计及撬棒保护的双馈发电机仿真系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及到电力系统继电保护设备和方法。
【背景技术】
[0002] 目前，世界各国制定的风电场并网导则中，均明确要求风电机组具有低电压穿越 能力。双馈风力发电机（doubly-fed induction generator，DFIG)具有励磁变频装置容量 小、体积较小等特点，因此得到广泛应用，DFIG实质上是一种绕线式转子电机，由于其定、转 子都能向电网馈电，故被称为双馈发电机。DFIG的定子电压由电网提供，转子电压由变流器 提供。DFIG系统允许在限定的大范围内变速运行。通过注入变流器的转子电流，变流器对 机械频率和电频率之差进行补偿。在正常运行和故障期间，DFIG的运转状态由变流器及其 控制器管理。
[0003] 在电网发生故障情况下，机端电压跌落会造成DFIG过电流、过电压以及转矩振 荡，极易损坏变流器并严重威胁DFIG的安全可靠运行。撬棒保护电路是目前实现低电压穿 越较为常用的方法之一，它可以抑制DFIG转子过电流，确保变流器安全，保持DFIG不脱网 安全运行。
[0004] 现有技术中的方法表明，接入撬棒保护电路后的短路特性的准确分析与评估是实 现DFIG低电压穿越和建立电网保护方案的关键。针对撬棒保护电路接入后的双馈发电机 故障研宄初期，通过类比鼠笼感应电机的分析方法推导了 DFIG空载转速工况下的短路电 流近似表达式，但由于DFIG转差范围是-0. 3~0. 3,因此推导的表达式适用范围有限。现 有技术在此基础之上提出了一种DFIG简化线性化模型，求得对称短路下DFIG的短路电流 响应，但未能获得短路电流的具体表达式；此后通过数学解析和理论相结合方法，推导了电 网对称故障下DFIG短路电流的解析式，但解析求解过程较为复杂。目前对电网发生不对称 故障时的短路电流的暂态特性分析较少，而且在分析定转子磁链过程中，均做了一些近似 和假设，故推导的短路电流表达式精确度较低。总的说来，现有技术中针对计及撬棒保护的 DFIG仿真分析方法中针对不对称故障的机组暂态特性分析较少，且分析定转子磁链过程均 做了一些近似和假设，推导的短路电流表达式精确度较低，缺乏分析撬棒电路阻值和电机 转速对磁链幅值、相位及特征根的影响程度，因此无法对计及撬棒保护的DFIG的暂态特性 进行有效分析。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此本发明提出了一种计及撬棒保护的双馈机组仿真系统及设计方法。首 先，基于电网短路时双馈机组的暂态过程，建立正、负序等值网络，并利用数学解析方法，求 解该网络下定转子磁链精确解析式，然后通过理论计算，分析撬棒电路阻值和电机转速对 磁链幅值、相位及特征根的影响程度，以此揭示磁链暂态分量变化的本质规律，在此基础 上，推导电网在各类短路情况下，定子短路电流的精确表达式。最后，建立仿真系统并与实 际短路电流对比，验证了短路电流仿真结果的正确性及有效性，并指出撬棒电路阻值大小 和电机转速对定子短路电流峰值大小、峰值出现时刻及电流频率均有不同程度的影响。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] -种计及撬棒保护的双馈发电机仿真系统，所述系统包括：故障数据采集模块、正 序磁链计算模块、正序电流计算模块、负序磁链计算模块、负序电流计算模块，故障电流输 出丰吴块；
[0008] 其中故障数据采集模块连接至正序磁链计算模块和负序磁链计算模块，用于采集 故障前后机端正序电压、负序电压和机组状态参数，并发送至正序磁链计算模块和负序磁 链计算模块；
[0009] 正序磁链计算模块连接至正序电流计算模块，用于计算对称短路下双馈发电机定 转子磁链和不对称短路下双馈发电机定转子正序磁链，并发送至正序电流计算模块；
