基于转子侧双限流回路设计的双馈风机低电压保护方法

1.本发明属于电网保护技术领域，具体涉及基于转子侧双限流回路设计的双馈风机低电压保护方法。


背景技术：

2.传统电力系统正逐步向着高比例可再生能源电力系统发展。双馈风机等新能源机组代替传统发电机组接入系统后，会在电网电压跌落时表现出不同的故障特性。为防止机组脱网，通常会使用撬棒电路来实现双馈风力机组的低电压穿越。
3.目前有关撬棒保护动作的双馈风机低电压穿越研究中，均假设撬棒电阻在故障发生时刻迅速投入，但实际上由于机组控制系统的原因，故障发生瞬间撬棒电阻不会立即投入，而是受不同故障类型下电压跌落程度的影响，经过一定的延迟再投入。撬棒保护动作的延时将会使得转子侧产生较大的冲击电流，不利于风力机组的安全稳定运行。
4.针对双馈风机在故障时撬棒保护投入的时间问题，现有研究都是考虑投入时间先后所带来的影响并作了定性分析，但是还未提出与之相适应的解决办法。
5.同时，传统撬棒阻值多按照三相对称故障时，电压跌落最为严重的情况来整定，撬棒阻值选择过大虽然可以有效抑制转子过电流，加快转子电流衰减速度，但是撬棒两端电压过大会使得转子侧变流器二极管导通，导致直流母线电压在短时间内迅速抬升，而直流母线电压过高又会对直流母线电容和变流器造成损坏。
6.因此有必要根据电网电压的实际跌落程度，研究不同故障类型电压跌落后的双馈风机电流特性，对于撬棒阻值的整定更具有实用价值，并投入相应的撬棒阻值，来抑制转子过电流，提高双馈风机的低电压穿越性能。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供基于转子侧双限流回路设计的双馈风机低电压保护方法，应用超导电阻的快速响应，在故障瞬间投入超导电阻实现故障初期巨增电流的快速抑制，进一步根据电网电压的实际跌落程度，投入与之相对应的撬棒阻值，抑制转子过电流，提高双馈风机的低电压穿越性能。该策略可以有效减小转子大电流，最大限度地延长双馈风机转子侧换流器的控制工作时间，从而减小功率、转速和转矩波动，并在扰动期间对其进行保护，可解决新能源场站送出线路工程中双馈风机撬棒保护在投入时存在一定延时，会产生较大的短路冲击电流，以及撬棒电阻只按照最严重情况下三相对称故障进行整定，导致在不同类型故障时撬棒阻值不能很好的与电压跌落程度相匹配，很难同时做到限制转子过流和直流母线过电压的问题。
8.为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
9.基于转子侧双限流回路设计的双馈风机低电压保护方法，基于双限流回路的投入策略、超导电阻临界电流值的整定策略、故障初期超导电阻值的整定策略、投入可控撬棒电阻值的整定策略、电力电子器件导通占空比的计算与控制策略、可控撬棒及超导电阻的退
出控制策略实现；
10.所述方法包括：
11.步骤一：基于双限流回路的投入策略、超导电阻临界电流值的整定策略、故障初期超导电阻值的整定策略，将超导电阻串联接入双馈风机转子侧，正常运行时，超导电阻阻值较小，表现为导线接入在转子侧，当风机送出线路发生短路故障时，电网电压将会跌落，转子侧电流骤增，超过超导电阻的临界电流，使得超导电阻失超，表现为一定阻值的电阻串接在转子侧，来实现故障初期对转子侧电流的初步抑制；
12.步骤二：基于投入可控撬棒电阻值的整定策略、电力电子器件导通占空比的计算与控制策略，电网电压跌落，超导电阻投入后，若仍然不能有效抑制转子侧电流，则启动撬棒保护，根据不同故障情况下的转子侧电流值，实时计算投入的可控撬棒电阻，来对转子侧电流进行抑制；
