制阶段和无功电流补偿阶段;2)建立基于定子电压和定子磁链的统一状态空间模型和定子输出短路电流计算方法;3)基于时频时域的拉普拉斯变换揭示了定子侧和网侧变流器的故障电流贡献机制,并将其表示为统一的短路电流表达式。大量测试结果验证了所提出方法的正确性和有效性。

CT二次回路故障检测防误闭锁装置的研究和应用

继电保护装置在发配输环节中必不可少,其电流采样需使用电流互感器(CT)获取。如果CT的端子接线松动、绝缘老化、外皮破损致使其故障以及人为误操作等,就可能造成CT二次回路的短路或开路现象。提出一种CT二次回路故障检测防误闭锁装置,采用了模块化的设计,施工简单,适用于大部分现有保护装置的改造,可适用于各种类型微机保护、自动化以及计量装置的CT二次回路短路故障检测和中性线断线检测,可避免继电保护装置误动作,防范人为误操作和检修质量不到位造成的故障,给操作者提供容错机会。

DFIG定子绕组匝间短路故障下的调频优化策略研究

定子绕组匝间短路故障是造成双馈风力发电机功率突变,进而导致系统频率下降常见的高风险故障,同时由于速度和频率之间的解耦控制,在频率波动时很难对系统提供动态支持。针对上述问题,提出基于附加转矩控制的复合频率控制策略。首先构建定子绕组匝间短路故障数学模型,分析故障对频率的影响特性,然后基于传统的频率控制方法提出基于附加控制器的复合惯性频率控制策略;最后通过仿真平台验证所提控制策略在定子绕组匝间短路下的表现特性。结果表明,复合频率控制降低了频率变化率,减少了定子绕组匝间短路故障后频率的漂移。复合频率控制在定子绕组匝间短路下能够提供频率的动态支持,改善了匝间短路故障下弱电网的频率下降问题,提高了系统的鲁棒性。

考虑纵向动态边端效应的短初级直线感应电机等效电路改进模型

直线感应电机由于纵向动态边端效应的存在,在运行过程中会产生附加损耗和附加力,使得电机性能表现变差。针对该问题,本文从传统等效电路出发,通过在原有励磁支路上添加并联边端效应支路的方式,构建了考虑纵向动态边端效应的短初级直线感应电机等效电路改进模型,并推导了边端效应支路上的电磁参数。试验结果表明,本文提出的等效电路改进模型与传统等效电路相比,推力计算误差更小,验证了本文提出的改进模型准确性。

基于双馈风电场的三相短路电流计算及保护方法

新能源发电技术在电力系统中逐渐占据越来越大的比重。为了实现电力系统安全运行的稳定性,需要了解系统故障的影响,根据双馈风力发电机的撬棒动作情况以及相关暂态特性完成短路电流计算。通过建立双馈风力发电机模型,并根据双馈风力发电机在三相短路故障期间投入的撬棒保护,对风机内在机理的动态变化进行分析,精确计算定转子磁链在故障期间的变化情况,从而得到撬棒动作时的新三相短路电流计算方法。最后通过PSCAD/EMTDC进行仿真验证,并利用Matlab检验计算方法的精确度。同时根据风场的低电压穿越能力与电流保护装置的特性,提出一种针对双馈风电场的低电压穿越保护方案。该方案根据低电压穿越能力的电压变化要求以及短路电流的大小协作完成对线路的保护,以便清除故障后风场电压可以及时恢复并且保持并网运行,且在一定程度上可应对低电压穿越能力的延时问题。

异步电机综合故障实验教学平台设计与开发

由于异步电机实验教学平台多是针对正常工况设计开发的,缺乏对故障状态的模拟和分析,因此造成了教学和实际需求的脱节。该文设计开发的异步电机综合故障实验教学平台可以开展定子绕组匝间故障、转子断条故障、轴承故障实验和在线诊断,该平台综合了异步电机拆解与组装、故障特征分析以及数字信号处理技术的实际应用,有助于学生深入理解相关知识,提升实际动手能力。

