一种非对称故障下双馈风机短路电流计算方法及装置与流程

本发明涉及双馈风机短路电流技术领域，特别涉及一种非对称故障下双馈风机短路电流计算方法及装置。

背景技术：

随着风电装机规模的超常规增长，大规模风电接入后对电力系统的影响越来越不可忽视。在风电发展的早期，电力系统短路电流计算时并不考虑风电机组对系统短路电流的贡献。但是随着风电装机规模的增加，上述做法已经不满足计算分析的要求。尤其是涉及电网设备选择、校验和继电保护配置、整定时，对短路电流的计算提出了更高的要求，对于非对称短路故障继电保护的整定计算更具有现实意义。

技术实现要素：

本发明实施例的主要目的在于提供一种非对称故障下双馈风机短路电流计算方法及装置，评估风机在非对称故障类型情况下对系统短路电流的贡献，避免仿真计算的繁琐，为现场保护整定计算提供支持。

为实现上述目的，本发明提供了一种非对称故障下双馈风机短路电流计算方法，包括：

针对非对称故障，获取故障后的定子ABC三相电压的跌落程度以及风机在故障发生前的定子电压、电流空间矢量；

利用定子ABC三相电压的跌落程度以及风机在故障发生前的定子电压空间矢量获得故障后双馈风机定子电压正、负序复矢量；

利用故障后双馈风机定子电压正、负序复矢量、风机在故障发生前的定子电流空间矢量获得故障后双馈风机定子磁链；

根据所述故障后双馈风机定子磁链获得故障后双馈风机定子短路电流。

可选的，在本发明一实施例中，所述故障后双馈风机定子电压正、负序复矢量的表达式为：

其中，a＝e^j120°，表示正、反同步旋转坐标系下的正、负序电压矢量，“+”和“-”分别代表正向和反向同步旋转坐标系；上标P和N分别代表正序和负序分量；k_a、k_b、k_c分别为定子ABC三相电压的跌落程度；风机在故障发生前的定子电压空间矢量u_s(0)＝U_se^jα，α为故障时电压的相位。

可选的，在本发明一实施例中，所述获得故障后双馈风机定子磁链的步骤包括：

计算定子磁链的稳态分量；

计算定子磁链暂态分量衰减因子和旋转频率；

计算定子磁链暂态分量幅值；

将所述定子磁链的稳态分量、所述定子磁链暂态分量衰减和旋转频率、所述定子磁链暂态分量幅值代入定子磁链正、负序分量一般形式的表达式中，获得故障后双馈风机定子磁链。

可选的，在本发明一实施例中，所述定子磁链正、负序分量一般形式的表达式的获取步骤为：

查阅获得风机定子电阻R_s和电感L_s、转子电阻R_r和电感L_r、激磁电感L_m，crowbar电阻R_c，通过转速测量获得的风机转子运行转速ω_m；并利用风机定子电阻R_s和电感L_s、转子电阻R_r和电感L_r、激磁电感L_m、crowbar电阻R_c、风机转子运行转速ω_m建立基础方程；其中，所述基础方程的表达式为：

其中，u_s、i_s、ψ_s分别为定子电压、电流和磁链矢量；u_r、i_r、ψ_r分别为归算至定子侧的转子电压、电流和磁链矢量；ω_s、ω_r分别为同步角速度和转差角速度，根据风机转子运行转速ω_m确定；s为转差率；

