CN116722583A - 用于确定电网短路故障下双馈风机负序电流的方法及系统 - Google Patents

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CN116722583A CN202310538599.3A CN202310538599A CN116722583A CN 116722583 A CN116722583 A CN 116722583A CN 202310538599 A CN202310538599 A CN 202310538599A CN 116722583 A CN116722583 A CN 116722583A
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周佩朋
刘长卿
韩彬
霍启迪
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Abstract

本发明公开了一种用于确定电网短路故障下双馈风机负序电流的方法及系统，属于电气设备及电气工程技术领域。本发明，包括：建立电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的第一DFIG等效负序阻抗模型，或电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的第二DFIG等效负序阻抗模型；基于所述第一DFIG等效负序阻抗模型，或所述第二DFIG等效负序阻抗模型，建立电网负序网的节点电压方程和电网的故障边界条件方程；联立所述节点电压方程和所述故障边界条件方程，进行求解，以得到电网各节点的负序电压，以及电网各支路的负序电流，基于所述负序电压及负序电流，确定电网短路故障下双馈风机的负序电流。本发明能够提高DFIG短路电流分析和控制技术水平。

Description

用于确定电网短路故障下双馈风机负序电流的方法及系统
技术领域
本发明涉及电气设备及电气工程技术领域，并且更具体地，涉及一种用于确定电网短路故障下双馈风机负序电流的方法及系统。
背景技术
风力发电是可再生能源领域中最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一，且可利用的风能在全球范围内分布广泛、储量巨大。得益于技术创新和规模效应，全球风电市场的规模在过去十年间几乎翻了一番，成为最具成本竞争力和韧性的电力来源之一。双馈风力发电机(doubly fed induction generator,DFIG)因其具有较高的风能利用效率以及可实现有功无功解耦控制等优点，作为主流机型广泛应用在大中型风电场中。与此同时，随着新能源大规模集中接入电网，DFIG短路电流计算的等值模型问题尚未彻底解决。
在电力系统规划设计和运行控制中，进行系统设备容量参数选择、保护装置定值设置及运行方式安排，均需要进行短路电流计算。短路电流计算结果对系统的安全性和经济性的协调具有重大影响。若计算结果偏大，需要选择较大容量的开关电器设备，增加投资；还可能会使得较多站点短路水平评价结果超标，增加额外限流措施投资的同时，还可能会降低系统运行可靠性。若计算结果偏小，虽然节省一次设备投资，但是断路器设备可能会面临遮断能力不足的问题，影响设备与系统的安全。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种用于确定电网短路故障下双馈风机负序电流的方法，包括：
在电网发生短路故障时，根据电网转子侧是否投入Crowbar保护回路，建立电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的第一DFIG等效负序阻抗模型，或电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的第二DFIG等效负序阻抗模型；
基于所述第一DFIG等效负序阻抗模型，或所述第二DFIG等效负序阻抗模型，建立电网负序网的节点电压方程和电网的故障边界条件方程；
联立所述节点电压方程和所述故障边界条件方程，进行求解，以得到电网各节点的负序电压，以及电网各支路的负序电流，基于所述负序电压及负序电流，确定电网短路故障下双馈风机的负序电流。
可选的，建立电网转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的第一DFIG等效负序阻抗模型，包括：
确定在电网发生短路故障时，电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，计算公式如下：
ur(2)＝-kprir(2)-kir∫ir(2)dt (1)
其中：
kpr＝ZBkprpu,kir＝ZBkirpu (2)
对公式(1)和(2)联立，以得到联立方程，并将负序磁链ψs(2)的表达式代入所述联立方程，以得到如下公式：
对所述公式(3)进行求解，以得到DFIG转子侧负序稳态电流，计算公式如下；
由公式(4)确定DFIG定子侧贡献的负序电流，计算公式如下：
由公式(5)化简后得到DFIG定子侧负序电流与负序电压的关系，即第一DFIG等效负序阻抗模型，计算公式如下：
Usf(2)＝ZRSC(2)Is(2) (6)
其中，ZRSC(2)的计算公式如下：
