CN106300429B - 一种考察双馈感应风电机组电磁暂态特性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种考察双馈感应风电机组电磁暂态特性的方法，按照如下步骤实现：构建DFIG风电机组在αβ坐标系下的数学模型，并根据该数学模型，得出DFIG风电机组在αβ坐标系下的等效电路图；分析DFIG风电机组在低电压穿越时，Crowbar切入状态与未切入状态下的特征，并根据各自的情况，作出其在电压跌落时的等效电路图；分析Crowbar不同切入状态下时，DFIG风电机组暂态电流分量的流通通路，得到仅涉及暂态分量电流的DFIG风电机组等效电路；根据暂态电流分量所对应的DFIG风电机组等效电路，获取DFIG风电机组在Crowbar切入和未切入下的电磁暂态响应特性。通过本发明提供的方法，得出风电机组在电力系统故障状态下的响应特性，对含风电电力系统规划、设计、运行等均具有较大作用。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统暂态分析领域，特别是一种考察双馈感应风电机组电磁暂态特性的方法。
背景技术
大规模的风电并网，将会对电力系统的可靠性和经济性造成重大的影响。由于风电机组与传统同步发电机组在运行原理与结构上的巨大差别，当电网发生短路故障导致机端或并网点电压跌落时，两者在自身的暂态响应特性、对电网的冲击等方面，均存在较多的不同。随着现在电力系统中风电穿透率的不断增加，电力系统故障下各电气量的时域运动模态也将逐渐由电力系统中的风电机组主导。因此得出风电机组在电力系统故障状态下的响应特性，对含风电电力系统规划、设计、运行等均具有较大作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种考察双馈感应风电机组电磁暂态特性的方法，以克服现有技术中存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种考察双馈感应风电机组电磁暂态特性的方法，按照如下步骤实现：
步骤S1：构建DFIG风电机组在αβ坐标系下的数学模型，并根据该数学模型，得出DFIG风电机组在αβ坐标系下的等效电路图；
步骤S2：分析DFIG风电机组在低电压穿越时，Crowbar切入状态与未切入状态下的特征，并根据各自的情况，作出其在电压跌落时的等效电路图；
步骤S3：分析Crowbar不同切入状态下时，DFIG风电机组暂态电流分量的流通通路，得到仅涉及暂态分量电流的DFIG风电机组等效电路；
步骤S4：根据暂态电流分量所对应的DFIG风电机组等效电路，获取DFIG风电机组在Crowbar切入和未切入下的电磁暂态响应特性。
在本发明一实施例中，在所述步骤S1中，所述数学模型为：
在本发明一实施例中，在所述步骤S2中，在Crowbar未切入状态下，当电网电压跌落的幅度比较小时，通过DFIG的运行控制系统对DFIG风电机组的故障穿越进行控制，DFIG风电机组中的变频器通过控制策略补偿定子绕组中的磁链波动，使转子电流在电磁暂态过程中不产生波动，则将DFIG风电机组的等效电路图中转子支路表示为一恒定的工频矢量的电流源。
在本发明一实施例中，在所述步骤S3中，通过如下方式获取，在Crowbar未切入状态下，DFIG电磁暂态自由分量的等效电路：DFIG的运行控制系统对定子绕组磁链波动的补偿，处于转子电流控制状态下的转子绕组电流矢量仅包含以工频旋转的强制分量；对电磁暂态下电流的自由分量而言，转子绕组不构成通路，该自由分量仅流经定子绕组及励磁支路；记定子电压瞬时跌落，则定子电压内不包含暂态过程的分量，即对电磁暂态自由分量，定子绕组端部短路。
在本发明一实施例中，在所述步骤S4中，对于在Crowbar未切入状态下，DFIG电磁暂态自由分量的等值电路，根据一阶电路的零输入响应，定子暂态电流IsTC在电磁暂态过程中以时间常数τ指数衰减，且τ的计算方法为：
其中，Lσs为定子绕组的自感，Lm为转子与定子的互感，Rs为定子绕组的电阻。
在本发明一实施例中，在所述步骤S2中，在Crowbar切入状态下，将DFIG风电机组的等效电路图中转子回路中增加一Crowbar电阻。
