CN107918695A - 计及撬棒动作的双馈风电机组短路电流计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种计及撬棒动作的双馈风电机组短路电流计算方法，包括以下步骤：根据双馈风电机组的数学模型推导出双馈风电机组短路电流等效计算模型，结合当前风速、预存的双馈风电机组风速与等值内电势值对应关系列表，求取双馈风电机组短路电流。本发明可以快速得到不同风速下双馈风电机组的短路电流，计算过程简单、准确实用,可为含双馈风电机组的电力系统的保护整定等工作奠定良好基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种双馈风电机组短路电流计算方法，具体的说，涉及了一种计及撬棒动作的双馈风电机组短路电流计算方法。
背景技术
由于风电装机容量在电网中所占的比例不断增高，当电网发生故障时，风电场所提供的短路电流已不容忽视，因此在进行继电保护配置选择以及整定计算时，要将双馈风电机组短路电流对其造成的影响计及在内。如果简单地将双馈风电机组(简称DFIG)视为同等容量的同步发电机，据此对线路的撬棒保护装置进行整定值的计算，那么因为双馈风电机组的短路电流的特性和同步发电机组的短路电流特性并不一样，这样的计算方法可能会使撬棒保护装置拒动或误动。而且，双馈风电机组提供的短路电流与运行工况密切相关，当电网电压大幅度跌落，导致撬棒保护动作时，双馈风电机组的拓扑结构发生变化，这会给整定计算带来进一步的困难。目前国内关于撬棒保护动作对继电保护的影响相关研究很少。如何计算双馈风电机组在撬棒动作后的短路电流值，成为解决风电场对继电保护所造成影响问题的关键所在。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供了一种计及撬棒动作的双馈风电机组短路电流计算方法，具有计算过程简单、准确实用的优点。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种计及撬棒动作的双馈风电机组短路电流计算方法，包括以下步骤：
根据双馈风电机组的数学模型推导出双馈风电机组短路电流等效计算模型，结合当前风速、预存的双馈风电机组风速与等值内电势值对应关系列表，求取双馈风电机组短路电流。
基于上述，所述双馈风电机组短路电流计算方法具体包括以下步骤：
S1，简化双馈风电机组的数学模型，得到正常状态下的d轴磁链计算公式
其中，P为Lm为dq坐标系同轴等效定子与转子绕组间的互感；Ls为dq坐标系同轴等效定子绕组的自感；Lr为dq坐标系同轴等效分转子绕组的自感；
Urd为转子电压的d轴分量；Isd、Ird，分别为定、转子电流的d轴分量；ωs为转差电角速度；R2为转子电阻；
S2，令双馈风电机组短路时发电机转速不变，则根据式(1)推导出短路故障状态下的d轴磁链计算公式：
S3，根据式(2)可知，定子次暂态电感L”s可表示为：
其中，Lss为定子电感，L1＝Ls-Lm，L2＝Lr-Lm，L”d为直轴次暂态电感；L”q为交轴次暂态电感；
S4，分别保持定子磁链空间矢量和转子磁链空间矢量瞬时不变，根据S3的推导结果，获得A相短路电流计算公式为：
式中：定子回路次暂态时间常数表示为Ts＝Lss/R1，转子回路次暂态时间常数表示为Tr＝Lrr/R2，R1为定子电阻，Lrr为转子电感；γ0为定子电压空间矢量初始相位角，γr0为转子的初始角；Ψs0、Ψr0,分别是定转子初始磁链；ωr0为转子的初始旋转角速度；L”r为转子次暂态电感；
S5，根据式(4)和式(5)获得三相短路电流交流分量计算公式：
其中，ω1为同步电角速度，Eq'为双馈风电机组的内电势值，Z为外部的等值阻抗，Xss为次暂态电抗；
S6，查找预存的风速与双馈风电机组等值内电势值对应关系列表，获得当前风速所对应的双馈风电机组等值内电势值；
S7，根据三相短路电流交流分量计算公式和当前风速所对应的双馈风电机组等值内电势值求取双馈风电机组短路电流交流分量。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明在已有的DFIG数学模型基础上，推导出了电网电压大幅度跌落导致撬棒保护动作时，双馈风电机组的短路电流计算模型，根据故障前双馈风电机组的风速与双馈风电机组内电势Eq'的对应关系可以快速计算得到不同风速下双馈风电机组的短路电流，计算过程简单、准确实用,可为含双馈风电机组的电力系统的保护整定等工作奠定良好基础。
附图说明
图1是正常状态下d轴磁链的等值电路图。
图2是故障状态下d轴磁链的等值电路图。
图3是撬杠保护动作后的DFIG三相短路电流交流分量等值电路图。
图4是110kV风电场接入系统图。
图5是仿真过程中，撬杠保护动作完成时DFIG三相短路电流交流分量等值计算电路图。
图6是风速为16m/s，三相短路故障状态下，撬杠保护动作完成时转子的三相电流图。
图7是撬杠保护动作完成时流过保护装置的短路电流图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
一种计及撬棒动作的双馈风电机组短路电流计算方法，包括以下步骤：
根据双馈风电机组的数学模型推导出双馈风电机组短路电流等效计算模型，结合当前风速、预存的双馈风电机组风速与等值内电势值对应关系列表，求取双馈风电机组短路电流。
