CN103500269B - 一种双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,包括:建立双馈异步发电机组在电网电压深度跌落故障下暂态数学模型,根据所述数学模型中的暂态电气关系,建立所述双馈异步发电机组的暂态等效电路;对所述双馈异步发电机组的暂态等效电路的磁链关系进行分析,获得所述双馈异步发电机组机端电压跌落时的第一定子暂态电流;根据撬棒电路投入机制,对所述双馈异步发电机组的暂态等效电路进行修正,修正后获得撬棒电路投入情况下的双馈异步发电机组机端电压跌落时的第二定子暂态电流;根据所述第二定子暂态电流获得所述双馈异步发电机组暂态短路电流。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电领域,特别涉及一种双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法。
背景技术
在各类风力发电机组中,双馈异步发电机(Double Fed Induction Generator,DFIG)是目前兆瓦级风力发电机组的主流机型之一。由于双馈风电机组的发电机定子直接与电网相连,当系统出现短路故障时,电网侧的电压变化会通过定、转子之间的感应引起转子侧的大电流,即在转子侧产生较大的短路电流,会对风电机组的换流器和风机产生冲击。此外风电机组相关的保护定值需要考虑风电机组短路电流的影响,因此定量计算双馈风机短路电流的大小对于双馈风机设备选型、保护定值整定有重要意义。
目前,针对双馈风机短路电流的研究成果多集中于机端发生三相短路,机端电压跌至0时的定子、转子暂态电流,分析方法多为基于磁链分析的数学解析法,对于三相电压跌落后存在残压的分析则较少;另外,对于撬棒电路(CrowBar)投入情况的分析多假设故障发生瞬间CrowBar立即投入,真正将CrowBar投入策略考虑在暂态分析中的研究则鲜有。例如公开号为102867085A的中国专利申请为本发明最接近的现有技术,其公开了含双馈风电机组的电力系统短路电流计算方法,其中便是通过对暂态过程中磁链的衰减进行分析,通过磁链与电流的关系获得计算结果的,且在计算过程中并未考虑保护的实际投入机制,无法得到反映撬棒电路参与保护下的风电机组低电压穿越过程的暂态特征。
发明内容
本发明实施例提供一种双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,用于解决现有技术中无法精确的计算双馈异步发电机组暂态短路电流的技术问题。
本发明实施例提供一种双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,所述方法包括:
建立双馈异步发电机组在电网电压深度跌落故障下暂态数学模型,根据所述数学模型中的暂态电气关系,建立所述双馈异步发电机组的暂态等效电路;
对所述双馈异步发电机组的暂态等效电路的磁链关系进行分析,获得所述双馈异步发电机组机端电压跌落时的第一定子暂态电流;
根据撬棒电路投入机制,对所述双馈异步发电机组的暂态等效电路进行修正,修正后获得撬棒电路投入情况下的双馈异步发电机组机端电压跌落时的第二定子暂态电流;
根据所述第二定子暂态电流获得所述双馈异步发电机组暂态短路电流。
上述的双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,其中,所述方法还包括:所述撬棒电路投入延迟时,根据所述第一定子暂态电流以及第二定子暂态电流计算所述双馈异步发电机组暂态短路电流。
上述的双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,其中,对所述双馈异步发电机组的暂态等效电路的磁链关系进行分析包括:电网电压深度跌落故障发生后的定子暂态电流的变化为所述双馈异步发电机组的暂态等效电路的全响应过程。
上述的双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,其中,所述根据所述数学模型中的暂态电气关系,建立所述双馈异步发电机组的暂态等效电路包括:
同步速旋转dq坐标系中所述双馈异步发电机组矢量形式的定转子电压方程(1)以及定转子磁链方程(2)如下:
Ls=Lsσ+Lm (3)
Lr=Lrσ+Lm (4)
