CN112198452B - 一种适用于工程实用化的新能源短路电流表达式的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于工程实用化的新能源短路电流表达式的构建方法，首先构建不同类型新能源电源的短路电流解析表达式，并基于该短路电流解析表达式获得短路电流的影响因素；对短路电流解析表达式进行简化，建立短路电流解析表达式与工程实用化之间的映射关系，并基于所述映射关系获得适用于工程实用化的短路电流表达式；搭建仿真模型，对获得的适用于工程实用化的短路电流表达式进行相应的分析。该方法得到的适应于工程化的短路电流表达式形式简单，在进行短路电流计算时不会增加额外耗时，有利于提高含新能源电源的网络短路电流的计算精度。

Description

一种适用于工程实用化的新能源短路电流表达式的构建方法

技术领域

本发明涉及电力系统短路电流技术领域，尤其涉及一种适用于工程实用化的新能源短路电流表达式的构建方法。

背景技术

为了解决日益严峻的能源危机和环境问题，以光伏和风电为代表的新能源发电技术得到的迅速的发展，截止2019年底，我国并网风电装机容量达21005万千瓦，并网光伏装机容量20468万千瓦，分别占总装机容量的10.45％和10.18％。风电、光伏等新能源电源高密度接入电网后，改变了电网拓扑结构和潮流分布，也将影响电网短路故障扰动下系统的安全运行水平。然而在当前的配电网短路电流计算和保护配置整定过程中，风电、光伏等新能源电源通常被简单视为负荷或恒流源，这与实际运行情况不符，且严重影响了短路后故障电流计算的精确性以及继电保护装置的动作性能。

随着风电、光伏等新能源电源接入比例的快速增加，传统的短路电流计算方案已经不能满足实际生产运行的需要。而且与同步发电机相比，采用电力电子技术并网的风电、光伏等新能源电源，它们的运行机理、并网拓扑结构和控制方式都存在差异，这导致新能源电源呈现复杂、特殊的故障暂态特性，对新能源电源高密度接入配电网的短路电流计算提出了新的挑战，因此亟需研究出适用于含新能源电源的电网短路电流计算方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于工程实用化的新能源短路电流表达式的构建方法，该方法得到的适应于工程化的短路电流表达式形式简单，在进行短路电流计算时不会增加额外耗时，有利于提高含新能源电源的网络短路电流的计算精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种适用于工程实用化的新能源短路电流表达式的构建方法，所述方法包括：

步骤1、构建不同类型新能源电源的短路电流解析表达式，并基于该短路电流解析表达式获得短路电流的影响因素；

步骤2、对步骤1所得到的短路电流解析表达式进行简化，建立短路电流解析表达式与工程实用化之间的映射关系，并基于所述映射关系获得适用于工程实用化的短路电流表达式；

步骤3、搭建仿真模型，对获得的适用于工程实用化的短路电流表达式进行相应的分析。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法得到的适应于工程化的短路电流表达式形式简单，在进行短路电流计算时不会增加额外耗时，有利于提高含新能源电源的网络短路电流的计算精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的适用于工程实用化的新能源短路电流表达式的构建方法流程示意图；

图2为本发明实施例所述双馈风机的IU曲线示意图；

图3为本发明实施例所述永磁风机的IU曲线示意图；

图4为本发明实施例所述光伏电源的IU曲线示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的适用于工程实用化的新能源短路电流表达式的构建方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、构建不同类型新能源电源的短路电流解析表达式，并基于该短路电流解析表达式获得短路电流的影响因素；

在该步骤中，我国并网新能源电源主要分为两类，即以双馈风机为代表的部分功率变换型电源和以光伏电源、永磁风机为代表的全功率变换型电源。

因此在本实施例中是构建双馈风机在Crowbar投入和RSC励磁控制两种情况下的短路电流解析表达式，以及永磁风机和光伏电源在低电压穿越阶段的短路电流解析表达式，具体来说：

双馈风机在Crowbar投入阶段的稳态短路电流解析表达式为：

其中，u_sdq为dq坐标系下故障后的定子电压矢量；L_s、L_r、L_m分别为定、转子自感和互感；ω₁为同步转速；ω_r为转子转速；R_rc为Crowbar投入后的转子等效电阻；τ_rc为转子衰减时间常数；代表50Hz工频分量；

双馈风机在RSC励磁控制阶段的稳态短路电流需参考国标的低电压穿越要求，其短路电流为限幅电流I_max，具体表达式为：

其中，i_sd为定子电流d轴分量，在双馈风机采取q轴电压定向的控制策略时代表定子无功电流；i_sq为定子电流q轴分量，在双馈风机采取q轴电压定向的控制策略时代表定子有功电流；K为无功补偿系数；U_S为风电场并网点电压标幺值；I_N为风电场额定电流；对于双馈风机，I_max为限幅电流；

