CN109149640A - 提升双馈风电机组连锁故障穿越能力的处理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升双馈风电机组连锁故障穿越能力的处理方法及系统，通过分析电网电压骤降恢复阶段的双馈风电机组故障运行特性和双馈风电机组的撬棒电路对双馈风电机组二次骤升故障运行特性的影响，建立了计及撬棒电路的暂态数学模型，得出了撬棒电路是否运行两种情形下的定、转子表达式和撬棒电路的投入条件和最优的撬棒电阻投入阻值，有效提升了双馈风电机组故障穿越能力，为基于双馈风电机组的可再生能源并网供电系统的安全、稳定运行提供了技术支撑。

Description

提升双馈风电机组连锁故障穿越能力的处理方法及系统

技术领域

本发明涉及一种风电技术，尤其涉及一种提升双馈风电机组连锁故障穿越能力的处理方法及系统。

背景技术

随着各国对清洁能源的重视，风电随着技术的突破革新，取得了瞩目的发展成就。在目前的风电工程实践中，国内各地曾先后发生了多次由于电压骤升故障导致的风电机组脱网事故。而这些事故都是先发生了电压骤降故障，后引起电压骤升故障之后导致的风电机组脱网。

目前对双馈风电机组电压单次骤升故障和撬棒电路对双馈风电机组影响有很多的研究，但是以上这些研究中采用的风电机组暂态模型只考虑到电压骤升这一单次故障，都是在低电压故障过程中进行的，没有考虑到实际工况中电网高电压故障往往在电网低电压故障恢复后发生，因而目前双馈风电机组暂态模型并不精确，提升风电机组故障穿越能力效果不明显。

发明内容

本发明主要目的在于，提供一种提升双馈风电机组连锁故障穿越能力的处理方法及系统，以解决现有双馈风电机组暂态模型不精确，提升风电机组故障穿越能力效果不明显的问题。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种提升双馈风电机组连锁故障穿越能力的处理方法，所述双馈风电机组与电网连接，包括：

步骤1：对电压骤降恢复阶段的双馈风电机组故障运行特性和双馈风电机组的撬棒电路对双馈风电机组二次骤升故障运行特性的影响进行分析，以确定所述撬棒电路的阻值和投入条件；

步骤2：根据所述阻值设定所述撬棒电路，并在满足所述投入条件时投入所述撬棒电路。

进一步地，所述撬棒电路的投入条件为：

其中，U_s为正常电网电压，L_r为所述转子的全电感，ω₀为电网角速度，τ_s为定子时间常数，m为电网电压骤升幅度，j为虚数。

进一步地，所述撬棒电路满足如下条件：

其中，I_rcm为撬棒电路动作时所述双馈风电机组转子电流最大幅值，τ_rc为转子时间常数，m为电网电压骤升幅度，R_c为撬棒电路阻值。

进一步地，R_c的值为0.45pu。

一种提升双馈风电机组连锁故障穿越能力的处理系统，所述双馈风电机组与电网连接，包括：

分析模块，用于对电压骤降恢复阶段的双馈风电机组故障运行特性和双馈风电机组的撬棒电路对双馈风电机组二次骤升故障运行特性的影响进行分析，以确定所述撬棒电路的阻值和投入条件；

撬棒电路控制模块，用于根据所述阻值设定所述撬棒电路，并在满足所述投入条件时投入所述撬棒电路。

进一步地，所述撬棒电路的投入条件为：

其中，U_s为正常电网电压，L_r为所述转子的全电感，ω₀为电网角速度，τ_s为定子时间常数，m为电网电压骤升幅度，j为虚数。

进一步地，所述撬棒电路满足如下条件：

其中，I_rcm为撬棒电路动作时所述双馈风电机组转子电流最大幅值，τ_rc为转子时间常数，m为电网电压骤升幅度，R_c为撬棒电路阻值。

进一步地，R_c的值为0.45pu。

与现有技术相比，本发明提供的提升双馈风电机组连锁故障穿越能力的处理方法及系统，通过分析电网电压骤降恢复阶段的双馈风电机组故障运行特性和双馈风电机组的撬棒电路对双馈风电机组二次骤升故障运行特性的影响，建立了计及撬棒电路的暂态数学模型，得出了撬棒电路是否运行两种情形下的定、转子表达式和撬棒电路的投入条件和最优的撬棒电阻投入阻值，有效提升了双馈风电机组故障穿越能力，为基于双馈风电机组的可再生能源并网供电系统的安全、稳定运行提供了技术支撑。

