CN109888837A - 一种基于双馈电机撬棒保护新判据的风电场短路电流计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双馈电机撬棒保护新判据的风电场短路电流计算方法，包括以下步骤，步骤1，计算各双馈风力发电机组的撬棒保护动作新判据，进而判断各机组撬棒保护是否动作，以动作与否为依据将风电场中的双馈机组进行一次分群；步骤2，计算各机组的分群特征量，并基于密度峰值聚类算法对一次分群结果中的群组进行二次分群，得到风电场的分群结果；步骤3，分别将同一群组的机组等值为一台机，并计算相应等值参数；步骤4，根据所得双馈风电机组风电场的等值模型，计算双馈风电场的短路电流。本发明更加精确地表达了风电场并网点短路电流的大小，计算精度高。

Description

一种基于双馈电机撬棒保护新判据的风电场短路电流计算 方法

技术领域

本发明涉及一种基于双馈电机撬棒保护新判据的风电场短路电流计算方法，属于风电场电气经济安全分析与设计领域。

背景技术

大多数装设撬棒保护的双馈风力发电机作为现阶段风电场的主流机型，撬棒的动作情况将直接影响双馈电机的短路电流特性，同时不同型号、不同的参数的双馈电机内阻也不同，且风力发电机的组成型式和繁多的集电线路使得风电场拓扑结构更加复杂，如果忽略这几点，按现有方法计算并网点(PCC端)三相短路电流，可能得到过大的结果，造成不必要的经济浪费。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于双馈电机撬棒保护新判据的风电场短路电流计算方法，更加精确地表达了风电场并网点短路电流的大小，计算精度高。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明的一种基于双馈电机撬棒保护新判据的风电场短路电流计算方法，包括以下步骤，

步骤1，计算各双馈风力发电机组的撬棒保护动作新判据(判据是专业术语，撬棒保护动作新判据是指在扰动发生后，判断撬棒保护是否动作的新的依据，有别于旧的依据)，进而判断各机组撬棒保护是否动作，以动作与否为依据将风电场中的双馈机组进行一次分群；

步骤2，计算各机组的分群特征量，并基于密度峰值聚类算法对一次分群结果中的群组进行二次分群，得到风电场的分群结果；

步骤3，分别将同一群组的机组等值为一台机，并计算相应等值参数；

步骤4，根据所得双馈风电机组风电场的等值模型，计算双馈风电场的短路电流。

上述双馈风力发电机组的撬棒保护动作新判据的计算方法为，

其中，T表示周期，通常T＝1/f＝1/50＝0.02s，f表示工频，为50Hz；t₀为短路故障发生时刻，i_r为dq同步旋转坐标系下的转子电流空间矢量；为转子电流参考值，j指复数域中的虚部部分，U_s0为故障前机端电压幅值；P_s,ref和Q_s,ref分别为有功功率参考值和无功功率参考值，K_d为双馈电机机端电压跌落系数，ψ_sm为定子磁链幅值，L_s为定子绕组等效电感，L_m为励磁电感；为故障后转子感应电动势e直流分量的衰减时间常数；ω_p＝ω_s–ω_r为转差角速度，ω_r为转子角速度，ω_s为同步转速，τ_s＝L'_s/R_s为定子回路衰减时间常数；K_d为机端电压跌落系数；为故障后转子感应电动势e的直流分量；s＝ω_p/ω_s为转差率，为转子暂态等效电感，L_r为转子电感，μ＝(R_r+k_p+jω_pL'_r)/L'_r和λ＝k_i/L'_r为参数变量，R_r为转子电阻，k_p和k_i分别为转子电流内环PI控制器的比例系数和积分时间常数，ω_p为转差角速度； 为常微分方程的特征根；为转子电流初值，和分别代表定子、转子电感耦合系数，为定子磁链初值，为转子磁链初值，R_s为定子电阻，I_s0为故障后定子电流初值；I_rth为转子电流允许极限值；

