基于故障等值网络的双馈风电机组三相短路电流计算方法研究

第45卷第1期2017年1月1日电力系统保护与控制POWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROLV_0145NO1JAN1，2017D0I107667PSPC150009基于故障等值网络的双馈风电机组三相短路电流计算方法研究盛万兴，马静，张瑜，项晓强1中国电力科学研究院配电网研究所，北京100192；2华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京102206摘要目前关于双馈风电机组短路电流的研究主要基于传统磁链分析方法。提出一种计算双馈风电机组定转子三相短路电流的新方法。首先将发生三相对称短路的故障网络分解为无故障网络和故障附加网络，在此基础上，考虑机端电压相位跳变以及转子侧变流器调控的影响，从功能解耦的角度出发，进一步将故障附加网络分解为定子侧故障附加网络和转子侧故障附加网络。然后利用LAPLACE变换方法计算两组故障附加网络下的定转子短路电流增量，并推导全电流解析式。仿真及动模实验结果均验证了定转子短路电流表达式的正确性，对于含双馈风电机组的电力系统短路电流计算和继电保护整定意义重大。关键词双馈风电机组；功能解耦；定子侧故障附加网络；转子侧故障附加网络；LAPLACE变换RESEARCH0NCALCULATIONMETHODOFTHREEPHASESHORTCIRCUITCURRENTFORDOUBLYFEDWINDPOWERGENERATORBASEDONTHEFAUITEQUIVALENTNETWORKSHENGWANXING，MAJING，ZHANGYU，XIANGXIAOQIANG1POWERDISTRIBUTIONDEPARTMENT，CHINAELECTRICPOWERRESEARCHINSTITUTE，BEIJING100192，CHINA；2STATEKEYLABORATORYFORALTEMATEELECTRICALPOWERSYSTEMWITHRENEWABLEENERGYSOURCESNORTHCHINAELECTRICPOWERUNIVERSITY，BEIJINGT02206，CHINAABSTRACTNOWADAYSRESEARCHOFSHORTCIRCUITCURRENTFORDOUBLYFEDWINDGENERATIONISMAINLYBASEDONTHEMETHODOFTHETRADITIONALFLUX1INKAGEANALYSISANOVELCALCULATIONMETHODOFSTATORANDROTORSHORTCIRCUITCURRENTISPROPOSEDTHEMETHODDEALSWITHFAULTNETWORKFOLLOWINGATHREEPHASESYMMETRICALSHORTCIRCUITFAULTASSUPERPOSITIONOFNORMALOPERATIONNETWORKANDFAULTSUPERIMPOSEDNETWORKONTHISBASIS，THEINFLUENCEOFTHETERMINALPHASEIUMPANDTHEROTORSIDECONVERTERCONTROLISCONSIDEREDANDFROMTHEPERSPECTIVEOFFUNCTIONDECOUPLINGFAULTSUPERIMPOSEDNETWORKISFURTHERDECOMPOSEDINTOTHESTATORSIDEFAULTSUPERIMPOSEDNETWORKANDTHEROTORSIDEFAULTSUPERIMPOSEDNETWORKTHENTHEINCREMENTOFSTATORANDROTORSHORTCIRCUITCURRENTSOFFAULTSUPERIMPOSEDNETWORKISCALCULATEDBYUSINGLAPLACE仃ANSFORMMETHODANDTHEANALYTICALEXPRESSIONOFTHETOTALCURRENTISDEDUCEDFINALLY,THEEFFECTIVENESSOFTHEEXPRESSIONISPROVEDBYTHESIMULATIONANDDYNAMICMODELEXPERIMENTRESULTSITISOFGREATSIGNIFICANCEFORTHESHORTCIRCUITCURRENTCALCULATIONANDRELAYPROTECTIONSETTINGOFTHEPOWERSYSTEMWITHDOUBLYFEDWINDPOWERGENERATORTHISWORKISSUPPORTEDBYSCIENCEANDTECHNOLOGYPROJECTOFSGCCNOPD7115043，NATIONALBASICRESEARCHPROGRAMOFCHINA973PROGRAMNO2012CB215206ANDFUNDAMENTALRESEARCHFUNDSFORTHECHINESEUNIVERSITIESNO2O14ZZD02KEYWORDSDOUBLYFEDINDUCTIONGENERATOR；FIMCTIONDECOUPLING；STATORSIDEFAULTSUPERIMPOSEDNETWORK；ROTORSIDEFAULTSUPERIMPOSEDNETWORK；LAPLACETRANSFORM0引言双馈风力发电机DOUBLYFEDINDUCTIONGENERATOR，基金项目国家电网公司科技项目PD7115043；国家重点基础研究发展计划项目973项目2012CB215206；中央高校基本科研业务费专项资金项目2014ZZD02DFIG作为一种重要的风电机型，具有励磁变频装置容量小、有功和无功功率可解耦控制、风能利用率高等特点，是目前广泛应用的主流机型L1引。然而，在电网发生短路故障的情况下，DFIG的定子过电流、转子过电流以及直流母线过电压等一系列暂态过程L3西J，将严重威胁DFIG的故障穿越能力以及电力电子变流器的安全运行J。因此研究并网DFIG电力系统保护与控制的故障特性，并建立相应的保护方案对电网的安全稳定运行具有十分重要的意义。电网发生故障时，DFIG定转子短路电流受到电机暂态过程和电力电子变流器调控的耦合影响，使得定转子电流暂态过程的准确分析与评估变得非常复杂J。目前已有很多学者推导了DFIG短路电流表达式【L”J文献1O对电网电压跌落所引起的DFIG电机电磁过渡过程进行了定性和定量分析，但是未得到定转子暂态电流的解析式；文献11推导了电网故障下定子暂态电流的表达式，但未对转子暂态电流进行分析；文献1214在考虑撬棒保护动作的基础上，推导了定转子短路电流近似解析式，但未考虑变流器调控的影响；文献151考虑了转子侧变流器的调控作用，推导了撬棒保护未投入情况下，电网对称短路故障转子电流的表达式，但未给出定子短路电流表达式。上述方法均基于磁链分析理论推导DFIG定转子短路电流表达式，本文则基于故障等值网络提出一种计算DFIG定转子短路电流的新方法。首先将发生三相对称短路的故障网络分解为无故障网络和故障附加网络。在此基础上，考虑机端电压相位跳变以及转子侧变流器调控的影响，从功能解耦的角度出发，进一步将故障附加网络分解为定子侧故障附加网络和转子侧故障附加网络。然后利用LAPLACE变换方法计算两组故障附加网络下的定转子短路电流增量，并推导全电流解析式。最后，仿真及动模实验结果均验证了本方法的正确性及有效性。1DFIG故障暂态理论11DFIG数学模型双馈风力发电机组基本结构与绕线转子异步发电机相似，其数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统【L。为便于分析，忽略空间谐波，假设三相绕组对称，所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布。定转子侧均采用电动机惯例，同步旋转坐标系下DFIG数学模型可表示为ASDPGS,一4GSG叼RSISGPO4GSRCDPCDCOGRQRG足COGRDGSDG,ALMISDLI暇FSQ厶式中，I，R，L分别为电压、电流、磁链、电阻和电感；下标S和R分别代表定子和转子量；下标D和G分别代表D轴和G轴分量；O4为同步角速度，COO4一CO为转差角速度，即同步角速度与转子角,速度的差值；式中所有参数均折算到定子侧，且用标幺值表示。12DFIG故障暂态过程分析电网发生对称短路故障时，为便于分析故障后DFIG暂态过程，假设如下1暂态过程持续时间较短，近似认为电机转速不变；2变流器容量足够大，转子撬棒保护未动作。由此可得，电网电压跌落瞬间，在转子侧变流器保持运行状态下，DFIG故障等值网络如图1A所示。设电网电压跌落率为，则电网电压发生跌落过程相当于在定子侧突然串入反向电压，转子侧产生暂态电压的过程。为此，本文首先将故障网络分解为无故障网络如图1B所示和故障附加网络，在此基础上，考虑机端电压相位跳变以及转子侧变流器调控的影响，从功能解耦角度出发，进一步将故障附加网络分解为定子侧故障附加网络和转子侧故障附加网络，分别如图1C和图1D所示。A故障网络JOIS0JCO0B无故障网络JQ。JC定子侧故障附加网络盛万兴，等基于故障等值网络的双馈风电机组三相短路电流计算方法研究一9一JJOYD转子侧故障附加网络图1电网三相短路故障等值网络FIG1FAULTEQUIVALENTNETWORKOFTHETHREEPHASESHORTCIRCUITFAULT2电网对称短路下DFIG定转子电流分析21无故障网络分析故障前DFIG处于稳态运行，其等效电路如图1B所示，同步旋转坐标下其复矢量模型为ORSFS0POJ0。FR。P。J。30FS0LMR0。FSFR。F。CQ如毒每毒。一JS0。