一种计及RSC控制的双馈风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计及RSC控制的双馈风机三相短路电流的解析方法，属风力发电系统故障分析领域。本方法为：列写DFIG定子和转子电压方程、定子和转子磁链方程、RSC控制的转子电压方程；确定故障发生后定子磁链解析式；求取转子电流二阶微分方程；再求解转子电流二阶微分方程，得到计及RSC控制的DFIG转子短路电流解析式；再求得定子电流方程，将定子磁链解析式以及转子电流解析式代入定子电流方程，即求得计及RSC控制的DFIG定子短路电流解析式。本发明专利技术能够准确计算计及转子侧变流器的双馈感应风力发电机三相短路电流的解析式，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。

An Analytical Method for Three-Phase Short-Circuit Current of Double-Feed Fan Considering RSC Control

The invention relates to an analytical method for three-phase short-circuit current of a doubly-fed fan with RSC control, belonging to the field of fault analysis of wind power generation system. This method includes: writing the DFIG stator and rotor voltage equation, stator and rotor flux equation, RSC-controlled rotor voltage equation; determining the stator flux analytic formula after the fault occurs; obtaining the second-order differential equation of rotor current; then solving the second-order differential equation of rotor current, obtaining the short-circuit current analytic formula of DFIG rotor with RSC control. Secondly, the stator current equation is obtained, and the stator flux and rotor current analytic expressions are substituted into the stator current equation, that is, the short-circuit current analytic formula of DFIG stator with RSC control is obtained. The method can accurately calculate the analytical expression of three-phase short-circuit current of doubly-fed induction wind power generator taking into account the rotor side converter, and is of great significance to the selection of power system equipment and the analysis of protective action characteristics of doubly-fed induction wind power generator.