比较临界动作电压跌落系数K_d的大小与机端电压幅值跌落量K_dcr大小，若满足K_dcr≥K_d，则该台机组撬棒保护动作；否则撬棒保护不动作。

上述一次分群的结果为：撬棒保护动作的机组为一群，撬棒保护不动作的机组为一群。

上述各机组的分群特征量包括故障前机端电压初始值u_s0、故障后机端电压稳态值u_sf、转子转速ω_r、风力发电机的有功功率P_s0和无功功率Q_s0。

上述各机组的分群特征量具体的计算方法如下：

在潮流计算中将双馈风力发电机视为PQ节点，按照牛顿拉夫逊法求得各机组故障前机端电压U_s0；

按照电力系统短路计算的方法，将双馈风力发电机等效为次暂态电势1和次暂态电抗x'，求解各机组故障后机端电压U_sf；

根据机型厂家提供手册中的标准风速-功率曲线，由风速的大小查出各风力发电机组对应的故障前有功功率P_s0大小；

双馈风力发电机组均以恒功率因数方式运行，其无功功率Q_s0根据功率因数和有功功率P_s0求解；

双馈风力发电机组的转子转速ω_r根据对应型号机组的技术手册中已知的转速-功率曲线求得。

将同一群组的机组等值为一台机，其相应等值参数的计算方法为，

若等值后风电场中共有h台等值机，其中等值机p是由等值前风电场中的m台机组组成，则将这m台机组的每一个的下标编号构成的有序数对集合记为M_ij＝{(i,j)}；

1)等值发电机参数

所述等值发电机参数计算包括等值发电机的容量S_eq、电阻R_eq、电抗L_eq、电容C_eq和撬棒电阻R_{cb_eq}，应有以下关系成立：

式中，S_i为等值前第i台风力发电机的额定容量，R_i为等值前第i台风力发电机的电阻；L_i为等值前第i台风力发电机的电抗；C_i为等值前第i台风力发电机的电容；R_cbi为等值前第i台风力发电机的撬棒电阻；

2)等值变压器参数

每一台风力发电机出口都经过一台小容量的升压变压器升压后接入系统，对于同群机组等值后的等值机出口同样需要一台等值升压变压器；变压器参数计算即相当于对等值变压器的容量S_{T_eq}、阻抗Z_{T_eq}进行计算，它们应该满足如下关系：

式中，S_Ti为等值前第i台变压器的容量；Z_Ti为等值前第i台变压器的阻抗；

3)等值集电线路参数

第p台等值机对应的等值集电线路阻抗公式为

S_lj为第l行第j列双馈电机的视在功率；Z_kj为第k行第j列双馈电机所对应的集电线路阻抗；S_ij为第i行第j列双馈电机的视在功率；Z_{eq_p}为第p台等值机所对应的等值集电线路阻抗。

上述双馈风电场的短路电流的计算方法如下：

其中，对于撬棒保护不动作的等值机的A相短路电流计算公式为，

其中，T_s和T_r分别为定子和转子回路暂态时间常数，T_s＝L_s’/R_s、T_r＝L_r’/R_r；A_sa、B_sa、C_sa分别为各频率分量系数，

R_s为定子侧电阻，i_s为定子侧电流，ω_s为同步角速度，ω_p为转差角速度，L_m为激磁电感，ψ_s为定子侧磁链，R_r为转子侧电阻，i_r为转子侧电流，ψ_r为定子侧磁链，L_s和L_r分别为定子自感和转子自感，L_s＝L_sσ+L_m，L_r＝L_rσ+L_m，L_sσ和L_rσ分别为定子漏感和转子漏感，L_s’和L_r’分别代表定子绕组暂态电感和转子绕组暂态电感，并且L_s’＝L_s-L_m ²/L_r、L_r’＝L_r-L_m ²/L_s，k_r为转子电感耦合系数，k_r＝L_m/L_r，k_s为定子电感耦合系数，k_s＝L_m/L_s；K_d为定子侧电压跌落系数；

对于撬棒保护动作的等值机的A相短路电流计算公式为，

其中，T_r”为转子回路暂态时间常数，T_r”＝L’_r/(R_r+R_cb)；A_sa2、B_sa2、C_sa2分别为Crowbar保护动作下双馈电机短路电流各频率分量系数，

R₁为Crowbar保护等效阻抗，R＝R_r+R_cb，R_cb为Crowbar保护电阻。

本发明的有益效果：

本发明在计算风电场短路电流时，基于撬棒保护动作新判据和密度峰值聚类算法对风电场进行一次和二次分群，同时计及了集电线路转移阻抗和不同参数双馈风力发电机组成对风电场短路电流的影响，更加精确地表达了风电场并网点(PCC端)短路电流的大小，与现有计算公式相比，提高了计算的精度，对于风电场的电气设备经济安全设计具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的工作流程图；

图2为风电场系统接线图；

图3为风电场的等值机组接线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于双馈电机撬棒保护新判据的风电场短路电流计算方法，包括以下步骤：