附图说明

图1是电网电压骤升故障波形示意图；

图2是双馈风电机组暂态模型等效电路示意图；

图3是不同撬棒电阻取值下的转子电流波形示意图；

图4是撬棒电路不动作时不同骤升幅度下的转子电流波形示意图；

图5是本发明提升双馈风电机组连锁故障穿越能力的处理方法的流程示意图；

图6是本发明提升双馈风电机组连锁故障穿越能力的处理系统的组成原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。

本发明在考虑骤降恢复阶段前提下，建立计及撬棒电路的暂态数学模型，详细分析了撬棒电路对二次骤升故障穿越性能的影响，推导出撬棒电路是否运行两种情形下的定、转子表达式，然后详细分析了两种情形下对二次骤升故障穿越特性的影响，得到了撬棒电路的投入条件和最优的撬棒电阻投入阻值。本发明提升了双馈风电机组故障穿越能力，为分析二次骤升故障穿越特性提供了精确的模型和定、转子电流表达式。

如图5所示，本发明实施例提供了一种提升双馈风电机组连锁故障穿越能力的处理方法，双馈风电机组与电网连接，方法包括：

步骤1：对电压骤降恢复阶段的双馈风电机组故障运行特性和双馈风电机组的撬棒电路对双馈风电机组二次骤升故障运行特性的影响进行分析，以确定撬棒电路的阻值和投入条件；

步骤2：根据阻值设定撬棒电路，并在满足投入条件时投入撬棒电路。

以下是对本发明技术方案的具体说明：

考虑电网电压骤降恢复阶段：

图1给出了电压骤降故障恢复后引起了电压骤升故障的电网连锁故障情况。电网故障发生在t₀时刻引起电压骤降,骤降深度为p，在满足一定条件时，t₀时刻crowbar开始投入，t₁时刻断开，双馈风机将逐渐在低电压下运行进入稳态。在t₂时刻，故障保护投入，电网电压开始恢复，以三相短路故障为例，如果考虑断路器实际运行情况，三相短路故障会首先恢复为两相短路故障，并且大约在10ms后的t₃完全恢复。之后双馈风机将逐渐恢复输出有功并进入正常运行状态。由于发生低电压穿越故障后，系统大量补充无功，导致在t₄时刻发生电压骤升故障，骤升幅度为m，同样在满足一定条件时，转子侧投入crowbar，t₄时刻投入，t₅时刻切除。t₆时刻故障电压再次恢复。本文针对t₂～t₆时刻，只讨论电网对称故障情况。

多数电压骤升故障是发生在电压骤降恢复阶段之后，即t₃时刻之后。虽然此时电网电压已恢复正常，但在t₃时刻之后定子磁链自然分量仍然存在，这将直接影响到定子磁链的合成，因此电压骤降恢复阶段必然会对电压骤升故障产生影响。

考虑到电网电压骤降恢复阶段，则电压骤降幅度p、电网电压恢复正常到发生电压骤升故障的时间T_r、恢复时的电网故障角度θ等都会对磁链产生影响。考虑电网电压骤降恢复阶段的自然磁链关系式ψ_sn(t₄)应如式(1)所示。下文将通过对双馈风电机组的故障运行特性分析，给出ψ_sn(t₄)的具体解析式。

ψ_sn(t₄)＝f(m,p,T_r,θ，…) (1)

式中：ψ_sn(t₄)为t₄时刻自然分量的幅值。

当投入撬棒电路时，双馈风电机组暂态模型等值电路将会变化，如下图所示，此时将会对暂态定、转子常数产生直接影响，并且使转子侧短路，导致转子侧电压为零。通过对等值电路进行计算，得到投入撬棒电路后的暂态定转子常数如下式。