6壶RUS0一2QNLSZRQREF32UO厶LMFROFRRJ8式中RF是转子电流的参考值矢量，DFIG稳态运行时，转子电流值LR。能够准确跟踪参考值FR；和QN分别是有功和无功功率的参考值，对于转子变流器恒功率控制的DFIG，可直接设为定值。22定子侧故障附加网络分析如图1C所示，定子侧故障附加网络中仅含一个故障点处的故障附加电源，该网络的复矢量模型可表示为AU。JS。DDFJ。足DRRS出J9LFSMLRS、。FSLR式中，和分别是定子侧故障附加网络产生的转子和定子电流增量。假设电网在TL时刻发生三相对称短路，机端电压幅值瞬间跌落，相位也发生跳变，而且机端电压相位跳变角度越大，越容易造成定转子过电流，对变流器危险越大L2J。由此可知，忽略机端电压相位跳变角度将影响短路电流表达式的计算精度，无法准确分析和评估短路电流的暂态过程。因此，本文将对机端电压相位跳变机理进行分析，并推导出考虑机端电压相位跳变的短路电流表达式。图2是电网发生短路前的系统等效网络图。图中【，N是无穷大系统的电压，其值恒定；是机端电压；ZO是DFIG与系统联络线的等效电抗。Z，RTJ图2电网发生短路前的系统侧等效网络图FIG2SYSTEMSIDEEQUIVALENTNETWORKDIAGRAMBEFORETHESHORTCIRCUITFAULTOFTHEGRID电网发生短路前的机端电压可表示为去10电力系统保护与控制电网发生三相对称短路时，系统侧故障等效网络如图3所示。图中Z0和Z0分别为短路点至无穷大系统以及短路点至DFIG的输电线路等效电抗；ZF为系统短路故障时的接地电抗；F是短路点。R一一一一一一一一一一1，图3发生三相短路故障时系统侧等效网络FIG3SYSTEMSIDEEQUIVALENTNETWORKDIAGRAMOFTHETHREEPHASESHORTCIRCUITFAULT，Z“Z。Z,AZ“，ZO2_2ZZZZ11ZZZ0201F02、O1ZFZOF，、AUSUCZZO一麦Z杀ZFZZO12ZO12Z2Z0L2。1Z02ZOLZFZO2ZZ01ZZOLZFZO2Z、E蒸ZZZOZOZFZZOZ，ZZ0212”ARG，ARGAZ14K1。AE15L、LL一N一】凸、一KLMUOJ1CRL,L。JCO1RRJCQ117一一F181JOJ1JLKZMUS0FFJO1JCO191J一一1式中RL和仃足分别是定转子暂态时间常数；1一LSLR是发电机漏感系数。同样采用LAPLACE变换方法求解式9，可得定子侧故障附加网络产生的定子电流增量为FSFS。1J一QLSS3E一20KUOJM1TRCRLSJCO1RRJG1FF21一一J601R；JCQ一1ISS3KU。01RLRRJCO1RJO41一J60123由式20可知，定子侧故障附加网络产生的定转子短路电流增量包含2个分量1稳态分量FS和IRS；2衰减直流分量FS。、与FS。、。，分别按和时间常数衰减，这些分量产生的原因是由于定子磁链不能突变，其值仅与电机参数有关。23转子侧故障附加网络分析转子侧故障附加网络中仅含一个故障附加电源AU，如图LD所示，该网络的复矢量模型可表示为10FSRDDTJIAUDDTJ、IRZ、【FSRLRIRR式中，FS和分别是转子侧故障附加网络产生的定子和转子电流增量。电网发生三相对称短路故障时，短路瞬间转子绕组磁链保持不变，将在转子侧产生暂态电势，即故障附加电源，它受到电机暂态过程及转子侧变流器调控的综合影响。DFIG转子侧变流器通常采用定子磁链定向矢量控制方式，利用耦合前馈补偿方式实现有功、无功功率的解耦控制。图4为转子侧变流器电流内环控制回路，可得电压控制方程为盛万兴，等基于故障等值网络的双馈风电机组三相短路电流计算方法研究112RDMF耐IRKIJI一IRDT一时一耐一25“RURDREFJUWFURKPIRIRKI一FRJFR式中和R分别为转子D、G轴电流分量的参考值；和分别为跟踪转子电流所需要的转子电压参考值；和毛分别为PI控制器的比例和积分常数。图4转子变流器电流内环控制框图FIG4CONTROLOFCURRENTINNERLOOPDIAGRAMOFROTORSIDECONVERTER假设电流控制回路闭环带宽足够大，变流器交流侧电压无差跟踪参考值，忽略开关暂态，电网电压发生对称跌落时同步旋转坐标系下的转子电压可表示为KPI一IITJCOALD26一一3LMU2PNLS327UL一M27，LREFLRDRCFJLRQREF20一AUSOE式中乇，和R分别是电网发生短路后转子侧变流器内环电流参考值；是电网发生三相短路后的机端电压。综上，考虑转子变流器调控影响下的转子暂态电势可表示为AUKPZIROFAIR也IFREFAIRDRJOJOAIR28式中L。REF一是转子侧变流器电流内环参考值偏差；FR一FR是转子侧变流器电流内环瞬时值偏差，即为转子暂态电势引起的转子电流增量。