一种基于双馈风力发电机组短路电流特征分析的风电场等值方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双馈风力发电机组短路电流特征分析的风电场等值方法，步骤一，确定双馈风力发电机组的三相短路电流解析表达式；步骤二，提取分群特征量；步骤三，计算各机组的分群特征量，并判断各机组的Crowbar保护是否动作；步骤四，将风电场中的机组先按照Crowbar保护动作与否分为两群，再按照所选取的分群特征量和基于密度峰值的聚类算法进行分群，得到风电场的机组分群结果；步骤五，将归为一群的机组等值为一台机，并计算相应等值参数，最终得到双馈机组风电场的动态等值模型。本发明专利技术既考虑到电网短路故障时风电场中各机组Crowbar保护的不同动作状态，又考虑到短路故障前各机组初始运行状态的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双馈风力发电机组短路电流特征分析的风电场等值方法
本专利技术涉及一种基于双馈风力发电机组短路电流特征分析的风电场等值方法，属于风电场

技术介绍
随着全球风电渗透率不断增加，风电场已经逐渐影响到电力系统的动态行为。特别是当电网发生短路故障时，风电场将严重威胁到以同步发电机为主要有功电源的传统电网的安全性和稳定性。为了研究风电接入对电力系统的影响，大规模互联系统仿真不可或缺。若仿真中采用风电场详细模型，其多变量、高阶次、强非线性、强耦合性的特点会导致仿真困难且仿真时间较长。故有必要研究风电场的动态等值模型。双馈风力发电机组(DoublyFedInductionGenerator，DFIG)已成为目前风电场的主流机型，且同型号的风电机组一般会集群接入风电场，其在电网发生短路故障后的暂态特性可通过短路电流得到反映。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术目的是提供一种基于双馈风力发电机组短路电流特征分析的风电场等值方法，适用于解决电网短路故障情况下同型号双馈机组风电场的动态等值，既考虑到电网短路故障时风电场中各机组Crowbar保护的不同动作状态，又考虑到电网短路故障前各机组初始运行状态的影响。本专利技术的一种基于双馈风力发电机组短路电流特征分析的风电场等值方法，包括以下步骤：步骤一，确定在不同电网短路故障程度下，双馈风力发电机组的不同保护控制模式，即Crowbar保护动作和Crowbar保护不动作，分别给出Crowbar保护动作和Crowbar保护不动作时双馈风力发电机组的三相短路电流解析表达式；步骤二，基于双馈风力发电机组的三相短路电流解析表达式，提取用于双馈机组风电场动态等值的各机组分群特征量，即故障前机端电压初始值us0、故障后机端电压稳态值usf、转子转速ωr、故障前风力发电机的有功功率Ps0和无功功率Qs0；步骤三，根据风电场尾流效应得到风电场各机组输入风速，进而计算各机组的分群特征量，并判断各机组的Crowbar保护是否动作；步骤四，将风电场中的机组先按照Crowbar保护动作与否分群分为两群；对于每一种Crowbar保护状态下的机群，利用所选取的分群特征量和基于密度峰值的聚类算法再次进行分群，最终得到风电场的机组分群结果；步骤五，将归为一群的机组等值为一台机，并计算等值风速、等值机参数和等值集电线路参数，得到最终的风电场动态等值模型。步骤一中，所述Crowbar保护动作时双馈风力发电机组的三相短路电流表达式，表述为：式中，us0为故障前机端电压空间矢量，usf为故障后机端电压空间矢量，ωs为同步转速，ωr为转子转速，Ls为定子绕组等效电感，Lr为转子绕组等效电感，Lm为励磁电感，Rs为定子绕组电阻，Rr为转子绕组电阻，Rcb为Crowbar电阻，Ps0为故障前风力发电机有功功率，Qs0为故障前风力发电机无功功率，t0为电网短路故障发生时刻；为定子绕组暂态等效电感，t's＝L's/Rs为定子绕组的暂态衰减时间常数，为转子绕组暂态等效电感，ks＝Lm/Ls为定子电感耦合系数；kr＝Lm/Lr为转子电感耦合系数，R＝Rr+Rcb为Crowbar电阻投入后的转子回路电阻；，t'r＝L'r/Rr为转子绕组的暂态衰减时间常数；为积分时间常数，上标*代表复数共轭运算。