一种海上风电送出系统的短路电流计算模型的建立方法

本发明属于电力系统及自动化，涉及继电保护，特别涉及一种海上风电送出系统的短路电流计算模型的建立方法。

背景技术：

1、当海上交流送出系统发生不同类型短路故障时，控制系统中正负序分解环节的暂态响应对风电场输出暂态电流会产生显著影响。目前，针对稳态故障电流分析一般考虑低电压穿越控制的作用，通过序网络分析计算得到稳态电流值。大部分文献将短路故障后处于稳态的风电场等效为受控电压源或受控电流源，并建立不同故障条件下的复合网络简化故障分析和计算的建模程序；针对暂态故障电流的计算模型考虑了逆变器控制、锁相环等环节的影响，通过列写控制环节方程和等效电路微分方程计算得到暂态电流值。

2、但是，现有技术未考虑正负序分解环节对短路计算模型的影响，因此无法准确揭示故障电流的暂态特性。针对此问题，本发明充分考虑正负序分解环节影响，建立故障电流计算模型，可以详细揭示故障暂态期间短路电流的暂态特性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种海上风电送出系统的短路电流计算模型的建立方法。

2、本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

3、一种海上风电送出系统的短路电流计算模型的建立方法，其特征在于：所述方法的步骤为：

4、步骤s1、基于dsogi-pll的正负序分解过程，分析并推导计及正负序分解环节的正/负序dq轴坐标系下的风机并网系统电路方程

5、(1)正序dq轴坐标系下的电路方程

6、以海上风电送出系统拓扑结构为基础列写并网点电压ua、ub、uc至逆变器出口电压va、vb、vc三相电路方程为：

7、

8、将三相电路方程式(1)经克拉克变换至αβ坐标系下可得：

9、

10、其中：v'α、v'β为变换至两相静止坐标系下换流器出口电压分量；

11、i'α、i'β为变换至两相静止坐标系下换流器输出电流分量；

12、sogi环节利用复频域上的传递函数表示输入信号与输出信号的关系：

13、

14、将式(2)进行拉普拉斯变换得到两相静止坐标系复频域下的电路方程：

15、

16、其中：i'α(t0)、i'β(t0)为故障时两相静止坐标系下电流初值；

17、对式(4)作sogi环节采用的坐标变换方式，得到两相静止坐标系下的正序分量为：

18、

19、将式(3)中的传递函数g1(s)、g2(s)带入式(5)并化简可得：

20、

21、其中：为故障时刻两相静止坐标系下正序分量的电流初值；

22、f1(s)、f2(s)为化简过程中产生的的振荡衰减分量，具体表达式如式(7)所示：

23、

24、将式(6)变换至时域可得：

25、

26、最终将式(8)进行派克变换得到正序dq轴坐标系下的电路方程：

27、

28、其中：为经dsogi-pll分解后的逆变器出口正序dq轴电压计算分量；

29、(2)负序dq轴坐标系下的电路方程

30、根据(1)所述变换过程可得到负序电路方程为：

31、

32、其中：为经dsogi分解后的逆变器出口负序dq轴电压计算分量；

33、h1(t)、h2(t)为化简过程中产生的衰减分量，具体表达式如式(11)所示：

34、

35、步骤s2、根据正、负序控制回路等效模型列写控制回路方程

36、(1)正序控制回路等效计算模型

37、正序控制采用低电压穿越控制方案，其基本原理为：当并网点电压uabc发生跌落后，检测并网点正序电压upcc跌落幅度，根据电压跌落程度确定有功无功电流参考值最终控制目标为：根据换流器的耐受短路电流能力，实现外界故障后输出的故障电流iabc不超过额定电流的1.2倍；