利用LAPLACE变换方法求解式24，可得转子侧故障附加网络产生的定转子短路电流增量为1E3E29FSFSL2ELSR3E30式中，和分别为定转子暂态时间衰减常数。由式29与式30可知，转子侧故障附加网络产生的定转子短路电流增量包含2个分量1稳态分量T、FS2按和时间常数衰减的暂态分量T2、IS及，、。它们的数值大小不仅与发电机参数、电压降、转速有关，还与转子侧内环控制器PI参数有关。24电网对称短路下定转子短路全电流根据上述分析可知，电网发生三相对称短路时，定转子短路全电流可表示为RRO1LRR12E一嘞1，13EJO,1Z“R02E一3E一TT0TL12E嘞1，1、LSS3EJCOIFRT2ELSR3ETLLR式31与式32均在同步旋转坐标系下求取，再将短路电流归算至三相静止坐标系，可表示为IAFILCOSTOT一SINOT1LLFLIIBTILCOSCOT十120。一SINMT120。ILLIQTLLFCFJLCOS一120。SINO一120。LJLIOOJ33式中F、IQT、F0F分别是短路电流的D，Q，0轴分量；是短路瞬间电压初相角。3理论验证31仿真及动模实验系统简介为了验证本文所推导的定转子短路电流表达式，并进一步分析电网发生故障时DFIG定转子电流的暂态特性，在国家重点实验室中，搭建了2MW的DFIG接入电力系统的动模实验平台，并仿照该平台在PSCADEMTDC软件中搭建了系统的仿真模型。仿真及动模实验系统如图5所示，风机主要参数为定子额定电压690V，额定频率50HZ，定子电阻00054PU，转子电阻000607PU，定子漏感0102PU，转子漏感011PU，互感为4362PU；DFIG转子侧变流器电流内环控制器的PI参数，比例参数为18，积分参数为002。图5仿真系统图FIG5SIMULATIONSYSTEMDIAGRAM电力系统保护与控制32电网对称短路下转子短路电流分析假设电网在T2SN刻发生三相对称短路故障，DFIG机端电压跌落约45，转子电流波形如图6所示。由图6可以看出，考虑机端电压相位跳变和转子变流器调控作用时，转子短路电流的计算结果与仿真结果基本一致，而未考虑两者影响下的转子短路电流计算结果与仿真及动模结果偏差较大。这是因为电网发生短路故障时，机端电压瞬间跌落、相位跳变将引起DFIG内部电磁暂态过程，同时转子侧变流器内环控制器进行调控，两者相互耦合产生转子电流谐波分量，所以充分考虑这两种因素下推导的转子短路电流表达式，能更准确地反映故障初始瞬问及第一个周波内的转子电流暂态特性。E煺奄SA未考虑机端电压相位跳变和转子变流器调控下的转子短路电流SB考虑机端电压相位跳变和转子变流器调控下的转子短路电流图6电网三相短路故障下转子短路电流FIG6ROTORCURRENTUNDERTHREEPHASESHORTCIRCUITOFGRID33电网对称短路下定子短路电流分析电网发生三相对称短路，未考虑机端电压相位跳变和转子变流器调控作用下的定子短路电流如图7A所示，两者皆考虑的定子短路电流波形如图7B所示。对比图7A和图7B可以看出，考虑机端电压相位跳变和转子变流器调控下的定子短路电流计算结果更接近于仿真及动模曲线，且暂态衰减明显。这是因为若是忽略这两个因素，相当于忽略了定子短路的暂态过程，直接过渡到定子短路稳态状态，所以会产生很大误差。特别是定子短路电流的最大幅值在电网发生严重对称短路故障时，可能达到稳态电流的34倍。为此，本文在充分考虑两者作用下推导的定子短路电流表达式，能更真实地反映故障时刻及故障过程中的定子短路电流特性，有助于进一步研究所接电网的保护问题。号煺0A未考虑机端电压相位跳变和转子变流器调控下的定子短路电流B考虑机端电压相位跳变和转子变流器调控下的定子短路电流图7电网三相短路故障下定子短路电流FIG7STATORCURRENTUNDERTHREEPHASESHORTCIRCUITOFGRID4结论电网发生三相对称短路故障情况下，将引起DFIG电磁暂态过程及变流器控制协调过程，使得DFIG定转子电流的暂态分析过程变得十分复杂。本文提出了基于等值网络的DFIG定转子短路电流计算方法，该方法特点如下1从功能解耦的角度出发，将故障附加网络分解为定子侧故障附加网络和转子侧故障附加网络。2不仅考虑机端电压相位跳变，而且充分考虑转子侧变流器的调控作用。3利用LAPLACE变换方法计算两组故障附加网络下的定转子短路电流增量，并推导全电流解析式。4计算结果与PSCAD仿真结果及动模实验结果基本一致，验证了本文所提出方法的正确性及有效性。