根据所述基础方程获得定子磁链的正、负序微分方程；

对所述定子磁链的正、负序微分方程求解，获得定子磁链正、负序分量一般形式的表达式。

可选的，在本发明一实施例中，所述根据所述故障后双馈风机定子磁链获得故障后双馈风机定子短路电流的步骤包括：

将所述故障后双馈风机定子磁链代入所述基础方程，获得同步旋转坐标系下定子电流的正、负序解析表达式；

将所述同步旋转坐标系下定子电流的正、负序解析表达式归算到定子侧得到三相定子短路电流的解析表达式。

为实现上述目的，本发明提供了一种非对称故障下双馈风机短路电流计算装置，包括：

初始参数确定单元，用于针对非对称故障，获取故障后的定子ABC三相电压的跌落程度以及风机在故障发生前的定子电压、电流空间矢量；

双馈风机定子电压复矢量确定单元，用于利用定子ABC三相电压的跌落程度以及风机在故障发生前的定子电压空间矢量获得故障后双馈风机定子电压正、负序复矢量；

双馈风机定子磁链确定单元，用于利用故障后双馈风机定子电压正、负序复矢量、风机在故障发生前的定子电流空间矢量获得故障后双馈风机定子磁链；

双馈风机定子短路电流确定单元，用于根据所述故障后双馈风机定子磁链获得故障后双馈风机定子短路电流。

可选的，在本发明一实施例中，所述双馈风机定子电压复矢量确定单元获得的故障后双馈风机定子电压正、负序复矢量的表达式为：

其中，a＝e^j120°，表示正、反同步旋转坐标系下的正、负序电压矢量，“+”和“-”分别代表正向和反向同步旋转坐标系；上标P和N分别代表正序和负序分量；k_a、k_b、k_c分别为定子ABC三相电压的跌落程度；风机在故障发生前的定子电压空间矢量u_s(0)＝U_se^jα，α为故障时电压的相位。

可选的，在本发明一实施例中，所述双馈风机定子磁链确定单元包括：

第一计算模块，用于计算定子磁链的稳态分量；

第二计算模块，用于计算定子磁链暂态分量衰减因子和旋转频率；

第三计算模块，用于计算定子磁链暂态分量幅值；

第四计算模块，用于将所述定子磁链的稳态分量、所述定子磁链暂态分量衰减因子和旋转频率、所述定子磁链暂态分量幅值代入定子磁链正、负序分量一般形式的表达式中，获得故障后双馈风机定子磁链。

可选的，在本发明一实施例中，所述双馈风机定子磁链确定单元还包括：

基础方程确定模块，用于查阅获得风机定子电阻R_s和电感L_s、转子电阻R_r和电感L_r、激磁电感L_m，crowbar电阻R_c，通过转速测量获得的风机转子运行转速ω_m；并利用风机定子电阻R_s和电感L_s、转子电阻R_r和电感L_r、激磁电感L_m、crowbar电阻R_c、风机转子运行转速ω_m建立基础方程；其中，所述基础方程的表达式为：

其中，u_s、i_s、ψ_s分别为定子电压、电流和磁链矢量；u_r、i_r、ψ_r分别为归算至定子侧的转子电压、电流和磁链矢量；ω_s、ω_r分别为同步角速度和转差角速度，根据风机转子运行转速ω_m确定；s为转差率；

定子磁链的正、负序微分方程确定模块，用于根据所述基础方程获得定子磁链的正、负序微分方程；

定子磁链的正、负序微分方程求解模块，用于对所述定子磁链的正、负序微分方程求解，获得定子磁链正、负序分量一般形式的表达式。

可选的，在本发明一实施例中，所述双馈风机定子短路电流确定单元包括：

第五计算模块，用于将所述故障后双馈风机定子磁链代入所述基础方程，获得同步旋转坐标系下定子电流的正、负序解析表达式；

第六计算模块，用于将所述同步旋转坐标系下定子电流的正、负序解析表达式归算到定子侧得到三相定子短路电流的解析表达式。

上述技术方案具有如下有益效果：

本技术方案获得的非对称故障类型情况下的短路电流与实际电网运行时产生的短路电流相比较，验证了本技术方案计算的准确性高，并且，本技术方案计算简单，对非对称短路故障继电保护的整定计算具有现实意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提出的一种非对称故障下双馈风机短路电流计算方法流程图；

