一种大型调相机的故障电流计算方法技术

本发明专利技术提供一种大型调相机的故障电流计算方法，考虑在电网故障时需要快速发出无功支撑电网电压的需求，提出了控制器参数设计方法，进而推导了其在电网故障条件下考虑强励影响的调相机故障电流的解析表达式，可有效满足含大型调相机接入特高压电网后的继电保护配置和整定计算等需求。

A Method for Calculating Fault Current of Large-scale Camera

The present invention provides a method for calculating the fault current of a large-scale phase modulator. Considering the need to rapidly generate reactive power to support the grid voltage in case of power grid failure, the design method of controller parameters is proposed, and then the analytical expression of the fault current of a large-scale phase modulator considering the effect of strong excitation under the condition of power grid failure is derived, which can effectively satisfy the requirement of connecting a large-scale phase modulator to an UHV power grid. Requirements of relay protection configuration and setting calculation.

【技术实现步骤摘要】
一种大型调相机的故障电流计算方法
本专利技术涉及电力系统
，具体是一种大型调相机的故障电流计算方法。
技术介绍
由于特高压直流输电工程在技术上、经济上和安全性等方面的突出优势，我国已成为世界范围内远距离直流输电应用前景最为广阔的国家。但随着公司电网“强直弱交”问题的日渐突出，特高压直流输电工程对电网动态无功支撑提出了更高的需求，因此具有大容量双向动态无功支撑优等特点的新一代大型调相机应运而生，并将在特高压电网大规模部署开来。然而，由于特高压直流工程对新一代大型调相机的动态无功的响应速度和容量提出了更高的需求，使得大型调相机的结构参数和在电网故障情况下的控制策略与短路电流特性与传统小型调相机和同容量发电机相比存在较大差异，进而给含大型调相机接入电网后的继电保护配置和整定计算提出了新的难题。目前，对于机组故障特性的研究主要针对同步发电机及风电和光伏等新能源机组，缺乏考虑大型调相机特殊控制策略等方面的影响，使得基于适用于发电机的短路电流分析方法不适用于大型调相机。综上，由于大型调相机结构参数以及在电网故障情况下的控制策略与传统同步发电机相比存在较大差异，使得其故障电流特性复杂，给大型调相机接入后的电网继电保护配置和整定带来了新的难题，需要提出新一代大型调相机在电网故障情况下的短路电流分析方法，以为含大型调相机接入的电网安全稳定运行奠定基础。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种适用于新一代大型调相机的短路电流计算方法，其目的在于解决大型调相机接入电网后的继电保护配置和整定计算的难题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种适用于新一代大型调相机的短路电流计算方法，具体包括以下步骤：(1)建立大型调相机在电网发生对称和不对称故障条件下的电压和磁链方程；(2)根据步骤(1)建立的电压和磁链方程推导电网故障后不考虑强励影响的调相机定子电流时域表达式；(3)建立大型调相机正常及过励运行工况下的控制模型，模型中设置高压母线电压控制和无功功率控制的联合控制环节；(4)根据步骤(3)建立的正常及过励工况下的控制模型，建立励磁系统控制回路简化的调相机励磁系统简化控制模型；(5)根据步骤(4)建立的调相机励磁系统简化控制模型，求解励磁电压在象函数下的计算模型；(6)根据步骤(2)中推导的调相机定子电流表达式，将励磁电压增量加入定子电流中，得到调相机强励条件下对应的调相机定子电流增量；(7)根据步骤(2)求得的调相机定子电流表达式和步骤(6)中得到的调相机定子电流增量，求得电网故障条件下考虑强励调节影响的调相机故障电流在dq轴坐标中的解析表达式；(8)将调相机定子电流从dq0坐标下转换为三相静止坐标，得到调相机在abc三相坐标下的故障电流大小。进一步的，步骤(1)建立的电压和磁链方程为：其中，Vd和Vq分别为d轴和q轴电压；Vf为励磁电压；为各绕组的总磁链，分别表示d轴绕组、q轴绕组、励磁绕组、阻尼绕组D轴和阻尼绕组Q轴磁链；表示各绕组初始电抗；xd、xq、xf分别表示各绕组自感抗；xaf、xaD、xaQ、xaf、xDf、xDa、xQa、xfa、xfQ、xfD分别表示各绕组间互感抗；r表示各绕组电阻；Id、Iq、If、ID、IQ分别表示各绕组电流；s表示微分算子。