CN113765145B - 计及直流换相失败因素的送端双馈风机撬棒参数修正方法 - Google Patents

计及直流换相失败因素的送端双馈风机撬棒参数修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种计及直流换相失败因素的送端双馈风机撬棒参数修正方法，该方法通过在高压直流输电系统出现电压连续故障时，确定出所述双馈风机的工作参数；基于所述工作参数确定撬棒参数，所述工作参数具体为撬棒被触发时的定子电压、定子电流、转子电压和转子电流，所述撬棒参数具体为撬棒阻值，实现了针对电网电压非阶跃变化和电压连续故障下，对双馈风机的撬棒参数进行确定，从而提高了风电机组的故障穿越能力与适应性，且降低了风电机组故障穿越的成本。

Description

计及直流换相失败因素的送端双馈风机撬棒参数修正方法
技术领域
本发明属于双馈风机技术领域，具体涉及计及直流换相失败因素的送端双馈风机撬棒参数修正方法。
背景技术
双馈风机英文简写为DFIG（Doubly-fed Induction Generator），主要用于风力发电，是目前应用较为广泛的风力发电机。
双馈风机在实际工作过程中，当电力系统事故或扰动引起并网点电压或频率超出标准允许的正常运行范围时，在一定的电压或频率范围及其持续时间间隔之内，风电机组能够按照标准要求保证不脱网连续运行，该能力为风机穿越能力，风机在穿越过程中也即双馈风机在穿越过程中所处的状态叫做暂态，而高压直流输电系统换相失败和连续换相失败等故障，会引发送端连续电压扰动从而导致风机穿越失败进而造成脱网事故，而双馈风机对电压故障较为敏感，所以双馈风机对于风电机组和电网完全稳定运行具有重要意义。
常规的双馈风机穿越方案主要是控制策略改进和增加硬件电路，而控制策略改进的效果在严重的高/低电压故障情况下无法使用，增加硬件电路的方案受制于高成本无法广泛应用。
现有并网风电机组中仍较多使用转子侧并联撬棒电路，而且，现有技术都是对单一的电网电压阶跃跌落/上升的故障中设置撬棒参数，其不适用于在非阶跃变化、先低压后高压的连续故障下，风电机组进入暂态情况中的撬棒参数设置。
因此，如何在直流换相失败导致的暂态情况下对双馈风机的撬棒参数进行确定，从而提高风电机组的故障穿越能力与适应性，且降低风电机组故障穿越的成本，是本领域技术人员有待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了提高风电机组的故障穿越能力与适应性，提出了一种在连续故障导致的计及直流换相失败因素的送端双馈风机撬棒参数修正方法。
本发明的技术方案为：计及直流换相失败因素的送端双馈风机撬棒参数修正方法，包括以下步骤：
S1、在高压直流输电系统出现电压连续故障时，确定出所述双馈风机的工作参数；
S2、基于所述工作参数确定撬棒参数。
进一步地，所述撬棒参数具体为撬棒阻值。
进一步地，所述工作参数具体为撬棒被触发时的定子电压、定子电流、转子电压和转子电流。
进一步地，所述步骤S2包括以下分步骤：
S21、基于所述定子电压和定子电流确定定子磁链；
S22、基于所述定子磁链和转子电压确定所述转子电流的微分方程；
S23、根据所述微分方程的通解和撬棒参数的约束条件确定撬棒参数。
进一步地，所述约束条件具体如下式所示：
Figure 273008DEST_PATH_IMAGE001
；
式中，
Figure 13431DEST_PATH_IMAGE002
为转子侧变流器电压上限，
Figure 900484DEST_PATH_IMAGE003
为转子电压最大值，
Figure 206701DEST_PATH_IMAGE004
为转子电流最大值，
Figure 52166DEST_PATH_IMAGE005
为撬棒电阻和转子电阻之和。
进一步地，所述步骤S23具体包括以下分步骤：
S231、基于所述微分方程的通解和约束条件确定出转子电压最大值与撬棒阻值的关系曲线；
S232、根据直流电压限值确定转子侧变流器电压上限，并确定出转子侧变流器电压上限等于所述转子电压最大值的直线；
S233、确定出所述关系曲线和直线的交点，根据所述交点确定撬棒参数。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
本发明通过在高压直流输电系统出现电压连续故障时，确定出所述双馈风机的工作参数；基于所述工作参数确定撬棒参数，所述工作参数具体为撬棒被触发时的定子电压、定子电流、转子电压和转子电流，所述撬棒参数具体为撬棒阻值，实现了针对电网电压非阶跃变化和电压连续故障下，对双馈风机的撬棒参数进行确定，从而提高了风电机组的故障穿越能力与适应性，且降低了风电机组故障穿越的成本。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的计及直流换相失败因素的送端双馈风机撬棒参数修正方法的流程示意图；
