CN107317327A - 一种考虑不同转差的双馈风力发电系统短路电流计算方法 - Google Patents

一种考虑不同转差的双馈风力发电系统短路电流计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑不同转差的双馈风力发电系统短路电流计算方法，通过将双馈风力发电机按转差分为两类：转差大类和转差小类。对转差大类的双馈风力发电机采用正序等值阻抗作为正序等效模型，对转差小类的双馈风力发电机采用等值电势串联正序等值阻抗作为正序等效模型；然后将负序等值阻抗作为双馈风力发电机的负序等效模型；最后将双馈风力发电机的正序等效模型、负序等效模型与电力系统等值电路联立求解，计算出双馈风力发电系统短路电流。本发明考虑了不同转差大小对双馈风力发电机短路计算序分量模型的影响，建立了不同转差下双馈风力发电机短路计算模型，提高了双馈风力发电系统短路电流计算的准确性。

Description

一种考虑不同转差的双馈风力发电系统短路电流计算方法
技术领域
本发明涉及风电接入后电力系统短路计算领域，更具体地，涉及一种考虑不同转差的双馈风力发电系统短路电流计算方法。
背景技术
风力发电是可再生能源发电的主力，被认为是传统矿物能源发电的有效替代。在部分区域电网中，其装机容量已超过系统电源总容量的10％。双馈风力发电机是风力发电的主力装备，占风电并网容量的比例超过50％。双馈风力发电机的异步电机定子直接与电网相连，转子绕组通过背靠背变流器与电网相连。正常运行条件下，转子变换器馈入定子电压为转子绕组提供交流励磁。随着双馈风电机组的规模化应用，电力系统的结构形态和运行特征正在发生巨大的变化。
在电网发生故障时，我国新的风电并网标准GB/T19963-2011要求风电具有一定的低电压穿越能力，保证故障发生一段时间不脱网连续运行。由于双馈风力发电机定子与电网直接相连，电网电压跌落后会导致转子侧感应出过电流，从而威胁变换器的安全稳定运行。因此，一般会在转子侧加装撬棒保护，在撬棒电阻上卸下多余的电荷。双馈风力发电机转子侧复杂的动作特性使得其暂态过程会出现2种不同的状态：励磁控制状态和带撬棒电阻运行状态，所以双馈风力发电机无法直接应用同步发电机的等值模型进行短路电流的计算。
短路电流的准确计算是电力系统规划设计、继电保护和安全控制的重要基础，双馈风力发电系统的短路电流分析与计算受到了广泛的关注。现有研究主要集中于励磁控制状态对短路电流的影响。对于撬棒保护动作后的情况，双馈风力发电机被认为是一个绕线式异步电机。但是，与常规异步电机转差在5％以内不同，双馈风力发电机的转差可以达到30％。所以，采用常规异步电机的短路计算模型不能准确计算双馈风力发电系统的短路电流，从而制约了电力系统规划设计、继电保护整定计算等领域的研究。
发明内容
本发明克服了目前撬棒动作后对于双馈风力发电系统短路电流计算存在的不足，提供了一种新的考虑不同转差的双馈风力发电系统短路电流计算方法。本发明考虑了不同转差对双馈风力发电机短路电流的影响，建立了不同转差下双馈风力发电机短路电流的计算模型，提高了双馈风力发电系统短路电流计算的准确性。
本发明的技术方案如下：
一种考虑不同转差的双馈风力发电系统短路电流计算方法，将双馈风力发电机按运行状态的转差大小分为两类，大于预设的转差的双馈风力发电机定义为转差大类的双馈风力发电机，小于预设的转差的双馈风力发电机定义为转差小类的双馈风力发电机；对转差大类的双馈风力发电机采用正序等值阻抗作为正序等效模型，对转差小类的双馈风力发电机采用等值电势串联正序等值阻抗作为正序等效模型；然后将负序等值阻抗作为双馈风力发电机的负序等效模型；最后将双馈风力发电机的正序等效模型、负序等效模型与电力系统等值电路联立求解，计算出双馈风力发电系统短路电流，具体步骤包括：
S1：根据双馈风力发电系统运行工况和机组参数，计算故障前双馈风力发电机转子磁链初值，计算撬棒保护投入后等效异步电机的正序等值阻抗和负序等值阻抗；
S2：预设的转差是5％，转差定义为双馈风力发电机同步转速与转子转速的差值与同步转速之比的绝对值；
S3：对于转差大类的双馈风力发电机，将等效异步电机的正序等值阻抗作为双馈风力发电机的短路计算正序等效模型，将等效异步电机的负序等值阻抗作为短路计算负序模型；
S4：对于转差小类的双馈风力发电机，将等值电势串联正序等值阻抗的等值电路作为双馈风力发电机的短路计算正序模型，将等效异步电机的负序等值阻抗作为短路计算负序模型；
S5：将双馈风力发电机的短路计算正序模型、负序模型和电力系统联立形成复合序网络，计算双馈风力发电系统短路电流。
本方法考虑了电网故障下双馈风力发电机不同转差大小的情况，提出了基于不同转差的双馈风力发电机的短路电流计算模型。
在一种优选的方案中，S1的双馈风力发电机转子磁链初值通过函数得到，其中为稳态运行时定子电压相量、为稳态运行时定子电流相量、Z′s为双馈异步风力发电机的暂态阻抗、ωs为同步角速度、kr为转子励磁系数。
在一种优选的方案中，暂态阻抗Z′s通过函数Z′s＝Rs+jωsL′s得到，其中Rs为定子电阻、L′s为定子暂态电感。
在一种优选的方案中，转子励磁系数kr通过kr＝Lm/Lr得到，其中Lm为励磁电感、Lr为转子电感。