【技术实现步骤摘要】
一种计及RSC控制的双馈风机三相短路电流的解析方法
本专利技术涉及一种计及RSC控制的双馈风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计及RSC控制的双馈风机三相短路电流的解析方法，利用DFIG定子和转子电压方程、定子和转子磁链方程、RSC控制的转子电压方程，计算了计及RSC(转子侧变流器)控制后的DFIG三相短路电流。本专利技术的技术方案是：一种计及RSC控制的双馈风机三相短路电流的解析方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：根据双馈感应风力发电机(简称双馈风机)等效电路图(图1)列写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定子和转子磁链方程，根据RSC控制原理列写转子电压方程，以上所列写的方程均在dq同步旋转坐标系下；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：根据步骤一中所列写的定子和转子磁链方程，即可求得转子磁链与转子电流和定子磁链相关的方程；再将步骤二中所求的定子磁链解析式代入所求得的转子磁链与转子电流和定子磁链相关的方程中，求得与转子电流相关的转子磁链方程；将所求得的与转子电流相关的转子磁链方程代入步骤一中根据图1列写的转子电压方程中，可得与转子电流相关的转子电压方程；最后将所求得的与转子电流相关的转子电压方程代入步骤一中根据RSC控制原理列写的转子电压方程中，即可求得转子电流二阶微分方程；步骤四：首先求解转子电流二阶微分方程对应的齐次方程的特征方程的根，得到转子电流二阶微分方程对应的齐次方程通解的形式，再根据转子电流二阶微分方程的初值求得转子电流二阶微分方程对应的齐次方程解的表达式；接着根据待定系数法求解转子电流二阶微分方程的特解；最后，将所求的转子电流二阶微分方程对应的齐次方程解的表达式与转子电流二阶微分方程的特解相加，所得的和即为dq同步旋转坐标系下转子短路电流解析式；步骤五：根据步骤一中所列写的定子磁链方程，可求得定子电流方程；将步骤二中所求得的定子磁链解析式与步骤四中所求得的转子电流电流解析式代入定子电流方程中，即可求得dq同步旋转坐标系下定子短路电流解析式。步骤六：将步骤四中所求得的dq同步旋转坐标系下转子短路电流和步骤五中的所求得的dq同步旋转坐标系下定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的解析式。1、所述步骤一的具体步骤为：根据双馈感应风力发电机等效电路图(图1)列写系统发生三相短路时，dq同步旋转坐标系下定子和转子电压方程为：式中，us为DFIG机端的稳态电压；k为机端电压跌落系数；ur为转子电压；is为DFIG定子三相短路电流；ir为DFIG转子三相短路电流；ψs为定子磁链；ψr为转子磁链；Rs为定子绕组等效电阻；Rr为转子绕组等效电阻；ω1为同步转速；s＝(ω1-ωr)/ω1为转差率，ωr为转子转速；为虚单位；t为时间；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同步旋转坐标系下定子和转子磁链方程为：ψs＝Lsis+Lmir(3)ψr＝Lmis+Lrir(4)式中，Ls＝Lm+Lσs为定子绕组等效电感，Lm为定转子绕组互感，Lσs为定子漏感；Lr＝Lm+Lσr为转子绕组等效电感，Lσr为转子漏感；根据转子侧变流器RSC的控制原理，可得dq同步旋转坐标系下转子电压方程为：式中，kP、kI分别为PI控制器的比例参数和积分参数；ir.ref为转子电流参考值；ir为DFIG转子电流；为定转子等效电感。2、求定子磁链解析式，所述步骤二的具体步骤为：假设0s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，DFIG机端电压由us骤降至(1-k)us，但定子磁链不会发生突变，因此故障后的定子磁链有两个分量：一是与机端残压(1-k)us相对应的定子磁链稳态分量ψsf；二是与电压跌落部分相对应的定子磁链暂态分量ψsn，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；系统发生三相短路对称故障后DFIG的机端电压由us跌落至(1-k)us，稳态时忽略定子电阻以及磁链变换率的影响，由式(1)可得在短路发生后与机端残压(1-k)us相对应的定子磁链稳态分量为：式中，ψsf为定子磁链稳态分量；k为系统发生三相短路故障后DFIG机端电压的跌落率；(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，ψsn为定子磁链暂态分量；τs＝RsLr/LD为定子衰减时间常数；(3)、由以上分析可知系统发生三相短路对称故障后，dq旋转坐标下定子磁链ψs为：3、求取转子电流二阶微分方程，所述步骤三的具体步骤为：(1)、联立式(3)、式(4)所示的定子和转子磁链方程，消去定子电流is可得转子磁链与转子电流和定子磁链相关的方程为：(2)、将式(8)定子磁链解析式代入式(9)转子电流方程，可进一步得到转子磁链的方程为：(3)、将式(10)代入式(2)转子电压方程，可得转子电压与转子电流之间的关系为：(4)、对式(11)方程两边同时微分可得：(5)、对式(5)RSC控制的转子电压方程两边同时微分可得：(6)、将式(13)代入式(12)，可得转子电流的二阶微分方程为：式中，β1＝(Rr+kP)Ls/LDβ2＝kILs/LDβr＝(jsω1-jω1-τs)(jω1+τs)Lm/Ls。4、解转子电流二阶微分方程，求得转子短路电流解析式，所述步骤四的具体步骤为：通过求解转子电流二阶微分方程式(14)，其解即为转子电流解析式，转子电流二阶微分方程的解为其对应的齐次方程的通解与转子电流二阶微分方程的特解之和，具体求解过程如下：(1)求转子二阶微分方程对应的齐次方程的通解ir(通解)的表达式；1)求转子二阶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种计及RSC控制的双馈风机三相短路电流的解析方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：步骤一：根据双馈感应风力发电机等效电路图列写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定子和转子磁链方程，根据RSC控制原理列写转子电压方程，以上所列写的方程均在dq同步旋转坐标系下；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：根据步骤一中所列写的定子和转子磁链方程，即可求得转子磁链与转子电流和定子磁链相关的方程；再将步骤二中所求的定子磁链解析式代入所求得的转子磁链与转子电流和定子磁链相关的方程中，求得与转子电流相关的转子磁链方程；将所求得的与转子电流相关的转子磁链方程代入步骤一中根据列写的转子电压方程中，可得与转子电流相关的转子电压方程；最后将所求得的与转子电流相关的转子电压方程代入步骤一中根据RSC控制原理列写的转子电压方程中，即可求得转子电流二阶微分方程；步骤四：首先求解转子电流二阶微分方程对应的齐次方程的特征方程的根，得到转子电流二阶微分方程对应的齐次方程通解的形式，再根据转子电流二阶微分方程的初值求得转子电流二阶微分方程对应的齐次方程解的表达式；接着根据待定系数法求解转子电流二阶微分方程的特解；最后，将所求的转子电流二阶微分方程对应的齐次方程解的表达式与转子电流二阶微分方程的特解相加，所得的和即为dq同步旋转坐标系下转子短路电流解析式；步骤五：根据步骤一中所列写的定子磁链方程，可求得定子电流方程；将步骤二中所求得的定子磁链解析式与步骤四中所求得的转子电流电流解析式代入定子电流方程中，即可求得dq同步旋转坐标系下定子短路电流解析式。步骤六：将步骤四中所求得的dq同步旋转坐标系下转子短路电流和步骤五中的所求得的dq同步旋转坐标系下定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的解析式。...