图2所示为本发明实施例中稳态运行时双馈风机的等效电路图；
图3所示为本发明实施例中撬棒触发后双馈风机的等效电路图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如背景技术中所述，现有技术中双馈风机穿越方案主要是控制策略改进和增加硬件电路，而控制策略改进的效果在严重的高/低电压故障情况下无法使用，或在电网电压连续故障情况下不适用，增加硬件电路的方案受制于高成本无法广泛应用。
因此，本申请提出了一种计及直流换相失败因素的送端双馈风机撬棒参数修正方法，用于在连续故障导致的暂态情况下，也即计及直流换相失败因素下，对双馈风机的撬棒参数进行修正确定，从而提高风电机组的故障穿越能力与适应性，如图1所示为本申请实施例提出的一种计及直流换相失败因素的送端双馈风机撬棒参数修正方法的流程示意图，该方法包括以下步骤：
步骤S1、在高压直流输电系统出现电压连续故障时，确定出所述双馈风机的工作参数。
在本申请实施例中，所述工作参数具体为撬棒被触发时的定子电压、定子电流、转子电压和转子电流。
步骤S2、基于所述工作参数确定撬棒参数。
在本申请实施例中，所述撬棒参数具体为撬棒阻值。
在本申请实施例中，所述步骤S2包括以下分步骤：
S21、基于所述定子电压和定子电流确定定子磁链；
S22、基于所述定子磁链和转子电压确定所述转子电流的微分方程；
S23、根据所述微分方程的通解和撬棒参数的约束条件确定撬棒参数。
具体的，包括送端风电场在内的LCC-HVDC 输电系统中，逆变站换相失败是高压直流输电系统中最常见的直流故障之一，常因触发信号丢失、熄弧角小、换向电压过零等原因而发生。当逆变站发生换相故障时，直流电压下降会引起直流电流同时上升，从而使逆变站的无功需求增加，安装在送端的无功补偿设备也将投入使用。随后，由于换流站的控制策略会增加触发角以降低直流电流，因此HVDC系统的无功需求逐渐减少，并且由于无功补偿装置的延迟切除而导致电压升高。如果在故障期间多次发生换相失败，甚至会导致多次“低、高”电压连续故障。直到 HVDC 恢复正常运行，定子端电压才恢复到正常值。
在实际应用场景中，定子静止坐标系下DFIG的电压和磁链方程可以描述为
Figure 811043DEST_PATH_IMAGE006
(1)
Figure 970629DEST_PATH_IMAGE007
(2)
Figure 131352DEST_PATH_IMAGE008
(3)
Figure 678877DEST_PATH_IMAGE009
(4)
式中，
Figure 659471DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 888327DEST_PATH_IMAGE011
分别为定子和转子电压矢量；
Figure 372398DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 294087DEST_PATH_IMAGE013
分别为定子和转子磁链矢量；
Figure 27556DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 591262DEST_PATH_IMAGE015
分别为定子和转子电流矢量；
Figure 726577DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 553588DEST_PATH_IMAGE017
分别为电阻和电感参数；下标‘s’和‘r’分别代表定子侧和转子侧参数，上标‘s’和‘r’分别代表定子坐标系和转子坐标系；
Figure 571091DEST_PATH_IMAGE018
为激磁电感，
Figure 876170DEST_PATH_IMAGE019
表示微分算子，
Figure 521784DEST_PATH_IMAGE020
表示虚部。
需要先说明的是，本申请中所有公式中相同因子指代的含义一致。
基于上述方程，双馈风机的稳态运行时的等效电路如图2所示，稳态运行时，转子侧连接 RSC，转子侧电压小于其限值，转子侧电流跟踪RSC 控制策略中转子参考电流，由输出功率决定。
DFIG 正常运行时，机端电压空间矢量u s 在定子坐标系中以同步角速度旋转，可表示为
Figure 50855DEST_PATH_IMAGE021
(5)
式中，
Figure 844671DEST_PATH_IMAGE022
是同步电角速度，
Figure 546916DEST_PATH_IMAGE023
是A相电压的初始相角，
Figure 187982DEST_PATH_IMAGE024
为定子电压幅值，
Figure 825637DEST_PATH_IMAGE025
为
Figure 20995DEST_PATH_IMAGE026
，
当电压在t0之后逐渐下降，根据式(1)，定子电阻两端的压降可以忽略，则可得定子磁链为
