一种撬棒保护动作后的双馈感应发电机三相短路电流的解析方法技术

本发明专利技术涉及一种撬棒保护动作后的双馈感应风力发电机三相短路电流的解析方法，属于风力发电系统故障分析技术领域。本发明专利技术利用撬棒保护动作后的DFIG定子和转子电压方程、定子和转子磁链方程，推导出撬棒保护动作后的双馈感应风力发电机三相短路电流，使计算过程简化。本方法能够准确计算撬棒保护动作后的双馈感应风力发电机三相短路电流，对含双馈感应风力发电机的电力系统设备选型和保护动作特性分析具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种撬棒保护动作后的双馈感应发电机三相短路电流的解析方法
本专利技术涉及一种撬棒(Crowbar)保护动作后的双馈感应风力发电机(DFIG)三相短路电流的解析方法，属于风力发电系统故障分析

技术介绍
随着全球经济的发展和能源消耗量的大幅度增长，能源的储量、生产和使用之间的矛盾日益突出，成为目前世界各国急待解决的重要问题之一。因此，为解决能源危机、环境污染等问题，风能、太阳能等新能源的研究开发已成当前人类十分迫切的需求。其中，风能是一种清洁永续的能源，与传统能源相比，风力发电具有不依赖外部能源、没有燃料价格风险、发电成本稳定、没有碳排放等环境成本特点；与太阳能、潮汐能相比，风能的产业基础最好，经济优势最为明显，没有大的环境影响；而且，全球范围内可利用的风能分布十分广泛。由于风力发电具有的这些独特优势，使其逐渐成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分，并在世界各国得到迅速发展。风力发电机组种类较多，双馈感应风力发电机通过使用双PWM变流器控制其励磁电流实现了发电机组与风力系统良好的柔性连接，这种连接方式便于并网操作，具有有功、无功功率独立控制，可变速运行及励磁变流器容量小等优点，因此成为了风电场MW级风力发电机的主要机型。但另一方面并网型双馈感应风力发电机组在并网电压突降时的暂态特性相当复杂，不同于传统的同步和异步电机。当风电大规模接入系统后，变压器，线路阻抗器以及断路器等电气设备的动、热稳定性校验，以及线路、变压器等各元件的保护动作特性主要依靠系统的短路电流计算整定，因此随着风机大规模的并网，确定双馈感应发电机在故障过程中的短路电流特性是目前双馈风机并网需解决的重要问题。
技术实现思路
本专利技术提供了一种撬棒保护动作后的DFIG三相短路电流的解析方法，利用撬棒保护动作后的DFIG定子和转子电压方程、定子和转子磁链方程，计算了撬棒保护动作后的双馈感应风力发电机三相短路电流。本专利技术的技术方案是：一种撬棒保护动作后的双馈感应风力发电机三相短路电流的解析方法，包括如下步骤：步骤一：根据撬棒保护动作后的双馈感应风力发电机等效电路图得到dq旋转坐标下定子和转子电压，根据双馈感应风力发电机定子和转子两者的自感磁链和互感磁链得到dq旋转坐标下定子和转子磁链，两者联合推导出定子和转子电流；步骤二：根据步骤一中的定子电压以及磁链守恒原则，求取故障后定子磁链；步骤三：将步骤一中的转子电压和转子电流，以及步骤二中所求得的定子磁链进行拉氏变换，得到复频域下的转子电压、电流方程和定子磁链；由复频域下转子电压、电流和定子磁链，求得复频域下的转子磁链，再对复频域下的转子磁链进行反拉氏变换，得到时域下的转子磁链；步骤四：将步骤二中所求得的定子磁链和步骤三中所求得的转子磁链代入步骤一中的定子和转子电流，求得撬棒保护动作后dq旋转坐标系下定子短路电流和转子短路电流；步骤五：将步骤四中所求得的dq旋转坐标系下的定子短路电流和转子短路电流变换到三相静止坐标系下，得到三相静止坐标系下定子短路电流和转子短路电流。