CN110034578B - 一种双馈电机撬棒保护动作判据方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双馈电机撬棒保护动作判据方法，在双馈电机发生短路故障时，将故障后的机端电压作为撬棒动作判据，相比于原有的转子电流的动作判据方法，本发明公开的判据方法能够更加方便快捷地判断撬棒是否动作，对于研究撬棒投入后的双馈电机短路电流计算以及相关研究，具有重要意义。

Description

一种双馈电机撬棒保护动作判据方法
技术领域
本发明属于风电场安全性领域，具体涉及一种双馈电机撬棒保护动作判据方法。
背景技术：
目前大多数的双馈风电机组都增加了撬棒保护，提高了双馈电机的低电压穿越能力，保障了风电场的安全稳定运行。保护动作判据是指在扰动发生后，判断撬棒保护是否动作的依据。故障发生后，为了避免变流器损坏，通常设置转子电流大于某一数值时Crowbar保护投入，但研究人员很难从外部数据中判断撬棒保护是否动作，因此目前需要一种容易获取的参量作为双馈电机撬棒保护动作的判据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双馈电机撬棒保护动作判据方法，以解决现有技术中导致的上述多项缺陷。
一种双馈电机撬棒保护动作判据方法，具体包括如下步骤：
步骤1，分析双馈风力发电机数学模型及其故障后的暂态特性；
步骤2，根据所述双馈风力发电机数学模型及其暂态特性，推导撬棒保护未投入时的双馈电机转子电流表达式；
步骤3，求取转子电流最大值，并令该最大值等于转子电流限定阈值，得到机端电压最小跌落系数；
步骤4，根据该系数可得撬棒保护动作的故障后机端电压极限值，该极限值即为双馈电机撬棒动作判据。
转子电流的表达式为：
Figure BDA0002011547680000021
其中，t为时间，t0为短路故障发生时刻，ir为dq同步旋转坐标系下的转子电流空间矢量，
Figure BDA0002011547680000022
为转子电流参考值，Ps,ref和Qs,ref分别为有功功率参考值和无功功率参考值，Kd为双馈电机机端电压跌落系数，ψsm为定子磁链幅值，Ls为定子绕组等效电感，Lm为励磁电感，
Figure BDA0002011547680000023
为故障后转子感应电动势e直流分量的衰减时间常数，
Figure BDA0002011547680000024
为故障后转子感应电动势e的直流分量，
Figure BDA0002011547680000025
为转子暂态等效电感，μ＝(Rr+kp+jωL'r)/L'r和λ＝ki/L'r为参数变量，Rr为转子电阻，kp和ki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为转子角速度；
Figure BDA0002011547680000026
为某常微分方程的特征根；
Figure BDA0002011547680000027
为转子电流初值，
Figure BDA0002011547680000028
和
Figure BDA0002011547680000029
分别代表定子、转子电感耦合系数，
Figure BDA00020115476800000210
为定子磁链初值，
Figure BDA00020115476800000211
为转子磁链初值。
令|irmax|＝Irth，即
Figure BDA00020115476800000212
可求得机端电压跌落系数Kd。
于是所述双馈电机撬棒动作判据为：
us1＝(1-Kd)us0
us1为故障后机端电压，即为所述双馈电机撬棒动作判据，若故障后实际电压小于等于us1，则撬棒保护投入，反之，撬棒保护不投入。
本发明的优点在于：该种双馈电机撬棒保护动作判据方法，与现有双馈风力发电机组的撬棒保护动作判据方法相比，一方面该判据属于外部易观测参量，容易获取；另一方面，该判据简单明了，使得研究人员极为容易判断撬棒是否动作，对深入开展风电场的故障电流分析具有重要意义。
附图说明
图1为本发明双馈电机暂态等值电路图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1所示，一种双馈电机撬棒保护动作判据方法，包括以下步骤：
步骤1，假设当t0时刻定子侧发生了三相短路故障，根据空间旋转坐标系下的双馈风力发电机电磁暂态方程，分析其故障后的暂态特性：经典电压磁链方程为：
Figure BDA0002011547680000041
由此方程组可推导出Chopper保护未投入时的双馈电机转子电压表达式；
步骤2，根据空间旋转坐标系下的双馈风力发电机电磁暂态方程，推导撬棒保护未投入时的双馈电机转子电流表达式：
Figure BDA0002011547680000042
其中，t为时间，t0为短路故障发生时刻，ir为dq同步旋转坐标系下的转子电流空间矢量；dq表示坐标系，d表示直轴，q表示交轴，(《电力系统暂态分析》李光琦第三版，p33-p45)，
Figure BDA0002011547680000043
为转子电流参考值，Ps,ref和Qs,ref分别为有功功率参考值和无功功率参考值，Kd为双馈电机机端电压跌落系数，ψsm为定子磁链幅值，Ls为定子绕组等效电感，Lm为励磁电感，
Figure BDA0002011547680000044
为故障后转子感应电动势e直流分量的衰减时间常数；
Figure BDA0002011547680000045
为故障后转子感应电动势e的直流分量，
Figure BDA0002011547680000046
为转子暂态等效电感，μ＝(Rr+kp+jωL'r)/L'r和λ＝ki/L'r为参数变量，Rr为转子电阻，kp和ki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为转子角速度，
Figure BDA0002011547680000051
为常微分方程的特征根，常微分方程为
Figure BDA0002011547680000052
Figure BDA0002011547680000053
为转子电流初值，
Figure BDA0002011547680000054
和
Figure BDA0002011547680000055
分别代表定子、转子电感耦合系数，
Figure BDA0002011547680000056
为定子磁链初值，
Figure BDA0002011547680000057
为转子磁链初值，ωs为同步转速，Rs为定子阻抗，
Figure BDA0002011547680000058
为定子等效暂态电感，Is0为故障前定子电流初始值。
步骤3，令t＝T/2，求取转子电流最大值，再令该最大值等于转子电流限定阈值，得到机端电压最小跌落系数，即
Figure BDA0002011547680000059
得到机端电压跌落系数Kd。
步骤4，根据该系数可得撬棒保护动作的故障后机端电压极限值，该极限值即为双馈电机撬棒动作判据，即
us1＝(1-Kd)us0
us1为故障后机端电压，即为所述双馈电机撬棒动作判据，若故障后实际电压小于等于us1，则撬棒保护投入，反之，撬棒保护不投入。
在研究时，通过该方法获得撬棒的动作情况，继而进行后续的短路电流计算或者相关研究。
基于上述，在判断撬棒是否动作时，将故障后的机端电压作为撬棒动作判据，与现有双馈风力发电机组的撬棒保护动作判据相比，一方面本发明的判据属于外部易观测参量，容易获取；另一方面，本发明的判据简单明了，使得研究人员极为容易判断撬棒是否动作，对深入开展风电场的故障电流分析具有重要意义。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (3)