τ_rc＝L_r′/(R_r+R_c) (3)

式中：τ_sc、τ_rc分别为暂态定、转子时间常数，R_s、R_r、R_c分别为定、转子和撬棒电阻，ω_r为转子角速度，L_m为互感，图2为双馈风电机组暂态模型等效电路示意图。

对电压骤降恢复阶段的双馈风电机组故障运行特性进行分析

(1)电网电压骤降恢复阶段的定子自然磁链

由于L_r＝L_m+L_lr,L_s＝L_m+L_1s,而L_m>>L_1r，L_m>>L_s所以L_m≈L_r≈L_s。由双馈风电机组基本方程式，可得

式中：L_s、L_r分别为定子、转子全电感；i_s、i_r、ψ_s、ψ_r分别为定转子电流和磁链。

联立式(4)和式(5)将i_s由i_r表示，可得：

i_s＝-ki_r (6)

式中，将式(4)代入式双馈风电机组基本方程式，可得ψ_r表达式。

该微分方程初始条件为

忽略转子电阻，考虑到L_m≈L_r≈L_s这一条件，该微分方程初始条件为

由式(7)和(9)解得，恢复阶段的ψ_r(t)为

式中，所以，ψ_r(t_4-)如下式所示。

(2)发生二次故障后的定子自然磁链及定子磁链

t₄时刻发生骤升故障，此时ψ_sf(t₄₊)如下。

式中：U_s为正常电网电压，ψ_sf(t₄₊)为t₄时刻定子磁链强制分量，ω₀为电网角速度，T_r＝t₄-t₃为电压骤降恢复正常到发生电压骤升故障时的间隔时间，θ为故障电压、电流之间的角度，称为故障恢复角。

由于t₄时刻磁链不能突变(ψ_s(t₄₊)＝ψ_s(t_4-))，所以可求知式(1)的具体解析式如下。

式中：τ_s为定子时间常数。

由上式可知，考虑电压恢复阶段的定子磁链自然分量由两部分组成，第一部分由电压恢复阶段的自由磁链决定，第二部分由电压骤升阶段的强制磁链决定。当时，初始自由磁链取得最大值。

当考虑到电网电压骤降恢复阶段的影响时，骤升故障中的定子磁链自然分量如式(13)所示。不考虑电压骤降恢复阶段和考虑骤降恢复阶段的影响时差值如式(14)所示。

由式(14)可以看出，考虑骤降恢复阶段影响时，骤升故障的定子磁链自然分量将会显著增加，进而使转子电流和定子电流增大。

由式(12)和式(13)可得，发生二次骤升故障后的定子磁链如下式。

由于本文主要研究撬棒电路对双馈风电机组二次骤升故障的影响，因此采取控制变量法，取最严重故障下故障参数的实际常发生值，以撬棒电阻和骤升幅度为变量，量化撬棒电路对二次骤升故障的影响。通常第一次骤降幅度大部分处在0.5～0.8之间，两次故障时间间隔在0.5～2s之间，因此，本文取最严重的情况即：p＝0.8，T_r＝0.5s，θ＝60°为定值参数。

分析双馈风电机组的撬棒电路对双馈风电机组二次骤升故障运行特性的影响

(1)二次骤升故障后撬棒电路不动作

t₄以后，当转子电流未达到2pu时，此时撬棒电路不动作，转子侧不会被短路，同时转子常数和定子常数也不会发生改变。

由式(7)可知，ψ_r(t)的表达式如下。

由于t₄时刻磁链不能突变，所以该一阶微分方程初始条件如式(14)所示。

解得，二次骤升故障后的转子磁链如下式。

其中，

将式(15)和式(18)代入式(4)可得二次骤升故障后的转子电流。

可知，当t＝t₄且满足时，转子电流具有最大值I_rm，将C₂和定值参数代入式(19)可得下式。

由式(6)和式(19)可得二次骤升故障后的定子电流。

i_s＝-ki_r (21)