具体的过程如下：(1)撬棒保护动作后，转子侧变流器闭锁，转子电压降为0，dq旋转坐标下定子和转子电压为：dq旋转坐标下定子和转子磁链为：式中，为系统发生三相短路故障前双馈感应风力发电机机端的稳态电压，Um为稳态时机端电压幅值，α为机端电压初相角；k为系统发生三相短路故障后机端电压的跌落率；为系统发生三相短路故障后的机端残压；为定子电流；为转子电流；为定子磁链；为转子磁链；Rs为定子绕组等效电阻；为投入撬棒保护后转子侧的等效电阻，Rr为转子绕组等效电阻，Rc为撬棒电路的电阻；Lm为定转子绕组互感；Ls＝Lm+Lσs为定子绕组等效电感，Lσs为定子漏感；Lr＝Lm+Lσr为转子绕组等效电感，Lσr为转子漏感；ω1为同步转速；ωr为转子转速；s＝(ω1-ωr)/ω1为转差率；t为时间，为虚单位。(2)求取定子电流和转子电流根据上述定子和转子磁链，得到定子电流和转子电流为：式中，LD表示等值电感。假设t0时刻系统发生三相短路对称故障，根据磁链守恒原则，发生故障瞬间，机端电压由Umejα骤降至(1-k)Umejα，定子磁链不会发生突变，故障后的定子磁链有两个分量：一是与机端残压(1-k)Umejα相对应的定子磁链稳态分量二是与电压跌落部分相对应的定子磁链暂态分量该分量以定子时间常数衰减；(1)求取发生故障后定子磁链稳态分量稳态时忽略定子电阻以及磁链变换率的影响，短路发生后与机端残压(1-k)Umejα相对应的定子磁链稳态分量为：(2)求取发生故障后定子磁链暂态分量根据磁链守恒原则，定子磁链暂态分量为：式中，τs＝RsLr/LD为定子衰减时间常数；t0为故障时刻。(3)发生三相短路对称故障后，dq旋转坐标下定子磁链为：将转子电压、电流方程和定子磁链进行拉氏变换从时域变换到复频域：式中：p表示拉氏运算因子；表示故障瞬间转子磁链的初始量，复频域下的转子磁链为：式中为投入撬棒保护后转子衰减时间常数，对上式进行反拉氏变换，得到时域下的转子磁链：定子短路电流为：式中，转子短路电流解析式为：式中，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术在dq旋转坐标系下求解Crowbar保护动作后DFIG三相短路电流的解析式，再通过反Park变换得到三相静止坐标系下Crowbar保护动作后DFIG三相短路电流的解析式。在三相静止坐标系下DFIG磁链方程是非线性的代数方程，电压方程是时变系数的微分方程，对于求解三相短路电流带来了很大的困难；dq旋转坐标系下磁链方程变成线性代数方程，电压方程为常微分方程，Park变换使复杂的电压和磁链方程简单化了。2、求取转子磁链解析式的过程采用拉氏变换的方法，把微分方程化为代数方程，在复频域内求出函数转子磁链的解析式后，再做反拉氏变换，即可直接求得时域下转子磁链的解析式，而不需要确定积分函数，使计算过程简化了。3、本专利技术采用了全量法求解Crowbar保护动作后DFIG三相短路电流的解析式与故障分量法相比较，故障分量法求得的解需要与故障之前的稳态量进行叠加才能得到全解，但全量法能够一次求解就得到结果，不需要进行叠加。附图说明图1为dq旋转坐标系下双馈感应风力发电机等效电路图；图2为撬棒保护动作后双馈感应风力发电机等效电路图；图3为定子三相短路电流随时间的变换曲线图；图4为转子三相短路电流随时间的变换曲线图；图5为投入Crowbar保护的双馈感应风力发电机原理示意图；图6为DFIG三相静止坐标系下的物理模型。