一种双馈风电机组短路电流计算方法与流程

1.本发明涉及风力发电系统技术领域，尤其涉及一种双馈风电机组短路电流计算方法。


背景技术：

2.随着双馈风电机组大规模接入电网，其故障暂态特性与传统同步机不同，对电网安全运行产生一定的威胁，因此，有必要深入研究dfig故障机理及对保护造成的影响。
3.目前已有很多学者对并网dfig故障暂态特性开展了一定研究，取得了较多成果。然而，对于crowbar尚未动作的情况，大部分研究仅考虑转子保护未动作时定转子短路电流表达式而未涉及变流器控制，部分学者考虑转子侧变流器调控作用下的双馈发电机暂态特性，但未考虑网侧变流器调控作用。对于crowbar动作的情况，目前已有较多针对crowbar接入后的dfig短路电流特性的研究，但在分析过程均做了一些近似和假设，所得的电流表达式精度有待于提高，无法准确分析dfig低电压穿越的短路特性。


技术实现要素：

4.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种双馈风电机组短路电流计算方法，用以解决现有双馈风电机组短路电流计算准确性不足的问题。
5.一种双馈风电机组短路电流计算方法，具体包括以下步骤：
6.步骤1、采集故障发生后双馈风机机端电压跌落深度和机组运行参数。所述机组运行参数包括：稳态定子电压、定子磁链幅值、机组有功和无功输出参考值、转差率、转子转速。
7.步骤2、建立考虑转子变流器暂态调控影响的双馈风机故障等值网络，计算crowbar未接入情况下的双馈风机短路电流。
8.所述步骤2的子步骤包括：
9.子步骤201：建立考虑转子变流器暂态调控影响的双馈风机故障等值网络，计算故障等值网络中定转子短路电流。
10.双馈风机并网系统在同步旋转坐标系下矢量数学模型为：
11.us＝r
sis
pψs jω1ψs12.ur＝rrir pψr jωψr13.ψs＝l
sis
lmir14.ψr＝l
mis
lrir15.式中：ω1是同步角速度，ω＝ω
1-ωr是转差角速度，即同步角速度与转子角速度的差值。lm、ls、lr分别是等效的励磁电感、定子电感和转子电感；us、ur、is、ir、ψs、ψr分别是双馈发电机定、转子电压、电流和磁链的空间矢量；
16.电网发生故障时，建立考虑转子变流器暂态调控影响的dfig故障等值网络，将其分解为正常运行网络和故障附加网络。故障附加网络不仅受定子侧附加电源控制，即δus＝-au
s0
，其中a是机端电压跌落深度率，u
s0
是正常运行网络下的机端电压矢量；若忽略开关暂态，并设rsc电流回路闭环宽代足够大，rsc交流侧电压可无差跟踪参考值，则转子侧故障附加电源可以表示为：
[0017][0018]
式中，δi
r*
为故障附加网络中转子电流参考值矢量，δir为故障附加网络中转子电流增量，k
p
、ki为转子变流器电流内环pi控制器的比例参数和积分参数。
[0019]
假设在t＝t1时刻，电网发生对称短路，正常运行网络下的定转子电流表达式为：
[0020][0021]
式中，ψ
sm
是定子磁链幅值，p
s.ref
、q
s.ref
分别是定子侧有功和无功功率的参考值。
[0022]
故障附加网络下的定转子短路电流增量为：
[0023]
δir＝δi
r0
δi
rm
δi
r1
[0024]
δis＝δi
s0
δi
sm
δi
s1
[0025]
其中，δi
r0
、δi
s0
分别是定转子电流强制分量，δi
rm
、δi
sm
分别是故障附加网络下的定转子暂态直流分量，δi
r1
、δi
s1
分别是定转子暂态自然电流分量：
[0026][0027][0028]
子步骤202：推导定子短路电流二倍频分量表达式。
[0029]
根据pwm调制原理，gsc的2f1频电流分量，经过双pwm调制将在转子侧产生相对于定子的2f1谐波电流分量，此电流产生的旋转磁场相对于转子绕组本身角速度是2ω
1-ωr＝(1 s)ω1，该电流表达式为：
[0030][0031][0032]
其中：
[0033]
[0034]
式中，u
gc(2f1)
是gsc交流侧调制信号中频率为2f1的电压分量；u
tri
是载波信号幅值；s
sr
为转子(1 s)f1电流分量等效电路的等效转差，x’s
(1 s)为归算至转子绕组的等效定子漏感，x’m
(1 s)为等效互感。
[0035]
子步骤203：根据子步骤201求得的故障等值网络中定转子短路电流和子步骤202求得的定子短路电流二倍频分量，按照叠加定理得到定转子短路全电流表达式。
[0036]
电网发生对称故障时的定转子短路全电流为：
[0037]is
＝i
s0
δis i'
s(1 s)
[0038]
ir＝i
r0
δir i
r(1 s)
[0039]
式中，i
s0
、i
r0
是正常网络下的电流增量；δi
s0
、δi
r0
是故障附加网络下的电流增量；i'
s(1 s)
、i
r(1 s)
是综合双侧变流器暂态调控下的电流谐波增量。
[0040]
将定转子短路全电流表达式归算到定子三相静止坐标系，得到短路电流瞬时表达式为：
[0041][0042]
式中，c
2r/3s