盛万兴，等基于故障等值网络的双馈风电机组三相短路电流计算方法研究一13参考文献1胡家兵，孙丹，贺益康，等电网电压骤降故障下双馈风力发电机建模与控制J_电力系统自动化，2006，3O82126HUJIABING，SUNDAN，HEYIKANG，ETA1MODELINGANDCONTROLOFDFIGWINDENERGYGENERATORSYSTEMUNDERGRIDVOLTAGEDIPJAUTOMATIONOFELECICPOWERSYSTEMS，2006，3O821262付文秀，范春菊SVG在双馈风力发电系统电压无功控制中的应用J电力系统保护与控制，2015，4336168FUWENXIU，FANCHUNJUAPPLICATIONOFSVGINVOLTAGEANDREACTIVEPOWERCONTROLOFDOUBLYFEDINDUCTIONGENERATIONSYSTEMJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2015，43361683杨之俊，吴红斌，丁明，故障时双馈风力发电系统的控制策略研究【J】电力系统保护与控制，2010，3811418YANGZHIJUN，WUHONGBIN，DINGMINGCONTROLSATEGYOFDOUBLYFEDWINDGENERATIONSYSTEMFORPOWERGRIDFAULTJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2010，38114184欧阳金鑫，熊小伏，张涵轶并网双馈风电机组在电网短路时的特性研究J中国电机工程学报，2011，31221725OUYANGJINXIN，XIONGXIAOFU，ZHANGHANYICHARACTERISTICSOFDFIGBASEDWINDGENERATIONUNDERGRIDSHORTCIRCUITJPROCEEDINGSOFTHECSEE，2011，312217255滕予非，行武，张宏图，等风力发电系统短路故障特征分析及对保护的影响J】电力系统保护与控制，2015，43192936TENGYUFEI，XINGWU，ZHANGHONGTU，ETA1ANALYSISOFCHARACTERISTICSOFSHORTCIRCUITFAULTOFWINDPOWERSYSTEMANDTHEIMPACTONTHEPROTECTIONJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2015，431929366吕志强，许国东兆瓦级双馈风电机组电网故障时的暂态分析J_电力系统保护与控制，2010，3823L12116LUZHIQIANG，XUGUODONGTRANSIENTANALYSISOFGRIDSHORTCIRCUITFAULTOFMEGAWATTDOUBLYFEDWINDTURBINEJ】POWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2010，3823L12】67闫鹏强，王增平，陈振新考虑拓扑影响的风电场无功优化策略研究J电力系统保护与控制，2016，441N7682YANPENGQIANG，WANGZENGPING，CHENZHENXINREACTIVEPOWEROPTIMIZATIONFORWINDFARMCONSIDERINGIMPACTOFTOPOLOGYJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2016，441176828郭佳虎，张鲁华，蔡旭双馈风力发电系统在三相短路故障下的响应与保护FJ电力系统保护与控制，2010，3864044GUOJIAHU，ZHANGLUHUA，CAIXURESPONSEANDPROTECTIONOFDFIGSYSTEMUNDERTHREEPHASESHORTCIRCUITFAULTOFGRIDJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2010，38640449苏平，张靠社基于主动式IGBT型CROWBAR的双馈风力发电系统LVRT仿真研究J电力系统保护与控制，2010，3823164171SUPING，ZHANGKAOSHESIMULATIONRESEARCHFORLVRTOFDFIGWITHACTIVEIGBTCROWBARJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2010，382316417110杨淑英，张兴，张崇巍，等电压跌落激起的双馈型风力发电机电磁过渡过程J_电力系统自动化，2008，32198591YANGSHUYING，ZHANGXING，ZHANGCHONGWEI，ETA1ELECTROMAGNETICTRANSITIONOFDOUBLEFEDWINDTURBINESINITIATEDBYVOLTAGEDIPJAUTOMATIONOFELECTRICPOWERSYSTEMS，2008，3219859111李建林，许洪华，胡书举，等风力发电系统低电压运行技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