CN109659962A - 一种大型调相机的故障电流计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大型调相机的故障电流计算方法，考虑在电网故障时需要快速发出无功支撑电网电压的需求，提出了控制器参数设计方法，进而推导了其在电网故障条件下考虑强励影响的调相机故障电流的解析表达式，可有效满足含大型调相机接入特高压电网后的继电保护配置和整定计算等需求。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，具体是一种大型调相机的故障电 流计算方法。
背景技术
由于特高压直流输电工程在技术上、经济上和安全性等方面的突 出优势，我国已成为世界范围内远距离直流输电应用前景最为广阔的 国家。但随着公司电网“强直弱交”问题的日渐突出，特高压直流输电 工程对电网动态无功支撑提出了更高的需求，因此具有大容量双向动 态无功支撑优等特点的新一代大型调相机应运而生，并将在特高压电 网大规模部署开来。然而，由于特高压直流工程对新一代大型调相机 的动态无功的响应速度和容量提出了更高的需求，使得大型调相机的 结构参数和在电网故障情况下的控制策略与短路电流特性与传统小 型调相机和同容量发电机相比存在较大差异，进而给含大型调相机接 入电网后的继电保护配置和整定计算提出了新的难题。
目前，对于机组故障特性的研究主要针对同步发电机及风电和光 伏等新能源机组，缺乏考虑大型调相机特殊控制策略等方面的影响， 使得基于适用于发电机的短路电流分析方法不适用于大型调相机。
综上，由于大型调相机结构参数以及在电网故障情况下的控制策 略与传统同步发电机相比存在较大差异，使得其故障电流特性复杂， 给大型调相机接入后的电网继电保护配置和整定带来了新的难题，需 要提出新一代大型调相机在电网故障情况下的短路电流分析方法，以 为含大型调相机接入的电网安全稳定运行奠定基础。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于 新一代大型调相机的短路电流计算方法，其目的在于解决大型调相机 接入电网后的继电保护配置和整定计算的难题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于新 一代大型调相机的短路电流计算方法，具体包括以下步骤：
(1)建立大型调相机在电网发生对称和不对称故障条件下的电 压和磁链方程；
(2)根据步骤(1)建立的电压和磁链方程推导电网故障后不考 虑强励影响的调相机定子电流时域表达式；
(3)建立大型调相机正常及过励运行工况下的控制模型，模型 中设置高压母线电压控制和无功功率控制的联合控制环节；
(4)根据步骤(3)建立的正常及过励工况下的控制模型，建立 励磁系统控制回路简化的调相机励磁系统简化控制模型；
(5)根据步骤(4)建立的调相机励磁系统简化控制模型，求解 励磁电压在象函数下的计算模型；
(6)根据步骤(2)中推导的调相机定子电流表达式，将励磁电 压增量加入定子电流中，得到调相机强励条件下对应的调相机定子电 流增量；
(7)根据步骤(2)求得的调相机定子电流表达式和步骤(6) 中得到的调相机定子电流增量，求得电网故障条件下考虑强励调节影 响的调相机故障电流在dq轴坐标中的解析表达式；
(8)将调相机定子电流从dq0坐标下转换为三相静止坐标，得 到调相机在abc三相坐标下的故障电流大小。
进一步的，步骤(1)建立的电压和磁链方程为：
其中，Vd和Vq分别为d轴和q轴电压；Vf为励磁电压；为各 绕组的总磁链，分别表示d轴绕组、q轴绕组、 励磁绕组、阻尼绕组D轴和阻尼绕组Q轴磁链；表示各绕组初始 电抗；xd、xq、xf分别表示各绕组自感抗；xaf、xaD、xaQ、xaf、xDf、xDa、xQa、xfa、xfQ、xfD分别表示各绕组间互感抗；r表示各绕组电阻； Id、Iq、If、ID、IQ分别表示各绕组电流；s表示微分算子。
进一步的，所述步骤(2)具体为：
利用式(1)和式(2)中的后两个方程，不考虑定子电阻的影响， 求解电网故障后不考虑强励影响的定子电流时域表达式，调相机定子 电流在d轴和q轴下象函数的表达式为：
其中，
