CN106849175B - 一种双馈风电机组撬棒阻值整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种双馈风电机组撬棒阻值整定方法，从DFIG风力发电系统在电压跌落下的暂态数学模型出发，运用空间矢量分析的方法和拉普拉斯变换，推导出了风电机组在电压跌落下的暂态电流时域表达式，得到Crowbar阻值的合适值；本发明解决了投入撬棒保护电路后转子侧出现过电流和直流母线过电压的问题，有效抑制暂态故障电流分量，显著提高风力发电系统的低电压穿越水平。

Description

一种双馈风电机组撬棒阻值整定方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，更具体地，涉及一种双馈风电机组撬棒阻值整定方法。

背景技术

风力发电是新能源发电中技术最成熟、最具规模也是开发条件和商业化发展前景最好的发电方式之一。双馈风力发电机在风力发电中得到广泛应用，其主要是因为发电机能在定、转子双边馈电下运行，通过控制转子侧的励磁、相位和幅值来实现DFIG的变速恒频发电。但系统受电网电压波动的影响较大。当电网电压因故障而降低时，此时双馈风电机组就不能对其定子侧输出的有功、无功进行有效控制。因此低电压穿越技术已经成为风力发电大规模并网的技术瓶颈之一。

国内外的相关学者已在此领域内做了相关研究，且提出了一些卓有成效的解决方案。2008年第5期发表在《电机与控制学报》中《双馈风力发电机三相短路电流分析》一文从时域的角度出发，详尽的分析了在转子侧加装撬棒保护电路后DFIG的定、转子电流的动态特性，并与仿真的结果进行了比较分析。2010年第8期的《中国电机工程学报》中《基于撬棒保护的双馈电机风电场低电压穿越动态特性分析》一文推导了DFIG在并网运行条件下发生机端对称短路后定、转子电流在静止坐标系下的表达式，并根据所推导的转子电流表达式初步整定了撬棒保护电路的阻值，但表达式较复杂，各个物理量之间并未给出明确说明及其确切含义。2013年第6期的《电力系统自动化》中《双馈风电机组暂态特性分析及低电压穿越方案》一文从磁链角度推导给出了DFIG在并网运行情况下发生机端三相短路故障后的转子电流表达式，并考虑了撬棒阻值的大小和投入、退出时间对DFIG低电压穿越的动态特性的影响。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺点，提供了一种双馈风电机组撬棒阻值整定方法。

本发明的技术方案如下：

一种双馈风电机组撬棒阻值整定方法，从DFIG风力发电系统在电压跌落下的暂态数学模型出发，运用空间矢量分析的方法和拉普拉斯变换，推导出风电机组在电压跌落下的暂态电流时域表达式，进而得到Crowbar阻值的合适值。

进一步地，具体包括以下步骤：

S1.推导出DFIG系统定子电压在电压跌落情况下的暂态数学表达式；

S2.运用普拉斯变换方法，得到定子电流的空间矢量的时域表达式

S3.根据定子电压、电流方程的关系，经旋转坐标变换后可得转子侧故障电流的时域表达式为：

S4.得到Crowbar阻值的合适值。

进一步地，所述步骤S1所述暂态数学表达式具体算法如下：

设定子短路电流的空间矢量为：

i_s＝i_s0+i_s1 (1)

式中，i_s0为定子电压在低电压故障跌落前定子稳态电流的空间矢量；i_s1为在定子端突然施加的反向三相电压所产生的定子电流空间矢量。

在转子同步旋转MT坐标系中，定子电压跌落前的电流矢量为

式中，X_s为定子电抗，R_s为定子电阻，ω₁为定子同步旋转角速度；ω_s为转差频率角速度。

在转子坐标系中，设定、转子的磁链初始值为0时，运用拉普拉斯变换，可得定子电压方程的s域表达式为

AU_s1'＝[R_s+(s+jω₁)L_s(s)]I_s1' (3)

式中，A为电压跌落的程度(0<A<1)，表征电压跌落的大小，L_s(s)为在转子坐标系中定子侧的运算电感，其中L_s(s)＝L_s(1+sT_r')/(1+sT_r)。