上述Crowbar保护不动作时双馈风力发电机的三相短路电流表达式：在dq同步旋转坐标系中，将双馈风力发电机组的数学模型写成空间矢量形式为，式中，下标s代表定子绕组，下标r代表转子绕组，下标m代表励磁绕组；符号u、i、ψ分别代表dq同步旋转坐标系中物理量电压、电流、磁链的空间矢量；R和L分别代表物理量电阻和等效电感，t为时间，j为虚数单位，为求导算子；从而，分别确定电网短路故障发生后Crowbar保护投入和Crowbar保护不投入时双馈风力发电机组的暂态等值电路；由公式(2)中磁链与电流的关系，将转子磁链表示为定子磁链和转子电流的关系如下，将上式代入公式(2)中的转子回路电压方程，得到转子电流ir关于转子电压ur和定子磁链ψs的方程如下，将公式(3)中与定子磁链有关的部分定义感应电动势e，它实质上了反应定子磁链变化对转子回路电流的影响和对转子电压的贡献，有如下关系，电网故障前后的定子磁链公式分别为，将公式(6)、公式(7)代入感应电动势e得，其中，公式(8)中有成立；式中，sω＝ω/ωs为发电机的转差率；为故障后转子感应电动势e直流分量的衰减时间常数；短路故障发生后Crowbar保护不动作时，变流器参与双馈风力发电机组的暂态调控过程，此时的转子回路的电压ur是由机侧变流器的交流侧电压提供的；若忽略机侧变流器中开关元件的暂态反应时间，并且电流控制回路具有足以满足要求的带宽，则机侧变流器的实际电压ur能够实现与其控制回路参考电压值ur,ref的精确跟踪，即有，ur＝ur,ref(9)又机侧变流器的控制回路的参考电压ur,ref写成空间矢量形式为，ur,ref＝Rrir,ref+jωLrir,ref+jωLmis,estim+kp(ir,ref-ir)+ki∫(ir,ref-ir)dt(10)式中，kp和ki分别为转子电流内环PI控制器的比例系数和积分时间常数，ir,ref＝ird,ref+jirq,ref为dq坐标系中转子电流参考值空间矢量；is,estim＝isd,estim+jisq,estim为dq坐标系中定子电流估算值空间矢量；其中有如下关系成立，式中，Ps,ref为有功功率参考值，Qs,ref为无功功率参考值，ψsm为定子磁链的幅值；将公式(8)和公式(10)代入公式(4)，并通过求导数去掉积分符号，得如下关于转子电流的二阶微分方程，式中，μ＝(Rr+kp+jωL'r)/L'r；λ＝ki/L'r；求解公式(13)得转子电流的表达式如下，式中，ir0是转子电流初值；是该微分方程特征方程的根；转子电流的初值满足如下关系，由于故障前风力发电机处于稳定状态，因此满足Ps0＝Psref和Qs0＝Qsref；根据定子磁链与定转子电流的关系，即得到电网三相短路故障后，Crowbar保护不动作时，变流器参与暂态调控，此时双馈风力发电机组从定子绕组馈出的短路电流分量is的表达式为，由于定转子绕组的漏感小，相对于励磁电感可以忽略，即有Lm≈Ls≈Lr成立；忽略定子电阻，短路后的稳态过程中磁链随时间的变化率为0，那么根据公式(1)有如下关系成立，ur≈us-jωrψs(17)网侧变流器送出的短路电流分量ig相对于定子绕组送出来的短路电流分量is小；当短路达到稳态时，机侧变流器和网侧变流器之间的交换功率平衡，即有式中，Pg和Qg分别为网侧变流器的输出有功功率和无功功率；Pr和Qr分别为机侧变流器的输入有功功率和无功功率；又机侧变流器的输入功率和网测变流器的输出功率满足如下关系，式中，Re为求复数实部的运算，Im为求复数虚部的运算；考虑到机侧变流器和网侧变流器均采用电网电压矢量定向控制，联立公式(18)和公式(19)，推得，ig＝sωir(20)；综合公式(14)、公式(16)和公式(20)，就得到Crowbar保护不动作情况下双馈风力发电机组的三相短路电流解析表达式，即步骤三中，根据风电场尾流效应得到风电场各机组的输入风速，根据机型厂家提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双馈风力发电机组短路电流特征分析的风电场等值方法，其特征是，包括以下步骤：步骤一，确定在不同电网短路故障程度下，双馈风力发电机组的不同保护控制模式，即Crowbar保护动作和Crowbar保护不动作，分别给出Crowbar保护动作和Crowbar保护不动作时双馈风力发电机组的三相短路电流解析表达式；步骤二，基于双馈风力发电机组的三相短路电流解析表达式，提取用于双馈机组风电场动态等值的各机组分群特征量，即故障前机端电压初始值us0、故障后机端电压稳态值usf、转子转速ωr、故障前风力发电机的有功功率Ps0和无功功率Qs0；步骤三，根据风电场尾流效应得到风电场各机组输入风速，进而计算各机组的分群特征量，并判断各机组的Crowbar保护是否动作；步骤四，将风电场中的机组先按照Crowbar保护动作与否分群分为两群；对于每一种Crowbar保护状态下的机群，利用所选取的分群特征量和基于密度峰值的聚类算法再次进行分群，最终得到风电场的机组分群结果；步骤五，将归为一群的机组等值为一台机，并计算等值风速、等值机参数和等值集电线路参数，得到最终的风电场动态等值模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于双馈风力发电机组短路电流特征分析的风电场等值方法，其特征是，包括以下步骤：步骤一，确定在不同电网短路故障程度下，双馈风力发电机组的不同保护控制模式，即Crowbar保护动作和Crowbar保护不动作，分别给出Crowbar保护动