其中，Ir(2)为DFIG输出的稳态短路电流，ur(2)为电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，kpr和kir分别为电网RSC内环控制回路PI控制环节的比例系数和积分系数，ir(2)为DFIG转子侧负序稳态电流，kprpu和kirpu分别为基于标幺值输入下的控制器实际积分和比例参数，ZB为DFIG的基准阻抗，σ为漏电系数，Lr为转子电感，j为虚数单位，ωslip为转子的转差角速度，Lm为激磁电感，Ls为定子电感，ω1为转子同步旋转角速度，ωr为转子的电角速度，Usf(2)为电网发生短路故障时的定子负序电压分量，Is(2)为DFIG定子侧负序电流，ZRSC(2)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的等值阻抗。
可选的，建立电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的第二DFIG等效负序阻抗模型，包括：
确定在电网发生短路故障时，电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，计算公式如下：
确定在电网发生短路故障时，电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，计算公式如下：
ur＝-Rcrir (8)
将负序磁链ψs(2)的表达式代入公式(8)，以得到如下公式：
由公式(9)确定DFIG转子侧负序稳态电流，计算公式如下：
由公式(10)化简后得到DFIG定子侧负序电流与负序电压的关系，即第二DFIG等效负序阻抗模型，计算公式如下：
Usf(2)＝ZCR(2)Is(2) (11)
其中，ZCR(2)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的等值阻抗，ZCR(2)的计算公式如下：
其中，ur为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，Rcr为Crowbar保护回路电阻，ir为转子电流向量，σ为漏电系数，Lr为转子电感，ir(2)为DFIG转子侧负序稳态电流，Rr转子电阻，Rcr为Crowbar阻值，j为虚数单位，ωslip为转子的转差角速度，ω1为转子同步旋转角速度，ωr为转子的电角速度，Usf(2)为电网发生短路故障时的定子负序电压分量，Lm为激磁电感，ZRSC(2)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的等值阻抗。
可选的，节点电压方程的计算公式如下：
Vi(2)＝Zif_RSC(2)If(2) (13)
Vi(2)＝Zif_CR(2)If(2) (14)
其中，公式(13)为电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的节点电压方程，公式(14)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的节点电压方程。
可选的，根据电网的不同故障类型和相别建立故障边界条件方程。
再一方面，本发明还提供了一种用于确定电网短路故障下双馈风机负序电流的系统，包括：
第一建模单元，用于在电网发生短路故障时，根据电网转子侧是否投入Crowbar保护回路，建立电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的第一DFIG等效负序阻抗模型，或电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的第二DFIG等效负序阻抗模型；
第二建模单元，基于所述第一DFIG等效负序阻抗模型，或所述第二DFIG等效负序阻抗模型，建立电网负序网的节点电压方程和电网的故障边界条件方程；
求解单元，用于联立所述节点电压方程和所述故障边界条件方程，进行求解，以得到电网各节点的负序电压，以及电网各支路的负序电流，基于所述负序电压及负序电流，确定电网短路故障下双馈风机的负序电流。
可选的，第一建模单元建立电网转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的第一DFIG等效负序阻抗模型，包括：
确定在电网发生短路故障时，电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，计算公式如下：
ur(2)＝-kprir(2)-kir∫ir(2)dt (1)
其中：
kpr＝ZBkprpu,kir＝ZBkirpu (2)
对公式(1)和(2)联立，以得到联立方程，并将负序磁链ψs(2)的表达式代入所述联立方程，以得到如下公式：
对所述公式(3)进行求解，以得到DFIG转子侧负序稳态电流，计算公式如下；
由公式(4)确定DFIG定子侧贡献的负序电流，计算公式如下：
由公式(5)化简后得到DFIG定子侧负序电流与负序电压的关系，即第一DFIG等效负序阻抗模型，计算公式如下：
Usf(2)＝ZRSC(2)Is(2) (6)
其中，ZRSC(2)的计算公式如下：
其中，ur(2)为电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，kpr和kir分别为电网RSC内环控制回路PI控制环节的比例系数和积分系数，ir(2)为DFIG转子侧负序稳态电流，kprpu和kirpu分别为基于标幺值输入下的控制器实际积分和比例参数，ZB为DFIG的基准阻抗，σ为漏电系数，Lr为转子电感，j为虚数单位，ωslip为转子的转差角速度，Lm为激磁电感，Ls为定子电感，ω1为转子同步旋转角速度，ωr为转子的电角速度，Usf(2)为电网发生短路故障时的定子负序电压分量，Is(2)为DFIG定子侧负序电流，ZRSC(2)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的等值阻抗。
