一種雙饋電機三相短路電流實用計算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙饋電機三相短路電流實用計算方法，包括建立雙饋風力發(fā)電機暫態(tài)等值模型，計算短路后的定子側等效電抗；計算短路前的定子側磁鏈初值和轉子側磁鏈初值；計算暫態(tài)定子側磁鏈和暫態(tài)轉子側磁鏈；計算定子側電流；對所述定子側電流進行坐標變換，得到A相、B相和C相的短路電流、短路電流瞬時最大值和周期分量有效值；利用工程實用參數(shù)堵轉電流百分比，計算得到等值模型下各元件參數(shù)：Rs、Rr、Lsσ、Lrσ和RCB；得到實用計算下的A相、B相和C相的短路電流瞬時最大值和周期分量有效值。本發(fā)明采用工程實用參數(shù)計算短路電流，計算結果更精確，進而能夠精確確定Crowbar電路的參數(shù)，提高雙饋電機的安全性。
【專利說明】
一種雙饋電機三相短路電流實用計算方法
技術領域
[000?]本發(fā)明涉及一種基于Crowbar保護的雙饋電機三相短路電流實用計算方法，屬于 風電場電氣安全分析技術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著風電裝機容量在電網(wǎng)中所占比例的增加，風電場的運行對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響 將不容忽視。變速恒頻雙饋感應風力發(fā)電機(DFIG)的許多優(yōu)越特性，使其在風力發(fā)電中得 到廣泛的應用。
[0003] DFIG在應對電網(wǎng)故障能力方面存在較大缺陷，當電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，將引起發(fā) 電機定子電流增加，由于發(fā)電機轉子與定子之間的強耦合關系，快速增加的定子電流會引 起轉子電流急劇上升，容易導致轉子側變換器損壞。當電網(wǎng)發(fā)生故障時，對DFIG控制策略研 究的主要目標是對轉子過電流的限制。在現(xiàn)有的低電壓穿越控制策略中，增加硬件電路以 防止損壞轉子側變換器。目前常采用的方法是在DFIG轉子側安裝Crowbar電路，當電網(wǎng)發(fā)生 短路故障時，通過Crowbar短路DFIG的轉子繞組，從而起到保護變換器的作用。
[0004] 根據(jù)短路電流來整定Crowbar電路的參數(shù)，保護電路中其他設備，在現(xiàn)有的短路電 流解析分析中，如中國發(fā)明專利CN201510750713.4公開了一種雙饋電機三相短路電流計算 方法，采用純理論的計算方法計算短路電流最大值和有效值，在工程上并不適用，得到的解 析結果與實際的短路故障存在較大誤差;在工程上，通常采用國家標準來計算，根據(jù)國家標 準來計算短路電流最大值和有效值，計算結果不夠準確，據(jù)此對Crowbar電路的參數(shù)進行整 定也不夠精確。
[0005] 因此，本申請?zhí)岢鲆环N在采用Crowbar保護的情況下，能更為準確并且具有工程實 用性的短路電流計算方法。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中的不足，提供了一種雙饋電機三相短路電流實 用計算方法，采用工程實用參數(shù)計算短路電流，計算結果更精確，進而能夠精確確定 Crowbar電路的參數(shù)，提高雙饋電機的安全性。
[0007] 為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種雙饋電機三相短路電流實用計算方法， 包括以下步驟：
[0008] 步驟一，建立雙饋風力發(fā)電機暫態(tài)等值模型，計算短路后的定子側等效電抗Zs;
[0009] 步驟二，根據(jù)所述短路后的定子側等效阻抗和空間旋轉坐標系下的雙饋風力發(fā)電 機電磁暫態(tài)方程，計算得到短路前的定子側磁鏈初值隊〇和轉子側磁鏈初值也〇;
[0010] 步驟三，根據(jù)所述短路前的定子側磁鏈初值和轉子側磁鏈初值計算得到暫 態(tài)定子側磁鏈和暫態(tài)轉子側磁鏈
[0011] 步驟四，根據(jù)所述暫態(tài)定子側磁鏈和暫態(tài)轉子側磁鏈計算得到定子側電流ξ:;