作和Crowbar保护不动作时双馈风力发电机组的三相短路电流解析表达式；步骤二，基于双馈风力发电机组的三相短路电流解析表达式，提取用于双馈机组风电场动态等值的各机组分群特征量，即故障前机端电压初始值us0、故障后机端电压稳态值usf、转子转速ωr、故障前风力发电机的有功功率Ps0和无功功率Qs0；步骤三，根据风电场尾流效应得到风电场各机组输入风速，进而计算各机组的分群特征量，并判断各机组的Crowbar保护是否动作；步骤四，将风电场中的机组先按照Crowbar保护动作与否分群分为两群；对于每一种Crowbar保护状态下的机群，利用所选取的分群特征量和基于密度峰值的聚类算法再次进行分群，最终得到风电场的机组分群结果；步骤五，将归为一群的机组等值为一台机，并计算等值风速、等值机参数和等值集电线路参数，得到最终的风电场动态等值模型。2.根据权利要求1所述的基于双馈风力发电机组短路电流特征分析的风电场等值方法，其特征是，步骤一中，所述Crowbar保护动作时双馈风力发电机组的三相短路电流表达式，表述为：式中，us0为故障前机端电压空间矢量，usf为故障后机端电压空间矢量，ωs为同步转速，ωr为转子转速，Ls为定子绕组等效电感，Lr为转子绕组等效电感，Lm为励磁电感，Rs为定子绕组电阻，Rr为转子绕组电阻，Rcb为Crowbar电阻，Ps0为故障前风力发电机有功功率，Qs0为故障前风力发电机无功功率，t0为电网短路故障发生时刻；为定子绕组暂态等效电感，t's＝L's/Rs为定子绕组的暂态衰减时间常数，为转子绕组暂态等效电感，ks＝Lm/Ls为定子电感耦合系数；kr＝Lm/Lr为转子电感耦合系数，R＝Rr+Rcb为Crowbar电阻投入后的转子回路电阻；，t'r＝L'r/Rr为转子绕组的暂态衰减时间常数；为积分时间常数，上标*代表复数共轭运算。3.根据权利要求2所述的基于双馈风力发电机组短路电流特征分析的风电场等值方法，其特征是，所述Crowbar保护不动作时双馈风力发电机的三相短路电流表达式：在dq同步旋转坐标系中，将双馈风力发电机组的数学模型写成空间矢量形式为，式中，下标s代表定子绕组，下标r代表转子绕组，下标m代表励磁绕组；符号u、i、ψ分别代表dq同步旋转坐标系中物理量电压、电流、磁链的空间矢量；R和L分别代表物理量电阻和等效电感，t为时间，j为虚数单位，为求导算子；从而，分别确定电网短路故障发生后Crowbar保护投入和Crowbar保护不投入时双馈风力发电机组的暂态等值电路；由公式(2)中磁链与电流的关系，将转子磁链表示为定子磁链和转子电流的关系如下，将上式代入公式(2)中的转子回路电压方程，得到转子电流ir关于转子电压ur和定子磁链ψs的方程如下，将公式(3)中与定子磁链有关的部分定义感应电动势e，它实质上了反应定子磁链变化对转子回路电流的影响和对转子电压的贡献，有如下关系，电网故障前后的定子磁链公式分别为，将公式(6)、公式(7)代入感应电动势e得，其中，公式(8)中有成立；式中，sω＝ω/ωs为发电机的转差率；为故障后转子感应电动势e直流分量的衰减时间常数；短路故障发生后Crowbar保护不动作时，变流器参与双馈风力发电机组的暂态调控过程，此时的转子回路的电压ur是由机侧变流器的交流侧电压提供的；若忽略机侧变流器中开关元件的暂态反应时间，并且电流控制回路具有足以满足要求的带宽，则机侧变流器的实际电压ur能够实现与其控制回路参考电压值ur,ref的精确跟踪，即有，ur＝ur,ref(9)又机侧变流器的控制回路的参考电压ur,ref写成空间矢量形式为，ur,ref＝Rrir,ref+jωLrir,ref+jωLmis,estim+kp(ir,ref-ir)+ki∫(ir,ref-ir)dt(10)式中，kp和ki分别为转子电流内环PI控制器的比例系数和积分时间常数，ir,ref＝ird,ref+jirq,ref为dq坐标系中转子电流参考值空间矢量；is,estim＝isd,estim+jisq,estim为dq坐标系中定子电流估算值空间矢量；其中有如下关系成立，式中，Ps,ref为有功功率参考值，Qs,ref为无功功率参考值，ψsm为定子磁链的幅值；将公式(8)和公式(10)代入公式(4)，并通过求导数去掉积分符号，得如下关于转子电流的二阶微分方程，式中，μ＝(Rr+kp+jωL'r)/L'r；λ＝ki/L'r；求解公式(13)得转子电流的表达式如下，式中，ir0是转子电流初值；是该微分方程特征方程的根；转子电流的初值满足如下关系，由于故障前风力发电机处于稳定状态，因此满足Ps0＝Psref和Qs0＝Qsref；根据定子...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘文霞，张艺博，刘明洋，郭家圣，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32