开口变压器法检测汽轮发电机转子绕组故障的有效性验证

精确、快速检测出汽轮发电机转子绕组短路故障,可以有效缩短故障处理时间、降低停机成本。本文对开口变压器检测转子绕组匝间短路时的感应电压进行了特征分析,指出感应电压在故障前后的相位变化。随后利用有限元软件搭建了一台300MW汽轮发电机的转子模型,设置不同的匝间短路程度和短路位置,获取相对应的开口变压器的感应电压,验证了通过感应电压变化判断转子绕组匝间短路的有效性。

基于风速时空分布的双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障特性分析

考虑由风剪切和塔影效应引起的叶轮扫掠面内风速时空分布,研究考虑风速时空分布的双馈风力发电机组机械和电气故障特性。首先,建立了考虑风速时空分布的等效风速模型,分别推导得到了考虑风速时空分布前后的风力发电机组机械转矩、转速,正常运行时和定子绕组匝间短路故障时定子电流的解析表达式及其变化特性;其次,在Matlab/Simulink平台搭建双馈风力发电机模型和故障模型,对定子电流进行频谱分析;最后,在风力发电机组故障模拟实验台进行了实验测试与研究。结果表明:考虑等效风速后,定子绕组匝间短路故障时定子电流中除了基频和基频的奇数倍,还会有调制频率3kfw。

基于换流–短路双回路解耦的SiC MOSFET功率器件抗短路封装构型设计

由于栅极氧化层可靠性差、短路电流密度大以及短路结温上升速率高,SiC MOSFET功率器件的短路耐受能力较弱,制约着其在电能变换领域的广泛应用。在此背景下,为了提升SiC MOSFET功率器件的短路耐受能力,文中基于换流–短路双回路解耦的思想,设计出具有抗短路能力的SiC MOSFET功率器件封装构型。该构型将半桥中的两个换流回路在功率器件内部解耦,两换流回路的中点各自连接一个交流功率端子(AC+、AC-)。与现有半桥封装构型相比,抗短路构型功率器件的换流电流路径和换流电感Lσ不变,而当发生桥臂直通短路故障时,短路电流因需要额外流经AC+和AC-交流功率端子而延长了短路路径,同时DC功率端子与AC功率端子之间的互感进一步增大了短路回路电感Lsc。基于34mm封装构型设计制造具有抗短路极限工况能力的650V/162A SiC MOSFET功率器件,其短路故障回路电感达到了115nH,是正常换流回路电感的3.6倍;并且,通过短路实验验证所设计的构型相比于现有设计,短路电流峰值降低了20.07%,发热功率降低了21.41%,短路过程中的总发热量降低了30.04%,验证了所设计封装构型具有一定的抗短路性能。

基于开口变压器法的交流电机定子铁心短路故障检测

为了简便、可靠地检测和定位交流电机定子铁心叠片的片间短路故障,缩短机组维修和停运时间,提出利用开口变压器法检测交流电机定子铁心故障的方法。首先推导定子铁心正常和叠片片间短路故障情况下开口变压器铁心的磁通特征,进一步得到开口变压器感应电压的表达式,预测了片间短路故障的感应电压特征。然后以一台QFSN-300-2型汽轮发电机定子作为研究对象,通过二维有限元电磁模型进行仿真验证,进一步在一台小型异步电机定子铁心上进行实验验证。仿真和实验结果表明:在定子铁心正常情况下,开口变压器线圈在定子铁心各槽的感应电压都很小;当定子铁心某槽发生片间短路时,开口变压器线圈在该槽的感应电压随之升高,并且感应电压的幅值随着故障位置和故障程度不同而有所差异,证明了开口变压器法可用于检测交流电机定子铁心叠片片间短路故障。