[0010] 负序磁链计算模块连接至负序电流计算模块，用于计算不对称短路下双馈发电机 定转子负序磁链并发送至负序电流计算模块；
[0011] 正序电流计算模块连接至故障电流输出模块，用于计算对称短路下双馈发电机短 路电流和不对称短路下双馈发电机短路电流正序分量并发送至故障输出模块；
[0012] 负序电流计算模块连接至故障电流输出模块，用于计算不对称短路下双馈发电机 短路电流负序分量并发送至故障输出模块；
[0013] 故障电流输出模块用于输出对称短路下的短路电流，以及根据不对称短路下正序 电流分量和负序电流分量计算并输出短路电流。
[0014] 其中，所述故障数据采集模块采集的数据包括发送至正序磁链计算模块的故障前 后机端正序电压和机组状态参数，以及发送至负序磁链计算模块的故障前后机端负序电压 和机组状态参数。
[0015] 另外，所述正序磁链计算模块计算对称短路下的定子磁链和转子磁链、不对称短 路下的定子正序磁链和转子正序磁链。
[0016] 对称短路下的定子磁链为：
【主权项】
1. 一种计及撬棒保护的双馈发电机仿真系统，所述系统包括：故障数据采集模块、正 序磁链计算模块、正序电流计算模块、负序磁链计算模块、负序电流计算模块，故障电流输 出丰吴块； 其中故障数据采集模块连接至正序磁链计算模块和负序磁链计算模块，用于采集故障 前后机端正序电压、负序电压和机组状态参数，并发送至正序磁链计算模块和负序磁链计 算模块； 正序磁链计算模块连接至正序电流计算模块，用于计算对称短路下双馈发电机定转子 磁链和不对称短路下双馈发电机定转子正序磁链，并发送至正序电流计算模块； 负序磁链计算模块连接至负序电流计算模块，用于计算不对称短路下双馈发电机定转 子负序磁链并发送至负序电流计算模块； 正序电流计算模块连接至故障电流输出模块，用于计算对称短路下双馈发电机短路电 流和不对称短路下双馈发电机短路电流正序分量并发送至故障输出模块； 负序电流计算模块连接至故障电流输出模块，用于计算不对称短路下双馈发电机短路 电流负序分量并发送至故障输出模块； 故障电流输出模块用于输出对称短路下的短路电流，以及根据不对称短路下正序电流 分量和负序电流分量计算并输出短路电流。
2. 根据权利要求1中所述的计及撬棒保护的双馈发电机仿真系统，其特征在于，所述 故障数据采集模块采集的数据包括发送至正序磁链计算模块的故障前后机端正序电压和 机组状态参数，以及发送至负序磁链计算模块的故障前后机端负序电压和机组状态参数。
3. 根据权利要求1中所述的计及撬棒保护的双馈发电机仿真系统，其特征在于，所述 正序磁链计算模块计算对称短路下的定子磁链和转子磁链、不对称短路下的定子正序磁链 和转子正序磁链， 对称短路下的定子磁链为：
其中，$sc；f、分别为定子磁链二阶微分方程特解和通解，所述二阶微分方程为：
式中：下标c代表撬棒保护动作之后的电气量， RM=R，!^，为转子电阻与转子保护电阻之和， Rs为定子电阻， usc;、uTC、is。、:iM、its。、t。分别为双馈发电机定、转子电压、电流和磁链的空间矢量， %为同步角速度， W 为转差角速度，即同步角速度与转子角速度的差值， Lm、Ls、Lr分别为等效的励磁电感、定子电感和转子电感，且Ls=Lm+Lls、Lr=Lm+Llr， Lls、k分别为双馈电机定转子漏抗，a=l-G/(L、L,.)是发电机漏磁系数， 对称短路下的机端电压为
其中，k。是机端电压幅值跌落 率， t2为故障时刻， Usc;(l、％是正常网络下机端电压幅值和相角， 定子磁链的强制分量，即微分方程特解为：
其中，定子磁链微分方程的特征根为：
对称短路下转子磁链为： V. ' 一-
' ^ - X u - 其中，irt是正常网络的转子电流； x姑输拓败羊tp亩聪跋I.
步^+、丨_+分别为定子正序磁链二阶微分方程特解和通解，所述二阶微分方程为：
式中：11;3。+、1