步骤1，计算各双馈风力发电机组的撬棒保护动作新判据，进而判断各机组撬棒保护动作情况，以动作与否为依据将风电场中的双馈机组进行一次分群。

某台双馈风力发电机组的撬棒保护动作新判据计算方法为，

其中，t₀为短路故障发生时刻，i_r为dq同步旋转坐标系下的转子电流空间矢量；为转子电流参考值，P_s,ref和Q_s,ref分别为有功功率参考值和无功功率参考值，K_d为双馈电机机端电压跌落系数，ψ_sm为定子磁链幅值，L_s为定子绕组等效电感，L_m为励磁电感；为故障后转子感应电动势e直流分量的衰减时间常数；K_d为机端电压跌落系数；为故障后转子感应电动势e的直流分量；为转子暂态等效电感；μ＝(R_r+k_p+jω_pL'_r)/L'_r和λ＝k_i/L'_r为参数变量，R_r为转子电阻，k_p和k_i分别为转子电流内环PI控制器的比例系数和积分时间常数，ω_p为转差角速度；为某常微分方程的特征根；为转子电流初值，和分别代表定子、转子电感耦合系数，为定子磁链初值，为转子磁链初值；I_rth为转子电流允许极限值。

比较临界动作电压跌落系数K_d的大小与机端电压幅值跌落量K_dcr大小，若满足K_dcr≥K_d，则该台机组撬棒保护动作；否则撬棒保护不动作。该方法适用于风电场不同型号的双馈风力发电机组撬棒保护动作与否的判别。于是风电场一次分群结果为：撬棒保护动作的机组为一群，撬棒保护不动作的机组为一群。

步骤2，计算各机组的分群特征量，并基于密度峰值聚类算法对风电场各双馈机组进行二次分群。

首先计算各机组的分群特征量：故障前机端电压初始值u_s0、故障后机端电压稳态值u_sf、转子转速ω_r、风力发电机的初始功率P_s0和Q_s0。即在潮流计算中将双馈风力发电机视为PQ节点，按照牛顿拉夫逊法求得各机组故障前机端电压U_s0，按照电力系统短路计算的方法，将双馈风力发电机等效为次暂态电势1和次暂态电抗x'，求解各机组故障后机端电压U_sf；根据机型厂家提供手册中的标准风速-功率曲线，由风速的大小查出各风力发电机组对应的故障前有功功率P_s0大小；双馈风力发电机组均以恒功率因数方式运行，其无功功率Q_s0根据功率因数和有功功率P_s0求解；双馈风力发电机组的转子转速ω_r根据该型号机组的技术手册中已知的转速-功率曲线求得。

继而根据计算所得的分群特征量和密度峰值聚类算法，对一次分群结果中的两类群组进行二次分群，最终得到风电场的分群结果。

步骤3，分别将同一群组的机组等值为一台机，并计算相应等值参数。

若等值后风电场中的等值机p是由等值前风电场中的m台机组成，则将这m台机组的每一个的下标编号构成的有序数对集合记为M_ij＝{(i,j)}。

1)等值发电机参数

等值发电机的参数计算包括等值发电机的容量S_eq、电阻R_eq、电抗L_eq、电容C_eq和撬棒电阻R_{cb_eq}，应有以下关系成立：

式中，R_i为等值前第i台风力发电机的电阻；L_i为等值前第i台风力发电机的电抗；C_i为等值前第i台风力发电机的电容；R_cbi为等值前第i台风力发电机的撬棒电阻。

2)等值变压器参数

每一台风力发电机出口都经过一台小容量的升压变压器升压后接入系统，因此对于同群机组等值后的等值机出口同样需要一台等值升压变压器。变压器参数计算即相当于对等值变压器的容量S_{T_eq}、阻抗Z_{T_eq}进行计算，它们应该满足如下关系：

式中，S_Ti为等值前第i台变压器的容量；Z_Ti为等值前第i台变压器的阻抗。

3)等值集电线路参数

第p台等值机对应的等值集电线路阻抗公式为

S_lj为第l行第j列双馈电机的视在功率；Z_kj为第k行第j列双馈电机所对应的集电线路阻抗；S_ij为第i行第j列双馈电机的视在功率；Z_{eq_p}为第p台等值机所对应的等值集电线路阻抗。