可选的，第一建模单元建立电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的第二DFIG等效负序阻抗模型，包括：
确定在电网发生短路故障时，电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，计算公式如下：
确定在电网发生短路故障时，电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，计算公式如下：
ur＝-Rcrir (8)
将负序磁链ψs(2)的表达式代入公式(8)，以得到如下公式：
由公式(9)确定DFIG转子侧负序稳态电流，计算公式如下：
由公式(10)化简后得到DFIG定子侧负序电流与负序电压的关系，即第二DFIG等效负序阻抗模型，计算公式如下：
Usf(2)＝ZCR(2)Is(2) (11)
其中，ZCR(2)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的等值阻抗，ZCR(2)的计算公式如下：
其中，Ir(2)为DFIG输出的稳态短路电流，ur为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，Rcr为Crowbar保护回路电阻，ir为转子电流向量，σ为漏电系数，Lr为转子电感，ir(2)为DFIG转子侧负序稳态电流，Rr转子电阻，Rcr为Crowbar阻值，j为虚数单位，ωslip为转子的转差角速度，ω1为转子同步旋转角速度，ωr为转子的电角速度，Usf(2)为电网发生短路故障时的定子负序电压分量，Lm为激磁电感，ZRSC(2)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的等值阻抗。
可选的，节点电压方程的计算公式如下：
Vi(2)＝Zif_RSC(2)If(2) (13)
Vi(2)＝Zif_CR(2)If(2) (14)
其中，公式(13)为电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的节点电压方程，公式(14)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的节点电压方程。
可选的，根据电网的不同故障类型和相别建立故障边界条件方程。
再一方面，本发明还提供了一种计算设备，包括：一个或多个处理器；
处理器，用于执行一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现如上述所述的方法。
再一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现如上述所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了本发明提出了一种用于确定电网短路故障下双馈风机负序电流的方法，包括：在电网发生短路故障时，根据电网转子侧是否投入Crowbar保护回路，建立电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的第一DFIG等效负序阻抗模型，或电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的第二DFIG等效负序阻抗模型；基于所述第一DFIG等效负序阻抗模型，或所述第二DFIG等效负序阻抗模型，建立电网负序网的节点电压方程和电网的故障边界条件方程；联立所述节点电压方程和所述故障边界条件方程，进行求解，以得到电网各节点的负序电压，以及电网各支路的负序电流，基于所述负序电压及负序电流，确定电网短路故障下双馈风机的负序电流。本发明能够提高DFIG短路电流分析和控制技术水平。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明方法实施的流程图；
图3为本发明方法实施的控制回路图；
图4为用于验证本发明方法使用的外部网络图；
图5为本发明系统的结构图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
实施例1：
本发明提出了一种用于确定电网短路故障下双馈风机负序电流的方法，如图1所示，包括：
步骤1、在电网发生短路故障时，根据电网转子侧是否投入Crowbar保护回路，建立电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的第一DFIG等效负序阻抗模型，或电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的第二DFIG等效负序阻抗模型；
步骤2、基于所述第一DFIG等效负序阻抗模型，或所述第二DFIG等效负序阻抗模型，建立电网负序网的节点电压方程和电网的故障边界条件方程；
步骤3、联立所述节点电压方程和所述故障边界条件方程，进行求解，以得到电网各节点的负序电压，以及电网各支路的负序电流，基于所述负序电压及负序电流，确定电网短路故障下双馈风机的负序电流。
其中，建立电网转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的第一DFIG等效负序阻抗模型，包括：
确定在电网发生短路故障时，电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，计算公式如下：
ur(2)＝-kprir(2)-kir∫ir(2)dt (1)
