一种双馈感应发电机机端电压跌落时转子电流最大增量的计算方法
【专利摘要】本发明是一种计算机端电压跌落时双馈感应发电机转子电流最大增量的方法，其特点是：以“转子励磁电压和转子转速保持不变”为研究条件，科学合理的分析了机端电压跌落在DFIG定、转子绕组中激励的电流暂态过程，分析了双馈感应发电机机端电压跌落后的物理过程和转子电流增量频率成分，基于叠加原理，提出了在撬杠保护未动作情况下，机端电压跌落激励的转子电流增量最大值的计算方法，在此基础上，忽略定、转子绕组电阻，推导并验证了在定风速和不同风速情况下解析计算模型的有效性，该方法具有计算简单，计算快速等优点。
【专利说明】-种双馈感应发电机机端电压跌落时转子电流最大增量的 计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及双馈风电机组连锁脱网领域，是一种双馈感应发电机机端电压跌落时 转子电流最大增量的计算方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，全球风电发展迅猛，在大规模集中开发利用风电背景下，便捷准确地定量 分析与评估电网故障时并网风电机组的故障特性，进而为风电场的规划设计和保护配置提 供参考，具有重要意义。
[0003] 双馈感应发电机是目前风力发电采用的主流机型之一，通过背靠背四象限变流器 对转子绕组进行励磁，从而使双馈感应发电机实现变速恒频运行，为保障双馈感应发电机 受扰后转子侧变流器不过载，DFIG配备化OWbar保护，当化OWbar保护检测到转子电流达 到设定的保护定值时，即将转子绕组经化OWbar保护电阻Rcb短接，使DFIG转入异步电机 运行状态，同时封锁转子侧变流器控制脉冲使之退出运行。双馈感应发电机的英文名称为 Double-Fed Induction Generator,缩写为DFIG,本领域通常采用英文名称，或英文名称缩 写；攘杠的英文名称为Crowbar。
[0004] 目前大多假设机端电压跌落瞬间化OWbar保护动作，然后将DFIG转子电流故障特 性分析转变为常规异步电机的故障电流分析，但实际上，Crowbar保护并非在机端电压跌落 瞬间动作，机端电压跌落后，转子电流增长至化OWbar保护动作值需要一定时间，并且根据 故障严重程度不同增长时间也不同，使得电网故障初期，DFIG转子电流的暂态特性仍与变 流器控制有关，因此，基于"机端电压跌落瞬间化OWbar保护动作"该一假设条件所取得的 研究结果并不能全面反映DFIG转子电流的故障特性。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是，提供一种双馈感应发电机机端电压跌落时转子电流最大增量 的计算方法，它W "转子励磁电压和转子转速保持不变"为研究条件，科学合理的分析了机 端电压跌落在DFIG定、转子绕组中激励的电流暂态过程，忽略定、转子绕组电阻，推导了 Crowbar保护未动作情况下，机端电压跌落量与激励的转子电流增量之间的解析计算模型， 并验证了解析计算模型的有效性。
[0006] 本发明的目的是由W下技术方案来实现的：一种计算机端电压跌落时双馈感应发 电机转子电流最大增量的方法，其特征在于，它包括W下步骤：
[0007] 1.双馈感应发电机组的构成
[000引双馈感应发电机主要由风力机、DFIG和四象限变流器组成，若干双馈感应发电 机组成双馈感应发电机组，为保障转子侧变流器的安全运行，双馈感应发电机组通常配置 化OWbar保护，构成了配置有化OWbar保护的双馈型风电机组；
[0009] 2.基于叠加原理的机端电压跌落激励的DFIG转子电流增量解析计算
[0010] I). DFIG的数学模型
[0011] DFIG数学模型的基本假设条件为：①dq同步旋转坐标系的q轴沿转子旋转方向 领先d轴90°电角度；②定子侧的相电压和相电流遵循发电机惯例，转子侧的相电压和相 电流遵循电动机惯例；③定子绕组中负向电流产生正向磁链，转子绕组中正向电流产生正 向磁链；④在t q轴方向上磁路对称，