[0012] 步驟五，對所述定子側電流進行坐標變換，得到A相、B相和C相的短路電流、短路 電流瞬時最大值和短路電流周期分量有效值；
[0013] 步驟六，利用工程實用參數(shù)堵轉電流百分比，計算得到等值模型下各元件參數(shù):定 子電阻Rs、轉子電阻Rr、定子電感Ls。、轉子電感L r。和Crowbar電阻Rcb ;
[0014] 步驟七，將所得的參數(shù)代入步驟五，得到實用計算下的A相、B相和C相的短路電流 瞬時最大值和短路電流周期分量有效值。
[0015] 進一步的，所述步驟一中，短路后的定子側等效電抗匕為：
[0016] Zs = RcB+j〇sL/s
[0017] 其中，Rcb為雙饋電機定子側在t = 0時刻發(fā)生三相短路故障后在t = 0+時刻投入的 Crowbar電阻，CJs表示同步角速度，I/ s表示定子繞組暫態(tài)電感。
[0018] 進一步的，在所述步驟二中，定子側磁鏈初值Ιο為：
[0019]
ν? …a
[0020] 其中，Uw為短路前的機端電壓初倌：轉子伽丨磁鏈初值ifco為：
[0021]
[0022] 其中，Lr為轉于等效電感，Lm為激磁電感，Rs為定子電阻，Iso為短路前的機端電流初 值。
[0023]進一步的，在所述步驟三中，根據(jù)短路前的定子側磁鏈初值ltso計算暫態(tài)定子側磁 鏈歹,為
[0024]
[0025] :數(shù)，Usl為故障后電壓瞬時跌落至的值， τ3為DFIG暫態(tài)定子時間常數(shù)；
[0026] 根據(jù)短路前的轉子側磁鏈初值也〇計算暫態(tài)轉子側磁鏈為：
[0027]
[0028] 其中，VsSdfig暫態(tài)轉子時間常數(shù)。
[0029] 進一步的，在所述步驟四中，根據(jù)所述暫態(tài)定子側磁鏈和暫態(tài)轉子側磁鏈尹^?計 算得到定子側電流ξ :
[0030]
[0031]
[0032] 進一步的，在所述步驟五中，對所述定子側電流ξ進行坐標變換，得到A相短路電流
[0033] isa、B相短路電流isb和C相短路電流is。分別為：
[0034]
[0035]
[0036] 其中，α為短路時刻的電壓相角；
[0037] 根據(jù)所述A相短路電流isa、B相短路電流isb和C相短路電流i sc計算得到A相短路電 流瞬時最大值isamax、B相短路電流瞬時最大值isbmax和C相短路電流瞬時最大值isonax分別 為：
[0038]
[0039]
[0040] 根據(jù)所述A相短路電流isa、B相短路電流isb和C相短路電流i s。計算得到A相短路電 流周期分量有效值i sa胃、B相短路電流周期分量有效值i sbvmr和C相短路周期分量有效值 iscvmr分別為：
[0041]
[0042] iscvmr Isbvmr isavmro
[0043] 進一步的，在所述步驟六中，利用工程實用參數(shù)堵轉電流百分比，計算等值模型下 各元件參數(shù)，定子電阻Rs和轉子電阻Rr分別為：
[0044]
[0045] 其中，Re3q代表等值模型下的等效電阻;Pbr為單相有功功率，Pn為電機的額定功率； Ibr為單相電流，Iw為堵轉電流；
[0046] 定子電感1^。、轉子電感U。根據(jù)以下公式計算：
[0047]
[0048] 其中，COs為同步轉速;UrM為電機的額定電壓；
[0049] Crowbar 電阻 Rcb 為：
[0050]
[0051 ] 其中，Udc為直流母線電壓，Us為定子側電壓;R cb為Crowbar電阻。
[0052] 進一步的，在所述步驟七中，將步驟六中計算的參數(shù)代入步驟五的公式中，則計算
[0053] 得到A相短路電流瞬時最大值isamax、B相短路電流瞬時最大值isbmax和C相短路電流瞬時最 大值
[0054]
[0055] 計算得到A相短路電流周期分量有效值isavmr、B相短路電流周期分量有效值isbvmr 和C相短路周期分暈有效值iSCT?分別為：
[0056]
[0057] is cvmr Isbvmr isavmro
[0058] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所達到的有益效果是:本發(fā)明采用工程實用參數(shù)計算短 路電流，計算結果更精確，進而能夠精確根據(jù)短路電流確定Crowbar電路的參數(shù)，保護設備， 提高雙饋電機的安全性。
【附圖說明】