其中：
kpr＝ZBkprpu,kir＝ZBkirpu (2)
对公式(1)和(2)联立，以得到联立方程，并将负序磁链ψs(2)的表达式代入所述联立方程，以得到如下公式：
对所述公式(3)进行求解，以得到DFIG转子侧负序稳态电流，计算公式如下；
此处Ir(2)为方程(3)的特解，即为DFIG输出的稳态短路电流。
由公式(4)确定DFIG定子侧贡献的负序电流，计算公式如下：
由公式(5)化简后得到DFIG定子侧负序电流与负序电压的关系，即第一DFIG等效负序阻抗模型，计算公式如下：
Usf(2)＝ZRSC(2)Is(2) (6)
其中，ZRSC(2)的计算公式如下：
其中，ur(2)为电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，kpr和kir分别为电网RSC内环控制回路PI控制环节的比例系数和积分系数，ir(2)为DFIG转子侧负序稳态电流，kprpu和kirpu分别为基于标幺值输入下的控制器实际积分和比例参数，ZB为DFIG的基准阻抗，σ为漏电系数，Lr为转子电感，j为虚数单位，ωslip为转子的转差角速度，Lm为激磁电感，Ls为定子电感，ω1为转子同步旋转角速度，ωr为转子的电角速度，Usf(2)为电网发生短路故障时的定子负序电压分量，Is(2)为DFIG定子侧负序电流，ZRSC(2)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的等值阻抗。
其中，建立电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的第二DFIG等效负序阻抗模型，包括：
确定在电网发生短路故障时，电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，计算公式如下：
确定在电网发生短路故障时，电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，计算公式如下：
ur＝-Rcrir (8)
将负序磁链ψs(2)的表达式代入公式(8)，以得到如下公式：
由公式(9)确定DFIG转子侧负序稳态电流，计算公式如下：
由公式(10)化简后得到DFIG定子侧负序电流与负序电压的关系，即第二DFIG等效负序阻抗模型，计算公式如下：
Usf(2)＝ZCR(2)Is(2) (11)
其中，ZCR(2)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的等值阻抗，ZCR(2)的计算公式如下：
其中，ur为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，Rcr为Crowbar保护回路电阻，ir为转子电流向量，σ为漏电系数，Lr为转子电感，ir(2)为DFIG转子侧负序稳态电流，Rr转子电阻，Rcr为Crowbar阻值，j为虚数单位，ωslip为转子的转差角速度，ω1为转子同步旋转角速度，ωr为转子的电角速度，Usf(2)为电网发生短路故障时的定子负序电压分量，Lm为激磁电感，ZRSC(2)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的等值阻抗。
其中，节点电压方程的计算公式如下：
Vi(2)＝Zif_RSC(2)If(2) (13)
Vi(2)＝Zif_CR(2)If(2) (14)
其中，公式(13)为电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的节点电压方程，公式(14)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的节点电压方程。
其中，根据电网的不同故障类型和相别建立故障边界条件方程。
下面结合具体实例及验证网路对本发明进行进一步的说明：
实施流程如图2所示，具体包括如下：
DFIG由绕线转子异步发电机和背靠背变流器构成，其定子侧直接与电网相连，转子侧通过变流器接入电网。RSC机侧变换器调节转子电流实现定子有功和无功功率的解耦控制，GSC网侧变换器维持直流电压的稳定。在电网故障期间，GSC主要以单位功率因数方式运行，相比于定子容量，网侧变换器容量较小，因此通常忽略其对DFIG故障输出的贡献。
忽略磁饱和的影响，定子和转子相关矢量采用电机惯例，DFIG在同步旋转坐标系下(以下简称dq坐标系)的电磁暂态模型为：
ψs＝Lsis+Lmir (3)
ψr＝Lmis+Lrir (4)
其中，us和ur分别为定子和转子电压向量,ψs和ψr分别为定子和转子磁链向量，is和ir分别为定子和转子电流向量，Rs和Rr分别为定子和转子电阻，Ls，Lr和Lm分别为定子电感、转子电感和激磁电感，ω1和ωslip分别为同步旋转角速度和转差角速度，ωslip＝ω1-ωr，ωr为转子的电角速度。
联立方程，可以得到转子电压与电流之间的方程，计算过程中认为定子电感、转子电感和激磁电感三者相等，即Ls＝Lr＝Lm。
其中漏电系数，为：
转子电流由两个因素决定：定子磁链ψs的动态过程以及由RSC控制的转子电压ur。
由于DFIG以三相三线制的形式接入电网，因此其本身没有零序通路。当电网发生短路故障后，三相静止坐标系中的定子电压可以被分解为正序和负序两个分量。由于正负序分量之间独立存在，因此定子正负序电压可以在dq坐标系中表示为
其中，下标“1”和“2”分别代表dq坐标系中的正负分量和负序分量，Usn为故障前dq坐标系下定子电压，Usf(1)为故障后定子正序电压分量，Usf(2)为故障后定子负序电压分量。