具体的，所述双馈风电机组短路电流计算方法包括以下步骤：
S1，双馈风电机组的数学模型包括
磁链方程：
定转子电压方程：
其中，P为Lm为dq坐标系同轴等效定子与转子绕组间的互感；Ls为dq坐标系同轴等效定子绕组的自感；Lr为dq坐标系同轴等效分转子绕组的自感；
Usd，Usq，Urd，Usq分别为定、转子电压的d、q轴分量；Isd、Isq、Ird、Isq分别为定、转子电流的d、q轴分量；ωs为转差电角速度，其值为同步电角速度ω1与转子旋转角速度ωr之差，即为ω1-ωr，是在dq坐标系下的相对于转子而言的电角速度；R1、R2分别为定、转子电阻；
由磁链方程和定转子电压方程可以推导出定子磁场坐标系下，正常状态时的d轴磁链计算公式：
如图1所示为正常状态下d轴磁链的等值电路图；
S2，令双馈风电机组短路时发电机转速不变，由于短路时p＝∞，则根据式(1)推导出短路故障状态下的d轴磁链计算公式，
如图2所示为短路故障状态下d轴磁链的等值电路图；
S3，根据式(2)可知，定子次暂态电感L”s可表示为：
其中，Lss为定子电感，L1＝Ls-Lm，L2＝Lr-Lm，L”d为直轴次暂态电感；L”q为交轴次暂态电感；
S4，当故障发生时，若想使得定子磁链空间矢量维持瞬时不变，就要控制转子磁链空间矢量，使其无法进入定子回路进而影响其磁链，定子回路所感应出来的转速角频率交流分量便可使其磁链保持不变；若想要使得转子的磁链空间矢量能够维持瞬时不变，就要控制定子部分磁链空间矢量，令其无法进入转子回路进而影响其磁链，转子回路此时所感应出来转速角频率交流分量便可令其磁链能够保持不变；
电力系统中一般A相作为特殊相，当短路瞬间d轴磁链与A相绕组重合时，A相短路电流最大，因此分别保持定子磁链空间矢量和转子磁链空间矢量瞬时不变，根据S3的推导结果，获得A相短路电流计算公式为：
式中：定子回路次暂态时间常数表示为Ts＝Lss/R1，转子回路次暂态时间常数表示为Tr＝Lrr/R2，R1、R2为定转子电阻，Lrr为转子电感；γ0为定子电压空间矢量初始相位角，γr0为转子的初始角；Ψs0、Ψr0,分别是定转子初始磁链；ωr0为转子的初始旋转角速度；L”r为转子次暂态电感；
S5，根据式(4)和式(5)获得三相短路电流交流分量计算公式：
其中，ω1为同步电角速度，Eq'为双馈风电机组的内电势，Z为外部的等值阻抗，Xss为次暂态电抗；
如图3所示为撬杠保护动作后的DFIG三相短路电流交流分量等值电路；
S6，查找预存的双馈风电机组风速与等值内电势值对应关系列表，获得当前风速所对应的双馈风电机组等值内电势值；
S7，根据三相短路电流交流分量计算公式和当前风速所对应的双馈风电机组等值内电势值求取双馈风电机组短路电流交流分量。
在输电线路上安装撬棒保护装置，将双馈风电机组等值为图3所示的短路电流计算模型，对撬棒保护装置进行整定值的计算并在PSCAD仿真平台下校验合理性：
首先进行仿真模型的构建，具体接线图详见图4；仿真模型参数如下：所选取的发电机的直流电压参考值大小为800V，额定容量及其额定电压值分别为850kVA、690V，将此双馈风电机组与110kV的理想三相电压源相连接。所选用的风力发电机在额定出力时对应的风速大小为13m/s，在短路前DFIG运行时采用恒功率因数方式，且其大小为1，本发明保护动作时的电流阈值为500A。三相短路故障发生在2.0s，故障在2.2s切除。
由Gamesa-58机组参数可知：当风速＝16m/s时，Xss＝0.184欧姆，Ts'＝0.02s，Tr'＝0.016s；
查找风速与双馈风电机组等值内电势值对应关系列表(见表1)可以得到风速＝16m/s的风机内电势Eq'＝648V，短路电流的等值计算电路图如图5所示；其中：U1为110kV理想电压源，标幺值为1；R1、R2分别为图4中10.5kV和110kV线路的电阻标幺值；X1、X2分别为图4中10.5kV和110kV线路的电抗标幺值。
表1
利用该等值电路计算出撬棒保护装置的动作时的电流值为0.27758p.u，如图6所示为风速为16m/s状态下发生三相短路故障，线路保护动作时转子的三相电流图；如图7所示为三相短路故障瞬间流过保护装置的短路电流图，显然在故障瞬间流过保护装置的短路电流最大值为0.2808，超过设定的保护动作值，撬棒保护装置工作，故该撬棒动作后的DFIG短路电流计算模型是有效的。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (2)
1.一种计及撬棒动作的双馈风电机组短路电流计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据双馈风电机组的数学模型推导出双馈风电机组短路电流等效计算模型，结合当前风速、预存的双馈风电机组风速与等值内电势值对应关系列表，求取双馈风电机组短路电流。
2.根据权利要求1所述的计及撬棒动作的双馈风电机组短路电流计算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1，简化双馈风电机组的数学模型，得到正常状态下的d轴磁链计算公式
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其中，P为Lm为dq坐标系同轴等效定子与转子绕组间的互感；Ls为dq坐标系同轴等效定子绕组的自感；Lr为dq坐标系同轴等效分转子绕组的自感；