其中:us为定子电压矢量、ur为转子电压矢量,Rs为定子电阻,Rr为转子电阻,is为定子电流矢量,ir为转子电流矢量,ψs为定子磁链矢量,ψr为转子磁链矢量,ωe为同步角速度,ωslip=ωs-ωr为定子与转子转差角速度,Lsσ为定子漏感,Lrσ为转子漏感,Lm为定转子互感,Ls为定子电感,Lr为转子电感;
根据式(1)、(2)、(3)及(4)得到所述双馈异步发电机组的暂态等效电路。
上述的双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,其中,对所述双馈异步发电机组的暂态等效电路的磁链关系进行分析包括:
对式(2)进行变换得到定转子电流矢量方程(5):
其中:
假设所述双馈异步发电机组工作在同步速下,则根据式(6)获得同步速下相应的定子暂态电流:
则同步速下定转子磁链方程为(7):
再假设t=0时刻发生电压跌落时的初始相角α=0,残压为Δu,则在t=0+时刻的定转子磁链方程(8)及电压跌落后稳态时刻定转子磁链方程(9)为:
上述的双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,其中,所述方法还包括:根据式(10)获得所述双馈异步发电机组机端电压跌落时的第一定子暂态电流is:
其中,cos(ωst∞)为周期分量,t∞=t,ωst∞′=ωst∞+β,β∈(-π,π),Tr为转子磁链衰减时间常数和充电时间常数,Ts为定子侧衰减时间常数,系数ks=Lm/Ls,kr=Lm/Lr。
上述的双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,其中,根据式(11)获得所述定子侧暂态等效阻抗Xs:
Xs=ωeLs′ (11)。
上述的双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,其中,获得撬棒电路投入情况下的双馈异步发电机组机端电压跌落时的第二定子暂态电流包括:
将式(11)中的所述定子侧暂态等效阻抗Xs修正为式(12):
其中,Rcb为撬棒电路电阻,将转子侧衰减时间常数和充电时间常数修正为
因此,撬棒电路投入后的第二定子暂态电流(12)为:
上述的双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,其中,根据所述第一定子暂态电流以及第二定子暂态电流,计算所述撬棒电路投入延迟时的暂态短路电流包括:
分别将式(10)和式(13)的直流分量和交流分量建立等式关系(14),获得投切时间修正量:
式中tc为撬棒电路投入电路的时间,tc1是撬棒电路投入对直流分量的时间修正,tc2是撬棒电路投入对交流分量的时间修正,是撬棒电路投入对交流分量的相角修正;
则撬棒电路投入迟延时的暂态短路电流imix为:
其中,t1=t-tc+tc1,t2=t-tc+tc2。β为第一定子暂态电流中对相角的修正,φ为撬棒电路投入时满足边界条件的相角修正。
本发明实施例提供的双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,通过将撬棒电路投入机制考虑到暂态电流计算过程中,根据其确定暂态等效电路的变换时刻,最终获得了一种与现场实测曲线较为接近的暂态短路电流计算方法并且与实际情况吻合。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本申请的一部分,并不构成对本发明的限定。在附图中:
图1为本发明实施例中一种双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法流程图;
图2为本发明实施例中双馈异步发电机组暂态等效电路示意图;
图3为本发明实施例中计算得到的暂态短路电流与实测的暂态短路电流对比示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合附图对本发明实施例作进一步详细说明。在此,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,但并不作为对本发明的限定。
本发明实施例提供一种双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,如图1所示,所述方法包括:
步骤101,建立双馈异步发电机组在电网电压深度跌落故障下暂态数学模型,根据所述数学模型中的暂态电气关系,建立所述双馈异步发电机组的暂态等效电路;
步骤102,对所述双馈异步发电机组的暂态等效电路的磁链关系进行分析,获得所述双馈异步发电机组机端电压跌落时的第一定子暂态电流;
较佳的,电网电压深度跌落故障发生后的定子暂态电流的变化为所述双馈异步发电机组的暂态等效电路的全响应过程,即零输入响应与零状态响应的叠加。
步骤103,根据撬棒电路投入机制,对所述双馈异步发电机组的暂态等效电路进行修正,修正后获得撬棒电路投入情况下的双馈异步发电机组机端电压跌落时的第二定子暂态电流;较佳的,该修正包括定子侧暂态等效阻抗和转子磁链衰减时间常数的修正。
步骤104,根据所述第二定子暂态电流获得所述双馈异步发电机组暂态短路电流。较佳的,本发明实施例中将第二定子暂态电流近似等效为所述双馈异步发电机组暂态短路电流,具体的,由于双馈异步发电机组定子侧与电网直接相连,转子侧通过双PWM变频器与电网相连,而变频器容量仅为机组容量的1/3左右。故障瞬间,定子电流可以达到机组额定电流的4~5倍,此时转子侧变频器对机端电流的贡献十分微小,可以近似忽略,因此将第二定子暂态电流近似等效为最终双馈异步发电机组暂态短路电流。
本发明实施例所提供的暂态短路电流的计算方法,考虑了短路故障时撬棒电路电路投入机制的影响,可以得到风电机组暂态短路电流的准确表达式。本发明可用于对低电压穿越过程中暂态电流进行估算,指导风机控制策略的修正,减小机端电压跌落对风电机组及电网带来的危害,尤其对制定低电压穿越硬件保护控制策略具有重要指导意义。
本发明实施例还提供一种双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,较佳的,所述方法还包括:所述撬棒电路投入延迟时,根据所述第一定子暂态电流以及第二定子暂态电流计算所述双馈异步发电机组暂态短路电流。较佳的,当撬棒电路投入延迟时,将第二定子暂态电流近似等效为最终双馈异步发电机组暂态短路电流的计算便不符合实际情况,实际的双馈异步发电机组的转子侧撬棒电路的投入需考虑去噪迟延、检测装置与执行机构的迟延。为了更好的反映现场实际情况,需根据实际情况设置撬棒电路投入的触发机制,进而修改定子暂态电流作为撬棒电路投入延迟时的暂态短路电流。
本发明实施例还提供一种双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,较佳的,所述根据所述数学模型中的暂态电气关系,建立所述双馈异步发电机组的暂态等效电路。具体的,所述建立暂态等效电路的步骤包括:
同步速旋转dq坐标系中所述双馈异步发电机组矢量形式的定转子电压方程(1)以及定转子磁链方程(2)如下:
Ls=Lsσ+Lm (3)
Lr=Lrσ+Lm (4)
其中:us为定子电压矢量、ur为转子电压矢量,Rs为定子电阻,Rr为转子电阻,is为定子电流矢量,ir为转子电流矢量,ψs为定子磁链矢量,ψr为转子磁链矢量,ωe为同步角速度,ωslip=ωs-ωr为定子与转子转差角速度,Lsσ为定子漏感,Lrσ为转子漏感,Lm为定转子互感,Ls为定子电感,Lr为转子电感;
根据式(1)、(2)、(3)及(4)得到所述双馈异步发电机组的暂态等效电路,图2为具体的等效电路图。
本发明实施例还提供一种双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,较佳的,对所述双馈异步发电机组的暂态等效电路的磁链关系进行分析包括:
对式(2)进行变换得到定转子电流矢量方程(5):
其中:
假设所述双馈异步发电机组工作在同步速下,此时转子电流只起到直流励磁作用,转子电流幅值Ir=0,因此定子、转子电阻远小于其漏抗而可忽略,则根据式(6)能够获得同步速下相应的定子暂态电流:
则同步速下定转子磁链方程为(7):
再假设t=0时刻发生电压跌落时的初始相角α=0,残压为Δu,较佳的,例如双馈异步发电机组机端电压跌至额定电压20%时,Δu=0.2,根据磁链守恒定律,磁链在故障瞬间不会发生突变,则在t=0+时刻的定转子磁链方程(8)及电压跌落后稳态时刻定转子磁链方程(9)为:
本发明上述实施例中在传统解析法的基础上考虑了电压跌落后残压的影响,将故障发生后的定子电流变化看作是双馈异步发电机组暂态等效电路的全响应过程,符合实际情况。
本发明实施例还提供一种双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,较佳的,所述方法还包括:故障发生后的定子暂态电流的变化可以看作是双馈异步发电机组暂态等效电路的全响应过程,包括以ψs0、ψr0为初值,衰减时间常数为所对应的零输入响应分量和以ψs∞、ψr∞为稳态值,充电时间常数为所对应的零状态响应分量的叠加,因此将其带入式(5)得到式(10),根据式(10)获得所述双馈异步发电机组机端电压跌落时的第一定子暂态电流is:
其中,cos(ωst∞)为周期分量,t∞=t,ωst∞′=ωst∞+β,β∈(-π,π),Tr为转子磁链衰减时间常数和充电时间常数,Ts为定子侧衰减时间常数,系数ks=Lm/Ls,kr=Lm/Lr。
本发明实施例还提供一种双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,较佳的,根据式(11)获得所述定子侧暂态等效阻抗Xs:
Xs=ωeLs′ (11)。
本发明实施例还提供一种双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,较佳的,获得撬棒电路投入情况下的双馈异步发电机组机端电压跌落时的第二定子暂态电流包括:
将式(11)中的所述定子侧暂态等效阻抗Xs修正为式(12):
其中,Rcb为撬棒电路电阻,取值0.1Ω。将转子侧衰减时间常数和充电时间常数修正为
因此,撬棒电路投入后的第二定子暂态电流(12)为:
本发明实施例还提供一种双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,较佳的,根据所述第一定子暂态电流以及第二定子暂态电流,计算所述撬棒电路投入延迟时的暂态短路电流包括:
在撬棒电路投入前后,由于磁链守恒致使动作瞬间前后电流幅值、相角不会发生变化,因此分别将式(10)和式(13)的直流分量和交流分量建立等式关系(14),获得投切时间修正量:
式中tc为撬棒电路投入电路的时间,tc1是撬棒电路投入对直流分量的时间修正,tc2是撬棒电路投入对交流分量的时间修正,是撬棒电路投入对交流分量的相角修正;
则撬棒电路投入迟延时的暂态短路电流imix为:
式中,t1=t-tc+tc1,t2=t-tc+tc2。β为第一定子暂态电流中对相角的修正,φ为撬棒电路投入时满足边界条件的相角修正。
本发明实施例中采用一具体的实施例来证明本发明所述方法计算得到的暂态短路电流符合实际情况。较佳的,本发明实施例采用一种双馈式异步发电机组所测得的实际参数如下:定子电阻Rs=9.18mΩ,转子电阻Rr=3.24mΩ,定子漏感Lsσ=0.3578mH,转子漏感Lrσ=0.3278mH,励磁电感Lm=13.82mH,电机同步转速1500rpm,额定相电压Vs=400V,撬棒电路电阻值0.3Ω,投入转子电流阈值Irot=1.5pu,去噪、执行机构延迟te1=3ms。如图3所示,根据本发明实施例计算得到的数据绘制考虑撬棒电路投入延迟的暂态短路电流曲线1,曲线2是使用的双馈式异步发电机组参数对应的双馈式异步发电机组低电压穿越测试机端相电流曲线,测试环境为三相电压跌落,残压20%,大风工况(额定功率)。将采用本发明实施例计算得到的数据所绘制曲线与现场实测曲线进行对比如表1所示:
表1
曲线1 | 曲线2 | |
峰值出现时间(s) | 0.0065 | 0.0066 |
峰值大小(A) | 4131 | 4195 |
进入稳态时间(s) | 0.21 | 0.23 |
可见计算得到曲线在暂态峰值与衰减时间上与实际情况较高的拟合度,从而验证了计算方法的有效性。
由上可知,本发明实施例提供的双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,不但能够获得不同电压跌幅下的双馈异步发电机组的机端暂态短路电流,而且将风机低穿过程中较为常用的撬棒电路保护考虑到计算方法中,计算考虑的因素更加符合实际情况,并且通过与实测曲线比对证明本发明更能准确的反映单台风机机端暂态短路电流特性,可为机组设备选型、风电机组的故障保护定值整定提供参考依据。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而己,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,其特征在于,所述方法包括:
建立双馈异步发电机组在电网电压深度跌落故障下暂态数学模型,根据所述数学模型中的暂态电气关系,建立所述双馈异步发电机组的暂态等效电路;
对所述双馈异步发电机组的暂态等效电路的磁链关系进行分析,获得所述双馈异步发电机组机端电压跌落时存在一定残压的第一定子暂态电流;
根据撬棒电路投入机制,对所述双馈异步发电机组的暂态等效电路进行修正,修正后获得撬棒电路投入情况下的双馈异步发电机组机端电压跌落时的第二定子暂态电流;
根据所述第二定子暂态电流获得所述双馈异步发电机组暂态短路电流;
所述撬棒电路投入延迟时,根据所述第一定子暂态电流以及第二定子暂态电流计算所述双馈异步发电机组暂态短路电流。
2.根据权利要求1所述的双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,其特征在于,对所述双馈异步发电机组的暂态等效电路的磁链关系进行分析包括:电网电压深度跌落故障发生后的定子暂态电流的变化为所述双馈异步发电机组的暂态等效电路的全响应过程。
3.根据权利要求2所述的双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,其特征在于,所述根据所述数学模型中的暂态电气关系,建立所述双馈异步发电机组的暂态等效电路包括:
同步速旋转dq坐标系中所述双馈异步发电机组矢量形式的定转子电压方程(1)以及定转子磁链方程(2)如下:
Ls=Lsσ+Lm (3)
Lr=Lrσ+Lm (4)
其中:us为定子电压矢量、ur为转子电压矢量,Rs为定子电阻,Rr为转子电阻,is为定子电流矢量,ir为转子电流矢量,ψs为定子磁链矢量,ψr为转子磁链矢量,ωe为同步角速度,ωslip=ωs-ωr为定子与转子转差角速度,Lsσ为定子漏感,Lrσ为转子漏感,Lm为定转子互感,Ls为定子电感,Lr为转子电感;
根据式(1)、(2)、(3)及(4)得到所述双馈异步发电机组的暂态等效电路。
4.根据权利要求3所述的双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,其特征在于,对所述双馈异步发电机组的暂态等效电路的磁链关系进行分析包括:
对式(2)进行变换得到定转子电流矢量方程(5):
其中: 系数ks=Lm/Ls,kr=Lm/Lr;
假设所述双馈异步发电机组工作在同步速下,则根据式(6)获得同步速下相应的定子暂态电流:
则同步速下定转子磁链方程为(7):
再假设t=0时刻发生电压跌落时的初始相角α=0,残压为△u,则在t=0+时刻的定转子磁链方程(8)及电压跌落后稳态时刻定转子磁链方程(9)为:
其中,t∞=t,ωst∞'=ωst∞+β,β∈(-π,π)。
5.根据权利要求4所述的双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,其特征在于,所述方法还包括:根据式(10)获得所述双馈异步发电机组机端电压跌落时的第一定子暂态电流is:
其中,cos(ωst∞)为周期分量,t∞=t,ωst∞'=ωst∞+β,β∈(-π,π),Tr为转子磁链衰减时间常数和充电时间常数,Ts为定子侧衰减时间常数,系数ks=Lm/Ls,kr=Lm/Lr。
6.根据权利要求5所述的双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,其特征在于,根据式(11)获得所述定子侧暂态等效阻抗Xs:
Xs=ωeLs' (11)。
7.根据权利要求6所述的双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,其特征在于,获得撬棒电路投入情况下的双馈异步发电机组机端电压跌落时的第二定子暂态电流包括:
将式(11)中的所述定子侧暂态等效阻抗Xs修正为式(12):
其中,Rcb为撬棒电路电阻,将转子侧衰减时间常数和充电时间常数修正为
因此,撬棒电路投入后的第二定子暂态电流(12)为:
8.根据权利要求7所述的双馈异步发电机组暂态短路电流的计算方法,其特征在于,根据所述第一定子暂态电流以及第二定子暂态电流,计算所述撬棒电路投入延迟时的暂态短路电流包括:
分别将式(10)和式(13)的直流分量和交流分量建立等式关系(14),获得投切时间修正量:
式中tc为撬棒电路投入电路的时间,tc1是撬棒电路投入对直流分量的时间修正,tc2是撬棒电路投入对交流分量的时间修正,是撬棒电路投入对交流分量的相角修正;
则撬棒电路投入迟延时的暂态短路电流imix为:
其中,t1=t-tc+tc1,t2=t-tc+tc2,β为第一定子暂态电流中对相角的修正,φ为撬棒电路投入时满足边界条件的相角修正。
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