步骤4，根据所得双馈风电机组风电场的等值模型，计算该双馈风电场的短路电流。

该风电场的短路电流计算方法为，

其中对于撬棒保护不动作的等值机的A相短路电流计算公式为，

其中，T_s和T_r分别为定子和转子回路暂态时间常数，T_s＝L_s’/R_s、T_r＝L_r’/R_r；A_sa、B_sa、C_sa分别为各频率分量系数，

R_s为定子侧电阻，i_s为定子侧电流，ω_s为同步角速度，ω_p为转差角速度，L_m为激磁电感，ψ_s为定子侧磁链，R_r为转子侧电阻，i_r为转子侧电流，ψ_r为定子侧磁链，L_s和L_r分别为定子自感和转子自感，L_s＝L_sσ+L_m，L_r＝L_rσ+L_m，L_sσ和L_rσ分别为定子漏感和转子漏感，L_s’和L_r’分别代表定子绕组暂态电感和转子绕组暂态电感，并且L_s’＝L_s-L_m ²/L_r、L_r’＝L_r-L_m ²/L_s，k_r为转子电感耦合系数，k_r＝L_m/L_r，k_s为定子电感耦合系数，k_s＝L_m/L_s。K_d为定子侧电压跌落系数。

对于撬棒保护动作的等值机的A相短路电流计算公式为，

其中，T_r”为转子回路暂态时间常数，T_r”＝L’_r/(R_r+R_cb)；A_sa2、B_sa2、C_sa2分别为Crowbar保护动作下双馈电机短路电流各频率分量系数，

R₁为Crowbar保护等效阻抗，R＝R_r+R_cb，R_cb为Crowbar保护电阻。

上述方法在计算风电场短路电流时，基于撬棒保护动作新判据和密度峰值聚类算法对风电场进行一次和二次分群，同时计及了集电线路转移阻抗和不同参数双馈风力发电机组成对风电场短路电流的影响，更加精确地表达了风电场并网点(PCC端)短路电流的大小，与现有计算公式相比，提高了计算的精度，对于风电场的电气设备经济安全设计具有重要意义。

图2为风电场详细接线示意图，共t组，其中第1～m组为链式连接方式，第m+1～t组为并联式连接方式，设置PCC处为故障点，假设t₀时刻发生三相短路故障；

图3为风电场的等值机组接线图。经过二次分群和计算同一群组的等值机参数计算，可得到图3所示等值机接线图。如图3所示，分群等值后的机组共有h台，每条支路流至PCC处的短路电流可由步骤四求得，最后根据公式(5)可得风电场输出的总的短路电流。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于双馈电机撬棒保护新判据的风电场短路电流计算方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤1，计算各双馈风力发电机组的撬棒保护动作新判据，进而判断各机组撬棒保护是否动作，以动作与否为依据将风电场中的双馈机组进行一次分群；

步骤2，计算各机组的分群特征量，并基于密度峰值聚类算法对一次分群结果中的群组进行二次分群，得到风电场的分群结果；

步骤3，分别将同一群组的机组等值为一台机，并计算相应等值参数；

步骤4，根据所得双馈风电机组风电场的等值模型，计算双馈风电场的短路电流。

2.根据权利要求1所述的一种基于双馈电机撬棒保护新判据的风电场短路电流计算方法，其特征在于，所述双馈风力发电机组的撬棒保护动作新判据的计算方法为，

其中，T表示周期，f表示工频；t₀为短路故障发生时刻，i_r为dq同步旋转坐标系下的转子电流空间矢量；为转子电流参考值，j指复数域中的虚部部分，U_s0为故障前机端电压幅值；P_s,ref和Q_s,ref分别为有功功率参考值和无功功率参考值，K_d为双馈电机机端电压跌落系数，ψ_sm为定子磁链幅值，L_s为定子绕组等效电感，L_m为励磁电感；为故障后转子感应电动势e直流分量的衰减时间常数；ω_p＝ω_s–ω_r为转差角速度，ω_r为转子角速度，ω_s为同步转速，τ_s＝L'_s/R_s为定子回路衰减时间常数；K_d为机端电压跌落系数；

为故障后转子感应电动势e的直流分量；s＝ω_p/ω_s为转差率，为转子暂态等效电感，Lr为转子电感，μ＝(R_r+k_p+jω_pL'_r)/L'_r和λ＝k_i/L'_r为参数变量，R_r为转子电阻，k_p和k_i分别为转子电流内环PI控制器的比例系数和积分时间常数，ω_p为转差角速度； 为常微分方程的特征根；为转子电流初值，和分别代表定子、转子电感耦合系数，为定子磁链初值，为转子磁链初值，R_s为定子电阻，I_s0为故障后定子电流初值；I_rth为转子电流允许极限值；

比较临界动作电压跌落系数K_d的大小与机端电压幅值跌落量K_dcr大小，若满足K_dcr≥K_d，则该台机组撬棒保护动作；否则撬棒保护不动作。

3.根据权利要求1所述的一种基于双馈电机撬棒保护新判据的风电场短路电流计算方法，其特征在于，所述一次分群的结果为：撬棒保护动作的机组为一群，撬棒保护不动作的机组为一群。