13.步骤三：基于可控撬棒及超导电阻的退出控制策略，在可控撬棒电阻投入后，同时闭锁转子侧换流器，转子侧电流迅速衰减，当转子侧电流值小于撬棒保护动作值时，切除撬棒的同时转子侧换流器解除闭锁；
14.步骤四：故障结束后，电网电压恢复到正常运行时，超导电阻恢复其超导特性，表现为阻值较小的导线接入在转子侧。
15.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
16.上述的双限流回路的投入策略具体如下：
17.步骤1：将超导电阻串联接入双馈风机转子侧，可控电阻并联撬棒回路，构建转子侧电流的双限流回路；
18.步骤2：正常运行时，超导电阻表现为极小阻值串接在转子侧；
19.故障时，转子侧电流骤增超过超导电阻的临界电流i
set1
，超导电阻失超表现为阻值为r
sfcl
的电阻串接在转子侧，根据其失超后动作来实现故障初期转子侧电流的初步抑制；
20.步骤3：若转子侧电流仍不能抑制，则启动撬棒保护，根据不同故障情况下的转子侧电流实时计算投入的可控撬棒电阻值，进一步对转子侧电流进行抑制，使转子侧电流衰减。
21.上述的超导电阻临界电流值的整定策略具体如下：
22.假设t0时刻电网电压不对称跌落，此时转子侧电流表达式为：
[0023][0024]
其中，分别为转差频率电流分量，反向转差频率电流分量，反向转速频率电流分量，附加衰减直流分量；
[0025]
超导电阻临界电流i
set1
按照大于双馈风机送出线路发生单相接地故障时，转子侧流过的最大故障电流整定，如式(2)所示：
[0026][0027]
上述的转差频率电流分量为反向转差频率电流分量
为为反向转速频率电流分量，附加衰减直流分量为
[0028]
其中，tr为转子衰减时间常数，为故障后定子电压的正序、负序分量，s为转差率，ωs为同步转速，ωr为转子转速，σ为漏感系数，ls和lr为定子和转子电感，lm为励磁电感，us为正常运行时的定子电压；
[0029]rr
为转子电阻，r
′
为附加电阻，在超导电阻和可控撬棒电阻未投入时r
′
为0。
[0030]
上述的故障初期超导电阻值的整定策略具体如下：
[0031]
电网发生不对称短路时，定子三相电压关系表示为：
[0032][0033]
其中，cb、cc为b、c相的电压幅值跌落率；
[0034]us
为正常运行时的定子电压，为故障后定子电压的正序、负序分量。
[0035]
考虑单相短路时最严重下电压跌落到50％的额定电压，转子侧在超导电阻r
sfcl
接入后，要求故障时转子侧电流峰值小于2倍的额定电流，则此时：
[0036][0037]
其中，in为转子额定电流；
[0038]
联立式(3)、(4)求解即可得到超导电阻值r
sfcl
，实现故障初期超导电阻值的整定。
[0039]
上述的投入可控撬棒电阻值的整定策略具体如下：
[0040]
超导电阻和撬棒电阻投入后，认为转子侧电流值峰值小于1.6倍的额定值，投入的最大撬棒电阻r
cmax
满足：
[0041][0042]
其中，u
rmax
为转子电压最大值，u
dcmax
为直流母线电压最大值；
[0043]
求解式(5)得到r1、r2、r3的值，实现可控撬棒电阻值的整定。
[0044]
上述的电力电子器件导通占空比的计算与控制策略具体如下：
[0045]
在故障期间，实时测量流过转子的电流设置直流母线电压约束条件：
[0046][0047]
根据(6)式，通过控制电力电子器件导通占空比h1、h2的大小，投入与之相对应的撬棒阻值，实现对转子过电流的抑制。
[0048]