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1：一种撬棒保护动作后的双馈感应风力发电机三相短路电流的解析方法，步骤如下：步骤一：根据撬棒保护动作后的双馈感应风力发电机等效电路图(图2)列写dq旋转坐标下定子和转子电压方程，根据双馈感应风力发电机定子和转子的自感磁链和互感磁链列写dq旋转坐标下定子和转子磁链方程，再联立定子和转子磁链方程，推导出定子和转子电流方程；步骤二：根据步骤一中所列写的定子电压方程以及磁链守恒原则，求取故障后定子磁链解析式；步骤三：将步骤一中的转子电压方程和转子电流方程，以及步骤二中所求得的定子磁链解析式进行拉氏变换，得到复频域下的转子电压、电流方程和定子磁链解析式；由复频域下转子电压、电流方程和定子磁链本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种撬棒保护动作后的双馈感应风力发电机三相短路电流的解析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：根据撬棒保护动作后的双馈感应风力发电机等效电路图得到dq旋转坐标下定子和转子电压，根据双馈感应风力发电机定子和转子两者的自感磁链和互感磁链得到dq旋转坐标下定子和转子磁链，两者联合推导出定子和转子电流；步骤二：根据步骤一中的定子电压以及磁链守恒原则，求取故障后定子磁链；步骤三：将步骤一中的转子电压和转子电流，以及步骤二中所求得的定子磁链进行拉氏变换，得到复频域下的转子电压、电流方程和定子磁链；由复频域下转子电压、电流和定子磁链，求得复频域下的转子磁链，再对复频域下的转子磁链进行反拉氏变换，得到时域下的转子磁链；步骤四：将步骤二中所求得的定子磁链和步骤三中所求得的转子磁链代入步骤一中的定子和转子电流，求得撬棒保护动作后dq旋转坐标系下定子短路电流和转子短路电流；步骤五：将步骤四中所求得的dq旋转坐标系下的定子短路电流和转子短路电流变换到三相静止坐标系下，得到三相静止坐标系下定子短路电流和转子短路电流。

【技术特征摘要】
1.一种撬棒保护动作后的双馈感应风力发电机三相短路电流的解析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：根据撬棒保护动作后的双馈感应风力发电机等效电路图得到dq旋转坐标下定子和转子电压，根据双馈感应风力发电机定子和转子两者的自感磁链和互感磁链得到dq旋转坐标下定子和转子磁链，两者联合推导出定子和转子电流；步骤二：根据步骤一中的定子电压以及磁链守恒原则，求取故障后定子磁链；步骤三：将步骤一中的转子电压和转子电流，以及步骤二中所求得的定子磁链进行拉氏变换，得到复频域下的转子电压、电流方程和定子磁链；由复频域下转子电压、电流和定子磁链，求得复频域下的转子磁链，再对复频域下的转子磁链进行反拉氏变换，得到时域下的转子磁链；步骤四：将步骤二中所求得的定子磁链和步骤三中所求得的转子磁链代入步骤一中的定子和转子电流，求得撬棒保护动作后dq旋转坐标系下定子短路电流和转子短路电流；步骤五：将步骤四中所求得的dq旋转坐标系下的定子短路电流和转子短路电流变换到三相静止坐标系下，得到三相静止坐标系下定子短路电流和转子短路电流。2.根据权利要求1所述的撬棒保护动作后的双馈感应风力发电机三相短路电流的解析方法，其特征在于，所述步骤一的具体步骤为：(1)撬棒保护动作后，转子侧变流器闭锁，转子电压降为0，dq旋转坐标下定子和转子电压为：dq旋转坐标下定子和转子磁链为：式中，为系统发生三相短路故障前双馈感应风力发电机机端的稳态电压，Um为稳态时机端电压幅值，α为机端电压初相角；k为系统发生三相短路故障后机端电压的跌落率；为系统发生三相短路故障后的机端残压；为定子电流；为转子电流；为定子磁链；为转子磁链；Rs为定子绕组等效电阻；为投入撬棒保护后转子侧的等效电阻，Rr为转子绕组等效电阻，Rc为撬棒电路的电阻；Lm为定转子绕组互感；Ls＝Lm+Lσs...

【专利技术属性】
技术研发人员：范小红，孙士云，安德超，孙德娟，王杨，海世芳，张雪娟，郑新宇，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53