图2为本发明提出的一种非对称故障下双馈风机短路电流计算装置框图；

图3为本装置中双馈风机定子磁链确定单元的结构框图之一；

图4为本装置中双馈风机定子磁链确定单元的结构框图之二；

图5为本装置中双馈风机定子短路电流确定单元的结构框图；

图6为本实施例A相短路电流的仿真波形与利用本方案的计算结果波形比对图；

图7为本实施例B相短路电流的仿真波形与利用本方案的计算结果波形比对图；

图8为本实施例C相短路电流的仿真波形与利用本方案的计算结果波形比对图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明提出的一种非对称故障下双馈风机短路电流计算方法流程图。包括：

步骤101)：针对非对称故障，获取故障后的定子ABC三相电压的跌落程度以及风机在故障发生前的定子电压、电流空间矢量；

利用风机定子电压、电流测量元件，获取故障后的定子ABC三相电压的跌落程度k_a、k_b、k_c。并获取风机在故障发生前的定子电压空间矢量u_s(0)＝U_se^jα，α为故障时电压的相位。

步骤102)：利用定子ABC三相电压的跌落程度以及风机在故障发生前的定子电压空间矢量获得故障后双馈风机定子电压正、负序复矢量；

利用序分量法计算故障后定子电压正、负序分量，计算公式如下：

式中：a＝e^j120°，表示正、反同步旋转坐标系下的正、负序电压矢量，“+”和“-”分别代表正向和反向同步旋转坐标系；上标P和N分别代表正序和负序分量。

步骤103)：利用故障后双馈风机定子电压正、负序复矢量、风机在故障发生前的定子电流空间矢量获得故障后双馈风机定子磁链；

(a)、首先查阅风机名牌获得风机定子电阻R_s和电感L_s，转子电阻R_r和电感L_r，激磁电感L_m，crowbar电阻R_c等参数，由风机转子转速测量元件可以获得的风机转子运行转速ω_m。计算公式如下：

式中:u_s、i_s、ψ_s分别为定子电压、电流和磁链矢量；u_r、i_r、ψ_r分别为归算至定子侧的转子电压、电流和磁链矢量；ω_s、ω_r分别为同步角速度和转差角速度，根据风机转子运行转速ω_m确定同步角速度和转差角速度；s为转差率。

(b)、由式(2)和式(3)可得定子磁链的正、负序微分方程：

式中：漏磁系数

(c)求解式(4)可得定子磁链正、负序分量一般形式：

式中：为定子磁链的稳态分量；λ₁^p、λ₁^N、定子磁链暂态分量衰减因子和旋转频率；β₁^N、定子磁链暂态分量幅值。

(d)计算定子磁链的稳态分量,计算公式如下:

(e)计算定子磁链暂态分量衰减因子和旋转频率,计算公式如下:

(f)计算定子磁链暂态分量幅值,计算公式如下:

式中：下标(0)代表故障时刻电气量的初始值。

(4)将式(6-10)带入式(5)计算可得定子磁链。

步骤104)：根据所述故障后双馈风机定子磁链获得故障后双馈风机定子短路电流。

将正、负序定子磁链表达式(5)分别代入式(2)和式(3)定子电压方程中，得到同步旋转坐标系下定子电流的正、负序解析表达式为：

归算到定子侧得到三相定子短路电流的解析表达式为：

式中：C_αβ为Clarke变换矩阵。

如图2所示，为本发明提出的一种非对称故障下双馈风机短路电流计算装置框图。包括：

初始参数确定单元201，用于针对非对称故障，获取故障后的定子ABC三相电压的跌落程度以及风机在故障发生前的定子电压、电流空间矢量；

双馈风机定子电压复矢量确定单元202，用于利用定子ABC三相电压的跌落程度以及风机在故障发生前的定子电压空间矢量获得故障后双馈风机定子电压正、负序复矢量；其中，故障后双馈风机定子电压正、负序复矢量的表达式为：

其中，a＝e^j120°，表示正、反同步旋转坐标系下的正、负序电压矢量，“+”和“-”分别代表正向和反向同步旋转坐标系；上标P和N分别代表正序和负序分量；k_a、k_b、k_c分别为定子ABC三相电压的跌落程度；风机在故障发生前的定子电压空间矢量u_s(0)＝U_se^jα，α为故障时电压的相位。