根据电压与磁链之间的关系，故障后定子正、负序磁链分量在dq坐标系中可以表示为：
ψs＝ψs(1)+ψs(2) (7)
其中：
(1)Crowbar不投入下DFIG负序短路电流计算模型(RSC控制作用下)
系统故障后，Crowbar不投入，则DFIG处于RSC控制作用下。RSC电流内环控制切换无功电流定值，转子电流将变为电流内环PI和转子绕组形成的2阶系统响应，其控制回路如图3所示。
图3中，irdref、irqref、ird、irq分别为转子电流d、q轴控制参考值和实际值，urdref、urqref分别为跟踪转子电流参考值产生的转子电压d、q轴控制参考值，kpr、kir分别为PI控制环节比例系数和积分系数。
假设电流控制回路闭环带宽足够大，变流器交流侧电压能无差地跟踪参考值，忽略开关暂态，控制器负序电流参考值为零，则电网短路时转子电压可表示为：
ur(2)＝-kprir(2)-kir∫ir(2)dt (8)
实际控制系统往往采用电压电流标幺值作为输入信号，因此将以标幺值表示的控制方程转化成有名值的过程中，kpr、kir应表示为：
kpr＝ZBkprpu,kir＝ZBkirpu (9)
其中，kprpu、kirpu分别为基于标幺值输入下的控制器实际积分和比例参数，ZB为DFIG的基准阻抗。
联立方程，将式中负序磁链ψs(2)的表达式代入，得到二阶方程，如下：
方程的特解即为DFIG转子侧负序稳态电流为：
DFIG定子侧贡献的负序电流可以表示为：
化简后可以得到DFIG定子侧负序电流与负序电压之间的关系为：
Usf(2)＝ZRSC(2)Is(2) (13)
其中：
(2)Crowbar投入下DFIG负序短路电流计算模型：
严重故障可能导致转子电流激增，此时变流器直流母线可能过电压或转子电流超过转子侧变流器最大过流能力。对于配置有Crowbar保护回路的机组，为了避免转子侧变流器损坏，此时转子侧将投入Crowbar保护回路，为转子过电流提供通路，并且闭锁转子侧变流器，此时转子电压可以表示为：
ur＝-Rcrir (14)
其中，Rcr为Crowbar保护回路电阻。
联立方程，将负序磁链ψs(2)的表达式代入，得到一阶方程，如下：
转子侧负序稳态短路电流与负序电压之间的关系可以表示为：
此时DFIG定子侧贡献的负序电流可以表示为：
Usf(2)＝ZCR(2)Is(2) (17)
其中：
(3)DFIG负序短路电流计算流程说明：
1)建立负序等效电路及负序节点电压方程：
建立包含多台DFIG接入的大电网负序等效电路时，DFIG负序等效电路采用等效阻抗模型。当Crowbar不投入时，DFIG等值阻抗为ZRSC(2)；当Crowbar投入时，DFIG等值阻抗为ZCR(2)。
基于DFIG等值模型，以及大电网实际网架结构，构建负序短路电流计算的等效电路。
根据所建立的负序等效电路，进一步可得到各序网络的节点电压方程。
当故障后的DFIG处于Crowbar不投入情况下(即RSC控制作用下)时，负序节点电压方程可以表示为：
Vi(2)＝Zif_RSC(2)If(2) (18)
当故障后的DFIG处于Crowbar回路投入情况下时，负序节点电压方程可以表示为：
Vi(2)＝Zif_CR(2)If(2) (19)
式中，Vi(2)为节点i的负序电压；If(2)为故障点支路负序电流；Zif_RSC(2)、Zif_CR(2)分别为在Crowbar不投入和Crowbar投入两种情况下的节点i和节点f之间的负序阻抗。
2)建立故障边界条件方程：
电网故障类型包括三相对称故障和不对称故障。根据电网不同故障类型和相别可建立故障点边界条件方程。故障情况下的故障边界条件方程与传统方法相同。
3)大电网短路计算：
将负序节点电压方程与故障边界条件方程联合求解，计算各节点的负序电压以及各支路的负序电流。
下面基于图4所示的网络，验证本发明准确性。当外部电网在图中Fault1和Fault2两处分别发生单相短路故障、两相短路故障情况下，采用时域仿真以及本发明提出的计算方法，计算的到DFIG贡献的短路电流结果分别如表1和表2所示。由表1和表2可知，本发明误差小于8.6％，具有较高的准确性和实用性。
表1
表2
本发明能够表征故障后DFIG贡献负序短路电流的特性，具备较高的可靠性及实用性，解决了大电网短路电流计算DFIG负序建模问题。该模型能够适用于当前短路电流计算体系，且能反映DFIG在故障后控制策略投入、控制参数、机组参数的差异性和影响。
本发明提出的模型将应用于“PSD-SCCP短路电流计算程序”中DFIG等值模型的搭建，该平台在推广应用方面能够发挥无可替代的优势。研发成果可在电网调度中心、电科院、电力设计单位推广应用，具有广阔的应用前景，将提高DFIG短路电流分析和控制技术水平，为短路电流问题突出及大规模DFIG接入地区的电网运行控制提供技术支撑，推动双碳背景下的高比例新能源电力系统构建，具备良好的经济社会效益。
实施例2：
本发明还提供了一种用于确定电网短路故障下双馈风机负序电流的系统200，如图5所示，包括：
第一建模单元201，用于在电网发生短路故障时，根据电网转子侧是否投入Crowbar保护回路，建立电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的第一DFIG等效负序阻抗模型，或电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的第二DFIG等效负序阻抗模型；
第二建模单元202，基于所述第一DFIG等效负序阻抗模型，或所述第二DFIG等效负序阻抗模型，建立电网负序网的节点电压方程和电网的故障边界条件方程；