上述的可控撬棒及超导电阻的退出控制策略具体如下：
[0049]
步骤1：在可控撬棒电阻投入后，同时闭锁转子侧变流器，使转子侧变流器退出运行。
[0050]
步骤2：当转子侧电流值恢复到额定值时，切除撬棒的同时转子侧换流器解除闭锁；
[0051]
步骤3：故障结束后，电网电压恢复到正常运行时，超导电阻恢复其超导特性，表现为阻值较小的导线接入在转子侧，双馈风机实现低电压穿越，恢复正常运行。
[0052]
本发明具有以下有益效果：
[0053]
(1)故障初期超导电阻的迅速接入，有效限制了转子侧的短路冲击电流，降低其对转子回路的损害；
[0054]
(2)基于不同故障情况，在线实时整定接入转子侧的撬棒阻值，实现对转子侧电流的有效抑制；
[0055]
(3)满足不同电压跌落情况下对转子侧电流的抑制，缩短转子侧换流器的闭锁时间，减少故障期间从电网吸收的无功功率，提高双馈风机的低电压穿越性能，提升风力机组安全稳定运行能力。
附图说明
[0056]
图1为双限流回路接入方式电路图；
[0057]
图2为超导电阻特性；
[0058]
图3为可控撬棒电路图；
[0059]
图4为撬棒电阻接入后电路拓扑结构图；
[0060]
图5为未加保护策略时转子电流图；
[0061]
图6为轻度故障时转子电流图；
[0062]
图7为轻度故障时限流回路动作图；
[0063]
图8为重度故障时转子电流图；
[0064]
图9为撬棒电阻电流图；
[0065]
图10为重度故障时限流回路动作图。
具体实施方式
[0066]
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
[0067]
基于转子侧双限流回路设计的双馈风机低电压保护方法，在新能源送出系统发生故障的情况下，根据双馈风机电压跌落引起的转子过流限制，设计一种转子侧串联超导电阻和撬棒回路并联可控电阻的双限流回路，基于转子侧电流迅速增大，自动快速地投入串
联超导限流电阻，进一步基于转子过流限制，投入并联可控电阻，构建双馈风机低电压保护新策略。该策略首先应用超导电阻响应的快速性，在转子侧电流越限时，自动激活失超状态，串入基于风机送出线路发生不对称短路整定计算的电阻，实现故障初期巨增电流的快速抑制。进一步考虑转子侧电流仍处于越限状态，并入基于最严重情况下转子侧整定计算的可控最大电阻，通过当前电流计算电力电子器件的导通占空比，实现可控电阻的快速调节。该策略新颖，快速限流，应用在新能源场站送出线路工程上有效提高风机的低电压穿越能力。
[0068]
所述方法基于双限流回路的投入策略、超导电阻临界电流值的整定策略、故障初期超导电阻值的整定策略、投入可控撬棒电阻值的整定策略、电力电子器件导通占空比的计算与控制策略、可控撬棒及超导电阻的退出控制策略实现。所述方法包括：
[0069]
步骤一：基于双限流回路的投入策略、超导电阻临界电流值的整定策略、故障初期超导电阻值的整定策略，将超导电阻串联接入双馈风机转子侧，正常运行时，超导电阻阻值较小，表现为导线接入在转子侧，当风机送出线路发生短路故障时，电网电压将会跌落，转子侧电流骤增，超过超导电阻的临界电流，使得超导电阻失超，表现为一定阻值的电阻串接在转子侧，来实现故障初期对转子侧电流的初步抑制；
[0070]
步骤二：基于投入可控撬棒电阻值的整定策略、电力电子器件导通占空比的计算与控制策略，电网电压跌落，超导电阻投入后，此时若仍然不能有效抑制转子侧电流，则启动撬棒保护，根据不同故障情况下的转子侧电流值，实时计算投入的可控撬棒电阻，来对转子侧电流进行抑制；
[0071]