其中，s表示微分算子，Id(s)和Iq(s)表示定子电流在d轴和q 轴下象函数的表达式，Vd(s)和Vq(s)分别为定子电压在d轴和q轴下 的象函数表达式，Vf(s)为励磁电压的象函数表达式；为各绕组的总 磁链；分别表示d轴绕组、q轴绕组、励磁 绕组、阻尼绕组D轴和阻尼绕组Q轴各磁链初始值；Gf(s)和GD(s) 表示励磁绕组和阻尼绕组D轴与定子电流d轴分量象函数关系式； GQ(s)表示阻尼绕组Q轴与定子电流q轴分量象函数关系式；xd(s)、 xq(s)、xf(s)分别表示各绕组自感抗的象函数表达式。
进一步的，步骤(3)建立的励磁控制回路模型如下式所示
其中，UT表示整流桥交流侧电压实际值；Uref为机端电压参考 值；Qref为系统无功参考值；Qm为实际的无功功率；UH为调相机变 压器组高压侧电压；UrefH为调相机变压器组高压侧电压参考值；Ts为移相及整流滞后时间；Tr为机端电压信号采集延时；Kp表示开环 增益系数；Kh表示硬负反馈系数；Tb，Tb1，Tc，Tc1为PID的时间常数； Td0’表示发电机常数；Tp表示机端电压测量延时。
进一步的，步骤(4)建立的调相机励磁系统简化控制模型是将 电压内环原有结构保留，将高压母线电压和无功功率联合控制结构进 行简化，如下式所示：
其中，Kp表示开环增益系数；Kh表示硬负反馈系数；Tb，Tb1，Tc，Tc1为PID的时间常数；Td0’表示发电机常数；Tp表示机端电压测量延时。
进一步的，步骤(5)中励磁电压在象函数下的计算模型为：
其中，k表示无功外环中无功增益系数，其典型值可取0.2。
进一步的，步骤(6)具体为：在励磁电压的作用下，调相机定 子电流将得到增加，其在励磁电压的作用下定子电流增加值的象函数 为：
其中，ΔVf(s)＝Uf(s)-Vf0(s)，Uf(s)是Uf的象函数。
进一步的，步骤(7)具体为：将步骤(6)的定子电流增量加在 步骤(2)中的Id(s)上，即可得到调相机在电网故障条件下的短路电 流大小，进行拉式反变换得到考虑励磁影响的调相机定子电流为：
进一步的，步骤(8)中坐标变换公式为：
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比， 能够取得下列有益效果：
本发明提供的适用于新一代大型调相机的故障电流分析法方法， 考虑其在电网故障时需要快速发出无功支撑电网电压的需求，提出了 控制器参数设计方法，进而推导了其在电网故障条件下考虑强励影响 的调相机故障电流的解析表达式，可有效满足含大型调相机接入特高 压电网后的继电保护配置和整定计算等需求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的大型调相机的故障电流计算方法的 流程图；
图2是本发明实施例采用的含新一代调相机接入的特高压电网 仿真模型，其中图2(a)为含换流站的特高压直流仿真模型，图2 (b)为调相机接入特高压换流站示意图；
图3是本发明实施例中电网单相故障条件下的仿真结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合 附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外， 下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此 之间未构成冲突就可以相互组合。
以下结合实施例，具体阐述本发明提供的适用于新一代大型调相 机的故障电流计算方法；实施例提供的大型调相机故障电流计算方 法，其流程如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤1：建立大型调相机在电网发生对称和不对称故障条件下的 电压和磁链的数学方程：
其中，Vd和Vq分别为d轴和q轴电压；Vf为励磁电压；为各 绕组的总磁链，分别表示d轴绕组、q轴绕组、 励磁绕组、阻尼绕组D轴和阻尼绕组Q轴磁链；表示各绕组初始 电抗；xd、xq、xf分别表示各绕组自感抗；xaf、xaD、xaQ、xaf、xDf、xDa、xQa、xfa、xfQ、xfD分别表示各绕组间互感抗；r表示各绕组电阻； Id、Iq、If、ID、IQ分别表示各绕组电流；s表示微分算子。
步骤2：利用式(1)和式(2)中的后两个方程，不考虑定子电 阻的影响，求解电网故障后不考虑强励影响的定子电流时域表达式， 调相机定子电流在d轴和q轴下象函数的表达式为：
其中，