在本发明一实施例中，在所述步骤S3中，通过如下方式获取，在Crowbar切入状态下，DFIG定、转子暂态电流的等效电路：通过步骤S2获取的，在Crowbar切入状态下，DFIG风电机组的等效电路为线性电路，且不存在隔绝暂态电流的元件，则记整个电路均能为定、转子电流的暂态分量提供通路；记DFIG机端电压瞬时跌落，对于DFIG定、转子暂态电流，定子绕组端部短路。
在本发明一实施例中，以定、转子电流矢量在α轴与β轴上的分量为状态变量，建立DFIG风电机组在Crowbar切入时电流的电磁暂态分量状态空间模型。
在本发明一实施例中，根据所述步骤S3中建立的在Crowbar切入状态下，DFIG定、转子暂态电流的等效电路，建立两个回路电压方程，并根据所述步骤S1中建立的数学模型，获取仅包含定子电流矢量和转子电流矢量的方程组：
将上式中矢量表示的定、转子电流暂态分量正交分解至α轴与β轴上，转换为矩阵形式，得：
进而得到定、转子电流暂态分量的状态方程：
其中，系数矩阵A为DFIG定、转子电流暂态分量的系统特征矩阵；通过求取矩阵A的主导极点，得出Crowbar切入状态下，DFIG定、转子暂态分量电流的动态特性。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提出了一种考察双馈感应风电机组电磁暂态特性的方法，在分析了双馈风电机组(DFIG)自身物理特性的基础上，提出了一种基于DFIG等效电路的电磁暂态相应机理的分析方法。根据DFIG在低电压穿越过程中的不同状态，该方法均能够正确地判断DFIG在电压跌落下的电磁暂态响应模式。通过考察DFIG风电机组在电网电压跌落时的等效电路，可以得到DFIG风电机组中Crowbar保护不同切入状态下暂态分量电流的通路，进而可以由对应等值电路的零极点特性，推导出对应暂态分量电流的时域运动模态，对含风电电力系统规划、设计、运行等均具有较大作用。
附图说明
图1为本发明一实施例中一种考察双馈感应风电机组电磁暂态特性的方法的流程图。
图2为本发明一实施例中DFIG在αβ坐标系下的等效电路图。
图3为本发明一实施例中Crowbar未切入时的DFIG等效电路图。
图4为本发明一实施例中Crowbar未切入下定子暂态电流等效电路图。
图5为本发明一实施例中Crowbar保护投入时的DFIG等效电路图。
图6为本发明一实施例中Crowbar切入下定、转子暂态电流通路电路图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供一种考察双馈风电机组电磁暂态特性的方法，如图1所示，该方法包括如下具体步骤：
步骤(1)：构建DFIG风电机组在αβ坐标系下的数学模型(式1)，并根据该数学模型，得出DFIG在αβ坐标系下的等效电路图，如图2所示。
步骤(2)：首先分析DFIG风电机组在低电压穿越时Crowbar切入状态与退出状态下的特征，并根据各自的情况，作出其在电压跌落时的等效电路图。并进一步分析Crowbar不同切入状态下时DFIG暂态电流分量的流通通路，得到仅计及暂态分量电流的DFIG等效电路。最后根据暂态电流分量所对应的DFIG等效电路，推导得出DFIG在Crowbar切入和未切入下的电磁暂态响应机理。步骤的具体实施方法如下：
1)Crowbar保护未投入时：
当电网电压跌落的幅度比较小时，可以利用DFIG的运行控制系统进行DFIG风电机组的故障穿越控制。在该情况下，由于DFIG风电机组中的变频器能够通过合理的控制策略补偿定子绕组中的磁链波动，使转子电流在电磁暂态过程中不产生波动，因此在等效电路中，如图3所示，转子支路可以被表示为一个恒定的工频矢量的电流源。
显然，由于DFIG运行控制系统对定子磁链波动的补偿，处于转子电流控制状态下的转子绕组电流矢量仅包含有以工频旋转的强制分量(即稳态分量)。因此，对电磁暂态下电流的自由分量(即暂态分量)而言，转子绕组实际上不构成通路，该自由分量仅流经定子绕组及励磁支路。考虑定子电压瞬时跌落，可以认为定子电压内不包含暂态过程的分量，即对电磁暂态自由分量，定子绕组端部是短路的。根据以上分析，可以得出Crowbar未切入下DFIG电磁暂态自由分量的等值电路，如图4所示。该图中，下标“TC”表示电磁暂态下的自由分量，后文同理。