步骤三：基于可控撬棒及超导电阻的退出控制策略，在可控撬棒电阻投入后，同时闭锁转子侧换流器，转子侧电流迅速衰减，当转子侧电流值小于撬棒保护动作值时，切除撬棒的同时转子侧换流器解除闭锁；
[0072]
步骤四：故障结束后，电网电压恢复到正常运行时，超导电阻恢复其超导特性，表现为阻值较小的导线接入在转子侧。
[0073]
双限流回路的投入策略具体如下：
[0074]
步骤1：将超导电阻串联接入双馈风机转子侧，可控电阻并联撬棒回路，构建转子侧电流的双限流回路；
[0075]
步骤2：正常运行时，超导电阻表现为极小阻值串接在转子侧；
[0076]
故障时，转子侧电流骤增超过超导电阻的临界电流i
set1
，超导电阻失超表现为阻值为r
sfcl
的电阻串接在转子侧，根据其失超后自动、快速地动作来实现故障初期转子侧电流的初步抑制；
[0077]
步骤3：若转子侧电流仍不能有效抑制，则启动撬棒保护，根据不同故障情况下的转子侧电流实时计算投入的可控撬棒电阻值，进一步对转子侧电流进行抑制，使转子侧电流迅速衰减。
[0078]
超导电阻临界电流值的整定策略具体如下：
[0079]
假设某一t0时刻电网电压不对称跌落，此时转子侧电流表达式为：
[0080]
[0081]
其中，转差频率电流分量为反向转差频率电流分量为为反向转速频率电流分量，附加衰减直流分量为
[0082]
tr为转子衰减时间常数，为故障后定子电压的正序、负序分量，s为转差率，ωs为同步转速，ωr为转子转速，σ为漏感系数，ls和lr为定子和转子电感，lm为励磁电感，us为正常运行时的定子电压；
[0083]rr
为转子电阻，r
′
为附加电阻，在超导电阻和可控撬棒电阻未投入时r
′
为0；
[0084]
超导电阻临界电流i
set1
按照大于双馈风机送出线路发生单相接地故障时，转子侧流过的最大故障电流整定，如式(2)所示：
[0085][0086]
故障初期超导电阻值的整定策略具体如下：
[0087]
电网发生不对称短路时，此时式(1)中定子三相电压关系又可表示为：
[0088][0089]
其中，cb、cc为b、c相的电压幅值跌落率。
[0090]
考虑单相短路时最严重下电压跌落到50％的额定电压，转子侧在超导电阻r
sfcl
接入后，一般要求故障时转子侧电流峰值小于2倍的额定电流，则此时：
[0091][0092]
其中，in为转子额定电流；
[0093]
联立式(3)、(4)求解即可得到超导电阻值r
sfcl
，实现故障初期超导电阻值的整定。
[0094]
投入可控撬棒电阻值的整定策略具体如下：
[0095]
超导电阻和撬棒电阻投入后，为给换流器的稳定运行留有一定裕度，一般认为转子侧电流值峰值小于1.6倍的额定值，同时为保证最严重状况下转子侧电流能得到有效抑制，投入的最大撬棒电阻r
cmax
也应满足：
[0096][0097]
其中，u
rmax
为转子电压最大值，u
dcmax
为直流母线电压最大值；
[0098]
求解式(5)得到r1、r2、r3的值，实现可控撬棒电阻值的整定。
[0099]
电力电子器件导通占空比的计算与控制策略具体如下：
[0100]
在故障期间，实时测量流过转子的电流转子撬棒两端电压增大也会导致直流母线电压在短时间内迅速上升，因此整定约束条件还应加入直流母线电压：
[0101][0102]
根据(6)式，通过控制电力电子器件导通占空比h1、h2的大小，投入与之相对应的撬棒阻值，实现对转子过电流的抑制。
[0103]
可控撬棒及超导电阻的退出控制策略具体如下：
[0104]