38、当电压跌落未到90％时，维持当前控制策略不变，即按照正常运行时的控制策略由外环控制产生内环控制dq轴电流参考值此时外环控制在dq坐标系下的数学方程为：

39、

40、其中：q*、是外环无功功率和直流电压的参考值；

41、q、udc是实际发出无功和直流侧电压；

42、分别是电压跌落后外环控制产生的正序电流d、q轴参考值；因为正常运行时输出无功一般为0，因此q*设置为0，此时为：

43、

44、当upcc跌落至90％后，需要网侧换流器提供一定的无功支撑作用，为提高无功响应速度，不经过外环控制产生，将外环无功控制切换至直接电流控制，将改变为：

45、

46、其中：upcc与并网点dq轴正序电压关系为：

47、

48、在确定的情况下，由和决定，如式(16)所示：

49、

50、令与相等，可求出d轴切换至直接电流控制时并网点电压跌落程度u'pcc：

51、

52、而当upcc继续跌落到10％以下时，网侧换流器只输出无功电流，式(14)与式(16)应修正为：

53、

54、基于低压穿越控制策略，当把视为upcc的函数时，可将电压跌落前后变化用式(19)表示：

55、

56、其中：ε(upcc)为阶跃函数；

57、最后利用电流参考值与电压电流正序分量得到控制回路方程为：

58、

59、(2)负序控制回路等效计算模型

60、由于并网双pwm变换器的直流侧电容量较大，因此较小程度不平衡电压下直流母线电容电压的二倍频脉动也较小，且抑制有功或无功功率波动的同时需要向电网注入大量的负序电流，这可能加重网侧电流的不平衡程度，导致并网变流器发热不均匀，变流器运行控制风险增加；因此目前实际工程中一般采用控制电网负序电流为零的控制方式，根据风电机组在故障发生后的负序电流抑制控制策略，负序控制电流环往往结合主回路的稳态电路方程设计，当控制系统中加入正负序分解环节时，通常将分解后的负序dq轴电流并网点负序电压加入负序电流环并计算得出负序dq轴逆变器电压调制信号通常将负序电流参考值设置id*、iq*为0可得负序抑制电流环控制响应方程如式(21)所示：

61、

62、其中：l为网侧换流器端口到并网点间滤波器的等效电感；

63、为负序dq轴逆变器电压调制信号；

64、为负序dq轴坐标系下换流器的实际输出电流，即测量得到的电流；

65、将控制系统中负序电流环得到的与正序电流环得到的正序电压调制信号利用派克反变换得到三相电压调制信号对逆变器进行调制；

66、步骤s3、分析dq轴坐标系下逆变器出口电压的电路方程分解量与调制信号的关系

67、根据逆变器出口电压坐标变换原理，在控制系统中，换流器出口电压调制波产生方法为：将内环正负序电流环控制所得的正负序dq轴电压分别经过派克反变换后叠加产生三相调制波，其值与换流器出口电压va、vb、vc相等，因此存在如式(22)所示的关系：

68、

69、将式(22)进行包含正负序分解环节在内的坐标变换，此时式(22)等号右侧部分经过正负序分解环节后可以得到解耦后的正负序方程，只考虑正序方程可以得到关系式：

70、

71、

72、其中：“*”代表卷积；

73、“.”代表乘积；

74、g1(t)、g2(t)分别为sogi传递函数g1(s)、g2(s)化简到时域的表达式；

75、由式(23)和式(24)可知，左端电路方程经包含正负序分解环节的坐标变换后得到与式(9)相同的正序分量进而得到与实际正序分量的具体关系式，且可以看出

76、同理可得到逆变器出口电压负序分量差异关系式为：

77、

78、

79、根据式(25)和式(26)可知

80、步骤s4、联立方程得到暂态短路电流时域计算模型

81、将式(9)、式(20)、式(23)、式(24)联立可得包含六个未知数六个方程的二阶微分方程组形式的正序时域短路模型如式(27)所示：

82、

83、将式(10)、式(21)、式(25)、式(26)联立可得包含六个未知数六个方程的二阶微分方程组形式的负序时域短路模型如式(28)所示：

84、

85、为化简计算，对逆变器出口电压计算分量与调制信号之差进行拟合，并将拟合结果作为已知量代入计算，则式(27)、式(28)可分别化简为：

86、

87、

88、本发明的优点和有益效果为：

89、本发明海上风电送出系统的短路电流计算模型的建立方法，研究考虑正负序分解环节影响的暂态故障电流短路计算模型，考虑了正负序分解环节中的sogi传递函数，得到了dq轴坐标系下的电路方程及逆变器出口电压正/负序计算分量与正/负序调制信号关系式；利用电路方程、控制方程、差异关系式得到短路计算模型，该发明能够实现暂态故障电流准确计算，适用于不同短路故障类型，并且准确揭示了故障电流暂态特性。