由式(6)和式(20)可得定子电流最大值I_sm。

I_sm＝-kI_rm (22)

由式(22)可以看出，在故障期间定子电流和转子电流方向相反，具有相同的变化规律，定子电流随着转子电流的增大而增大，并且两者最大值都在相同时刻取得。

(2)二次骤升故障后撬棒电路动作

t₄以后，当转子电流达到2pu后，撬棒电路动作，转子侧被短路，u_r(t₄₊)＝0，同时撬棒电阻为R_c，此时的定子常数和转子常数将改变为式(2)、式(3)所示参数。因为R_c+R_r>>L_r′，ψ_r(t)表达式的最后一项在几毫秒内迅速减小且C₂值较小，忽略该项，得到二次骤升故障后转子磁链ψ_rc(t)表达式如下。

式中，

将式(15)和式(23)代入式(4)可得骤升故障阶段转子电流。

可知，当t＝t₄且满足时，转子电流具有最大值，代入定值参数得I_rcm。

由式(25)可知，当撬棒电路动作时，转子电流最大值受电网电压骤升幅度m和转子暂态常数τ_rc影响。

同理可得二次骤升故障后的定子电流I_sc和定子电流最大值I_scm。

分析撬棒电路运行条件

(1)撬棒电路投入条件

撬棒电路是否动作，主要由转子电流是否达到2pu决定，但实际上对转子电流的测量比较繁琐，不能快速判断达到2pu。因此，本节用上文得到的I_rm，在其基础上，转化为用骤升幅度m来判断系统是否投入撬棒电路，撬棒电路的投入条件为：

解得m＞0.12，所以当m＞0.12时，此时撬棒电路将动作，投入电路。

(2)撬棒电路取值

当满足式(26)条件时，撬棒电路将投入电路，此时投入的电阻值为多少时才能达到最优效果。所必须满足的条件如下：一是转子电流必须小于2pu；二是在最严重的骤升故障中依然能使转子电流小于2pu；三是能使故障状态时间尽可能的减小，即转子暂态常数要尽可能的小；四是取最严重情况下的故障参数，计算R_c的值，即在最严重状态下也能满足转子电流小于2pu的效果。即

其中，I_rcm为撬棒电路动作时双馈风电机组转子电流最大幅值，τ_rc为转子时间常数，m为电网电压骤升幅度，R_c为撬棒电路阻值。由上述约束条件可得撬棒电阻R_c的最优值约为0.45pu。

仿真验证

本节利用PSCAD对DFIG的暂态过程进行仿真。采用表1参数的双馈风电机组参数，故障前后风速不变，均为8m/s，各故障参数仍使用前文的默认参数，骤升幅度m＝0.2pu为默认参数。t＝2.7s时发生三相对称故障。

表1 DFIG基本参数

Tab 1 Basic parameters of DFIG

图3为不同撬棒电阻取值下的转子电流图。由图3可以看出，以R_c＝0.45pu为中心，随着R_c的值减小或增大，转子电流波动明显变大，在2.85s时转子电流还未趋于稳定，并且转子电流最大值也在增大，由表2可知R_c＝0.45pu时，转子电流幅值最小为1.8pu，而当R_c分别为0.4、0.5pu时，转子电流幅值分别为1.92和1.89。同时可以看出，当R_c＝0.45pu时，转子电流波动时间最短，在2.8s时转子电流趋于稳定。由此说明，当R_c＝0.45pu时，转子电流能最快趋于稳定并且幅值最小，同时验证了上述理论计算撬棒电阻值的准确性。

图4为撬棒电路不动作时不同骤升幅度下的转子电流图。由图4可以看出，随着骤升幅度的增加，转子电流的幅值随之增大，由表2可知，转子电流最大值分别为1.86pu，2.02pu，2.21pu。由上述理论计算可得，当m＝0.12pu时，转子电流达到2pu。由仿真图可知，m＝0.12pu时，转子电流达到2.02pu，说明理论计算较为准确。同时由仿真图可知，当撬棒电路不动作时，骤升故障发生0.15s后转子电流的波动幅度依然较大，而撬棒电路动作并且选择合适的撬棒电阻时，故障持续时间为0.1s，由此说明了增加撬棒电路能缩小故障持续时间。