在一种优选的方案中，S1的撬棒保护投入后等效异步电机的正序等值阻抗Z′+通过函数得到，其中Rs为定子电阻、Rr为转子电阻、Lsσ为定子漏感、Lrσ为转子漏感、Lm为励磁电感、Rcb为撬棒电阻、s为运行转差。
在一种优选的方案中，S1的撬棒保护投入后等效异步电机的负序等值阻抗Z′-通过函数得到。
在一种优选的方案中，S4的转差小类的双馈风力发电机的等值电势E′通过函数得到。
在一种优选的方案中，S4的转差小类的双馈风力发电机的等值阻抗是等效异步电机的正序等值阻抗Z′+。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本方法能够提高双馈风力发电系统短路电流计算的准确性，能够更好的满足双馈风力发电系统规划设计、继电保护和安全控制等工程需求。
附图说明
图1是本发明流程图。
图2是一个双馈风力发电系统实例图。
图3是撬棒保护动作后，等效异步电机的正序电路图。
图4是撬棒保护动作后，等效异步电机的负序电路图。
图5是转差大类的双馈风力发电系统复合序网图。
图6是转差小类的双馈风力发电系统复合序网图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，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；
对于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。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
一种不同转差的双馈风力发电系统短路电流计算方法，将双馈风力发电机按转差大小分为两类，大于预设的转差的双馈风力发电机定义为转差大类的双馈风力发电机，小于预设的转差的双馈风力发电机定义为转差小类的双馈风力发电机；对转差大类的双馈风力发电机采用正序等值阻抗作为正序等效模型，对转差小类的双馈风力发电机采用等值电势串联正序等值阻抗作为正序等效模型；然后将负序等值阻抗作为双馈风力发电机的负序等效模型；最后将双馈风力发电机的正序等效模型、负序等效模型与电力系统等值电路联立求解，计算出双馈风力发电系统短路电流。
结合图2所示的双馈风力发电机的单机无穷大系统来说明如何通过本发明进行短路电流的计算。具体步骤如图1所示，具体步骤如下：
步骤1：输入双馈风力发电机参数和电力系统各元件参数。
需要输入的双馈风力发电机参数包括：额定容量、额定电压、运行转差、定子电阻、转子定阻、定子漏感、转子漏感、励磁电感，撬棒电阻；输入的电力系统各元件参数包括：输电线路，变压器正序电抗、变压器负序电抗、系统等效电抗、故障发生前的电网电压。
步骤2：设定短路位置和故障过渡电阻。
根据短路计算的需要选择短路位置，并设定故障过渡电阻。此处，以发生A相金属性接地故障为例。
步骤3：计算故障前双馈风力发电机转子磁链初值。
双馈风力发电机转子磁链初值通过函数得到，其中为稳态运行时定子电压相量、为稳态运行时定子电流相量、ωs为同步角速度、L’s为定子暂态电感、Lr为转子电感、Rr为转子电阻、Lm为励磁电感、Z′s＝Rs+jωsL′s为双馈异步风力发电机的暂态阻抗、kr＝Lm/Lr为转子励磁系数。
步骤4：计算撬棒保护投入后等效异步电机的正序等值阻抗。
如图3所示，撬棒保护投入后等效异步电机的正序等值阻抗Z′+通过函数得到，其中Rs为定子电阻、Lsσ为定子漏感、Lrσ为转子漏感、Rcb为撬棒电阻、s为运行转差。
步骤5：计算撬棒保护投入后等效异步电机的负序等值阻抗。
如图4所示，撬棒保护投入后等效异步电机的负序等值阻抗Z′-通过函数得到。
步骤6：计算转差小类的双馈风力发电机的等值电势。
转差小类的双馈风力发电机的等值电势E′通过函数得到。
步骤7：建立不同转差的双馈风力发电机短路计算序分量模型。
对于转差大类的双馈风力发电机，将等效异步电机的正序等值阻抗Z′+作为双馈风力发电机的短路计算正序模型，将等效异步电机的负序等值阻抗Z′-作为短路计算负序模型；
对于转差小类的双馈风力发电机，将等值电势E′串联等值阻抗Z′+的等值电路作为双馈风力发电机的短路计算正序模型，将等效异步电机的负序等值阻抗Z′-作为短路计算负序模型。
步骤8：建立双馈风力发电系统的复合序网络，计算短路电流。
根据单相金属接地故障的序网边界条件，对于转差大类的双馈风力发电机，构造如图5所示的双馈风力发电系统复合序网络图，即可计算出短路电流If，对于转差小类的双馈风力发电机，构造如图6所示的双馈风力发电系统复合序网络图，即可计算出短路电流If。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，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。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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范围之内。

