一种三相短路下双馈发电机仿真方法及其系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于风力发电系统技术领域，尤其涉及一种三相短路下双馈发电机仿真方 法及其系统。
【背景技术】
[0002] 双馈风力发电机（doubly-fed induction generator, DFIG)是当前风电领域应用 最普遍的风电机组，具有逆变器容量小，有功和无功功率独立解耦控制等优点。但是，在外 部电网发生故障情况下，DFIG产生的过电流、过电压将严重危害发电机和变流器的正常运 行。因此，研宄DFIG的短路特性，对于建立相应的保护方案意义重大。
[0003] 电网发生短路时，双馈风机将经历电机的电磁暂态和变流器调控的耦合过程，导 致其暂态特性更为复杂。目前，已有很多学者对撬棒保护下电网短路的电流特性展开研宄， 但对撬棒保护未动作情况下的短路电流研宄则相对较少。大部分研宄在推导转子保护未动 作时定转子短路电流表达式时未涉及变流器控制；部分学者考虑转子侧变流器调控作用下 的双馈发电机暂态特性，但未考虑网侧变流器调控作用；目前，亟需提出综合考虑转子侧和 网侧变流器的调控作用，精确描述定转子短路电流的仿真方法。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有仿真系统在描述双馈发电机暂态过程中未考虑变流器暂态调控对 短路电流计算影响的问题，本发明提出了一种三相短路下双馈发电机仿真方法及其系统。
[0005] 仿真方法具体包括以下步骤：
[0006] 步骤1、采集故障发生时刻的机端电压跌落率以及机组运行参数，机组运行参数包 括：稳态定子电压、定子磁链幅值、机组有功和无功输出参考值、转差率、转子电流参考值变 化量，转子转速；
[0007] 步骤2、建立双馈发电机故障等值网络，包括：正常运行网络和故障附加网络；根 据机端电压跌落率和机组运行参数计算定转子电流的正常网络分量、强制分量、暂态直流 分量以及暂态自然分量；
[0008] 步骤3、根据变流器矢量控制策略和变流器功率交换过程计算直流母线电压扰动 大小；
[0009] 步骤4 :通过定量描述短路过程中网侧变流器双环暂态调控过程来计算定子短路 电流二倍频的谐波分量；
[0010] 步骤5 :利用叠加原理得到定转子短路全电流表达式，复现三相短路下故障电流 随时间的变化规律。
[0011] 所述定转子电流的正常网络分量计算公式为：
【主权项】
1. 一种三相短路下双馈发电机仿真方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1、采集故障发生时刻的机端电压跌落率以及机组运行参数，机组运行参数包括： 稳态定子电压、定子磁链幅值、机组有功和无功输出参考值、转差率、转子电流参考值变化 量，转子转速； 步骤2、建立双馈发电机故障等值网络，包括：正常运行网络和故障附加网络；根据机 端电压跌落率和机组运行参数计算定转子电流的正常网络分量、强制分量、暂态直流分量 以及暂态自然分量； 步骤3、根据变流器矢量控制策略和变流器功率交换过程计算直流母线电压扰动大 小； 步骤4 :通过定量描述短路过程中网侧变流器双环暂态调控过程来计算定子短路电流 二倍频的谐波分量； 步骤5 :利用叠加原理得到定转子短路全电流表达式，复现三相短路下故障电流随时 间的变化规律。
2. 根据权利要求1所述仿真方法，其特征在于，所述定转子电流的正常网络分量计算 公式为：
式中：别为定转子电流的正常网络分量，Lm、Ls分别为等效励磁电感、等效定子 电感，us(l是稳态定子电压，$sm是定子磁链幅值，Ps.Mf、QS.M#别为机组有功、无功输出参 考值，且机组总容量SQ=Ps.ref+jQs.rtf。
3. 根据权利要求1所述仿真方法，其特征在于，所述定转子电流的强制分量计算公式 为：