根据一阶电路的零输入响应，图4中的定子暂态电流IsTC在电磁暂态过程中应该以时间常数τ指数衰减，其中τ的计算方法为：
式2中的各参数的意义均标注在图4内。
2)Crowbar保护投入时
若电网发生了较严重的故障，DFIG机端电压跌落的幅度会比较大。此时定子磁链的波动过于剧烈，超出了DFIG运行控制系统的调节能力，会造成转子绕组过电流、直流母线电容电压快速泵生等一系列恶果。这种情况下，投入Crowbar保护可以起到隔离转子绕组与转子励磁变频器，与泄放DFIG中多余电磁能的作用。
Crowbar保护实质上是断开转子绕组与转子励磁变频器间的电气连接，并在转子绕组端部串入一组泄放电阻。因此对于DFIG的等效电路，当Crowbar投入时，可以认为转子回路中直接增加了一个Crowbar电阻Rc，如图5所示。
分析图5中定、转子电流暂态分量的流通通路。由于该电路为线性电路，且不存在隔绝暂态电流的元件，因此可以认为整个电路均可为定、转子电流的暂态分量提供通路。与Crowbar未切入的情况类似，认为DFIG机端电压的跌落是瞬时的，对于DFIG定、转子暂态电流，定子绕组端部是短路的。因此可以画出Crowbar保护切入下定、转子暂态电流的通路图，如图6所示。
由于该等效电路中的转子回路内包含了较多电感元件及一个电压源，因此无法简单地判断电磁暂态下自由分量的衰减模式。为了对该等效电路中包含的各电量的暂态分量进行分析，本文以定、转子电流矢量在α轴与β轴上的分量为状态变量，建立DFIG风电机组Crowbar保护投入时电流的电磁暂态分量状态空间模型。首先由图6所示的等效电路，写出该电路的两个回路电压方程，并带入式1中的转子磁链方程即可得到仅包含了定子电流矢量和转子电流矢量的方程组(式3)：
对式3中矢量表示的定、转子电流暂态分量正交分解至α轴与β轴上，并加以整理，写成矩阵形式，可得：
整理式4，得到定、转子电流暂态分量的状态方程：
显然，式5所示的状态方程中，系数矩阵A即为DFIG定、转子电流暂态分量的系统特征矩阵。由于高阶系统的动态特性主要由主导特征值，即复平面的左半平面上与虚轴距离最近的极点或共轭极点对决定，因此通过求取矩阵A的主导极点，即可得出Crowbar切入下DFIG定、转子暂态分量电流的动态特性。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种考察双馈感应风电机组电磁暂态特性的方法，其特征在于，按照如下步骤实现：
步骤S1：构建DFIG风电机组在αβ坐标系下的数学模型，并根据该数学模型，得出DFIG风电机组在αβ坐标系下的等效电路；
步骤S2：分析DFIG风电机组在低电压穿越时，Crowbar切入状态与未切入状态下的特征，并根据各自的情况，作出其在电压跌落时的等效电路图；
步骤S3：分析Crowbar不同切入状态下时，DFIG风电机组电流暂态分量的流通通路，得到仅涉及电流暂态分量的DFIG风电机组等效电路；
步骤S4：根据电流暂态分量所对应的DFIG风电机组等效电路，获取DFIG风电机组在Crowbar切入和未切入下的电磁暂态响应特性。
2.根据权利要求1所述的一种考察双馈感应风电机组电磁暂态特性的方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述数学模型为：
模型中，运行参数Us与Ur分别为发电机定、转子绕组的端电压矢量，Is与Ir分别为定、转子绕组电流矢量，Ψs与Ψr分别为定、转子绕组的磁链矢量，ωr为电机转速；模型参数Rs、Rr、Ls、Lm、Lr分别为发电机的定子绕组电阻、转子绕组电阻、定子绕组电感、互感及转子绕组电感。
3.根据权利要求1所述的一种考察双馈感应风电机组电磁暂态特性的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，在Crowbar未切入状态下，当电网电压跌落的幅度比较小时，通过DFIG的运行控制系统对DFIG风电机组的故障穿越进行控制，DFIG风电机组中的变频器通过控制策略补偿定子绕组中的磁链波动，使转子电流在电磁暂态过程中不产生波动，则将DFIG风电机组的等效电路图中转子支路表示为一恒定的工频矢量的电流源。
4.根据权利要求3所述的一种考察双馈感应风电机组电磁暂态特性的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，通过如下方式获取，在Crowbar未切入状态下，DFIG电磁暂态自由分量的等效电路：DFIG的运行控制系统对定子绕组磁链波动的补偿，处于转子电流控制状态下的转子绕组电流矢量仅包含以工频旋转的强制分量；对电磁暂态下电流的自由分量而言，转子绕组不构成通路，该自由分量仅流经定子绕组及励磁支路；记定子电压瞬时跌落，则定子电压内不包含暂态过程的分量，即对电磁暂态自由分量，定子绕组端部短路。
5.根据权利要求4所述的一种考察双馈感应风电机组电磁暂态特性的方法，其特征在于，在所述步骤S4中，对于在Crowbar未切入状态下，DFIG电磁暂态自由分量的等效电路，根据一阶电路的零输入响应，定子暂态电流IsTC在电磁暂态过程中以时间常数τ指数衰减，且τ的计算方法为：
其中，Lσs为定子绕组的漏感，Lm为转子与定子的互感，Rs为定子绕组的电阻。
6.根据权利要求1所述的一种考察双馈感应风电机组电磁暂态特性的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，在Crowbar切入状态下，将DFIG风电机组的等效电路图中转子回路中增加一Crowbar电阻。
7.根据权利要求6所述的一种考察双馈感应风电机组电磁暂态特性的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，通过如下方式获取，在Crowbar切入状态下，DFIG定、转子电流的等效电路：通过步骤S2获取的，在Crowbar切入状态下，DFIG风电机组的等效电路为线性电路，且不存在隔绝暂态电流的元件，则记整个电路均能为定、转子电流的暂态分量提供通路；记DFIG机端电压瞬时跌落，对于DFIG定、转子暂态电流，定子绕组端部短路。
8.根据权利要求7所述的一种考察双馈感应风电机组电磁暂态特性的方法，其特征在于，以定、转子电流矢量在α轴与β轴上的分量为状态变量，建立DFIG风电机组在Crowbar切入时电流的电磁暂态分量状态空间模型。
9.根据权利要求8所述的一种考察双馈感应风电机组电磁暂态特性的方法，其特征在于，根据所述步骤S3中建立的在Crowbar切入状态下，DFIG定、转子电流的等效电路，建立两个回路电压方程，并根据所述步骤S1中建立的数学模型，获取仅包含定子电流矢量和转子电流矢量的方程组：
Is与Ir分别为定、转子绕组电流矢量，ωr为电机转速；模型参数Rs、Rr、Ls、Lm、Lr分别为发电机的定子绕组电阻、转子绕组电阻、定子绕组电感、互感及转子绕组电感，Lσs、Lσr为定、转子绕组的漏感，且：Ls＝Lσs+Lm、Lr＝Lσr+Lm；Rc为Crowbar电阻；
将上式中矢量表示的定、转子电流的暂态分量正交分解至α轴与β轴上，转换为矩阵形式，得：
进而得到定、转子电流暂态分量的状态方程：
其中，系数矩阵A为DFIG定、转子电流暂态分量的系统特征矩阵；通过求取矩阵A的主导极点，得出Crowbar切入状态下，DFIG定、转子电流暂态分量的动态特性；ωr为电机转速；模型参数Rs、Rr、Ls、Lm、Lr分别为发电机的定子绕组电阻、转子绕组电阻、定子绕组电感、互感及转子绕组电感，状态量isα、isβ、irα、irβ分别为定子电流暂态分量的α轴分量、β轴分量以及转子电流暂态分量的α轴分量、β轴分量。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Lin Jianxin Inventor after: Wen Buying Inventor after: Jiang Yuewen Inventor after: Lin Minwei Inventor before: Jiang Yuewen Inventor before: Wen Buying Inventor before: Lin Jianxin Inventor before: Lin Minwei |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20190709 |