双馈风机在电压跌落很小，即满足并网点电压大于0.9倍的额定电压(U＞0.9U_N)时，由外环获取电流内环的参考值，此阶段电流变化不大，取I＝I_N作为外环控制阶段的短路电流；其中，U为新能源并网点电压，U_N为风电场额定电压；

永磁风机在低电压穿越阶段的稳态短路电流与双馈风机励磁控制阶段类似，其大小等于换流器的限幅电流I_max，其不同之处在于双馈风机一般采用q轴电压定向控制策略，永磁风机采用d轴电压定向控制策略，即：

其中，i_sq为换流器输出电流q轴分量，代表无功电流；i_sd为换流器输出电流的d轴分量，代表有功电流；I_max为换流器的限幅电流；K为无功补偿系数；U_S为风电场并网点电压标幺值；I_N为风电场额定电流；

所述永磁风机在外环控制阶段与双馈风机相同，取I＝I_N作为外环控制阶段的短路电流；

所述光伏电源在低电压穿越阶段的的短路电流在并网点电压0.2U_N＜U≤0.9U_N时与永磁风机的低电压穿越阶段相同，但需注意，在电压跌落程度较大，即满足U≤0.2U_N时，永磁风机并网要求允许风机直接退出运行，而光伏电源并网要求光伏电源需保持不脱网连续运行150ms并向电网提供更多的无功电流，此阶段的短路电流解析表达式为：

步骤2、对步骤1所得到的短路电流解析表达式进行简化，建立短路电流解析表达式与工程实用化之间的映射关系，并基于所述映射关系获得适用于工程实用化的短路电流表达式；

在该步骤中，对于双馈风机，其在Crowbar投入阶段下其稳态短路电流与故障后并网点电压成线性关系，因此只需获知一组Crowbar投入阶段下的数据，即可获得Crowbar投入阶段的短路电流；若已知RSC励磁控制阶段的限幅电流和RSC控制与Crowbar投入的临界电压，即可获得RSC励磁控制阶段的短路电流，综上可得适应于工程实用化的双馈风机的短路电流在各阶段的表达式如下：

式中，k为Crowbar投入阶段电流和电压的比值，p为Crowbar投入和RSC励磁控制的临界电压的标幺值。

对于永磁风机，通过获知其换流器的限幅电流I_max即可得到适应于工程实用化的永磁直驱风机的短路电流在各阶段的表达式，具体为：

对于光伏电源，通过获知低穿控制阶段的换流器限幅电流I_max即可得适应于工程实用化的光伏电源的短路电流在各阶段的表达式，具体为：

步骤3、搭建仿真模型，对获得的适用于工程实用化的短路电流表达式进行相应的分析。

具体来说，通过在PSCAD中搭建双馈风机、永磁风机和光伏电源的单机模型，并采取典型控制策略及控制参数，通过在新能源并网点附近设置线路经不同的过渡电阻发生故障，从而获得不同电压跌落下的新能源输出电流；

然后描点连线得到仿真下的IU特性曲线，再将该仿真下的IU特性曲线与步骤2所得到的适用于工程实用化的短路电流表达式所代表的IU特性曲线进行对比，以验证表达式的正确性。

下面以具体的实例来对本发明所述构建方法的过程以及效果进行详细说明：

1、首先搭建双馈风机的PSCAD仿真模型，其额定容量为2.5MW，定子额定电压为690V，转子转速为1.2pu，定转子电阻分别为0.0054pu、0.00607pu，定转子电感分别为4.59pu、4.6pu，励磁电感为4.5pu。故障后Crowbar投入阶段的Crowbar阻值为0.2625pu，RSC无功控制阶段的无功补偿系数K＝2，定子限幅电流I_max＝1.5。

在Crowbar投入阶段，选取任意一组双馈风机端口电流和电压数据即可求得双馈风机在Crowbar投入阶段电流和电压的比值k，在定子限幅电流I_max＝1.5时即可得RSC控制阶段的短路电流。

同时为了避免双馈风机在Crowbar投入阶段的输出电流过大，因而取Crowbar投入阶段的最大电流为RSC励磁控制阶段的限幅电流I_max，由此亦可得Crowbar投入和RSC励磁控制的临界电压pU_N。

因此针对该双馈风机的适用于工程实用化的短路电流表达式为：

如图2所示为本发明实施例所述双馈风机的IU曲线示意图。

2、搭建永磁风机的PSCAD仿真模型，故障后在低穿控制阶段电流内环的指令值按上述步骤1的操作进行整定，其无功补偿系数K＝1.5，换流器限幅电流I_max＝1.1，因此该永磁风机的适用于工程实用化的短路电流表达式为：

如图3所示为本发明实施例所述永磁风机的IU曲线示意图。

3、搭建光伏电源的PSCAD仿真模型，故障后在并网点电压0.2U_N＜U≤0.9U_N时电流内环的指令值按上述步骤1的操作进行整定，其无功补偿系数K＝1.5，换流器限幅电流I_max＝1.1，在并网点电压U≤0.2U_N时电流内环的指令值按步骤1的操作进行，因此该光伏电源的适用于工程实用化的短路电流表达式为：