进一步地，所述步骤S2所述的定子电流的空间矢量的时域表达式具体算法如下：

由定子电压方程的s域表达式可得定子电流为：

式中，α为定子直流分量部分的衰减系数，且α≈R_s/L_s'。

将式(4)展开成部分分式形式并取其拉普拉斯反变换，可得i_s1'，并考虑ω_r＞＞α，

(s-jω_s)(α+s+jω₁)≈s(α+s+jω_r)可得，

在DFIG空载或带轻微负载的情况下，可以假定ω_r≈ω₁，则可得到i_s'，并经旋转变换可得定子坐标系中定子电流的空间矢量的时域表达式为：

更进一步地，所述定子电流包括三部分：

是定子电流的稳态分量，它的大小由电压跌落的程度A决定；

是暂态故障电流的直流分量，其幅值取决于短路时的相位角大小

此分量以定子时间常数T_a呈不断衰减的趋势，其中T_a＝1/α；

是交流分量，占暂态电流中的绝大部分，以瞬态时间常数T_r'呈衰减变化。

进一步地，所述步骤S4所述的阻值整定方法具体如下：

根据定子的电压、电流方程，并综合考虑式(6)可得转子侧故障电流的时域表达式为：

(1)在投入撬棒保护电路后，转子侧故障电流的最大值应小于转子电流的安全值I_fm，一般I_f取1.5pu左右，于是有：

据此可计算出r_c的最小值，式中U_s为定子电压，其中X_L＝ω₁L_s，ω₁为定子同步旋转角速度，L_s为在转子坐标系中定子侧的运算电感，R_r为转子侧等效电阻，K_I为转子电流安全系数，其中K_I＝0.9～1.2，当电压跌落发生在机端时，K_I取较大值1.2；当电压跌落发生在用户侧时K_I取0.9；

(2)为了避免在投入撬棒保护电路后，直流母线上出现过电压，则在投入撬棒电路后，应满足在其上的压降应小于阀值电压U_dcm：

由此可得r_c在整定范围内的最大值，式中K_U为母线电压安全系数，其中K_U＝0.95～1.3，当电压跌落发生在机端时，K_U取较大值1.3；当电压跌落发生在用户侧时K_U取0.95；

(3)由以上两式即可得到的r_c取值范围为：

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.解决了投入Crowbar保护电路后转子侧出现过电流和直流母线过电压的问题；

2.有效抑制了暂态故障电流分量，显著提高了风力发电系统的LVRT水平；

3.在合理取值范围内，Crowbar阻值越大，则对转子侧过电流的抑制效果就越明显。

附图说明

图1为不同r_c取值下的DFIG相应I_r，Q_s，U_s。

具体实施例

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

1.DFIG机端电压跌落下的暂态分析

在研究电网电压跌落对DFIG系统的影响时，需要推导出DFIG系统定子电压和转子电流在电压跌落情况下的暂态数学表达式。由于电网电压跌落情况下DFIG系统转子电路通常被Crowbar保护电路短路，可以利用电路的叠加原理进行分析，得到在该情况下DFIG暂态电流的表达式。定子三相电压在低电压故障情况下的跌落过程，可以等效的看作在定子端施加一组与原端电压方向相反而幅值为电压跌落幅值的过程。

设定子短路电流的空间矢量为

i_s＝i_s0+i_s1 (1)

式中，i_s0为定子电压在低电压故障跌落前定子稳态电流的空间矢量；i_s1为在定子端突然施加的反向三相电压所产生的定子电流空间矢量。

在转子同步旋转MT坐标系中，定子电压跌落前的电流矢量为

式中，X_s为定子电抗，R_s为定子电阻，ω₁为定子同步旋转角速度；ω_s为转差频率角速度。

在转子坐标系中，设定、转子的磁链初始值为0时，运用拉普拉斯变换，可得定子电压方程的s域表达式为

AU_s1'＝[R_s+(s+jω₁)L_s(s)]I_s1' (3)

式中，A为电压跌落的程度(0<A<1)，表征电压跌落的大小，L_s(s)为在转子坐标系中定子侧的运算电感，其中L_s(s)＝L_s(1+sT_r')/(1+sT_r)；

由此可得定子电流为

式中，α为定子直流分量部分的衰减系数，且α≈R_s/L_s'。

将式(4)展开成部分分式形式并取其拉普拉斯反变换，可得i_s1'，并考虑ω_r＞＞α，

(s-jω_s)(α+s+jω₁)≈s(α+s+jω_r)可得

在DFIG空载或带轻微负载的情况下，可以假定ω_r≈ω₁，则可得到i_s'，并经旋转变换可得定子坐标系中定子电流的空间矢量的时域表达式为

由式(6)可以看出，定子电流由三部分组成：

是定子电流的稳态分量，它的大小由电压跌落的程度A决定；

是暂态故障电流的直流分量，其幅值取决于短路时的相位角大小

此分量以定子时间常数T_a呈不断衰减的趋势，其中T_a＝1/α；

是交流分量，占暂态电流中的绝大部分，以瞬态时间常数T_r'呈衰减变化。

2.Crowbar电路的阻值选择及算例分析

2.1阻值选择

通过在转子侧加装Crowbar保护电路可以在电网电压跌落故障时增加发电机转子电阻，能够有效抑制暂态故障电流中的交流分量部分，使DFIG系统在低电压故障下可以不脱网运行。但是由于Crowbar电路中的保护电阻阻值的选择不当，则可能会导致变流器直流母线上电压的泵生，因此需要恰当的选择其阻值。为此，需计算出在电压跌落时，转子侧的时域电流表达式。