1.一种双馈电机撬棒保护动作判据方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
分析双馈电机数学模型及其故障后的暂态特性；
根据数学模型和暂态特性得出撬棒保护未投入时的双馈电机转子电流表达式；
通过转子电流表达式，计算得出机端电压跌落系数；
根据机端电压跌落系数得到撬棒保护动作的故障后机端电压极限值，该极限值即为双馈电机撬棒动作判据；
其中，所述转子电流表达式为：
Figure FDA0003723079230000011
其中，t为时间，t0为短路故障发生时刻，ir为dq同步旋转坐标系下的转子电流空间矢量，dq表示坐标系，d表示直轴，q表示交轴，ir,ref为转子电流参考值,Kd为双馈电机机端电压跌落系数,
Figure FDA0003723079230000012
为故障后转子感应电动势e直流分量的衰减时间常数，
Figure FDA0003723079230000013
为故障后转子感应电动势e的直流分量，
Figure FDA0003723079230000014
为转子暂态等效电感，μ＝(Rr+kp+jωpL'r)/L'r和λ＝ki/L'r为参数变量，Rr为转子电阻，kp和ki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，ωp为转差角速度，
Figure FDA0003723079230000015
为某常微分方程的特征根；
Figure FDA0003723079230000016
为转子电流初值，
Figure FDA0003723079230000017
和
Figure FDA0003723079230000018
分别代表定子、转子电感耦合系数，
Figure FDA0003723079230000021
为定子磁链初值，
Figure FDA0003723079230000022
为转子磁链初值，ωs为同步转速，Rs为定子阻抗，
Figure FDA0003723079230000023
为定子等效暂态电感，Is0为故障前定子电流初始值；
所述转子电流参考值ir,ref的计算公式为：
Figure FDA0003723079230000024
其中Ps,ref和Qs,ref分别为有功功率参考值和无功功率参考值，Kd为双馈电机机端电压跌落系数，ψsm为定子磁链幅值，Ls为定子绕组等效电感，Lm为励磁电感，j指复数域中的虚部部分，us0为故障前机端电压幅值；
所述双馈电机撬棒动作判据方法包括如下公式：
us1＝(1-Kd)us0 (3)
us1为故障后机端电压，即为所述双馈电机撬棒动作判据，若故障后实际电压小于等于us1，则撬棒保护投入，反之，撬棒保护不投入。
2.根据权利要求1所述的一种双馈电机撬棒保护动作判据方法，其特征在于：所述机端电压跌落系数需转子电流达到最大值且与转子电流限定阈值相等时才能取得。
3.根据权利要求2所述的一种双馈电机撬棒保护动作判据方法，其特征在于：所述机端电压跌落系数的计算方法包括如下步骤：
当取t＝T/2时，得到转子电流的最大值irmax；
Irth为转子电流允许极限值，令|irmax|＝Irth，即
Figure FDA0003723079230000031
可求得机端电压跌落系数Kd，T表示周期，通常T＝1/f＝1/50＝0.02s，f表示工频，为50Hz。
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