求解单元203，用于联立所述节点电压方程和所述故障边界条件方程，进行求解，以得到电网各节点的负序电压，以及电网各支路的负序电流，基于所述负序电压及负序电流，确定电网短路故障下双馈风机的负序电流。
其中，第一建模单元201建立电网转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的第一DFIG等效负序阻抗模型，包括：
确定在电网发生短路故障时，电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，计算公式如下：
ur(2)＝-kprir(2)-kir∫ir(2)dt (1)
其中：
kpr＝ZBkprpu,kir＝ZBkirpu (2)
对公式(1)和(2)联立，以得到联立方程，并将负序磁链ψs(2)的表达式代入所述联立方程，以得到如下公式：
对所述公式(3)进行求解，以得到DFIG转子侧负序稳态电流，计算公式如下；
由公式(4)确定DFIG定子侧贡献的负序电流，计算公式如下：
由公式(5)化简后得到DFIG定子侧负序电流与负序电压的关系，即第一DFIG等效负序阻抗模型，计算公式如下：
Usf(2)＝ZRSC(2)Is(2) (6)
其中，ZRSC(2)的计算公式如下：
其中，ur(2)为电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，kpr和kir分别为电网RSC内环控制回路PI控制环节的比例系数和积分系数，ir(2)为DFIG转子侧负序稳态电流，kprpu和kirpu分别为基于标幺值输入下的控制器实际积分和比例参数，ZB为DFIG的基准阻抗，σ为漏电系数，Lr为转子电感，j为虚数单位，ωslip为转子的转差角速度，Lm为激磁电感，Ls为定子电感，ω1为转子同步旋转角速度，ωr为转子的电角速度，Usf(2)为电网发生短路故障时的定子负序电压分量，Is(2)为DFIG定子侧负序电流，ZRSC(2)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的等值阻抗。
其中，第一建模单元201建立电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的第二DFIG等效负序阻抗模型，包括：
确定在电网发生短路故障时，电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，计算公式如下：
确定在电网发生短路故障时，电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，计算公式如下：
ur＝-Rcrir (8)
将负序磁链ψs(2)的表达式代入公式(8)，以得到如下公式：
由公式(9)确定DFIG转子侧负序稳态电流，计算公式如下：
由公式(10)化简后得到DFIG定子侧负序电流与负序电压的关系，即第二DFIG等效负序阻抗模型，计算公式如下：
Usf(2)＝ZCR(2)Is(2) (11)
其中，ZCR(2)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的等值阻抗，ZCR(2)的计算公式如下：
其中，ur为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，Rcr为Crowbar保护回路电阻，ir为转子电流向量，σ为漏电系数，Lr为转子电感，ir(2)为DFIG转子侧负序稳态电流，Rr转子电阻，Rcr为Crowbar阻值，j为虚数单位，ωslip为转子的转差角速度，ω1为转子同步旋转角速度，ωr为转子的电角速度，Usf(2)为电网发生短路故障时的定子负序电压分量，Lm为激磁电感，ZRSC(2)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的等值阻抗。
其中，节点电压方程的计算公式如下：
Vi(2)＝Zif_RSC(2)If(2) (13)
Vi(2)＝Zif_CR(2)If(2) (14)
其中，公式(13)为电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的节点电压方程，公式(14)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的节点电压方程。
其中，根据电网的不同故障类型和相别建立故障边界条件方程。
实施例3：
基于同一种发明构思，本发明还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor、DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能，以实现上述实施例中方法的步骤。
实施例4：
基于同一种发明构思，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是计算机设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括计算机设备中的内置存储介质，当然也可以包括计算机设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种用于确定电网短路故障下双馈风机负序电流的方法，其特征在于，所述方法包括：
在电网发生短路故障时，根据电网转子侧是否投入Crowbar保护回路，建立电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的第一DFIG等效负序阻抗模型，或电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的第二DFIG等效负序阻抗模型；