Claims (8)

1.一种考虑不同转差的双馈风力发电系统短路电流计算方法，其特征在于，将双馈风力发电机按转差大小分为两类，大于预设的转差的转双馈风力发电机定义为转差大类的双馈风力发电机，小于预设的转差的双馈风力发电机定义为转差小类的双馈风力发电机；对转差大类的双馈风力发电机采用正序等值阻抗作为正序等效模型，对转差小类的双馈风力发电机采用等值电势串联正序等值阻抗作为正序等效模型；然后将负序等值阻抗作为双馈风力发电机的负序等效模型；最后将双馈风力发电机的正序等效模型、负序等效模型与电力系统等值电路联立求解，计算出双馈风力发电系统短路电流，具体步骤包括：
S1：根据双馈风力发电系统运行工况和机组参数，计算故障前双馈风力发电机转子磁链初值，计算撬棒保护投入后等效异步电机的正序等值阻抗和负序等值阻抗；
S2：预设的转差是5％，转差定义为双馈风力发电机同步转速与转子转速的差值与同步转速之比的绝对值；
S3：对于转差大类的双馈风力发电机，将等效异步电机的正序等值阻抗作为双馈风力发电机的短路计算正序等效模型，将等效异步电机的负序等值阻抗作为短路计算负序模型；
S4：对于转差小类的双馈风力发电机，将等值电势串联正序等值阻抗的等值电路作为双馈风力发电机的短路计算正序模型，将等效异步电机的负序等值阻抗作为短路计算负序模型；
S5：将双馈风力发电机的短路计算正序模型、负序模型和电力系统联立形成复合序网络，计算双馈风力发电系统短路电流。
2.根据权利要求1所述的一种考虑不同转差的双馈风力发电系统短路电流计算方法，其特征在于，所述的S1的双馈风力发电机转子磁链初值通过函数得到，其中为稳态运行时定子电压相量、为稳态运行时定子电流相量、Z′s为双馈异步风力发电机的暂态阻抗、ωs为同步角速度、kr为转子励磁系数。
3.根据权利要求2所述的一种考虑不同转差的双馈风力发电系统短路电流计算方法，其特征在于，所述的暂态阻抗Z′s通过函数Z′s＝Rs+jωsL′s得到，其中Rs为定子电阻、L′s为定子暂态电感。
4.根据权利要求2所述的一种考虑不同转差的双馈风力发电系统短路电流计算方法，其特征在于，所述的转子励磁系数kr通过kr＝Lm/Lr得到，其中Lm为励磁电感、Lr为转子电感。
5.根据权利要求2所述的一种考虑不同转差的双馈风力发电系统短路电流计算方法，其特征在于，所述的S1的撬棒保护投入后等效异步电机的正序等值阻抗Z′+通过函数得到，其中Rs为定子电阻、Rr为转子电阻、Lsσ为定子漏感、Lrσ为转子漏感、Lm为励磁电感、Rcb为撬棒电阻、s为运行转差。
6.根据权利要求5所述的一种考虑不同转差的双馈风力发电系统短路电流计算方法，其特征在于，所述的S1的撬棒保护投入后等效异步电机的负序等值阻抗Z′-通过函数得到。
7.根据权利要求6所述的一种考虑不同转差的双馈风力发电系统短路电流计算方法，其特征在于，所述的S4的转差小类的双馈风力发电机的等值电势E′通过函数得到。
8.根据权利要求7所述的一种考虑不同转差的双馈风力发电系统短路电流计算方法，其特征在于，所述的S4的转差小类的双馈风力发电机的等值阻抗是等效异步电机的正序等值阻抗Z′+。
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