其中，s表示微分算子，Id(s)和Iq(s)表示定子电流在d轴和q 轴下象函数的表达式，Vd(s)和Vq(s)分别为定子电压在d轴和q轴下 的象函数表达式，Vf(s)为励磁电压的象函数表达式；为各绕组的总 磁链；分别表示d轴绕组、q轴绕组、励磁 绕组、阻尼绕组D轴和阻尼绕组Q轴各磁链初始值；Gf(s)和GD(s) 表示励磁绕组和阻尼绕组D轴与定子电流d轴分量象函数关系式； GQ(s)表示阻尼绕组Q轴与定子电流q轴分量象函数关系式；xd(s)、 xq(s)、xf(s)分别表示各绕组自感抗的象函数表达式。
实际上，在不考虑调相机的有功损耗条件下，q轴分量为零，即 Iq(t)＝0。
步骤3：建立调相机正常及过励运行工况下的励磁控制回路模型， 模型中设置高压母线电压控制和无功功率控制的联合控制环节；
调相机正常及过励工况下的控制回路模型具体包括机端电压内 环控制、及高压母线电压和无功功率的联合控制外环。根据新一代调 相机需要快速发出无功支撑系统电压的需求，在暂态时，由电压闭环 控制进行快速的强励或者强减，保证调相机的快速响应能力；在稳态 时，需要保证调相机参与交流系统的无功调节，因此设置高压母线电 压控制和无功功率控制的联合控制环节，由高压母线电压和无功功率 实现稳态调节，达到稳态时兼容系统母线电压和调相机无功功率的目 的。
建立后励磁控制回路结构图如下式所示：
其中，UT表示整流桥交流侧电压实际值；Uref为机端电压参考 值；Qref为系统无功参考值；Qm为实际的无功功率；UH为调相机变 压器组高压侧电压；UrefH为调相机变压器组高压侧电压参考值；Ts为移相及整流滞后时间；Tr为机端电压信号采集延时；Kp表示开环 增益系数；Kh表示硬负反馈系数；Tb，Tb1，Tc，Tc1为PID的时间常数； Td0’表示发电机常数；Tp表示机端电压测量延时。
步骤4：根据步骤3中调相机过励工况下的控制回路模型，建立 励磁系统控制回路简化的调相机励磁系统简化控制模型，如下式所 示。
具体为：调相机励磁系统简化控制模型是将电压内环原有结构保 留，将高压母线电压和无功功率联合控制结构进行简化，得到上式所 示的调相机励磁系统简化控制模型。
步骤5：根据步骤4中建立的调相机励磁系统简化控制模型，求 解励磁电压在象函数下的计算模型。
其中，k表示无功外环中无功增益系数，其典型值可取0.2。
步骤6：根据步骤(2)中推导的调相机定子电流表达式，将励 磁电压增量加入定子电流中，得到调相机强励条件下对应的调相机定 子电流增量。具体的，在励磁电压的作用下，调相机定子电流将得到 增加，其在励磁电压的作用下定子电流增加值的象函数为：
其中，ΔVf(s)＝Uf(s)-Vf0(s)，Uf(s)是Uf的象函数。
步骤7：将步骤6的定子电流增量加在步骤2中的Id(s)上，即可 得到调相机在电网故障条件下的短路电流大小，进行拉式反变换可得 到考虑励磁影响的调相机定子电流为：
步骤8：将调相机定子电流从dq0坐标下转换为三相静止坐标， 可以得到调相机在abc三相坐标下的故障电流大小为：
本发明的实施例提出的这种计算新一代大型调相机强励动作下 的短路电流计算方法，考虑了新一代调相机强励的特殊需求，可有效 满足含大型调相机接入特高压电网后的继电保护配置和整定计算等 需求。
图2表示含调相机接入的特高压换流站，f处发生A相接地故障。
图3是本发明实施例中电网单相故障条件下的仿真结果，从图3中调 相机在电网故障条件下的理论计算值和在电网故障条件下的仿真值 的对比结果可知，本发明提供的短路电流计算方法基本可对电网故障 条件下调相机定子电流大小进行计算，理论值和仿真值吻合度较高， 能较准确地计算调相机的短路电流大小，为调相机的无功出力计算和 电网特高压电网的继电保护整定计算提供重要依据。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例 而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种大型调相机的故障电流计算方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)建立大型调相机在电网发生对称和不对称故障条件下的电压和磁链方程；
(2)根据步骤(1)建立的电压和磁链方程推导电网故障后不考虑强励影响的调相机定子电流时域表达式；