如图4所示为本发明实施例所述光伏电源的IU曲线示意图。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

综上所述，本发明实施例所述方法具有如下优点：

(1)充分考虑了新能源电源输出电流和端口电压之间的关系，使新能源的网络短路电流计算结果更加精确；

(2)建立的映射关系更加贴合工程实际，不需要太多的新能源电源相关参数即可相对准确地刻画新能源的故障特征；

(3)获得的适用于工程实用化的新能源短路电流的表达式形式简单，移植到现有短路电流计算软件中不会增加额外耗时。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种适用于工程实用化的新能源短路电流表达式的构建方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、构建不同类型新能源电源的短路电流解析表达式，并基于该短路电流解析表达式获得短路电流的影响因素；

在所述步骤1中，具体是构建双馈风机在Crowbar投入和RSC励磁控制两种情况下的短路电流解析表达式，以及永磁风机和光伏电源在低电压穿越阶段的短路电流解析表达式，具体来说：

双馈风机在Crowbar投入阶段的稳态短路电流解析表达式为：

其中，u_sdq为dq坐标系下故障后的定子电压矢量；L_s、L_r、L_m分别为定、转子自感和互感；ω₁为同步转速；ω_r为转子转速；R_rc为Crowbar投入后的转子等效电阻；τ_rc为转子衰减时间常数；代表50Hz工频分量；

双馈风机在RSC励磁控制阶段的稳态短路电流需参考国标的低电压穿越要求，其短路电流为限幅电流I_max，具体表达式为：

其中，i_sd为定子电流d轴分量，在双馈风机采取q轴电压定向的控制策略时代表定子无功电流；i_sq为定子电流q轴分量，在双馈风机采取q轴电压定向的控制策略时代表定子有功电流；K为无功补偿系数；U_S为风电场并网点电压标幺值；I_N为风电场额定电流；对于双馈风机，I_max为限幅电流；

双馈风机在电压跌落很小，即满足U＞0.9U_N时，由外环获取电流内环的参考值，此阶段电流变化不大，取I＝I_N作为外环控制阶段的短路电流；其中，U为新能源并网点电压，U_N为风电场额定电压；

永磁风机在低电压穿越阶段的稳态短路电流与双馈风机励磁控制阶段类似，其大小等于换流器的限幅电流I_max，其不同之处在于双馈风机一般采用q轴电压定向控制策略，永磁风机采用d轴电压定向控制策略，即：

其中，i_sq为换流器输出电流q轴分量，代表无功电流；i_sd为换流器输出电流的d轴分量，代表有功电流；I_max为换流器的限幅电流；K为无功补偿系数；U_S为风电场并网点电压标幺值；I_N为风电场额定电流；

所述永磁风机在外环控制阶段与双馈风机相同，取I＝I_N作为外环控制阶段的短路电流；

所述光伏电源在低电压穿越阶段的短路电流在并网点电压0.2U_N＜U≤0.9U_N时与永磁风机的低电压穿越阶段相同；

但在电压跌落程度较大，即满足U≤0.2U_N时，此阶段的短路电流解析表达式为：

步骤2、对步骤1所得到的短路电流解析表达式进行简化，建立短路电流解析表达式与工程实用化之间的映射关系，并基于所述映射关系获得适用于工程实用化的短路电流表达式；

在步骤2中，对于双馈风机，其在Crowbar投入阶段下稳态短路电流与故障后并网点电压成线性关系，因此只需获知一组Crowbar投入阶段下的数据，即可获得Crowbar投入阶段的短路电流；若已知RSC励磁控制阶段的限幅电流和RSC控制与Crowbar投入的临界电压，即可获得RSC励磁控制阶段的短路电流，综上得到适应于工程实用化的双馈风机的短路电流在各阶段的表达式如下：

式中，k为Crowbar投入阶段电流和电压的比值；p为Crowbar投入和RSC励磁控制的临界电压的标幺值；

对于永磁风机，通过获知其换流器的限幅电流I_max即可得到适应于工程实用化的永磁风机的短路电流在各阶段的表达式，具体为：

对于光伏电源，通过获知低穿控制阶段的换流器限幅电流I_max即可得到适应于工程实用化的光伏电源的短路电流在各阶段的表达式，具体为：

步骤3、搭建仿真模型，对获得的适用于工程实用化的短路电流表达式进行相应的分析。

2.根据权利要求1所述适用于工程实用化的新能源短路电流表达式的构建方法，其特征在于，所述步骤3的过程具体为：

通过在PSCAD中搭建双馈风机、永磁风机和光伏电源的单机模型，并采取典型控制策略及控制参数，在新能源并网点附近设置线路经不同的过渡电阻发生故障，从而获得不同电压跌落下的新能源输出电流；

然后描点连线得到仿真下的IU特性曲线，再将该仿真下的IU特性曲线与步骤2所得到的适用于工程实用化的短路电流表达式所代表的IU特性曲线进行对比，以验证表达式的正确性。