[0012] 根据上述假设，在国际单位制下，DFIG正常运行时的有名值数学模型为：
【权利要求】
1. 一种计算机端电压跌落时双馈感应发电机转子电流最大增量的方法，其特征在于， 它包括以下步骤：
1. 双馈感应发电机组的构成 双馈感应发电机主要由风力机、DFIG和四象限变流器组成，若干双馈感应发电机组成 双馈感应发电机组，为保障转子侧变流器的安全运行，双馈感应发电机组通常配置Crowbar 保护，构成了配置有Crowbar保护的双馈型风电机组；
2. 基于叠加原理的机端电压跌落激励的DFIG转子电流增量解析计算 I). DFIG的数学模型 DFIG数学模型的基本假设条件为：① dq同步旋转坐标系的q轴沿转子旋转方向领先d 轴90°电角度；②定子侧的相电压和相电流遵循发电机惯例，转子侧的相电压和相电流遵 循电动机惯例；③定子绕组中负向电流产生正向磁链，转子绕组中正向电流产生正向磁链； ④在d、q轴方向上磁路对称， 根据上述假设，在国际单位制下，DFIG正常运行时的有名值数学模型为：
式⑴?⑵中：Usd为定子的d轴电压，Usq为定子的q轴电压；U^1为转子的d轴电压， Uni为转子的q轴电压；isd为定子的d轴电流，isq为定子的q轴电流；L d为转子的d轴电 流，为转子的q轴电流；RS为定子绕组电阻，艮为转子绕组电阻；Vsd为定子的d轴磁链， Vni为转子的q轴磁链；Lsl为定子绕组漏感，Lri为转子绕组漏感；L sm为定子绕组激磁电感； Ns为定子绕组匝数，队为转子绕组匝数；《 i为同步旋转角速度；《 s为转差角速度，根据式 (1)和式（2)，得到DFIG在d轴和q轴方向的含受控源等值电路， 将式⑵代入式（1)，得到DFIG的电压和电流之间关系式（3)， X = A[X)X^ Bl (3) 式（3)中：X = [_isd，-isq，ird，ij，；U = [usd，Usq, urd，UrJ，；
W r = W1 - Ws，为转子旋转角速度； Ls= L3I+I- 5Lsm ；Lr = Lrl+1. 5Lsm(Nr/Ns)2 ； Lm = I. 5Lsm(Nr/Ns) ；M = LsLr - (Lm)2, 式（3)中，A(X)阵的元素与DFIG的绕组参数和转子转速两个因素有关，而转子转速又 与风速和定、转子电流有关，故A (X)阵元素与定、转子电流有关，因此DFIG的数学模型为非 线性模型， 当DFIG转子转速变化较小时，A(X)阵可看作常数矩阵，因此，式（3)退化为线性系统， 可采用叠加原理来分析机端电压跌落激励的DFIG转子电流增量， 机端电压跌落前，有 X0=^l(X0)X0+StZ0 =O (4) 式⑷中，下标"〇"代表机端电压跌落前的相应变量，其中：?= [usd(l, Ustltl, uri(l, u_]'， X(l = [_iSd(l，_iSq(l，i^dCI，U '，当机端电压跌落时，根据叠加原理，可看作在USd(l、USq(l上叠加了 增量AUsd、Aiv即式（3)中，U由Utl变为U1，其中U 1为： U1 = U0+ A U (5) 式（5)中，U1为机端电压跌落后的定、转子电压列向量；AU = [A usd，Ausq，Au,d，Au,q]'，为定、转子电压dq轴增量列向量，式⑶中，当激励U由U tl变为 U1时，根据叠加原理，响应X应为Utl和AU单独作用于DFIG时的响应之和，即： X = X0+ A X (6) 式（6)中，AX = [_Aisd，- Aisq，Aird，AiJ'，为AU单独作用于DFIG时的电流增量 列向量， 将式（4)、（5)和（6)代入式（3)，得 AX = A(X0 )(AX) + B(AU) (7) 式（7)即为DFIG定、转子电压dq轴增量A U与其激励的电流增量A X之间的定量关 系； 2).机端电压跌落激励的DFIG转子电流增量频率成分分析 式（7)中A(Xtl)阵为4阶非稀疏矩阵，通过求解式（7)来得到AX的解析表达式较困 难，因此，式（7)虽然揭示了 DFIG定、转子电压增量与其激励的电流增量之间的定量关系， 但没有从物理过程角度揭示二者之间的作用机理，也无法直观把握转子电流增量的特性， 机端电压跌落后，逻辑而言，转子电流的稳态运行值将受到影响，即转子电流增量中应 包含直流分量，直流分量通过式（7)能够得到验证，S卩：当AU为常数时，令（7)中Ai = 0， 可得AX的直流分量为： AXp =-A^1 (X0)B(AU) (8) 定、转子绕组为维持电压跌落瞬间磁链不变，定、转子绕组磁链初值将分别在各自绕组 和对方绕组中激励出AX的自由分量AXf，即转子电流增量中还应包含自由分量； 3) .机端电压跌落激励的DFIG转子自由电流衰减时间常数分析 由于定子绕组Rs和转子绕组&的存在，随着时间的推移，所有为维持机端电压跌落瞬 间磁链不变而出现的自由电流都将按不同的时间常数衰减到零，时间常数由电路的微分方 程组的特征方程的根确定，由于A(Xtl)阶数较高且为非稀疏矩阵，因此采用严格的数学方法 计算其特征根较繁琐， 采用的简化分析原则为：①某绕组的时间常数即是该绕组同其他绕组有磁耦合关系的 电感和电阻之比，而忽略其他绕组电阻的影响；②在短路瞬间为了保持本绕组磁链不变而 出现的自由电流，如果它产生的磁通对本绕组相对静止，那么这个自由电流即按照本绕组 的时间常数衰，一切同该自由电流发生依存关系的本绕组的或外绕组的自由电流均按同一 时间常数衰减， 根据以上简化分析原则可知，在dq同步旋转坐标系下，转子绕组中振荡频率为《 i的 自由电流分量按定子绕组d、q轴时间常数Tsd、Tsq衰减；振荡频率为《 s的自由电流分量按 转子绕组d、q轴时间常数Tri、T^1衰减； 4) .机端电压跌落激励的DFIG转子电流最大增量解析计算模型 由于假设机端电压跌落期间，转子励磁电压幅值和初相保持不变，即转子电压增量的 d、q轴分量Aurt= Aunj = O,因此转子电流增量中由转子磁链初值激励的振荡频率为c〇s的自由电流分量幅值较小，求解转子电流增量时将其忽略， 由于定子绕组Rs和转子绕组艮较小，因此，忽略Rs和艮对AX的影响，此时，A(X)阵 变为A1⑴，
对式（7)进行拉氏变换，整理得 [SE -A1(X0)] [AX(S)] = B[ AU(S)] (9) 式（9)中：S为复变量；E为单位阵；AX(S)、AU(S)分别为AX、AU的拉氏变换， 机端电压跌落时，AU为常数，根据克莱姆法则，可得式（10)中AittnAitti的拉氏变换 为：
分析可知，转子电流增量主要包含直流分量、振荡频率分别为^^和的自由电流分 量，在忽略的自由电流分量后，转子电流增量只包括恒定直流分量和振荡频率为O1的 自由电流分量，对式（11)进行修正，得到计及定子绕组Rs和转子绕组RJ且尼作用后转子电 流增量A ird、A 为：
为便于论述，假设DFIG处于稳态正常运行时，定向控制采取恒幅值Park变换且将定子 电压矢量定向于dq同步旋转坐标系的q轴，有：
式中：Us为定子线电压有效值， 忽略机端电压跌落引起的相位跳变，有：
根据式（14)得： 当 t = trd = [arctan (Ts w 丨）+arctan ( A Usq/ A usd) +Ic1 JI ] / 〇 丨时，A ird 达到最大值，其 中：
当 t = trq = [arctan (Ts w 丨）+arctan (_ A usd/A usq)+k2 1 时，A irq 达到最大值， 其中：
将U和代入式（14)，即得到转子dq轴电流增量最大值，需要的输入量包括机端电 压跌落量和机端电压跌落前的转子稳态运行转速， 5).机端电压跌落激励的DFIG转子电流增量计算与分析 利用式（3)数值计算的结果来校验和式（14)的计算结果，以验证所提出计算 方法和计算模型的有效性。
【文档编号】H02P21/14GK104362926SQ201410525488
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月5日 优先权日:2014年10月5日
【发明者】郑太一, 穆钢, 孙勇, 严干贵, 蔡宏毅, 王健, 沈清坤 申请人:国网吉林省电力有限公司, 东北电力大学, 国家电网公司