一种计及换流器前馈控制暂态的双馈风机短路电流峰值计算方法与流程

本发明涉及配电网保护与控制，尤其涉及一种计及换流器前馈控制暂态的双馈风机短路电流峰值计算方法。

背景技术：

1、风电在配电网中的接入比例不断提高，双馈型风机因其变速恒频运行能力和较成熟的并网控制方式得到了广泛应用。与输电网相比，配电网线路阻抗较大，故障点位置分散，且短路故障常伴随较大的过渡电阻，使得风机机端电压跌落程度往往呈现轻度或中度暂态跌落特征。在该类故障场景下，双馈风机通常不会立即投入crowbar硬件保护，而是保持转子侧变流器受控运行，并通过低电压穿越控制调节转子电流参考值，以支撑机端电压并限制故障电流。

2、然而，在转子侧变流器受控运行阶段，双馈风机的短路电流不再仅由电机本体电磁暂态决定，而是受到转子侧变流器电流环控制、比例积分调节器、解耦前馈补偿项以及定转子磁链耦合关系的共同影响。尤其是在典型解耦前馈控制结构下，故障前后控制结构虽保持一致，但机端电压跌落会引起电流参考值切换和控制暂态响应，使定子短路电流中同时包含稳态直流分量、非衰减同步频分量以及衰减同步频分量。各分量之间的幅值、相位和衰减特性相互耦合，导致短路电流峰值时刻不再简单对应于工频半周期或稳态电流最大值时刻。

3、现有配电网短路电流计算方法多面向同步电源或等效电流源模型，常将双馈风机在故障期间的输出电流简化为稳态受控电流，或主要关注电压深度跌落下crowbar投入后的无控暂态过程；对于未触发crowbar保护的转子侧变流器受控运行阶段，虽有部分方法考虑了低电压穿越控制下的电流限幅特性，但往往忽略转子侧变流器前馈补偿项对暂态分量相位、衰减过程及分量耦合关系的影响，难以准确表征非衰减同步频分量与衰减同步频分量合成后形成的动态旋转分量，进而容易在配电网轻度故障或高过渡电阻故障场景下造成短路电流峰值大小和峰值出现时刻的计算偏差；同时，若直接基于双馈风机完整电磁暂态方程和转子侧变流器控制方程求取短路电流峰值，则通常需要对高阶暂态解析式进行全时域求导、遍历搜索或数值迭代，计算过程复杂，难以满足工程短路计算、断路器开断能力校验、设备选型及继电保护整定中的快速应用需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种计及换流器前馈控制暂态的双馈风机短路电流峰值计算方法，解决上述技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种计及换流器前馈控制暂态的双馈风机短路电流峰值计算方法，具体步骤如下：

3、步骤1：获取配电网短路故障导致的双馈风机机端电压跌落深度与故障前稳态运行潮流数据；

4、步骤2：针对未触发crowbar保护的转子侧变流器受控运行阶段，建立计及转子侧典型解耦前馈控制结构与双馈风机本体电磁暂态耦合的全局解析模型，并提取定子短路电流中的直流分量、非衰减同步频分量和衰减同步频分量；

5、步骤3：将非衰减同步频分量与衰减同步频分量进行几何合成，得到具有动态模值与相角的合成旋转分量；建立基于合成旋转分量幅值衰减的非线性相对转速数学模型；

6、步骤4：根据故障发生时刻截取极值发生区间，并对极值发生区间内的非线性相对转速数学模型进行线性化处理，得到关于合成旋转分量的线性化分量，根据关于合成旋转分量的线性化分量与直流分量在空间矢量图中相位重合位置确定极值时刻，将极值时刻代入全局解析模型得到配电网短路故障下最大短路电流峰值。

7、优选的，在步骤2中，通过双馈风机的定转子电压方程、磁链方程与包含比例积分调节器及前馈补偿项的转子侧变流器控制方程进行联立提取直流分量、非衰减同步频分量和衰减同步频分量，具体过程如下：

8、确定rsc阶段控制结构中定转子电流参考值，根据转子侧变流器统一控制结构和忽略电阻后的电磁方程式，定子侧有功功率和无功功率满足如下公式：

9、；

10、其中，和分别为定子的d轴电压和q轴电压，和分别为定子的d轴磁链和q轴磁链，和分别为定子的d轴电流和q轴电流，和分别为转子的d轴电流和q轴电流，为定子电感，为定子与转子之间的互感，为同步角频率；