步骤1：在可控撬棒电阻投入后，同时闭锁转子侧变流器，使转子侧变流器退出运行。
[0105]
步骤2：转子侧因撬棒电阻的投入使得电流迅速衰减，当转子侧电流值恢复到额定值时，切除撬棒的同时转子侧换流器解除闭锁；
[0106]
步骤3：故障结束后，电网电压恢复到正常运行时，超导电阻恢复其超导特性，表现为阻值较小的导线接入在转子侧，双馈风机实现低电压穿越，恢复正常运行。
[0107]
实施例
[0108]
本发明所提供的一种基于转子侧双限流回路设计的双馈风机低电压保护方法，具体包括以下步骤：
[0109]
步骤一：转子侧超导电阻的接入方式及定值整定。
[0110]
针对传统双馈风机撬棒保护动作存在一定延时的问题，本发明在转子侧串入超导电阻，如图1所示，超导电阻特性如图2所示，来实现对故障时转子侧电流的快速抑制。
[0111]
具体为：
[0112]
在正常运行时，超导电阻因其超导特性表现为小电阻，类似于导线接入在转子侧。电网电压跌落后，转子侧电流超过超导电阻的临界电流值i
set1
时，超导电阻失超，变为阻值为r
sfcl
的电阻串接在转子侧，来实现故障初期对转子侧电流的初步抑制。
[0113]
(1)超导电阻临界电流i
set1
按以下方式整定：并网运行时定子电压跟随电网电压变化，假设在t0时刻电网电压不对称跌落，可利用对称分量法将定子电压分解为正序分量、负序分量和零序分量的和。但因双馈风机中性点一般为不接地，因此没有零序分量，则定子电压矢量可以分解为：
[0114][0115]
其中，为转子坐标系下定电压矢量(上标r表示参数转子坐标系下的表示形式)，为转子坐标系下定电压矢量(上标r表示参数转子坐标系下的表示形式)，为故障后定子电压的正序、负序分量，由不对称电压跌落的类型和深度共同决定，s为转差率，s＝(ω
s-ωr)/ωs，ωs为同步转速，ωr为转子转速。
[0116]
则此时转子开路电压变为：
[0117][0118]
其中，σ为漏感系数，表达式为：ls和lr为定子和转子电感，lm为励磁
电感，us为正常运行时的定子电压。
[0119]
可得此时转子侧电流表达式为：
[0120][0121]
其中为转差频率引起的电流分量。
[0122]
为反向转差频率引起的电流分量。
[0123]
为反向转速频率引起的电流分量。
[0124]
为附加衰减直流分量。tr为转子衰减时间常数。rr为转子电阻，r
′
为附加电阻，在超导电阻和可控撬棒电阻未投入时r
′
为0。
[0125]
超导电阻临界电流i
set1
应按照大于双馈风机送出线路发生单相接地故障时，转子侧流过的最大故障电流整定，即：
[0126][0127]
(2)超导电阻r
sfcl
的整定：电网发生不对称短路时，此时定子三相电压关系又可表示为：
[0128][0129]
其中，cb、cc为b、c相的电压幅值跌落率。
[0130]
考虑单相短路时最严重下电压跌落到50％的额定电压，转子侧在超导电阻r
sfcl
接入后，一般要求故障时转子侧电流峰值小于2倍的额定电流。即：
[0131][0132]
其中，in为转子额定电流。联立求解(3)、(4)式，即可得到超导电阻值r
sfcl
。
[0133]
步骤二：可控撬棒电阻的整定。可控撬棒电路如图3所示。当双馈风机机端电压严重跌落时，超导电阻投入仍然不能有效抑制转子侧电流，为保护转子侧变流器不被损坏，将投入可控撬棒电阻使得转子绕组被短接。此时根据电压的跌落情况，实时计算转子侧电流值，投入对应的可控撬棒电阻，来对转子侧电流进行抑制。撬棒电阻接入后电路拓扑结构变为图4 所示。
[0134]