基于所述第一DFIG等效负序阻抗模型，或所述第二DFIG等效负序阻抗模型，建立电网负序网的节点电压方程和电网的故障边界条件方程；
联立所述节点电压方程和所述故障边界条件方程，进行求解，以得到电网各节点的负序电压，以及电网各支路的负序电流，基于所述负序电压及负序电流，确定电网短路故障下双馈风机的负序电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立电网转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的第一DFIG等效负序阻抗模型，包括：
确定在电网发生短路故障时，电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，计算公式如下：
ur(2)＝-kprir(2)-kir∫ir(2)dt (1)
其中：
kpr＝ZBkprpu，kir＝ZBkirpu (2)
对公式(1)和(2)联立，以得到联立方程，并将负序磁链ψs(2)的表达式代入所述联立方程，以得到如下公式：
对所述公式(3)进行求解，以得到DFIG转子侧负序稳态电流，计算公式如下；
由公式(4)确定DFIG定子侧贡献的负序电流，计算公式如下：
由公式(5)化简后得到DFIG定子侧负序电流与负序电压的关系，即第一DFIG等效负序阻抗模型，计算公式如下：
Usf(2)＝ZRSC(2)Is(2) (6)
其中，ZRSC(2)的计算公式如下：
其中，Ir(2)为DFIG输出的稳态短路电流，ur(2)为电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，kpr和kir分别为电网RSC内环控制回路PI控制环节的比例系数和积分系数，ir(2)为DFIG转子侧负序稳态电流，kprpu和kirpu分别为基于标幺值输入下的控制器实际积分和比例参数，ZB为DFIG的基准阻抗，σ为漏电系数，Lr为转子电感，j为虚数单位，ωslip为转子的转差角速度，Lm为激磁电感，Ls为定子电感，ω1为转子同步旋转角速度，ωr为转子的电角速度，Usf(2)为电网发生短路故障时的定子负序电压分量，Is(2)为DFIG定子侧负序电流，ZRSC(2)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的等值阻抗。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的第二DFIG等效负序阻抗模型，包括：
确定在电网发生短路故障时，电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，计算公式如下：
确定在电网发生短路故障时，电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，计算公式如下：
ur＝-Rcrir (8)
将负序磁链ψs(2)的表达式代入公式(8)，以得到如下公式：
由公式(9)确定DFIG转子侧负序稳态电流，计算公式如下：
由公式(10)化简后得到DFIG定子侧负序电流与负序电压的关系，即第二DFIG等效负序阻抗模型，计算公式如下：
Usf(2)＝ZCR(2)Is(2) (11)
其中，ZCR(2)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的等值阻抗，ZCR(2)的计算公式如下：
其中，ur为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，Rcr为Crowbar保护回路电阻，ir为转子电流向量，σ为漏电系数，Lr为转子电感，ir(2)为DFIG转子侧负序稳态电流，Rr转子电阻，Rcr为Crowbar阻值，j为虚数单位，ωslip为转子的转差角速度，ω1为转子同步旋转角速度，ωr为转子的电角速度，Usf(2)为电网发生短路故障时的定子负序电压分量，Lm为激磁电感，ZRSC(2)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的等值阻抗。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述节点电压方程的计算公式如下：
Vi(2)＝Zif_RSC(2)If(2) (13)
Vi(2)＝Zif_CR(2)If(2) (14)
其中，公式(13)为电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的节点电压方程，公式(14)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的节点电压方程。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据电网的不同故障类型和相别建立故障边界条件方程。
6.一种用于确定电网短路故障下双馈风机负序电流的系统，其特征在于，所述系统包括：
第一建模单元，用于在电网发生短路故障时，根据电网转子侧是否投入Crowbar保护回路，建立电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的第一DFIG等效负序阻抗模型，或电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的第二DFIG等效负序阻抗模型；