是两相旋转到三相静止的坐标变换矩阵；x＝s时，是定子电流电气量，则ωy＝ω1；x＝r时，是转子电流电气量，则ωy＝ω。θ1是t＝0时刻同步旋转坐标系d轴超前于a轴的角度。
[0043]
步骤3、计算crowbar接入情况下的双馈风电机组短路电流。
[0044]
定转子绕组采用电动机惯例的含crowbar的典型dfig等效电路如图3所示。其同步旋转坐标下的矢量数学模型为：
[0045]usc
＝r
sisc
pψ
sc
jω1ψ
sc
[0046]urc
＝r
rcirc
pψ
rc
jωψ
rc
[0047]
ψ
sc
＝l
sisc
l
mirc
[0048]
ψ
rc
＝l
misc
lri
rc
[0049]
假设电网在t＝t2时刻发生三相对称短路，忽略机端电压相位跳变，短路前后机端电压矢量可表示为：
[0050][0051]
可得定子磁链一阶微分方程：
[0052][0053]
由于crowbar动作，转子电压瞬间变为零，可得定子磁链二阶微分方程为：
[0054][0055]
式中：
[0056][0057]
通过求解微分方程，可得短路后定子磁链包含通解和特解两部分：
[0058]
ψ
sc
＝ψ
scf
ψ
scn
[0059]
特解ψ
sf
是定子磁链的强制分量，其值与电机参数和转速有关：
[0060][0061]
其特征方程为：
[0062]
s2 λ1s λ2＝0
[0063]
定子磁链自然分量的特征根为：
[0064][0065]
定子磁链自然分量可表示为：
[0066][0067][0068]
关于转子磁链的二阶微分方程为：
[0069][0070]
电网发生对称故障后转子磁链表达式为：
[0071][0072][0073]
定子电流与定转子磁链的关系式为：
[0074][0075]
根据定转子磁链与定子电流之间的关系式，可得定子短路电流表达式为：
[0076]isc
＝i
scf
i
scn1
i
scn2
[0077]
[0078][0079][0080]
归算到三相静止坐标系，定子短路电流瞬时表达式为：
[0081][0082]
本发明的有益效果为：提出了一种双馈风电机组短路电流计算方法。与传统方法相比，本发明考虑转子变流器暂态调控影响，分别计算crowbar未接入的和crowbar接入后的dfig短路电流，提高了短路电流计算的准确度。
[0083]
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
[0084]
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0085]
图1：一种双馈风电机组短路电流计算方法结构图
[0086]
图2：dfig并网系统等效电路
[0087]
图3：crowbar接入后的dfig故障等效电路
[0088]
图4：crowbar未接入情况下的定子短路电流
[0089]
图5：crowbar接入情况下的定子短路电流
具体实施方式
[0090]
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
[0091]
本实施例基于rtds搭建2wm双馈风机单机无穷大系统仿真模型。dfig参数如下：额定功率2mw，额定频率50hz，定子额定电压690v，定子电阻0.0054pu，转子电阻0.00607pu，定子漏感0.102pu，转子漏感0.11pu，互感为4.362pu，惯性时间常数0.5s，定转子绕组比0.3。风机参数如下：额定功率2mw，风机半径40m，额定风速为12m/s，最佳风能利用系数0.28，空气密度1.225kg/m^3。双馈风力发电系统的变流器参数见表1。
[0092]
表1 dfig并网系统的变流器仿真参数
[0093][0094]
本实施例设置场景1为：t＝2s时刻，变压器高压侧发生三相对称短路故障，故障持续0.5s，dfig机端电压跌落约至60％，采用稳态运行的转速，crowbar未接入的dfig定子三相短路电流计算结果如图4所示。
[0095]
图4中，定子短路电流计算值与仿真值的大小和变化趋势吻合，且暂态衰减明显，符合故障时刻以及故障过程中的定子短路电流暂态特性。
[0096]
本实施例设置场景2为：t＝2s时刻，变压器高压侧发生对称短路故障，转子电流增大，crowbar保护动作。crowbar未接入的dfig定子三相短路电流计算结果如图5所示。
[0097]
图5中，定子短路abc三相电流计算结果和仿真结果基本一致，暂态分量不断衰减，可反应crowbar保护动作后的定子短路电流故障特性，验证了本文推导的对称故障定子短路电流表达式的正确性。特别是前两三个周波的波形吻合很好，三个周波之后的电流波形由于计算中电机转速采用稳态转速，有微小的偏差，但考虑到故障暂态时间较短，可以忽略稳态转速带来的误差。
[0098]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
[0099]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。