(1)撬棒电阻r1、r2、r3的初值整定：超导电阻和撬棒电阻投入后，为给换流器的稳定运行留有一定裕度，一般认为转子侧电流值峰值小于1.6倍的额定值。同时为保证最严重状况下转子侧电流能得到有效抑制，投入的最大撬棒电阻r
cmax
也应满足：
[0135][0136]
其中，u
rmax
为转子电压最大值，u
dcmax
为直流母线电压最大值。求解(5)式，即可得到r1、 r2、r3的值。
[0137]
(2)电力电子器件导通占空比h1、h2的控制。在故障期间，实时测量流过转子的电流i
rr
。转子撬棒两端电压增大也会导致直流母线电压在短时间内迅速上升，因此整定约束条件还应加入直流母线电压：
[0138][0139]
根据(6)式，通过控制电力电子器件导通占空比h1、h2的大小，投入与之相对应的撬棒阻值，即可实现对转子过电流的抑制。
[0140]
步骤三：在可控撬棒电阻投入后，同时闭锁转子侧变流器，使转子侧变流器退出运行。转子侧因撬棒电阻的投入使得电流迅速衰减，当转子侧电流值恢复到额定值时，切除撬棒的同时转子侧换流器解除闭锁。
[0141]
步骤四：故障结束后，电网电压恢复到正常运行时，超导电阻恢复其超导特性，表现为阻值较小的导线接入在转子侧。双馈风机实现低电压穿越，恢复正常运行。
[0142]
算例分析：
[0143]
为了验证所提策略的适用性，在搭建pscad/emtdc中搭建5wm的双馈风机仿真模型，风机经过升压变压器接入无穷大电网，双馈风机参数如下：
[0144]
定子电阻rs＝0.0054(p.u)，定子漏感ls＝0.0930(p.u)，转子电阻rr＝0.0062(p.u)，转子漏感lr＝0.0998(p.u)，励磁电感lm＝3.986(p.u)，转差率s＝-0.2，定子额定电压us＝690v。假设并网点在2s时发生短路故障，故障持续时间0.3s。
[0145]
为验证本策略的有效性，分别对不同故障电压跌落下转子撬棒投入方案进行仿真分析，仿真结果图如图5-10所示。此时选取初值r
sfcl
＝0.21ω，r1＝0.302ω，r2＝0.168ω，r3＝0.197 ω。
[0146]
算例一：仿真设置速双馈风机并网点在2s时发生短路故障，故障持续时间0.3s，当电压跌落到70％，不采取任何措施时，此时的转子侧电流图如图5所示。可见转子侧电流在故障后将会突增，转子侧电流最大值可以达到额定值的8倍，这将严重影响转子的安全稳定运行。
[0147]
算例二：仿真设置速双馈风机并网点在2s时发生短路故障，故障持续时间0.3s，当电压发生轻度跌落时，此时由于转子回路串接了超导电阻，转子侧电流在故障初期就得到了有效的抑制，撬棒电阻未投入。可见当转子回路串联超导电阻后，幅值控制在2倍的额定
值附近。此时的转子侧电流如图6所示。限流回路动作情况如图7所示。
[0148]
算例三：仿真设置速双馈风机并网点在2s时发生短路故障，故障持续时间0.3s，当电压发生重度跌落时，转子回路串接的超导电阻在故障初期就投入，来对转子侧电流进行初步抑制，此时撬棒电阻未投入。由于此时电压跌落严重，因此撬棒保护也会动作，当撬棒接入后，转子回路电流将进一步下降，可见由于转子回路中超导电阻的接入，延后了撬棒的投入时间，撬棒在投入后极短的时间内立即退出，缩短了转子侧换流器的闭锁时间，将更加有利于故障后双馈风机电压的恢复，使转子侧电流更快的恢复到稳定值。此时的转子侧电流如图8所示。撬棒电流及限流回路动作情况如图9、10所示。
[0149]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。