Figure 199035DEST_PATH_IMAGE027
(6)
式中，k 1 为电压变化速率，
Figure 429028DEST_PATH_IMAGE028
为定子磁链时间常数。
由式 (2) ~ (4), 转子电压可计算为
Figure 34322DEST_PATH_IMAGE029
(7)
式中，p为微分算子，
Figure 185818DEST_PATH_IMAGE030
为漏感系数。
式(7)右边第一项为转子感应电势v r0 ，可表示为
Figure 433128DEST_PATH_IMAGE031
(8)
在DFIG正常运行时，式(8)中的定子磁链微分项为0，v r0 较小。而当机端电压变化较大时，定子磁链微分项不可忽略，将导致v r0 显著增大。将式(6)代入式(8)，可得到t 0 ～t 1 区间内的转子感应电势为
Figure 252049DEST_PATH_IMAGE032
(9)
而定子电压阶跃跌落下的反电动势为
Figure 231506DEST_PATH_IMAGE033
(10)
事实上，在大功率双馈电机中，定子时间常数通常在1000ms以上，可以忽略不计。设p 1 为第一个电压下降深度，则式(10)可重新表示为
Figure 198194DEST_PATH_IMAGE034
(11)
当定子电压在t0瞬间下降时，通过将t1=t0代入(11)，(11)将具有与(10)相同的形式。由式(11)可以看出，如果下降时间较长或为T s 的整数倍，则电网电压下降引起的转子电动势直流分量近似为零。当下降时间为电网半周期的奇数倍(K+0.5T s )时幅值最大。
撬棒被触发后的双馈风机的等效电路如图3所示，当撬棒被触发后，定子磁链方程变为：
Figure 718037DEST_PATH_IMAGE035
(12)
其中，
Figure 594726DEST_PATH_IMAGE036
；
Figure 604139DEST_PATH_IMAGE037
式中，
Figure 464648DEST_PATH_IMAGE038
为撬棒电阻触发后k 4 定子磁链时间常数，
Figure 257023DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 847274DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure 434113DEST_PATH_IMAGE041
和
Figure 313076DEST_PATH_IMAGE042
分别为低压持续阶段、电压上升阶段、高压持续阶段和电压恢复阶段的电压变化速率，
Figure 440301DEST_PATH_IMAGE039
和
Figure 88320DEST_PATH_IMAGE041
均为0，为统一表示方程而设置。
撬棒被触发后，转子电压变为
Figure 377219DEST_PATH_IMAGE043
。由式(7)可得：
Figure 212319DEST_PATH_IMAGE044
(13)
式中，
Figure 612077DEST_PATH_IMAGE045
是撬棒电阻，
Figure 114602DEST_PATH_IMAGE046
=
Figure 105561DEST_PATH_IMAGE045
+
Figure 693537DEST_PATH_IMAGE047
。
将式(12)代入方程(13)，方程(13)可以改写为：
Figure 365827DEST_PATH_IMAGE048
(14)
式中，
Figure 785176DEST_PATH_IMAGE049
，
Figure 986235DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure 327087DEST_PATH_IMAGE051
。
Figure 662122DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 404819DEST_PATH_IMAGE053
。
式(14)为转子电流的一阶线性微分方程，其系数可由给定的双馈电机参数和双馈电机的运行状态求得。该微分方程的通解为：
Figure 206422DEST_PATH_IMAGE054
(15)
式中，
Figure 768990DEST_PATH_IMAGE055
，
Figure 579820DEST_PATH_IMAGE056
可根据各个阶段电流初值求得，第一项为电网频率稳态分量；第二项和第三项由定子磁链暂态分量感应生成的反电动势产生，第三项是暂态衰减分量，其衰减速度与定子暂态磁链相同。
由式(15)中的第三项和第四项可知，转子电流不仅与当前电压变化程度和DFIG参数有关，还与前阶段的电压故障有关。其反应了连续故障中的暂态磁链累积效应，相比单一故障，可能导致更大的转子过电流。