第二建模单元，基于所述第一DFIG等效负序阻抗模型，或所述第二DFIG等效负序阻抗模型，建立电网负序网的节点电压方程和电网的故障边界条件方程；
求解单元，用于联立所述节点电压方程和所述故障边界条件方程，进行求解，以得到电网各节点的负序电压，以及电网各支路的负序电流，基于所述负序电压及负序电流，确定电网短路故障下双馈风机的负序电流。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一建模单元建立电网转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的第一DFIG等效负序阻抗模型，包括：
确定在电网发生短路故障时，电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，计算公式如下：
ur(2)＝-kprir(2)-kir∫ir(2)dt (1)
其中：
kpr＝ZBkprpu，kir＝ZBkirpu (2)
对公式(1)和(2)联立，以得到联立方程，并将负序磁链ψs(2)的表达式代入所述联立方程，以得到如下公式：
对所述公式(3)进行求解，以得到DFIG转子侧负序稳态电流，计算公式如下；
由公式(4)确定DFIG定子侧贡献的负序电流，计算公式如下：
由公式(5)化简后得到DFIG定子侧负序电流与负序电压的关系，即第一DFIG等效负序阻抗模型，计算公式如下：
Usf(2)＝ZRSC(2)Is(2) (6)
其中，ZRSC(2)的计算公式如下：
其中，Ir(2)为DFIG输出的稳态短路电流，ur(2)为电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，kpr和kir分别为电网RSC内环控制回路PI控制环节的比例系数和积分系数，ir(2)为DFIG转子侧负序稳态电流，kprpu和kirpu分别为基于标幺值输入下的控制器实际积分和比例参数，ZB为DFIG的基准阻抗，σ为漏电系数，Lr为转子电感，j为虚数单位，ωslip为转子的转差角速度，Lm为激磁电感，Ls为定子电感，ω1为转子同步旋转角速度，ωr为转子的电角速度，Usf(2)为电网发生短路故障时的定子负序电压分量，Is(2)为DFIG定子侧负序电流，ZRSC(2)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的等值阻抗。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一建模单元建立电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的第二DFIG等效负序阻抗模型，包括：
确定在电网发生短路故障时，电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，计算公式如下：
确定在电网发生短路故障时，电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，计算公式如下：
ur＝-Rcrir (8)
将负序磁链ψs(2)的表达式代入公式(8)，以得到如下公式：
由公式(9)确定DFIG转子侧负序稳态电流，计算公式如下：
由公式(10)化简后得到DFIG定子侧负序电流与负序电压的关系，即第二DFIG等效负序阻抗模型，计算公式如下：
Usf(2)＝ZCR(2)Is(2) (11)
其中，ZCR(2)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的等值阻抗，ZCR(2)的计算公式如下：
其中，ur为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的DFIG转子侧的电压，Rcr为Crowbar保护回路电阻，ir为转子电流向量，σ为漏电系数，Lr为转子电感，ir(2)为DFIG转子侧负序稳态电流，Rr转子电阻，Rcr为Crowbar阻值，j为虚数单位，ωslip为转子的转差角速度，ω1为转子同步旋转角速度，ωr为转子的电角速度，Usf(2)为电网发生短路故障时的定子负序电压分量，Lm为激磁电感，ZRSC(2)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的等值阻抗。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述节点电压方程的计算公式如下：
Vi(2)＝Zif_RSC(2)If(2) (13)
Vi(2)＝Zif_CR(2)If(2) (14)
其中，公式(13)为电网DFIG转子侧未投入Crowbar保护回路情况下的节点电压方程，公式(14)为电网DFIG转子侧投入Crowbar保护回路情况下的节点电压方程。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，根据电网的不同故障类型和相别建立故障边界条件方程。
11.一种计算机设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
处理器，用于执行一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现如权利要求1-5中任一所述的方法。
12.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现如权利要求1-5中任一所述的方法。
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