4.根据权利要求1所述的一种基于双馈电机撬棒保护新判据的风电场短路电流计算方法，其特征在于，所述各机组的分群特征量包括故障前机端电压初始值u_s0、故障后机端电压稳态值u_sf、转子转速ω_r、风力发电机的有功功率P_s0和无功功率Q_s0。

5.根据权利要求4所述的一种基于双馈电机撬棒保护新判据的风电场短路电流计算方法，其特征在于，所述各机组的分群特征量具体的计算方法如下：

在潮流计算中将双馈风力发电机视为PQ节点，按照牛顿拉夫逊法求得各机组故障前机端电压U_s0；

按照电力系统短路计算的方法，将双馈风力发电机等效为次暂态电势1和次暂态电抗x'，求解各机组故障后机端电压U_sf；

根据机型厂家提供手册中的标准风速-功率曲线，由风速的大小查出各风力发电机组对应的故障前有功功率P_s0大小；

双馈风力发电机组均以恒功率因数方式运行，其无功功率Q_s0根据功率因数和有功功率P_s0求解；

双馈风力发电机组的转子转速ω_r根据对应型号机组的技术手册中已知的转速-功率曲线求得。

6.根据权利要求1所述的一种基于双馈电机撬棒保护新判据的风电场短路电流计算方法，其特征在于：将同一群组的机组等值为一台机，其相应等值参数的计算方法为，

若等值后风电场中共有h台等值机，其中等值机p是由等值前风电场中的m台机组组成，则将这m台机组的每一个的下标编号构成的有序数对集合记为M_ij＝{(i,j)}；

1)等值发电机参数

所述等值发电机参数计算包括等值发电机的容量S_eq、电阻R_eq、电抗L_eq、电容C_eq和撬棒电阻R_{cb_eq}，应有以下关系成立：

式中，S_i为等值前第i台风力发电机的额定容量，R_i为等值前第i台风力发电机的电阻；L_i为等值前第i台风力发电机的电抗；C_i为等值前第i台风力发电机的电容；R_cbi为等值前第i台风力发电机的撬棒电阻；

2)等值变压器参数

每一台风力发电机出口都经过一台小容量的升压变压器升压后接入系统，对于同群机组等值后的等值机出口同样需要一台等值升压变压器；变压器参数计算即相当于对等值变压器的容量S_{T_eq}、阻抗Z_{T_eq}进行计算，它们应该满足如下关系：

式中，S_Ti为等值前第i台变压器的容量；Z_Ti为等值前第i台变压器的阻抗；

3)等值集电线路参数

第p台等值机对应的等值集电线路阻抗公式为

S_lj为第l行第j列双馈电机的视在功率；Z_kj为第k行第j列双馈电机所对应的集电线路阻抗；S_ij为第i行第j列双馈电机的视在功率；Z_{eq_p}为第p台等值机所对应的等值集电线路阻抗。

7.根据权利要求2所述的一种基于双馈风力发电机组撬棒保护新判据的风电场短路电流计算方法，其特征在于：所述双馈风电场的短路电流的计算方法如下：

其中，对于撬棒保护不动作的等值机的A相短路电流计算公式为，

其中，T_s和T_r分别为定子和转子回路暂态时间常数，T_s＝L_s’/R_s、T_r＝L_r’/R_r；A_sa、B_sa、C_sa分别为各频率分量系数，

R_s为定子侧电阻，i_s为定子侧电流，ω_s为同步角速度，ω_p为转差角速度，L_m为激磁电感，ψ_s为定子侧磁链，R_r为转子侧电阻，i_r为转子侧电流，ψ_r为定子侧磁链，L_s和L_r分别为定子自感和转子自感，L_s＝L_sσ+L_m，L_r＝L_rσ+L_m，L_sσ和L_rσ分别为定子漏感和转子漏感，L_s’和L_r’分别代表定子绕组暂态电感和转子绕组暂态电感，并且L_s’＝L_s-L_m ²/L_r、L_r’＝L_r-L_m ²/L_s，k_r为转子电感耦合系数，k_r＝L_m/L_r，k_s为定子电感耦合系数，k_s＝L_m/L_s；K_d为定子侧电压跌落系数；

对于撬棒保护动作的等值机的A相短路电流计算公式为，

其中，T_r”为转子回路暂态时间常数，T_r”＝L’_r/(R_r+R_cb)；A_sa2、B_sa2、C_sa2分别为Crowbar保护动作下双馈电机短路电流各频率分量系数，

R₁为Crowbar保护等效阻抗，R＝R_r+R_cb，R_cb为Crowbar保护电阻。