CN105703677B - 一种双馈式风力发电机转子暂态电流的计算方法 - Google Patents
一种双馈式风力发电机转子暂态电流的计算方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种双馈式风力发电机转子暂态电流的计算方法，包括：在同步速旋转坐标系中，建立电网电压骤升时双馈异步发电机的暂态数学模型；根据暂态数学模型，计算电网电压骤升时的定、转子暂态电流方程；对于设定的电压骤升投入机制，计算定子磁链和转子开路时的定子磁链方程以及从定子侧感应的转子磁链方程；根据电网电压骤升时的定、转子暂态电流方程，以及，定子磁链和转子开路时的定子磁链方程、从定子侧感应的转子磁链方程，得到电网电压对称骤升后，由于定子侧电气量的骤变而感生出的转子暂态电流表达式。本发明计算过程简单、结果准确，为采用双馈异步发电机的电力系统保护整定工作提供可靠的数据基础。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体地，涉及一种双馈式风力发电机转子暂态电流的计算方法。
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。由于双馈式风力发电机的发电机定子直接与电网相连，使得风电机组对电网故障非常敏感。当电网电压骤升故障时，由于磁链不突变，定子磁链中会出现直流分量及负序分量(不对称故障时才会产生)，它们相对高速旋转的转子会产生一个很大的转差率，所以在转子电路中感应出较大的暂态电流，引起转子侧冲击电流升高，容易导致转子侧变流器损坏威胁转子侧变流器的安全。
目前，针对双馈风机在电网电压骤升情况下暂态过程分析多集中于机端电压发生三相对称骤升时，定子暂态电流和转子电压。对于三相电压骤升后，直接引起转子侧变流器损坏的转子暂态电流的分析则较少。
发明内容
本发明实施例的主要目的在于提供一种双馈式风力发电机转子暂态电流的计算方法，为采用双馈式风力发电机的电力系统保护整定工作提供可靠的数据基础。
为了实现上述目的，本发明提供一种双馈式风力发电机转子暂态电流的计算方法，包括：
步骤1，在同步速旋转坐标系中，建立电网电压骤升时双馈异步发电机的暂态数学模型，包括如下定、转子电压方程和定、转子磁链方程：
其中，us、ur分别为定、转子电压矢量；Rs、Rr分别为定、转子电阻；is、ir分别为定、转子电流矢量；ψs、ψr分别为定、转子磁链矢量；ωr为转子角速度；Lsσ、Lrσ分别为定、转子漏感，Lm为定、转子互感，t为时间；
步骤2，根据所述暂态数学模型，计算电网电压骤升时的定、转子暂态电流方程：
步骤3，对于设定的电压骤升投入机制，计算定子磁链和转子开路时的定子磁链方程以及从定子侧感应的转子磁链方程：
其中，所述设定的电压骤升投入机制为：
其中，ψr0为从定子侧感应的转子磁链；ωs为定子角速度；Vse为正常运行时定子电压幅值；p为电网电压骤升度；τ1、τ2为衰减时间常数；t0为电网电压对称骤升时刻；
步骤4，根据所述电网电压骤升时的定、转子暂态电流方程，以及，所述定子磁链和转子开路时的定子磁链方程、从定子侧感应的转子磁链方程方程，得到电网电压对称骤升后，由于定子侧电气量的骤变而感生出的转子暂态电流表达式：
借助于上述技术方案，本发明提出一种双馈式风力发电机转子暂态电流的计算方法，该方法针对风电机组电网电压骤升情况下的暂态过程进行分析，充分考虑了电网电压骤升对转子暂态电流的影响，计算过程简单、结果准确，为采用双馈异步发电机的电力系统保护整定工作提供可靠的数据基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的双馈式风力发电机转子暂态电流的计算方法流程示意图；
图2是本发明提供的电网电压骤升时双馈异步发电机的暂态等效电路示意图；
图3是本发明具体实施例提供的利用PSCAD仿真得到的转子电流曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种双馈式风力发电机转子暂态电流的计算方法，如图1所示，该方法包括：
步骤S1，在同步速旋转坐标系中，建立电网电压骤升时双馈异步发电机的暂态数学模型。该步骤的目的是为了研究DFIG在电网电压骤升时的暂态特性。
其中，该暂态数学模型包括如下定、转子电压方程和定、转子磁链方程：
(公式1)
(公式2)
(公式3)
上述公式1-3中，us、ur分别为定、转子电压矢量；Rs、Rr分别为定、转子电阻；is、ir分别为定、转子电流矢量；ψs、ψr分别为定、转子磁链矢量；ωr为转子角速度；Lsσ、Lrσ分别为定、转子漏感，Lm为定、转子互感，t为时间。