表2各类型转子电流最大值的比较

基于上述方法，如图6所示，本发明实施例还提供了一种提升双馈风电机组连锁故障穿越能力的处理系统，双馈风电机组与电网连接，包括：

分析模块1，用于对电压骤降恢复阶段的双馈风电机组故障运行特性和双馈风电机组的撬棒电路对双馈风电机组二次骤升故障运行特性的影响进行分析，以确定撬棒电路的阻值和投入条件；

撬棒电路控制模块2，用于根据阻值设定撬棒电路，并在满足投入条件时投入撬棒电路。

撬棒电路的投入条件为：

其中，U_s为正常电网电压，L_r为转子的全电感，ω₀为电网角速度，τ_s为定子时间常数，m为电网电压骤升幅度，j为虚数。

撬棒电路满足如下条件：

其中，I_rcm为撬棒电路动作时双馈风电机组转子电流最大幅值，τ_rc为转子时间常数，m为电网电压骤升幅度，R_c为撬棒电路阻值。

R_c的值为0.45pu。

上述实施例仅为优选实施例，并不用以限制本发明的保护范围，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提升双馈风电机组连锁故障穿越能力的处理方法，所述双馈风电机组与电网连接，其特征在于，包括：

步骤1：对电压骤降恢复阶段的双馈风电机组故障运行特性和双馈风电机组的撬棒电路对双馈风电机组二次骤升故障运行特性的影响进行分析，以确定所述撬棒电路的阻值和投入条件；

步骤2：根据所述阻值设定所述撬棒电路，并在满足所述投入条件时投入所述撬棒电路。

2.如权利要求1所述的提升双馈风电机组连锁故障穿越能力的处理方法，其特征在于，所述撬棒电路的投入条件为：

其中，U_s为正常电网电压，L_r为所述转子的全电感，ω₀为电网角速度，τ_s为定子时间常数，m为电网电压骤升幅度，j为虚数。

3.如权利要求1所述的提升双馈风电机组连锁故障穿越能力的处理方法，其特征在于，所述撬棒电路满足如下条件：

其中，I_rcm为撬棒电路动作时所述双馈风电机组转子电流最大幅值，τ_rc为转子时间常数，m为电网电压骤升幅度，R_c为撬棒电路阻值。

4.如权利要求3所述的提升双馈风电机组连锁故障穿越能力的处理方法，其特征在于，R_c的值为0.45pu。

5.一种提升双馈风电机组连锁故障穿越能力的处理系统，所述双馈风电机组与电网连接，其特征在于，包括：

分析模块，用于对电压骤降恢复阶段的双馈风电机组故障运行特性和双馈风电机组的撬棒电路对双馈风电机组二次骤升故障运行特性的影响进行分析，以确定所述撬棒电路的阻值和投入条件；

撬棒电路控制模块，用于根据所述阻值设定所述撬棒电路，并在满足所述投入条件时投入所述撬棒电路。

6.如权利要求5所述的提升双馈风电机组连锁故障穿越能力的处理系统，其特征在于，所述撬棒电路的投入条件为：

其中，U_s为正常电网电压，L_r为所述转子的全电感，ω₀为电网角速度，τ_s为定子时间常数，m为电网电压骤升幅度，j为虚数。

7.如权利要求5所述的提升双馈风电机组连锁故障穿越能力的处理系统，其特征在于，所述撬棒电路满足如下条件：

其中，I_rcm为撬棒电路动作时所述双馈风电机组转子电流最大幅值，τ_rc为转子时间常数，m为电网电压骤升幅度，R_c为撬棒电路阻值。

8.如权利要求7所述的提升双馈风电机组连锁故障穿越能力的处理系统，其特征在于，R_c的值为0.45pu。