Urd为转子电压的d轴分量；Isd、Ird，分别为定、转子电流的d轴分量；ωs为转差电角速度；Rr为转子电阻；
S2，令双馈风电机组短路时发电机转速不变，则根据式(1)推导出短路故障状态下的d轴磁链计算公式：
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S4，分别保持定子磁链空间矢量和转子磁链空间矢量瞬时不变，根据S3的推导结果，获得A相短路电流计算公式为：
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<mo>-</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>&psi;</mi>
<mrow>
<mi>s</mi>
<mn>0</mn>
</mrow>
</msub>
<msubsup>
<mi>L</mi>
<mi>r</mi>
<mrow>
<mo>&prime;</mo>
<mo>&prime;</mo>
</mrow>
</msubsup>
</mfrac>
<mi>cos</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>&omega;</mi>
<mrow>
<mi>r</mi>
<mn>0</mn>
</mrow>
</msub>
<mi>t</mi>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>&gamma;</mi>
<mrow>
<mi>r</mi>
<mn>0</mn>
</mrow>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<msup>
<mi>e</mi>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<mi>t</mi>
<msub>
<mi>T</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
</mfrac>
</mrow>
</msup>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>5</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：定子回路次暂态时间常数表示为Ts＝Lss/R1，转子回路次暂态时间常数表示为Tr＝Lrr/R2，R1为定子电阻，Lrr为转子电感；γ0为定子电压空间矢量初始相位角，γr0为转子的初始角；Ψs0、Ψr0,分别是定转子初始磁链；ωr0为转子的初始角速度；L”r为转子次暂态电感；
S5，根据式(4)和式(5)获得三相短路电流交流分量计算公式：
<mrow>
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msup>
<mi>Eq</mi>
<mo>&prime;</mo>
</msup>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>&omega;</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<msub>
<mi>&Psi;</mi>
<mrow>
<mi>r</mi>
<mn>0</mn>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>X</mi>
<mi>s</mi>
<mi>s</mi>
<mo>+</mo>
<mi>Z</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>*</mo>
<mi>I</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>X</mi>
<mi>s</mi>
<mi>s</mi>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>j&omega;</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mi>L</mi>
<mi>s</mi>
<mi>s</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>6</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
ω1为同步电角速度，Eq'为双馈风电机组的内电势值，Z为外部的等值阻抗，Xss为次暂态电抗；
S6，查找预存的风速与双馈风电机组等值内电势值对应关系列表，获得当前风速所对应的双馈风电机组等值内电势值；
S7，根据三相短路电流交流分量计算公式和当前风速所对应的双馈风电机组等值内电势值求取双馈风电机组短路电流交流分量。
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