在本申请实施例中，所述约束条件具体如下式所示：
Figure 177024DEST_PATH_IMAGE001
；
式中，
Figure 618369DEST_PATH_IMAGE002
为转子侧变流器电压上限，
Figure 464972DEST_PATH_IMAGE003
为转子电压最大值，
Figure 17176DEST_PATH_IMAGE004
为转子电流最大值，
Figure 265623DEST_PATH_IMAGE005
为撬棒电阻和转子电阻之和。
在本申请实施例中，所述步骤S23具体包括以下分步骤：
S231、基于所述微分方程的通解和约束条件确定出转子电压最大值与撬棒阻值的关系曲线；
S232、根据直流电压限值确定转子侧变流器电压上限，并确定出转子侧变流器电压上限等于所述转子电压最大值的直线；
S233、确定出所述关系曲线和直线的交点，根据所述交点确定撬棒参数。
具体的，由式(15)可知，连续故障期间转子电流最大值可能不出现在第一个故障期间，而发生在后续故障期间。且其值受到低压和高压故障影响，可能超过单一零电压故障时的电流峰值。可以依据实际电网中由HVDC换相失败引发的连续故障中各阶段电压变化幅度和变化时间，选取较严重的故障扰动。确定撬棒参数可具体为：
1) 代入式(15)至式(16)，作出转子电压最大值和Crowbar阻值的关系曲线；
2) 由于转子侧变流器相电压峰值不能超过
Figure 674608DEST_PATH_IMAGE057
，根据直流电压限值Vdc_th计算Vrlim，作出直线Vrmax=Vrlim；
3）确定出所述关系曲线和直线的交点，在交点处电阻值范围内尽量取较大值，也可以是交点处电阻值的整数值。
本申请通过在高压直流输电系统出现电压连续故障时，确定出所述双馈风机的工作参数；基于所述工作参数确定撬棒参数，所述工作参数具体为撬棒被触发时的定子电压、定子电流、转子电压和转子电流，所述撬棒参数具体为撬棒阻值，实现了针对电网电压非阶跃变化和电压连续故障下，对双馈风机的撬棒参数进行确定，从而提高了风电机组的故障穿越能力与适应性，且降低了风电机组故障穿越的成本。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.计及直流换相失败因素的送端双馈风机撬棒参数修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在高压直流输电系统出现电压连续故障时，确定出所述双馈风机的工作参数；
S2、基于所述工作参数确定撬棒参数；
其中，所述撬棒参数具体为撬棒阻值；
其中，所述工作参数具体为撬棒被触发时的定子电压、定子电流、转子电压和转子电流；
其中，所述步骤S2包括以下分步骤：
S21、基于所述定子电压和定子电流确定定子磁链；
S22、基于所述定子磁链和转子电压确定所述转子电流的微分方程；
S23、根据所述微分方程的通解和撬棒参数的约束条件确定撬棒参数；
其中，所述微分方程具体如下式所示：
Figure FDA0003491405420000011
式中，A＝σLr，B＝Rr+Rcb-jωrσLr，F(t)＝sVs·f(t)，
Figure FDA0003491405420000021
Figure FDA0003491405420000022
Figure FDA0003491405420000023
式中，ir为转子电流矢量，R和L分别为电阻和电感参数，下标‘s’和‘r’分别代表定子侧和转子侧参数，上标‘s’和‘r’分别代表定子坐标系和转子坐标系，j表示虚部，ωs是同步电角速度，Vs为定子电压幅值，k1为电压变化速率，p为微分算子，σ为漏感系数，τrs为撬棒电阻触发后定子磁链时间常数，k2、k3、k4和k5分别为低压持续阶段、电压上升阶段、高压持续阶段和电压恢复阶段的电压变化速率，k2和k4均为0，Ln为激磁电感，Rcb为撬棒电阻和转子电阻之和，τs为定子磁链时间常数。
2.如权利要求1所述的计及直流换相失败因素的送端双馈风机撬棒参数修正方法，其特征在于，所述约束条件具体如下式所示：
Vr max＝Ir maxRcb≤Vr lim
式中，Vr lim为转子侧变流器电压上限，Vr max为转子电压最大值，Ir max为转子电流最大值，Rcb为撬棒电阻和转子电阻之和。
3.如权利要求2所述的计及直流换相失败因素的送端双馈风机撬棒参数修正方法，其特征在于，所述步骤S23具体包括以下分步骤：
S231、基于所述微分方程的通解和约束条件确定出所述转子电压最大值与撬棒阻值的关系曲线；
S232、根据直流电压限值确定转子侧变流器电压上限，并确定出所述转子侧变流器电压上限等于所述转子电压最大值的直线；
S233、确定出所述关系曲线和直线的交点，根据所述交点确定撬棒参数。
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