式中：Ais(l、别为定转子电流的强制分量，△<为转子参考电流变化值，Aus(l 为电压跌落值，&为定子等效电阻，Lm、Ls分别为等效励磁电感、等效定子电感，ti= Rs/k+jWpTi为定子暂态磁链衰减常数，《 :为同步角速度； 所述定转子电流的暂态直流分量计算公式为：
|3 ! =(Rr+kp) / ( 〇Lr) |3 2=ki/( 〇Lr) L1N丄A I八]J u Z/OJM
式中：Aism、Aim分别为定转子电流的暂态直流分量，〇为发电机漏电系数 ^ = 1_砬/AA*，h为故障发生时刻，t为时间，s为转差率，l为转子等效电阻，k为等效 转子电感，kp、ki分别为转子变流器电流内环PI控制器的比例参数和积分参数m为定子暂 态直流分量系数，f^、分别为变流器等效比例系数和等效积分系数； 所述定转子电流的暂态自然分量计算公式为：
叭屮：A1S1、刀、別刀疋将~r电孤的酉怂曰恐z刀、量；apa2均为衰减时间常数， 为转子短路电流的正常网络分量。
4. 根据权利要求1所述仿真方法，其特征在于，所述的直流母线电压扰动计算公式为：
Air=Air0+Airm+Airl 式中：Cd。为直流母线电容，《 :为同步角速度，Us(l为稳态定子电压幅值，k为电压跌落 率，s为转差率，h为故障发生时刻，t为时间，t1为定子暂态磁链衰减常数，A込为转子电 流变化值，Airt、AiM、A分别为转子短路电流的强制分量、暂态直流分量、暂态自然分 量，1为A勺虚部，aa2均为衰减时间常数，im为转子q轴电流分量，I_、分别 为转子强制分量和直流分量的q轴分量，1_、1"2分别为转子慢速衰减分量和快速衰减分量 的q轴分量。
5. 根据权利要求1所述仿真方法，其特征在于，所述定子短路电流二倍频的谐波分量 计算步骤包括： 步骤401、利用网侧变流器电压外环和功率外环控制过程计算网侧dq轴电流参考值， 计算公式为：
式中：Kpl、Kn分别是网侧变流器电压外环的比例参数和积分参数，Kp2、Ki2 分别是网侧变流器功率外环的比例参数和积分参数，md。为直流母线等效阻抗 /~，Udc;1、Udc;2、Udc;3、Udc;4分别为直流母线电压稳态分量、直 流母线电压直流分量、直流母线电压慢速衰减分量、直流母线电压快速衰减分量，Udc;1 =mdclrq0?Udc2 -m 仏。3 -mtkljrql，仏。4 -mdclrq2? ^ 1'H2分别为电流参考值I"受速发减等效系 数、快速衰减等效系数，1=Tt「、，。^。^、。^。^分别为网侧变流器输出 的稳态无功分量、直流无功分量、慢速衰减无功分量、快速衰减无功分量，Qg(l= 3kUS(lsl_， 3kUs(lsI_，Qgl= 3101^]^，Qg2= 3101^1#;!^。为稳态定子电压幅值，k为电压跌落 率，s为转差率，&为故障发生时刻，t为时间，ti为定子暂态磁链衰减常数，Cd。为直流母 线电容，为同步角速度，apa2均为衰减时间常数，1_和1_分别为转子强制分量和 直流分量的q轴分量，1_和I分别为转子慢速衰减分量和快速衰减分量的q轴分量； 步骤402、利用电流环PI控制器计算得到网侧变流器电压参考值dq轴分量；
式中，&、ApA2、A3、A4分别为网侧变流器电压参考值的稳态d轴分量、直流慢速衰减d轴分量幅值、直流快速衰减d轴分量幅值、交流慢速衰减d轴分量幅值、交流快速衰减d轴 分量幅值；BpBpB2、Bm分别为网侧变流器电压参考值的稳态q轴分量、交流慢速衰减q轴 分量、交流快速衰减q轴分量、直流衰减q轴分量； 步骤403、计算定子短路电流二倍频的谐波分量；
式中4_为转子电流二倍频谐波分量，~柳是网侧变流器交流侧调制信号中频率 为的2f\电压分量，f指改进的全波傅里叶算法，UM是载波信号幅值，2 ? ^ (1+s) ? 1; 为同步角速度，《 1?为转子角速度，s为转差率；