(3)建立大型调相机正常及过励运行工况下的控制模型，模型中设置高压母线电压控制和无功功率控制的联合控制环节；
(4)根据步骤(3)建立的正常及过励工况下的控制模型，建立励磁系统控制回路简化的调相机励磁系统简化控制模型；
(5)根据步骤(4)建立的调相机励磁系统简化控制模型，求解励磁电压在象函数下的计算模型；
(6)根据步骤(2)中推导的调相机定子电流表达式，将励磁电压增量加入定子电流中，得到调相机强励条件下对应的调相机定子电流增量；
(7)根据步骤(2)求得的调相机定子电流表达式和步骤(6)中得到的调相机定子电流增量，求得电网故障条件下考虑强励调节影响的调相机故障电流在dq轴坐标中的解析表达式；
(8)将调相机定子电流从dq0坐标下转换为三相静止坐标，得到调相机在abc三相坐标下的故障电流大小。
2.如权利要求1所述的大型调相机的故障电流计算方法，其特征在于：步骤(1)建立的电压和磁链方程为：
其中，Vd和Vq分别为d轴和q轴电压；Vf为励磁电压；为各绕组的总磁链，分别表示d轴绕组、q轴绕组、励磁绕组、阻尼绕组D轴和阻尼绕组Q轴磁链；表示各绕组初始电抗；xd、xq、xf分别表示各绕组自感抗；xaf、xaD、xaQ、xaf、xDf、xDa、xQa、xfa、xfQ、xfD分别表示各绕组间互感抗；r表示各绕组电阻；Id、Iq、If、ID、IQ分别表示各绕组电流；s表示微分算子。
3.如权利要求2所述的大型调相机的故障电流计算方法，其特征在于：所述步骤(2)具体为：
利用式(1)和式(2)中的后两个方程，不考虑定子电阻的影响，求解电网故障后不考虑强励影响的定子电流时域表达式，调相机定子电流在d轴和q轴下象函数的表达式为：
其中，
其中，s表示微分算子，Id(s)和Iq(s)表示定子电流在d轴和q轴下象函数的表达式，Vd(s)和Vq(s)分别为定子电压在d轴和q轴下的象函数表达式，Vf(s)为励磁电压的象函数表达式；为各绕组的总磁链；分别表示d轴绕组、q轴绕组、励磁绕组、阻尼绕组D轴和阻尼绕组Q轴各磁链初始值；Gf(s)和GD(s)表示励磁绕组和阻尼绕组D轴与定子电流d轴分量象函数关系式；GQ(s)表示阻尼绕组Q轴与定子电流q轴分量象函数关系式；xd(s)、xq(s)、xf(s)分别表示各绕组自感抗的象函数表达式。
4.如权利要求1所述的大型调相机的故障电流计算方法，其特征在于：步骤(3)建立的励磁控制回路模型如下式所示
其中，UT表示整流桥交流侧电压实际值；Uref为机端电压参考值；Qref为系统无功参考值；Qm为实际的无功功率；UH为调相机变压器组高压侧电压；UrefH为调相机变压器组高压侧电压参考值；Ts为移相及整流滞后时间；Tr为机端电压信号采集延时；Kp表示开环增益系数；Kh表示硬负反馈系数；Tb，Tb1，Tc，Tc1为PID的时间常数；Td0’表示发电机常数；Tp表示机端电压测量延时。
5.如权利要求1所述的大型调相机的故障电流计算方法，其特征在于：步骤(4)建立的调相机励磁系统简化控制模型是将电压内环原有结构保留，将高压母线电压和无功功率联合控制结构进行简化，如下式所示：
其中，Kp表示开环增益系数；Kh表示硬负反馈系数；Tb，Tb1，Tc，Tc1为PID的时间常数；Td0’表示发电机常数；Tp表示机端电压测量延时。
6.如权利要求1所述的大型调相机的故障电流计算方法，其特征在于：步骤(5)中励磁电压在象函数下的计算模型为：
其中，k表示无功外环中无功增益系数，其典型值可取0.2。
7.如权利要求1所述的大型调相机的故障电流计算方法，其特征在于：步骤(6)具体为：在励磁电压的作用下，调相机定子电流将得到增加，其在励磁电压的作用下定子电流增加值的象函数为：
其中，ΔVf(s)＝Uf(s)-Vf0(s)，Uf(s)是Uf的象函数。
8.如权利要求1所述的大型调相机的故障电流计算方法，其特征在于：步骤(7)具体为：将步骤(6)的定子电流增量加在步骤(2)中的Id(s)上，即可得到调相机在电网故障条件下的短路电流大小，进行拉式反变换得到考虑励磁影响的调相机定子电流为：
9.如权利要求1所述的大型调相机的故障电流计算方法，其特征在于：步骤(8)中坐标变换公式为：
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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