一種考察雙饋感應風電機組電磁暫態特性的方法與流程

2023-06-07 06:19:26 1

本發明涉及電力系統暫態分析領域，特別是一種考察雙饋感應風電機組電磁暫態特性的方法。
背景技術：
：大規模的風電併網，將會對電力系統的可靠性和經濟性造成重大的影響。由於風電機組與傳統同步發電機組在運行原理與結構上的巨大差別，當電網發生短路故障導致機端或併網點電壓跌落時，兩者在自身的暫態響應特性、對電網的衝擊等方面，均存在較多的不同。隨著現在電力系統中風電穿透率的不斷增加，電力系統故障下各電氣量的時域運動模態也將逐漸由電力系統中的風電機組主導。因此得出風電機組在電力系統故障狀態下的響應特性，對含風電電力系統規劃、設計、運行等均具有較大作用。技術實現要素：本發明的目的在於提供一種考察雙饋感應風電機組電磁暫態特性的方法，以克服現有技術中存在的缺陷。為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種考察雙饋感應風電機組電磁暫態特性的方法，按照如下步驟實現：步驟S1：構建DFIG風電機組在αβ坐標系下的數學模型，並根據該數學模型，得出DFIG風電機組在αβ坐標系下的等效電路圖；步驟S2：分析DFIG風電機組在低電壓穿越時，Crowbar切入狀態與未切入狀態下的特徵，並根據各自的情況，作出其在電壓跌落時的等效電路圖；步驟S3：分析Crowbar不同切入狀態下時，DFIG風電機組暫態電流分量的流通通路，得到僅涉及暫態分量電流的DFIG風電機組等效電路；步驟S4：根據暫態電流分量所對應的DFIG風電機組等效電路，獲取DFIG風電機組在Crowbar切入和未切入下的電磁暫態響應特性。在本發明一實施例中，在所述步驟S1中，所述數學模型為：Us=RsIs+ddtΨsUr=RrIr+ddtΨr-jωrΨrΨs=LsIs+LmIrΨr=LmIs+LrIr.]]>在本發明一實施例中，在所述步驟S2中，在Crowbar未切入狀態下，當電網電壓跌落的幅度比較小時，通過DFIG的運行控制系統對DFIG風電機組的故障穿越進行控制，DFIG風電機組中的變頻器通過控制策略補償定子繞組中的磁鏈波動，使轉子電流在電磁暫態過程中不產生波動，則將DFIG風電機組的等效電路圖中轉子支路表示為一恆定的工頻矢量的電流源。在本發明一實施例中，在所述步驟S3中，通過如下方式獲取，在Crowbar未切入狀態下，DFIG電磁暫態自由分量的等效電路：DFIG的運行控制系統對定子繞組磁鏈波動的補償，處於轉子電流控制狀態下的轉子繞組電流矢量僅包含以工頻旋轉的強制分量；對電磁暫態下電流的自由分量而言，轉子繞組不構成通路，該自由分量僅流經定子繞組及勵磁支路；記定子電壓瞬時跌落，則定子電壓內不包含暫態過程的分量，即對電磁暫態自由分量，定子繞組端部短路。在本發明一實施例中，在所述步驟S4中，對於在Crowbar未切入狀態下，DFIG電磁暫態自由分量的等值電路，根據一階電路的零輸入響應，定子暫態電流IsTC在電磁暫態過程中以時間常數τ指數衰減，且τ的計算方法為：τ=Lσs+LmRs]]>其中，Lσs為定子繞組的自感，Lm為轉子與定子的互感，Rs為定子繞組的電阻。在本發明一實施例中，在所述步驟S2中，在Crowbar切入狀態下，將DFIG風電機組的等效電路圖中轉子迴路中增加一Crowbar電阻。在本發明一實施例中，在所述步驟S3中，通過如下方式獲取，在Crowbar切入狀態下，DFIG定、轉子暫態電流的等效電路：通過步驟S2獲取的，在Crowbar切入狀態下，DFIG風電機組的等效電路為線性電路，且不存在隔絕暫態電流的元件，則記整個電路均能為定、轉子電流的暫態分量提供通路；記DFIG機端電壓瞬時跌落，對於DFIG定、轉子暫態電流，定子繞組端部短路。