步骤S2，根据步骤S1建立的暂态数学模型，计算电网电压骤升时的定、转子暂态电流方程。
具体的，该步骤S2分为两个步骤:
步骤S21，根据所述暂态数学模型，建立电网电压骤升时双馈异步发电机的暂态等效电路，如图2所示。
步骤S22，对图2所示的暂态等效电路的磁链关系进行分析，获得电网电压骤升时的定、转子暂态电流方程：
(公式4)
步骤S3，对于设定的电压骤升投入机制，计算定子磁链和转子开路时的定子磁链方程，以及从定子侧感应的转子磁链方程。
其中，该设定的电压骤升投入机制包括如下双馈异步发电机定子电压矢量方程：
(公式5)
公式5中，ωs为定子角速度；Vse为正常运行时定子电压幅值；t0为电网电压对称骤升时刻；p为电网电压骤升度，且p＝(||us||-Vse)/Vse。
基于公式1的定转子电压方程、定转子磁链方程：
可得到定子磁链的状态方程：
(公式6)
进而求得电网电压对称骤升情况下定子磁链和转子开路时的定子磁链方程以及从定子侧感应的转子磁链方程：
(公式7)
公式7中，ψr0为从定子侧感应的转子磁链；τ1、τ2为衰减时间常数，且存在如下关系：
(公式8)
步骤S4，由公式4、公式7可以得到电网电压对称骤升后，由于定子侧电气量的骤变而感生出的转子暂态电流表达式：
(公式9)
从公式9中可以看出感应的转子暂态电流受到风机参数和电网电压骤升度的共同影响；电网电压骤升度p一般不会超过0.3，所以对转子暂态电流的影响相对较小；由于双馈异步发电机的Ls、Lr、Lm都是毫亨级的，因此对转子暂态电流的影响较大。
实例1
本实施例采用某2MW的双馈式风力发电机进行，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Vse＝400V。双馈风机运行在风速为10m/s的工况下，当运行至6s时，电网电压骤升为1.3pu，骤升故障持续1s后切除。
此时，根据公式9可得转子感应出的暂态电流幅值的最大值irmax：
在上述工况下，利用PSCAD仿真得到的转子电流曲线如图3所示，其中，横坐标为仿真时间，纵坐标为电流幅值。
由图3所示的仿真转子电流曲线可知，骤升故障后转子电流的最大幅值达到1.5kA，激增的最大幅值在1.1kA左右，可见计算得到曲线与仿真情况有较高的拟合度，从而验证了本发明提供的计算方法的准确性。
本发明在电网电压骤升时双馈式风力发电机的暂态过渡过程的基础上，得到了双馈异步发电机由定子侧电气量突变而感应的转子暂态电流表达式。通过仿真曲线与转子暂态电流表达式计算结果的比对，证明了转子暂态电流表达式的准确性。本发明可用于对电网电压骤升时转子暂态电流进行估算，有利于进行双馈式风力发电机的保护整定工作，减小电网电压骤升对双馈式风力发电机带来的危害，尤其对制定高电压穿越控制策略具有重要指导意义。
以上所述的具体实施例，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例而已，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 (1)
1.一种双馈式风力发电机转子暂态电流的计算方法，其特征在于，包括：
步骤1，在同步速旋转坐标系中，建立电网电压骤升时双馈异步发电机的暂态数学模型，包括如下定、转子电压方程和定、转子磁链方程：
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其中，us、ur分别为定、转子电压矢量；Rs、Rr分别为定、转子电阻；is、ir分别为定、转子电流矢量；ψs、ψr分别为定、转子磁链矢量；ωr为转子角速度；Lsσ、Lrσ分别为定、转子漏感，Lm为定、转子互感，t为时间；
步骤2，根据所述暂态数学模型，计算电网电压骤升时的定、转子暂态电流方程：
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其中，ψr0为从定子侧感应的转子磁链；ωs为定子角速度；Vse为正常运行时定子电压幅值；p为电网电压骤升度；τ1、τ2为衰减时间常数；t0为电网电压对称骤升时刻；
步骤4，根据所述电网电压骤升时的定、转子暂态电流方程，以及，所述定子磁链和转子开路时的定子磁链方程、从定子侧感应的转子磁链方程方程，得到电网电压对称骤升后，由于定子侧电气量的骤变而感生出的转子暂态电流表达式：
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