式中：I's(1+s)为定子电流二倍频的谐波分量，S#为转子（l+s)fi电流分量等效电路的 等效转差，X' &+3)为归算至转子绕组的等效定子漏感，Xma+S)为等效互感，Z' s(l+S)、Rs(l+s)、 1' 1SUW、U1+S)分别为等效到转子侧的定子阻抗、电阻、等效定子电感和等效励磁电感。
6. 根据权利要求1所述仿真方法，其特征在于，所述的定转子短路全电流表达式为： is=is〇+Ais+I'S(i+S) irirO+ 八ir+Ir(l+s) Air=Air0+Airm+AirlAis=Ais〇+Aism+Aisi 式中：is(l、irt分别为定转子电流的正常网络分量；Ais、Ah分别为定转子电流在故障 附加网络下的电流增量；I'sU+s)、I^+s)分别是定转子电流二倍频的谐波分量，Ais(l、Airt 分别为定转子电流的强制分量，Aism、A1"分别为定转子电流的暂态直流分量，Aisl、A 分别为定转子电流的暂态自然分量。
7. -种三相短路下双馈发电机仿真系统，其特征在于，包括故障数据采集模块、故障等 值网络计算模块、直流母线电压计算模块、定转子电流二倍频分量计算模块、故障电流输出 丰吴块； 所述故障等值网络计算模块和直流母线电压计算模块分别与故障数据采集模块相 连； 所述故障等值网络计算模块与直流母线电压计算模块相连； 所述直流母线电压计算模块与定转子电流二倍频分量计算模块相连； 所述故障等值网络计算模块和定转子电流二倍频分量计算模块分别与故障电流输出 丰吴块相连； 所述故障数据采集模块用于采集故障发生时刻的机端电压跌落率以及机组运行参数， 并将机端电压跌落率和机组运行参数发送至故障等值网络计算模块和直流母线电压计算 模块；所述机组运行参数包括稳态定子电压、定子磁链幅值、机组有功和无功输出参考值、 转差率、转子电流参考值变化量，转子转速； 所述故障等值网络计算模块根据机端电压跌落率和机组运行参数计算定转子短路电 流的正常网络分量、强制分量、暂态直流分量以及暂态自然分量，并将定转子短路电流的强 制分量、暂态直流分量以及暂态自然分量发送至直流母线电压计算模块和故障电流输出模 块； 所述直流母线电压计算模块根据机端电压跌落率和机组运行参数，考虑直流母线电压 波动情况计算故障期间直流母线电压，并将直流母线电压发送至定转子电流二倍频分量计 算模块； 所述定转子电流二倍频分量计算模块根据直流母线电压，并考虑网侧变流器调控过程 计算定转子故障电流二倍频分量，最后将定转子故障电流二倍频分量发送至故障电流输出 模块； 所述故障电流输出模块将定转子短路电流的正常网络分量、强制分量、暂态直流分量、 暂态自然分量以及定转子故障电流二倍频分量叠加，得到电网发生三相短路故障时的定转 子短路全电流。
【专利摘要】本发明属于风力发电系统技术领域，尤其涉及一种三相短路下双馈发电机仿真方法及其系统，首先采集故障发生时刻的机端电压跌落率以及机组运行参数，然后建立双馈发电机故障等值网络；然后计算定转子电流的正常网络分量、强制分量、暂态直流分量以及暂态自然分量；然后根据变流器矢量控制策略和变流器功率交换过程计算直流母线电压扰动大小；然后通过定量描述短路过程中网侧变流器双环暂态调控过程来计算定子短路电流二倍频的谐波分量；最后利用叠加原理得到定转子短路全电流表达式，复现三相短路下故障电流随时间的变化规律。解决了现有仿真系统在描述双馈发电机暂态过程中未考虑变流器暂态调控对短路电流计算影响的问题。
【IPC分类】G01R31-34
【公开号】CN104808147
【申请号】CN201510228037
【发明人】马静, 黄天意, 丁秀香, 康胜阳
【申请人】华北电力大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年5月6日