进一步的，所述步骤(2)具体为：利用式(1)和式(2)中的后两个方程，不考虑定子电阻的影响，求解电网故障后不考虑强励影响的定子电流时域表达式，调相机定子电流在d轴和q轴下象函数的表达式为：其中，其中，s表示微分算子，Id(s)和Iq(s)表示定子电流在d轴和q轴下象函数的表达式，Vd(s)和Vq(s)分别为定子电压在d轴和q轴下的象函数表达式，Vf(s)为励磁电压的象函数表达式；为各绕组的总磁链；分别表示d轴绕组、q轴绕组、励磁绕组、阻尼绕组D轴和阻尼绕组Q轴各磁链初始值；Gf(s)和GD(s)表示励磁绕组和阻尼绕组D轴与定子电流d轴分量象函数关系式；GQ(s)表示阻尼绕组Q轴与定子电流q轴分量象函数关系式；xd(s)、xq(s)、xf(s)分别表示各绕组自感抗的象函数表达式。进一步的，步骤(3)建立的励磁控制回路模型如下式所示其中，UT表示整流桥交流侧电压实际值；Uref为机端电压参考值；Qref为系统无功参考值；Qm为实际的无功功率；UH为调相机变压器组高压侧电压；UrefH为调相机变压器组高压侧电压参考值；Ts为移相及整流滞后时间；Tr为机端电压信号采集延时；Kp表示开环增益系数；Kh表示硬负反馈系数；Tb，Tb1，Tc，Tc1为PID的时间常数；Td0’表示发电机常数；Tp表示机端电压测量延时。进一步的，步骤(4)建立的调相机励磁系统简化控制模型是将电压内环原有结构保留，将高压母线电压和无功功率联合控制结构进行简化，如下式所示：其中，Kp表示开环增益系数；Kh表示硬负反馈系数；Tb，Tb1，Tc，Tc1为PID的时间常数；Td0’表示发电机常数；Tp表示机端电压测量延时。进一步的，步骤(5)中励磁电压在象函数下的计算模型为：其中，k表示无功外环中无功增益系数，其典型值可取0.2。进一步的，步骤(6)具体为：在励磁电压的作用下，调相机定子电流将得到增加，其在励磁电压的作用下定子电流增加值的象函数为：其中，ΔVf(s)＝Uf(s)-Vf0(s)，Uf(s)是Uf的象函数。进一步的，步骤(7)具体为：将步骤(6)的定子电流增量加在步骤(2)中的Id(s)上，即可得到调相机在电网故障条件下的短路电流大小，进行拉式反变换得到考虑励磁影响的调相机定子电流为：进一步的，步骤(8)中坐标变换公式为：总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本专利技术提供的适用于新一代大型调相机的故障电流分析法方法，考虑其在电网故障时需要快速发出无功支撑电网电压的需求，提出了控制器参数设计方法，进而推导了其在电网故障条件下考虑强励影响的调相机故障电流的解析表达式，可有效满足含大型调相机接入特高压电网后的继电保护配置和整定计算等需求。附图说明图1是本专利技术实施例提供的大型调相机的故障电流计算方法的流程图；图2是本专利技术实施例采用的含新一代调相机接入的特高压电网仿真模型，其中图2(a)为含换流站的特高压直流仿真模型，图2(b)为调相机接入特高压换流站示意图；图3是本专利技术实施例中电网单相故障条件下的仿真结果。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。以下结合实施例，具体阐述本专利技术提供的适用于新一代大型调相机的故障电流计算方法；实施例提供的大型调相机故障电流计算方法，其流程如图1所示，具体包括如下步骤：步骤1：建立大型调相机在电网发生对称和不对称故障条件下的电压和磁链的数学方程：其中，Vd和Vq分别为d轴和q轴电压；Vf为励磁电压；为各绕组的总磁链，分别表示d轴绕组、q轴绕组、励磁绕组、阻尼绕组D轴和阻尼绕组Q轴磁链；表示各绕组初始电抗；xd、xq、xf分别表示各绕组自感抗；xaf、xaD、xaQ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大型调相机的故障电流计算方法，其特征在于包括如下步骤：(1)建立大型调相机在电网发生对称和不对称故障条件下的电压和磁链方程；(2)根据步骤(1)建立的电压和磁链方程推导电网故障后不考虑强励影响的调相机定子电流时域表达式；(3)建立大型调相机正常及过励运行工况下的控制模型，模型中设置高压母线电压控制和无功功率控制的联合控制环节；(4)根据步骤(3)建立的正常及过励工况下的控制模型，建立励磁系统控制回路简化的调相机励磁系统简化控制模型；(5)根据步骤(4)建立的调相机励磁系统简化控制模型，求解励磁电压在象函数下的计算模型；(6)根据步骤(2)中推导的调相机定子电流表达式，将励磁电压增量加入定子电流中，得到调相机强励条件下对应的调相机定子电流增量；(7)根据步骤(2)求得的调相机定子电流表达式和步骤(6)中得到的调相机定子电流增量，求得电网故障条件下考虑强励调节影响的调相机故障电流在dq轴坐标中的解析表达式；(8)将调相机定子电流从dq0坐标下转换为三相静止坐标，得到调相机在abc三相坐标下的故障电流大小。