【技术特征摘要】
1.一种计及RSC控制的双馈风机三相短路电流的解析方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：步骤一：根据双馈感应风力发电机等效电路图列写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定子和转子磁链方程，根据RSC控制原理列写转子电压方程，以上所列写的方程均在dq同步旋转坐标系下；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：根据步骤一中所列写的定子和转子磁链方程，即可求得转子磁链与转子电流和定子磁链相关的方程；再将步骤二中所求的定子磁链解析式代入所求得的转子磁链与转子电流和定子磁链相关的方程中，求得与转子电流相关的转子磁链方程；将所求得的与转子电流相关的转子磁链方程代入步骤一中根据列写的转子电压方程中，可得与转子电流相关的转子电压方程；最后将所求得的与转子电流相关的转子电压方程代入步骤一中根据RSC控制原理列写的转子电压方程中，即可求得转子电流二阶微分方程；步骤四：首先求解转子电流二阶微分方程对应的齐次方程的特征方程的根，得到转子电流二阶微分方程对应的齐次方程通解的形式，再根据转子电流二阶微分方程的初值求得转子电流二阶微分方程对应的齐次方程解的表达式；接着根据待定系数法求解转子电流二阶微分方程的特解；最后，将所求的转子电流二阶微分方程对应的齐次方程解的表达式与转子电流二阶微分方程的特解相加，所得的和即为dq同步旋转坐标系下转子短路电流解析式；步骤五：根据步骤一中所列写的定子磁链方程，可求得定子电流方程；将步骤二中所求得的定子磁链解析式与步骤四中所求得的转子电流电流解析式代入定子电流方程中，即可求得dq同步旋转坐标系下定子短路电流解析式。步骤六：将步骤四中所求得的dq同步旋转坐标系下转子短路电流和步骤五中的所求得的dq同步旋转坐标系下定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的解析式。2.根据权利要求1所述的计及RSC控制的双馈风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：根据双馈感应风力发电机等效电路图列写系统发生三相短路时，dq同步旋转坐标系下定子和转子电压方程为：式中，us为DFIG机端的稳态电压；k为机端电压跌落系数；ur为转子电压；is为DFIG定子三相短路电流；ir为DFIG转子三相短路电流；ψs为定子磁链；ψr为转子磁链；Rs为定子绕组等效电阻；Rr为转子绕组等效电阻；ω1为同步转速；s＝(ω1-ωr)/ω1为转差率，ωr为转子转速；为虚单位；t为时间；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同步旋转坐标系下定子和转子磁链方程为：ψs＝Lsis+Lmir(3)ψr＝Lmis+Lrir(4)式中，Ls＝Lm+Lσs为定子绕组等效电感，Lm为定转子绕组互感，Lσs为定子漏感；Lr＝Lm+Lσr为转子绕组等效电感，Lσr为转子漏感；根据转子侧变流器RSC的控制原理，可得dq同步旋转坐标系下转子电压方程为：式中，kP、kI分别为PI控制器的比例参数和积分参数；ir.ref为转子电流参考值；ir为DFIG转子电流；为定转子等效电感。3.根据权利要求2所述的计及RSC控制的双馈风机三相短路电流的解析方法，其特征在于：所述步骤二的具体步骤为：假设0s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，DFIG机端电压由us骤降至(1-k)us，但定子磁链不会发生突变，因此故障后的定子磁链有两个分量：一是与机端残压(1-k)us相对应的定子磁链稳态分量ψsf；二是与电压跌落部分相对应的定子磁链暂态分量ψsn，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；系统发生三相短路对称故障后DFIG的机端电压由us跌落至(1-k)us，稳态时忽略定子电阻以及磁链变换率的影响，由式(1)可得在短路发生后与机端残压(1-k)us相对应的定子磁链稳态分量为：式中，ψsf为定子磁链稳态分量；k为系统发生三相短路故障后DFG机端电压的跌落率；(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，ψsn为定子磁链暂态分量；τs＝RsLr/LD为定子衰减时间常数；(3)、由以上分析可知系统发生三相短路对称故障后，dq旋转坐标下定子磁链ψs为：4.根据权利要求3所述的计及RSC控制的双馈风机三相短路电流的解析方法，其特征在于：所述步骤三的具体步骤为：(1)、联立式(3)、式(4)所示的定子和转子磁链方程，消去定子电流is可得转子磁链与转子电流和定子磁链相关的方程为：(2)、将式(8)定子磁链解析式代入式(9)转子电流方程，可进一步得到转子磁链的方程为：(3)、将式(10)代入式(2)转子电压方程，可得转子电压与转子电流之间的关系为：(4)、对式(11...

【专利技术属性】
技术研发人员：范小红，孙士云，海世芳，王杨，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