根据定子的电压、电流方程，并综合考虑式(6)可得转子侧故障电流的时域表达式为：

由(7)式分析可知，Crowbar保护电路中的阻值r_c的选取十分重要，r_c选择的越大，则转子在低电压故障下的电流就越小；自然，功率和转矩振荡的幅值也小，但是过大的r_c会导致网侧变流器和在转子绕组上产生过电压，最终导致直流母线上的电压的泵升以及电机的震荡幅度增大。

由此可得转子侧故障电流最大值的计算方法和Crowbar阻值的整定方法如下：

(1)在投入撬棒保护电路后，转子侧故障电流的最大值应小于转子电流的安全值I_fm，一般I_f取1.5pu左右，于是有：

据此可计算出r_c的最小值，式中U_s为定子电压，其中X_L＝ω₁L_s，ω₁为定子同步旋转角速度，L_s为在转子坐标系中定子侧的运算电感，R_r为转子侧等效电阻，K_I为转子电流安全系数，其中K_I＝0.9～1.2，当电压跌落发生在机端时，K_I取较大值1.2；当电压跌落发生在用户侧时K_I取0.9；

(2)为了避免在投入撬棒保护电路后，直流母线上出现过电压，则在投入撬棒电路后，应满足在其上的压降应小于阀值电压U_dcm：

由此可得r_c在整定范围内的最大值，式中K_U为母线电压安全系数，其中K_U＝0.95～1.3，当电压跌落发生在机端时，K_U取较大值1.3；当电压跌落发生在用户侧时K_U取0.95；

(3)由以上两式即可得到的r_c取值范围为：

式(10)表明，在保证网侧变流器不出现过电压的情况下，若Crowbar阻值整定在取值范围内且适当偏大，则DFIG的LVRT效果将更好。

2.2算例分析

对于2MW的DFIG，为了确定Crowbar阻值的合适值，在式(13)中代入不同的r_c时，可得不同的最大短路电流I_{r max}和对应的转子电压U_{r max}。具体计算结果如表1所示：

表1 不同Crowbar取值下的I_{r max}、U_{r max}计算结果

从表1可以看出：随着Crowbar阻值的增大，最大转子电流逐渐减小，但转子侧最大电压逐渐升高。通常，在合理取值范围内，所整定的Crowbar阻值越大，则转子侧过电流的情况下，其抑制效果就越明显。另外，还可以看出，当r_c＝0.10时，U_{r max}<U_{r lim}不再成立，因此Crowbar的阻值最大不应超过0.09。

实施例2

为验证上述Crowbar阻值整定的合理性，结合算例分析的结果，分别选取r_c为0.06、0.088时，对Crowbar投入后的转子侧电流、定子无功功率和机端电压进行仿真；

如图1所示，从图中可以看出，故障发生后r_c＝0.06时，最大的转子端电流为4.82，而当r_c＝0.088时，转子端电流为3.80左右，且故障在切除后转子端电流可以更快的趋于稳定。在低电压故障切除后，DFIG从电网吸收的最大瞬时无功功率分别为1.4和1.44。

综合算例及仿真分析，建议在工程实际中，在Crowbar阻值能够有效限制住转子过电流的基础上，其Crowbar阻值应适当偏大。

为验证仿真结果的合理性，搭建了额定功率为10KW的小功率试验系统，对Crowbar阻值的不同取值下进行实验，其主电路中DFIG参数如下表2所示：

表2 10KW DFIG参数

本实验中取r_c＝0.085、0.086、0.087、0.088、0.089、0.090六种情况，相应的DFIG转子侧电流I_{r max}和机端电压U_{r max}的实验结果如表3所示：

表3 不同Crowbar取值下I_{r max}，U_{r max}实验结果

对比表1和表3的相关数据即可看出，不同的Crowbar阻值下DFIG的各个参数的变化趋势一致，仿真结果与实验结果能够相互验证。由此验证了在合理取值范围内，Crowbar阻值越大，则对转子侧过电流的抑制效果就越明显的结论。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护之内。