【技术特征摘要】
1.一种大型调相机的故障电流计算方法，其特征在于包括如下步骤：(1)建立大型调相机在电网发生对称和不对称故障条件下的电压和磁链方程；(2)根据步骤(1)建立的电压和磁链方程推导电网故障后不考虑强励影响的调相机定子电流时域表达式；(3)建立大型调相机正常及过励运行工况下的控制模型，模型中设置高压母线电压控制和无功功率控制的联合控制环节；(4)根据步骤(3)建立的正常及过励工况下的控制模型，建立励磁系统控制回路简化的调相机励磁系统简化控制模型；(5)根据步骤(4)建立的调相机励磁系统简化控制模型，求解励磁电压在象函数下的计算模型；(6)根据步骤(2)中推导的调相机定子电流表达式，将励磁电压增量加入定子电流中，得到调相机强励条件下对应的调相机定子电流增量；(7)根据步骤(2)求得的调相机定子电流表达式和步骤(6)中得到的调相机定子电流增量，求得电网故障条件下考虑强励调节影响的调相机故障电流在dq轴坐标中的解析表达式；(8)将调相机定子电流从dq0坐标下转换为三相静止坐标，得到调相机在abc三相坐标下的故障电流大小。2.如权利要求1所述的大型调相机的故障电流计算方法，其特征在于：步骤(1)建立的电压和磁链方程为：其中，Vd和Vq分别为d轴和q轴电压；Vf为励磁电压；为各绕组的总磁链，分别表示d轴绕组、q轴绕组、励磁绕组、阻尼绕组D轴和阻尼绕组Q轴磁链；表示各绕组初始电抗；xd、xq、xf分别表示各绕组自感抗；xaf、xaD、xaQ、xaf、xDf、xDa、xQa、xfa、xfQ、xfD分别表示各绕组间互感抗；r表示各绕组电阻；Id、Iq、If、ID、IQ分别表示各绕组电流；s表示微分算子。3.如权利要求2所述的大型调相机的故障电流计算方法，其特征在于：所述步骤(2)具体为：利用式(1)和式(2)中的后两个方程，不考虑定子电阻的影响，求解电网故障后不考虑强励影响的定子电流时域表达式，调相机定子电流在d轴和q轴下象函数的表达式为：其中，其中，s表示微分算子，Id(s)和Iq(s)表示定子电流在d轴和q轴下象函数的表达式，Vd(s)和Vq(s)分别为定子电压在d轴和q轴下的象函数表达式，Vf(s)为励磁电压的象函数表达式；为各绕组的总...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖繁，周友斌，王涛，周鲲鹏，曹侃，饶渝泽，王莹，余笑东，刘海光，
申请(专利权)人：国家电网有限公司，国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11