双馈风机定子磁链确定单元203，用于利用故障后双馈风机定子电压正、负序复矢量、风机在故障发生前的定子电流空间矢量获得故障后双馈风机定子磁链；

双馈风机定子短路电流确定单元204，用于根据所述故障后双馈风机定子磁链获得故障后双馈风机定子短路电流。

如图3所示，为本装置中双馈风机定子磁链确定单元的结构框图之一。所述双馈风机定子磁链确定单元包括：

第一计算模块2031，用于计算定子磁链的稳态分量；其中，表达式为：

第二计算模块2032，用于计算定子磁链暂态分量衰减因子和旋转频率；其中，表达式为：

第三计算模块2033，用于计算定子磁链暂态分量幅值；

式中：下标(0)代表故障时刻电气量的初始值。

第四计算模块2034，用于将所述定子磁链的稳态分量、所述定子磁链暂态分量衰减因子和旋转频率、所述定子磁链暂态分量幅值代入定子磁链正、负序分量一般形式的表达式中，获得故障后双馈风机定子磁链。

如图4所示，为本装置中双馈风机定子磁链确定单元的结构框图之二。在图3的基础上，所述双馈风机定子磁链确定单元还包括：

基础方程确定模块2035，用于查阅获得风机定子电阻R_s和电感L_s、转子电阻R_r和电感L_r、激磁电感L_m，crowbar电阻R_c，通过转速测量获得的风机转子运行转速ω_m；并利用风机定子电阻R_s和电感L_s、转子电阻R_r和电感L_r、激磁电感L_m、crowbar电阻R_c、风机转子运行转速ω_m建立基础方程；其中，所述基础方程的表达式为：

其中，u_s、i_s、ψ_s分别为定子电压、电流和磁链矢量；u_r、i_r、ψ_r分别为归算至定子侧的转子电压、电流和磁链矢量；ω_s、ω_r分别为同步角速度和转差角速度，根据风机转子运行转速ω_m确定；s为转差率；

定子磁链的正、负序微分方程确定模块2036，用于根据所述基础方程获得定子磁链的正、负序微分方程；其中，微分方程为：

式中：漏磁系数

定子磁链的正、负序微分方程求解模块2037，用于对所述定子磁链的正、负序微分方程求解，获得定子磁链正、负序分量一般形式的表达式。其中，表达式为：

式中：为定子磁链的稳态分量；λ₁^p、λ₁^N、定子磁链暂态分量衰减因子和旋转频率；β₁^N、定子磁链暂态分量幅值。

如图5所示，为本装置中双馈风机定子短路电流确定单元的结构框图。所述双馈风机定子短路电流确定单元包括：

第五计算模块2041，用于将所述故障后双馈风机定子磁链代入所述基础方程，获得同步旋转坐标系下定子电流的正、负序解析表达式；其中，表达式为：

第六计算模块2042，用于将所述同步旋转坐标系下定子电流的正、负序解析表达式归算到定子侧得到三相定子短路电流的解析表达式。其中，表达式为：

式中，C_αβ为Clarke变换矩阵。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一般计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

实施例：

在Matlab/Simulink中搭建基于Crowbar保护的DFIG仿真模型，利用仿真对短路电流解析表达式进行验证。设故障前，DFIG输出有功功率为0.9p.u.，无功功率为0p.u.，双馈感应发电机参数如下表1所示。

表1

设t＝0.02s时，发生不对称故障，DFIG机端C相电压跌落到20％，AB相电压保持不变，同时crowbar保护瞬间启动。短路电流解析计算波形与仿真波形对比图如图6、图7、图8所示。

由图6、图7、图8可知，机端发生不对称故障后，故障相C相的短路电流幅值比较大，非故障相短路电流幅值相对较小，暂态分量快速衰减结束，仅剩下稳态周期分量。对于不对称故障，本文提供的DFIG定子短路电流的解析计算波形与仿真波形基本一致。

以上具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。