在本發明一實施例中，以定、轉子電流矢量在α軸與β軸上的分量為狀態變量，建立DFIG風電機組在Crowbar切入時電流的電磁暫態分量狀態空間模型。在本發明一實施例中，根據所述步驟S3中建立的在Crowbar切入狀態下，DFIG定、轉子暫態電流的等效電路，建立兩個迴路電壓方程，並根據所述步驟S1中建立的數學模型，獲取僅包含定子電流矢量和轉子電流矢量的方程組：0=RsIs+LσsddtIs+Lmddt(Is+Ir)jωr(LmIs+LrIr)=(Rr+Rc)Ir+LσrddtIr+Lmddt(Is+Ir);]]>將上式中矢量表示的定、轉子電流暫態分量正交分解至α軸與β軸上，轉換為矩陣形式，得：Ls0Lm00Ls0LmLm0Lr00Lm0Lrddtisαisβirαirβ=-Rsisα-Rsisβ-ωr(Lmisβ+Lrirβ)-(Rr+Rc)irαωr(Lmisα+Lrirα)-(Rr+Rc)irβ;]]>進而得到定、轉子電流暫態分量的狀態方程：其中，係數矩陣A為DFIG定、轉子電流暫態分量的系統特徵矩陣；通過求取矩陣A的主導極點，得出Crowbar切入狀態下，DFIG定、轉子暫態分量電流的動態特性。相較於現有技術，本發明具有以下有益效果：本發明提出了一種考察雙饋感應風電機組電磁暫態特性的方法，在分析了雙饋風電機組(DFIG)自身物理特性的基礎上，提出了一種基於DFIG等效電路的電磁暫態相應機理的分析方法。根據DFIG在低電壓穿越過程中的不同狀態，該方法均能夠正確地判斷DFIG在電壓跌落下的電磁暫態響應模式。通過考察DFIG風電機組在電網電壓跌落時的等效電路，可以得到DFIG風電機組中Crowbar保護不同切入狀態下暫態分量電流的通路，進而可以由對應等值電路的零極點特性，推導出對應暫態分量電流的時域運動模態，對含風電電力系統規劃、設計、運行等均具有較大作用。附圖說明圖1為本發明一實施例中一種考察雙饋感應風電機組電磁暫態特性的方法的流程圖。圖2為本發明一實施例中DFIG在αβ坐標系下的等效電路圖。圖3為本發明一實施例中Crowbar未切入時的DFIG等效電路圖。圖4為本發明一實施例中Crowbar未切入下定子暫態電流等效電路圖。圖5為本發明一實施例中Crowbar保護投入時的DFIG等效電路圖。圖6為本發明一實施例中Crowbar切入下定、轉子暫態電流通路電路圖。具體實施方式下面結合附圖，對本發明的技術方案進行具體說明。本發明提供一種考察雙饋風電機組電磁暫態特性的方法，如圖1所示，該方法包括如下具體步驟：步驟(1)：構建DFIG風電機組在αβ坐標系下的數學模型(式1)，並根據該數學模型，得出DFIG在αβ坐標系下的等效電路圖，如圖2所示。Us=RsIs+ddtΨsUr=RrIr+ddtΨr-jωrΨrΨs=LsIs+LmIrΨr=LmIs+LrIr---(1)]]>步驟(2)：首先分析DFIG風電機組在低電壓穿越時Crowbar切入狀態與退出狀態下的特徵，並根據各自的情況，作出其在電壓跌落時的等效電路圖。並進一步分析Crowbar不同切入狀態下時DFIG暫態電流分量的流通通路，得到僅計及暫態分量電流的DFIG等效電路。最後根據暫態電流分量所對應的DFIG等效電路，推導得出DFIG在Crowbar切入和未切入下的電磁暫態響應機理。步驟的具體實施方法如下：1)Crowbar保護未投入時：當電網電壓跌落的幅度比較小時，可以利用DFIG的運行控制系統進行DFIG風電機組的故障穿越控制。在該情況下，由於DFIG風電機組中的變頻器能夠通過合理的控制策略補償定子繞組中的磁鏈波動，使轉子電流在電磁暫態過程中不產生波動，因此在等效電路中，如圖3所示，轉子支路可以被表示為一個恆定的工頻矢量的電流源。