11、当机端电压跌落程度未达到crowbar投入阈值且已进入低电压穿越控制区间时，rsc仍保持投入运行，电流环将指定参考值切换为机端电压相关的设定参考值（根据现行陆上风电国标所规定设置）。为满足定子侧电流参考值的输出，dq坐标下转子电流内环指令值如下：

12、；

13、其中，和分别为转子的d轴参考电流和q轴参考电流；和分别为定子的d轴参考电流和q轴参考电流；为总电流限幅值，为计算电压值，为无功电流系数；

14、对于典型解耦前馈补偿项，电磁方程的转子电压等效变形如下：

15、；

16、其中，和分别为同步旋转坐标系下的定子电压和转子电压，为同步旋转坐标系下的定子磁链，和分别为同步旋转坐标系下的定子电流和转子电流，和分别为定子电阻和转子电阻，为定子磁链耦合系数，，为转子侧暂态电感，，为定子电感，为转子电感，为定子与转子之间的互感，为转差角频率，为时间，为虚数单位；

17、典型解耦前馈针对正常运行控制下的

dq轴解耦，故障前后结构不变，对于故障前后保持一致的解耦控制结构，其拉氏域下转子电压参考值满足如下公式：

18、；

19、其中，

s为频域，为同步旋转坐标系下的转子电压参考值，为同步旋转坐标系下的转子电流参考值、为典型前馈结果的同步旋转坐标系下的转子电流、为典型前馈结果的同步旋转坐标系下的定子磁链；和分别表示比例系数和积分系数；

20、转子电压能追踪参考值，并将拉氏域下转子电压参考值与电磁暂态方程联立，用定转子电流表示定转子磁链，忽略定转子电阻以及积分系数，得到：

21、；

22、其中，

k为故障电压跌落程度系数，为同步旋转坐标系下的故障前定子电压初值，为同步旋转坐标系下的故障前转子磁链初值。

23、采用拉氏反变换或零输入零状态响应叠加法求解得到时域定子电流表达式如下：

24、；

25、其中，、以及分别为同步旋转坐标系下的非衰减直流分量、衰减同步频分量和衰减直流分量，和为衰减时间常数，为角频率，且有：

26、；

27、在dq坐标下的衰减同步频分量近似为非衰减同步频分量，进而三个分量的表达式如下：

28、

29、非衰减直流分量、近似为非衰减同步频分量和衰减直流分量化简为：

30、；

31、其中，为故障前相角初值；

32、化简公式满足，则有：

33、；

34、最终两相静止坐标系下的定子短路电流整理简化后表示为：

35、；

36、其中，、以及分别为两相静止坐标系下的非衰减同步频分量、非衰减直流分量和衰减同步频分量，为电流分量的相角修正。

37、优选的，在步骤3中，采用空间矢量分析法进行非衰减同步频分量与衰减同步频分量的几何合成，非衰减同步频分量与衰减同步频分量矢量相加得到合成旋转分量。

38、优选的，非衰减同步频分量与衰减同步频分量同步旋转，非衰减同步频分量与衰减同步频分量的空间固有夹角

θf1不变，则令：

39、；；为非衰减同步频电流分量的幅值、为衰减同步频分量的初始幅值。

40、根据正弦定理得到关于非衰减同步频分量与衰减同步频分量的合成向量与非衰减同步频分量的夹角的方程并求其导数：

41、；

42、非衰减同步频分量与衰减同步频分量在故障初始时刻的幅值比为动态参数，，为变量为时间的幅值比函数，合成旋转分量的瞬时转速受分量指数衰减特性影响，非线性相对转速数学模型如下：

43、；

44、其中，为合成旋转分量的瞬时转速。

45、优选的，极值发生区间为故障发生时刻至故障发生后半个周期，即0.01s。

46、优选的，线性化处理采用单调性拐点分段线性化、全局转速特性曲线整体线性化或区间端点均值等效线性化。

47、优选的，采用区间端点均值等效线性化方法对极值发生区间进行线性化，根据极值发生区间的端点计算等效计算平均转速，提取合成旋转分量与直流分量在故障初始零时刻的初始空间相位差，初始空间相位差除以等效计算平均转速得到极值时刻。

48、因此，本发明采用上述一种计及换流器前馈控制暂态的双馈风机短路电流峰值计算方法，具有的有益效果为：摒弃对复杂非线性电气方程的直接求导，转而利用空间矢量，并构建分量合成后的转速曲线，进而利用矢量分析得到单机短路电流峰值，方法简单，在避免复杂全时域数值迭代的同时，提高了配电网轻度短路故障下短路电流峰值计算的准确性和工程适用性，为配电网保护整定提供了可靠依据。

49、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。