Claims (5)

1.一种双馈风电机组撬棒阻值整定方法，其特征在于，从DFIG风力发电系统在电压跌落下的暂态数学模型出发，运用空间矢量分析的方法和拉普拉斯变换，推导出风电机组在电压跌落下的暂态电流时域表达式，进而得到Crowbar阻值的合适值；

具体包括以下步骤：

S1.推导出DFIG系统定子电压在电压跌落情况下的暂态数学表达式；

S2.运用普拉斯变换方法，得到定子电流的空间矢量的时域表达式：

α为定子直流分量部分的衰减系数；

为短路时的相位角大小；i_s为定子电流矢量；ω_r为转子角速度，A为电压跌落幅值，且0<A<1；

S3.根据定子电压、电流方程的关系，经旋转坐标变换后可得转子侧故障电流的时域表达式为：

S4.得到Crowbar阻值的合适值。

2.根据权利要求1所述的撬棒阻值整定方法，其特征在于，步骤S1所述暂态数学表达式具体算法如下：

设定子短路电流的空间矢量为：

i_s＝i_s0+i_s1(1)

式中，i_s0为定子电压在低电压故障跌落前定子稳态电流的空间矢量；i_s1为在定子端突然施加的反向三相电压所产生的定子电流空间矢量。

在转子同步旋转MT坐标系中，定子电压跌落前的电流矢量为：

式中，X_s为定子电抗，R_s为定子电阻，ω₁为定子同步旋转角速度；ω_s为转差频率角速度。

在转子坐标系中，设定、转子的磁链初始值为0时，运用拉普拉斯变换，可得定子电压方程的s域表达式为：

AU_s1'＝[R_s+(s+jω₁)L_s(s)]I_s1'(3)

式中，A为电压跌落的程度，0<A<1，表征电压跌落的大小，L_s(s)为在转子坐标系中定子侧的运算电感，其中L_s(s)＝L_s(1+sT_r')/(1+sT_r)。

3.根据权利要求1所述的撬棒阻值整定方法，其特征在于，步骤S2所述的定子电流的空间矢量的时域表达式具体算法如下：

由定子电压方程的s域表达式可得定子电流为：

式中，α≈R_s/L_s'；

将式(4)展开成部分分式形式并取其拉普拉斯反变换，可得i_s1’，并考虑ω_r＞＞α，

(s-jω_s)(α+s+jω₁)≈s(α+s+jω_r)可得，

在DFIG空载或带轻微负载的情况下，假定ω_r≈ω₁，则可得到i_s'，并经旋转变换可得定子坐标系中定子电流的空间矢量的时域表达式为：

4.根据权利要求3所述的撬棒阻值整定方法，其特征在于，所述定子电流包括三部分：

是定子电流的稳态分量，它的大小由电压跌落的程度A决定；

是暂态故障电流的直流分量，其幅值取决于短路时的相位角大小

此分量以定子时间常数T_a呈不断衰减的趋势，其中T_a＝1/α；

是交流分量，占暂态电流中的绝大部分，以瞬态时间常数T_r'呈衰减变化。

5.根据权利要求1所述的撬棒阻值整定方法，其特征在于，步骤S4所述的阻值整定方法具体如下：

根据定、转子的电压、电流方程之间的关系，并综合考虑式(6)经旋转坐标变换可得转子侧故障电流的时域表达式为：

(1)在投入撬棒保护电路后，转子侧故障电流的最大值应小于转子电流的安全值I_fm，I_fm取1.5pu，于是有：

据此可计算出r_c的最小值，式中U_s为定子电压，其中X_L＝ω₁L_s，ω₁为定子同步旋转角速度，L_s为在转子坐标系中定子侧的运算电感，R_r为转子侧等效电阻，K_I为转子电流安全系数，其中K_I＝0.9～1.2，当电压跌落发生在机端时，K_I取较大值1.2；当电压跌落发生在用户侧时K_I取0.9；

(2)为了避免在投入撬棒保护电路后，直流母线上出现过电压，则在投入撬棒电路后，应满足在其上的压降应小于阀值电压U_dcm：

由此可得r_c在整定范围内的最大值，式中K_U为母线电压安全系数，其中K_U＝0.95～1.3，当电压跌落发生在机端时，K_U取较大值1.3；当电压跌落发生在用户侧时K_U取0.95；

(3)由以上两式即可得到的r_c取值范围为：

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