顯然，由於DFIG運行控制系統對定子磁鏈波動的補償，處於轉子電流控制狀態下的轉子繞組電流矢量僅包含有以工頻旋轉的強制分量(即穩態分量)。因此，對電磁暫態下電流的自由分量(即暫態分量)而言，轉子繞組實際上不構成通路，該自由分量僅流經定子繞組及勵磁支路。考慮定子電壓瞬時跌落，可以認為定子電壓內不包含暫態過程的分量，即對電磁暫態自由分量，定子繞組端部是短路的。根據以上分析，可以得出Crowbar未切入下DFIG電磁暫態自由分量的等值電路，如圖4所示。該圖中，下標「TC」表示電磁暫態下的自由分量，後文同理。根據一階電路的零輸入響應，圖4中的定子暫態電流IsTC在電磁暫態過程中應該以時間常數τ指數衰減，其中τ的計算方法為：τ=Lσs+LmRs---(2)]]>式2中的各參數的意義均標註在圖4內。2)Crowbar保護投入時若電網發生了較嚴重的故障，DFIG機端電壓跌落的幅度會比較大。此時定子磁鏈的波動過於劇烈，超出了DFIG運行控制系統的調節能力，會造成轉子繞組過電流、直流母線電容電壓快速泵生等一系列惡果。這種情況下，投入Crowbar保護可以起到隔離轉子繞組與轉子勵磁變頻器，與洩放DFIG中多餘電磁能的作用。Crowbar保護實質上是斷開轉子繞組與轉子勵磁變頻器間的電氣連接，並在轉子繞組端部串入一組洩放電阻。因此對於DFIG的等效電路，當Crowbar投入時，可以認為轉子迴路中直接增加了一個Crowbar電阻Rc，如圖5所示。分析圖5中定、轉子電流暫態分量的流通通路。由於該電路為線性電路，且不存在隔絕暫態電流的元件，因此可以認為整個電路均可為定、轉子電流的暫態分量提供通路。與Crowbar未切入的情況類似，認為DFIG機端電壓的跌落是瞬時的，對於DFIG定、轉子暫態電流，定子繞組端部是短路的。因此可以畫出Crowbar保護切入下定、轉子暫態電流的通路圖，如圖6所示。由於該等效電路中的轉子迴路內包含了較多電感元件及一個電壓源，因此無法簡單地判斷電磁暫態下自由分量的衰減模式。為了對該等效電路中包含的各電量的暫態分量進行分析，本文以定、轉子電流矢量在α軸與β軸上的分量為狀態變量，建立DFIG風電機組Crowbar保護投入時電流的電磁暫態分量狀態空間模型。首先由圖6所示的等效電路，寫出該電路的兩個迴路電壓方程，並帶入式1中的轉子磁鏈方程即可得到僅包含了定子電流矢量和轉子電流矢量的方程組(式3)：0=RsIs+LσsddtIs+Lmddt(Is+Ir)jωr(LmIs+LrIr)=(Rr+Rc)Ir+LσrddtIr+Lmddt(Is+Ir)---(3)]]>對式3中矢量表示的定、轉子電流暫態分量正交分解至α軸與β軸上，並加以整理，寫成矩陣形式，可得：Ls0Lm00Ls0LmLm0Lr00Lm0Lrddtisαisβirαirβ=-Rsisα-Rsisβ-ωr(Lmisβ+Lrirβ)-(Rr+Rc)irαωr(Lmisα+Lrirα)-(Rr+Rc)irβ---(4)]]>整理式4，得到定、轉子電流暫態分量的狀態方程：顯然，式5所示的狀態方程中，係數矩陣A即為DFIG定、轉子電流暫態分量的系統特徵矩陣。由於高階系統的動態特性主要由主導特徵值，即複平面的左半平面上與虛軸距離最近的極點或共軛極點對決定，因此通過求取矩陣A的主導極點，即可得出Crowbar切入下DFIG定、轉子暫態分量電流的動態特性。以上是本發明的較佳實施例，凡依本發明技術方案所作的改變，所產生的功能作用未超出本發明技術方案的範圍時，均屬於本發明的保護範圍。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp