申请/专利权人：中南大学

申请日：2022-10-19

公开（公告）日：2024-05-17

公开（公告）号：CN115459353B

主分类号：H02J3/38

分类号：H02J3/38;H02J3/16;H02J3/36;H02P9/12;H02P21/14;H02P101/15

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.05.17#授权;2022.12.27#实质审查的生效;2022.12.09#公开

摘要：双馈风电故障穿越全阶段贡献短路电流的统一解析方法。1建立了包含自然过渡阶段、撬棒保护阶段、去磁控制阶段、无功补偿阶段和斩波保护阶段的全过程统一状态空间模型；2基于电网残余电压和统一状态空间模型对定子磁链进行求解得出定子输出短路电流；3基于电网残余电压和统一状态空间模型得出网侧变换器输出短路电流；4基于拉普拉斯变换从时域—频域—时域的求解过程，并将其表示为统一解析表达式。本发明对双馈风机故障穿越全过程分析更加全面，建立的状态空间模型更加完善，实现了双馈风电故障穿越各阶段贡献本地电网短路电流的精确计算，在电气设备选型和继电保护整定等方面具有很高的实际应用价值。

主权项：1.双馈风电故障穿越全阶段贡献短路电流的统一解析方法，其特征在于，具体步骤如下：1在充分考虑双馈风机故障穿越期间不同的内部保护电路和控制策略基础上，建立了包含自然过渡阶段、撬棒保护阶段、去磁控制阶段、无功补偿阶段和斩波保护阶段的全过程统一状态空间模型；步骤1将双馈风机故障穿越全过程分为如下阶段：自然过渡阶段；在此阶段，控制策略与正常情况相同，由于通讯和保护动作需要有一定时间，这段时间故障已经发生但控制策略尚未投入，且已向本地电网注入短路电流；撬棒保护阶段；在故障电压骤降时，为了限制3～5倍额定电压的暂态电动势引起的转子过流，撬棒保护触发进行泄流保护；去磁控制阶段；关闭撬棒电路，转子侧变流器重新投入，去磁控制开始，加速暂态定子磁链和暂态电动势的衰减，以缩短本地电网电压恢复时间；无功补偿阶段；当暂态定子磁链衰减到设定阈值时，关闭去磁控制，打开无功补偿控制，基于故障穿越期间电网导则的无功电流补偿要求注入无功电流，加速电网电压恢复；斩波保护阶段；在无功补偿的同时，斩波电路适时投入，以免直流母线过电压；步骤1双馈风机贡献短路电流分为定子侧和网侧变换器侧两部分，所述定子侧包括双馈风机和转子变换器在内，所述定子侧状态空间模型；双馈风机电压方程和磁链方程步骤如下： 其中Usdq、Urdq分别为dq坐标系下双馈风机定子、转子电压，且全文下标dq均表示dq坐标系参数，ψsdq、ψrdq分别为双馈风机定子、转子磁链，Isdq、Irdq分别为双馈风机定子、转子电流，Rs、Rr表示定子、转子回路电阻； 其中Ls、Lr、Lm分别表示双馈风机定子、转子和励磁电感；同时，双馈风机角速度关系和电感关系表示如下，ωs＝ωn-ωr3其中ωn、ωr、ωs分别为工频角速度、转子角速度和滑差角速度； 其中σ为双馈风机漏磁系数，Lls、Llr分别为定子、转子漏电感；将磁链方程带入电压方程并结合角速度和电感关系，得到故障前双馈风机与转子变换器状态空间方程， 将各阶段对应的转子电压Urdq带入故障前状态空间方程整理求出各阶段的状态空间方程如下：自然过渡阶段的状态空间方程为： 其中τ表示电网残余电压标幺值；自然过渡阶段的转子电压Urdq为： 撬棒保护阶段的状态空间方程为： 撬棒保护阶段的转子电压Urdq为： 去磁控制阶段的状态空间方程为： 其中是转子变换器中PI控制器的比例、积分系数，kds是双馈风机去磁系数，且为负值；去磁控制阶段的转子电压Urdq为： 无功补偿阶段的状态空间方程为： 无功补偿阶段的转子电压Urdq为： kFRT为电网导则要求下的补偿系数；斩波保护阶段的状态空间方程为： 斩波保护阶段的转子电压Urdq为： 其中是转子变换器交流出口电压，Udc是直流母线电压；所述网侧变换器侧状态空间模型如下：网侧变换器电压方程如下： 其中Igd、Igq为网侧换流器d轴和q轴输出电流，Rg、Lg为网侧换流器内电阻、内电感；方程中上层符号表示注入模式，即网侧变流器向电网注入电流；下层符号表示吸收模式，即电流从电网流入网侧变换器；为了将dq轴变量解耦网侧变换器电流环设计为： 其中是网侧变换器中PI控制器的比例、积分系数；结合电压方程11，故障发生前网侧变流器状态空间方程为： 将网侧变换器不同阶段电流参考值带入可得到各阶段状态空间方程；自然过渡阶段的状态空间方程为： 自然过渡阶段的电流参考值为： 撬棒保护阶段的状态空间方程为： 撬棒保护阶段的电流参考值为： 去磁控制阶段的状态空间方程为： 去磁控制阶段的电流参考值为： 无功补偿阶段的状态空间方程为： 无功补偿阶段的电流参考值为： 斩波保护阶段的状态空间方程为： 斩波保护阶段的电流参考值为： 其中是直流母线电压控制器中比例、积分系数；2基于电网残余电压和统一状态空间模型对定子磁链进行求解得出定子输出短路电流；步骤2基于频域下电网残余电压方程和统一状态空间模型，利用拉普拉斯变换得到定子磁链表达式并反变换解出时域下定子侧输出短路电流；步骤2定子侧输出短路电流步骤如下：利用拉普拉斯变换对风机转子电压方程进行变换，得到下式：Urdqs＝s+jωsψrdqs-ψrdq0+RrIrdqs19其中ψrdq0是各阶段转子磁链初始值，全文中下标0均表示初始值，Usdqs表示复频域下定子电压，全文s均表示复频域下的参量；将磁链方程和电压方程代入上式整理得到统一形式的定子磁链方程： 随后将各阶段转子电压Urdq带入上式，可以将定子磁链方程表示为如下形式： 利用拉普拉斯变换对风机定子电压方程进行变换，得到下式：Usdqs＝s+jω1ψsdqs-ψsdq0+RsIsdqs22将上述磁链方程21带入定子电压方程得到定子输出短路电流复频域表达式： 由于各阶段以阶跃形式投入，则各阶段初始值表示为 利用拉普拉斯反变换求解23得出定子输出短路电流时域表达式： 3基于电网残余电压和统一状态空间模型得出网侧变换器输出短路电流；步骤3基于电网残余电压和统一状态空间模型，利用拉普拉斯变换求解的网侧变流器输出短路电流包括注入模式和吸收模式两种模态；4基于拉普拉斯变换从时域—频域—时域的求解过程，揭示了包含定子输出短路电流和网侧变换器输出短路电流的两部分短路电流贡献机理，并将基于拉普拉斯变换从时域—频域—时域的求解过程表示为统一解析表达式。

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