CN106655117B - 一种短路故障下双馈风机的等效仿真控制方法 - Google Patents

一种短路故障下双馈风机的等效仿真控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种短路故障下双馈风机的等效仿真控制方法，属于电力系统技术领域。该控制方法在研究短路故障下双馈风机外特性的基础上，建立了基于PSCAD/EMTDC的双馈风机的等效仿真模型。本控制方法提出，将风机等效为受控电流源，风机的控制系统分别由参考电路系统、风机切除控制系统和故障电流控制系统等组成。在短路故障发生时，由参考电路系统、风机切除控制系统和故障电流控制系统进行一系列配合控制精确反映双馈风机短路故障下的外特性。本发明无需考虑传统全控型电力电子器件的高频通断，因而可采用较大仿真步长，提高仿真效率，对大型风电场短路故障研究具有一定参考价值。

Description

一种短路故障下双馈风机的等效仿真控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统的技术领域，特别涉及一种短路故障下双馈风机的等效仿真控制方法。
背景技术
风能是可再生的清洁能源，风力发电是利用风能的重要形式。随着传统化石能源的枯竭和人们环保意识的提高，大力发展风电技术是国家发展的必然选择,对环境保护、节约能源以及生态平衡都有重要的意义。
与此同时，关于风电场的运行维护问题也得到了越来越多的关注，尤其是暂态过电压以及由它所引起的设备绝缘故障等问题。海上风电场的工况是，海上风电的电力传输是通过海底电缆完成的，而海上风电场电缆布局较复杂，海底电缆较长，海底环境较为恶劣，大大增加了出现短路故障的概率。短路故障引起的暂态过电压威胁着电缆集电网系统及其连接的设备(如变压器、发电机等)安全。对海上风电场系统暂态过电压的研究，需对不对称短路故障下海上风电场双馈风机进行PSCAD仿真等效建模，以便在减少仿真计算时间情况下，准确获取不对称短路故障下海上风电场最大暂态过电压，有助于选用合适的保护设备和保护措施，对提高海上风电场运行的安全可靠性具有实际意义。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术中的缺陷和不足，提供一种短路故障下双馈风机的等效仿真控制方法，该发明方法针对研究风电场发生短路故障情况下双馈风机机组的外特性，将风电机组等效为受控电流源，在外部发生短路故障后对等效风机进行切除与保护，该发明方法对风电场短路故障研究等具有一定参考意义。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种短路故障下双馈风机的等效仿真控制方法，包括以下步骤：
S0、搭建风机等效系统，将风机等效为受控电流源，向电网中注入电流；
S1、搭建参考电路系统，根据风机正常运行和短路故障下向电网注入的电流不同，搭建包含有电源、断路器和电阻的参考电路系统；
S2、搭建故障电流控制系统，使用定序器搭建故障电流控制系统，该系统在短路故障发生后控制所述参考电路系统中断路器执行相应的动作，使得受控电流源发出的电流发生变化，体现短路故障风机电磁暂态特性；
S3、搭建风机切除控制系统，该系统基于对风机保护的考虑，在所述参考电路系统恢复为额定电流之后与外部切除短路故障之前开始运作，当风机出口处电压峰值高于N*p.u时将风机从电网中切除，其中，N>1，N*p.u为保护风机的设定值。
进一步地，所述参考电路系统中所述电源的电压与风机额定电压相同。
进一步地，所述参考电路系统中所述电阻的支路有两条且区分三相，所述电阻的大小根据风机额定电压和风机额定容量，分别按照风机额定电流和短路故障下风机注入大小为1.4倍额定电流的短路电流计算。
进一步地，所述参考电路系统中所述断路器由所述故障电流控制系统进行控制。
进一步地，所述故障电流控制系统在短路故障发生2毫秒后，立即控制所述参考电路系统中断路器动作，使所述参考电路系统由运行在正常电流支路变为运行在短路故障电流支路，所述受控电流源立即向电网注入1.4倍额定电流，持续50毫秒后在所述参考电路系统短路故障电流支路三相电流过零时，对应控制所述参考电路系统中该相断路器动作恢复为运行在正常电流支路。
进一步地，所述风机切除控制系统在短路故障发生后保持风机继续运行，在所述参考电路系统恢复为额定电流之后与外部切除短路故障之前，不断将风机出口处电压峰值与保护风机的设定值N*p.u作比较，当风机出口处电压超过设定值N*p.u时，外部切除短路故障断路器动作将风机从电网切除。
进一步地，所述步骤S0、搭建风机等效系统具体为：以所述参考电路系统中的电流为控制量，将风机等效为受控电流源，向电网中注入电流；
进一步地，所述风机等效系统等效为受控电流源经断路器与电网连接，注入电流由所述参考电路系统中的电流确定，受控电流源与断路器间并联支路经断路器和电阻接地，上述断路器由所述风机切除控制系统控制，当风机出口处电压过大需要切除时，断开受控电流源并网断路器，闭合支路断路器，受控电流源经电阻接地。
进一步地，所述保护风机的设定值N*p.u为2*p.u。
进一步地，所述受控电流源为三相受控电流源。
本发明相对于现有仿真建模技术具有如下的优点及效果：
1、仿真研究风电场系统涉及到电气设备很多，其中最关键的是风电机组的建模和控制。本发明基于对短路故障下双馈风机控制方法的研究，提出了将风机等效为受控电流源，短路时风机的控制系统分别由参考电路系统、风机切除控制系统和故障电流控制系统等组成，能精确、快速地反应双馈风机短路故障下的外特性，满足工程研究精度需要。
2、本发明提出将双馈风机等效为受控电流源，一方面避免了搭建大量电力电子器件的搭建，从而避免了全控型器件的高频通断，另一方面该方法较为简单，生成的矩阵较一般方法的阶数更低，更便于计算机求解，减小计算机运算量，使得仿真步长得到大幅提高，从而提高仿真效率，缩短仿真时间。
附图说明
图1是参考电路系统模型图；
图2是故障电流控制系统模型图；
图3是风机切除控制系统模型图；
图4是风机等效系统模型图；
图5是单相短路后机端变压器35kV侧电压波形图；
图6是本发明中公开的短路故障下双馈风机的等效仿真控制方法的流程步骤图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
下面结合附图对本发明进一步说明，本实施例基于电力系统电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC公开的一种短路故障下双馈风机的等效仿真控制方法。本实施例具体情况设置为，系统于0.52s后发生单相短路故障，2ms(0.522s)后时风机立即注入1.4倍额定电流，50ms(0.572s)后随着电流过零，风机注入电流恢复为额定电流,100ms(0.672s)后即5个工频周期时启动风机切除控制系统。具体包括以下步骤：
S0、搭建风机等效系统，将风机等效为受控电流源，向电网中注入电流；
具体应用中，所述步骤S0、搭建风机等效系统具体为：以所述参考电路系统中的电流为控制量，将风机等效为受控电流源，向电网中注入电流。
具体应用中，所述风机等效系统等效为受控电流源经断路器与电网连接，注入电流由所述参考电路系统中的电流确定，受控电流源与断路器间并联支路经断路器和电阻接地，上述断路器由所述风机切除控制系统控制，当风机出口处电压过大需要切除时，断开受控电流源并网断路器，闭合支路断路器，受控电流源经电阻接地。
本实施例中，将风机具体等效为三相受控电流源，外接断路器CRKI1后并网。当CRKI1断开时，同时闭合断路器CRKI经电阻泄流入地。
S1、根据风机正常运行和短路故障下向电网注入的短路电流，搭建含有电源、断路器和电阻等的参考电路系统。
具体应用中，电源额定电压设置为0.69kV。等效电阻R1和R2由风机按照额定电流和故障下注入大电流大小计算。如附图1。其中，等效电阻R1和R2按如下公式进行计算：
S2、使用定序器搭建故障电流控制系统，该系统在短路故障发生后控制参考电路系统断路器执行相应的动作，使得受控电流源发出的电流发生变化，体现短路故障风机暂态特性。
其中，参考电路系统中所述电源的电压与风机出口处电压相同。
其中，参考电路系统中所述电阻的支路有两条且区分三相，所述电阻的大小根据风机出口处电压和风机额定容量，分别按照风机额定电流和短路故障下风机注入大小为1.4倍额定电流的短路电流计算。
其中，参考电路系统中所述断路器由所述故障电流控制系统进行控制。
所述故障电流控制系统在短路故障发生2毫秒后，立即控制所述参考电路系统中断路器动作，使所述参考电路系统由运行在正常电流支路变为运行在短路故障电流支路，所述受控电流源立即向电网注入1.4倍额定电流，持续50毫秒后在所述参考电路系统短路故障电流支路三相电流过零时，对应控制所述参考电路系统中该相断路器动作恢复为运行在正常电流支路。
具体应用中，由于系统于0.52s后发生单相短路故障，2ms后即0.522s时故障电流控制系统控制风机等效系统中断路器CRKI2a、CRKI2b、CRKI2c立即断开，断路器CRKI3a、CRKI3b、CRKI3c立即闭合，风机等效系统向电网注入1.4倍额定电流。50ms即0.572s后，随着A相电流过零,断开CRKI3a，闭合CRKI2a，随着B相电流过零,断开CRKI3b，闭合CRKI2b，随着C相电流过零,断开CRKI3c，闭合CRKI2c。
S3、搭建风机切除控制系统，该系统基于对风机保护的考虑，在所述参考电路系统恢复为额定电流之后与外部切除短路故障之前开始运作，当风机出口处电压峰值高于N*p.u时将风机从电网中切除，其中，N>1，N*p.u为保护风机的设定值。
所述风机切除控制系统在短路故障发生后保持风机继续运行，在所述参考电路系统恢复为额定电流之后与外部切除短路故障之前，不断将风机出口处电压峰值与保护风机的设定值N*p.u作比较，当风机出口处电压超过设定值N*p.u时，外部切除短路故障断路器动作将风机从电网切除。
本实施例中，保护风机的设定值N*p.u为2*p.u，但是该限定不作为本发明技术方案的限制，其他N的取值均为本发明技术方案的保护范围。
具体应用中，前0.572s风机切除控制系统不工作，保持风机正常运行。0.752s以后，实时测量风机出口处峰值电压与风机出口处额定相电压峰值的2倍进行比较，当实测电压超过设定值时，执行操作断开断路器CRKI1。理论上电流源不能断路，此时同时闭合断路器CRKI经电阻接地以进行泄流。
综上所述，本发明公开了一种短路故障下双馈风机的等效仿真控制方法，属于电力系统技术领域。该控制方法在研究短路故障下双馈风机外特性的基础上，建立了基于PSCAD/EMTDC的双馈风机的等效仿真模型。本方法提出，将风机等效为受控电流源，风机的控制系统分别由参考电路系统、风机切除控制系统和故障电流控制系统等组成。在短路故障发生时，由所述三大系统进行一系列配合控制精确反映双馈风机短路故障下的外特性。本发明无需考虑传统全控型电力电子器件的高频通断，因而可采用较大仿真步长，提高仿真效率，对大型风电场短路故障研究具有一定参考价值。
上述实施例是本发明较佳的实施方式，但是本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，任何未背离本发明的精神实质与原理所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种短路故障下双馈风机的等效仿真控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S0、搭建风机等效系统，以参考电路系统中的电流为控制量，将风机等效为受控电流源，向电网中注入电流；
S1、搭建参考电路系统，根据风机正常运行和短路故障下向电网注入的电流不同，搭建包含有电源、断路器和电阻的参考电路系统；
S2、搭建故障电流控制系统，使用定序器搭建故障电流控制系统，该系统在短路故障发生后控制所述参考电路系统中断路器执行相应的动作，使得受控电流源发出的电流发生变化，体现短路故障风机电磁暂态特性；
S3、搭建风机切除控制系统，该系统基于对风机保护的考虑，在所述参考电路系统恢复为额定电流之后与外部切除短路故障之前开始运作，当风机出口处电压峰值高于N*p.u时将风机从电网中切除，其中，N>1，N*p.u为保护风机的设定值。
2.根据权利要求1所述的一种短路故障下双馈风机的等效仿真控制方法，其特征在于，
所述参考电路系统中所述电源的电压与风机额定电压相同。
3.根据权利要求1所述的一种短路故障下双馈风机的等效仿真控制方法，其特征在于，
所述参考电路系统中所述电阻的支路有两条且区分三相，所述电阻的大小根据风机额定电压和风机额定容量，分别按照风机额定电流和短路故障下风机注入大小为1.4倍额定电流的短路电流计算。
4.根据权利要求1所述的一种短路故障下双馈风机的等效仿真控制方法，其特征在于，
所述参考电路系统中所述断路器由所述故障电流控制系统进行控制。
5.根据权利要求1所述的一种短路故障下双馈风机的等效仿真控制方法，其特征在于，
所述故障电流控制系统在短路故障发生2毫秒后，立即控制所述参考电路系统中断路器动作，使所述参考电路系统由运行在正常电流支路变为运行在短路故障电流支路，所述受控电流源立即向电网注入1.4倍额定电流，持续50毫秒后在所述参考电路系统短路故障电流支路三相电流过零时，对应控制所述参考电路系统中断路器动作恢复为运行在正常电流支路。
6.根据权利要求1所述的一种短路故障下双馈风机的等效仿真控制方法，其特征在于，
所述风机切除控制系统在短路故障发生后保持风机继续运行，在所述参考电路系统恢复为额定电流之后与外部切除短路故障之前，不断将风机出口处电压峰值与保护风机的设定值N*p.u作比较，当风机出口处电压超过设定值N*p.u时，外部切除短路故障断路器动作将风机从电网切除。
7.根据权利要求1所述的一种短路故障下双馈风机的等效仿真控制方法，其特征在于，
所述步骤S0、搭建风机等效系统具体为：以所述参考电路系统中的电流为控制量，将风机等效为受控电流源，向电网中注入电流。
8.根据权利要求7所述的一种短路故障下双馈风机的等效仿真控制方法，其特征在于，
所述风机等效系统等效为受控电流源经断路器与电网连接，注入电流由所述参考电路系统中的电流确定，受控电流源与断路器间并联支路经断路器和电阻接地，上述断路器由所述风机切除控制系统控制，当风机出口处电压过大需要切除时，断开受控电流源并网断路器，闭合支路断路器，受控电流源经电阻接地。
9.根据权利要求1至8任一所述的一种短路故障下双馈风机的等效仿真控制方法，其特征在于，
所述保护风机的设定值N*p.u为2*p.u。
10.根据权利要求1至8任一所述的一种短路故障下双馈风机的等效仿真控制方法，其特征在于，
所述受控电流源为三相受控电流源。
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