[0059] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0060] 圖1是本發(fā)明實施例的雙饋風力發(fā)電機暫態(tài)等值電路圖。
【具體實施方式】
[0061] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明 的技術方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。
[0062]如圖1所示，本發(fā)明的一種基于Crowbar保護的雙饋電機三相短路電流實用計算方 法，包括以下步驟：
[0063]步驟一，建立雙饋風力發(fā)電機暫態(tài)等值模型，計算短路后的定子側等效電抗Zs; [0064]雙饋風力發(fā)電機暫態(tài)等值電路圖如圖1所示，空間旋轉坐標系下的雙饋風力發(fā)電 機電磁暫態(tài)方程具體為： ,-V 一 clw
[0065] Hs = RJx+ja)sips+ at 「 ? - 〇 r .一 αψ,
[0066] W,. = +
[0067] r, = Li + Ljr
[0068] Ifr=Ljs+ Ljr
[0069] 其中，C為定子側電壓，C為轉子側電壓，RS為定子電阻，Rr為轉子電阻IsQ為，I為 定子側電流，I為轉子側電流，為定子側磁鏈，P,.為轉子側磁鏈，Lr為轉子等效電感，匕為 激磁電感；
[0070] 短路后的定子側等效電抗Zs為：
[0071] Zs = Rcb+j WsI/s
[0072] 其中，Rcb為雙饋電機定子側在t = 0時刻發(fā)生三相短路故障后在t = 0+時刻投入的 Crowbar電阻，CJs表示同步角速度，I/ s表示定子繞組暫態(tài)電感；
[0073] 步驟二，根據(jù)所述短路后的定子側等效阻抗和空間旋轉坐標系下的雙饋風力發(fā)電 機電磁暫態(tài)方程，計算得到短路前的定子側磁鏈初值隊〇和轉子側磁鏈初值屯〇;
[0074]由電磁暫態(tài)方程和定子側等效阻抗，聯(lián)立短路前的機端電壓初值Uso= I (p. u .)，短 路前的機端電流初值IsQ=l(P.U.)，其中（P.U.)為標么值，得到定子側磁鏈初值也〇為：
[0075]
[0076] 其中，UsQ為短路前的機端電壓初值;轉子側磁鏈初值屯〇為：
[0077
[0078]其中，IsQ為短路前的機端電流初值。
[0079]步驟三，根據(jù)所述短路前的定子側磁鏈初值也〇和轉子側磁鏈初值to計算得到暫 態(tài)定子側磁鏈^s..和暫態(tài)轉子側磁鏈
[0080] 根據(jù)短路前的定子側磁鏈初值Ιο計算暫態(tài)定子側磁鏈為
[0081]
[0082] 其中，
?子側電壓跌落系數(shù)，Usl為故障后電壓瞬時跌落至的值，T s 為DFIG暫態(tài)定子時間常數(shù)沖
[0083] 根據(jù)短路前的轉子側磁鏈初值也〇計算暫態(tài)轉子側磁鏈為：
[0084]
[0085] 其中，VsSdfig暫態(tài)轉子時間常；
入后，得：
[0086] 步驟四，根據(jù)所述暫態(tài)定子偵M鏈&和暫態(tài)轉子偵M鏈武計算得到定子側電流ζ ;
[0087] 根據(jù)所述暫態(tài)定子偵_鏈&和暫態(tài)轉子偵_鏈需計算得到定子側電流ζ:_
[0088]
[0089] ；
[0090] 步驟五，對所述定子側電流ξ進行坐標變換，得到A相、B相和C相的短路電流、短路 電流瞬時最大值和短路電流周期分量有效值；
[0091] 對所述定子側電流ξ進行坐標變換，得到A相短路電流isa、B相短路電流isb和C相短 路電流分別為，
[0092]
[0093]
[0094]
[0095] 其中，α為短路時刻的電壓相角；
[0096] 根據(jù)所述A相短路電流isa、B相短路電流isb和C相短路電流is。計算得到A相短路電 流瞬時最大值isamax、B相短路電流瞬時最大值isbmax和C相短路電流瞬時最大值isamx分別為：
[0097]
[0098]
[0099] 根據(jù)所述A相短路電流isa、B相短路電流isb和C相短路電流isc計算得到A相短路電 流周期分量有效值i sa胃、B相短路電流周期分量有效值i sbvmr和C相短路周期分量有效值 iscvmr分別為：
[0100]
[0101]
[0102]步驟六，利用工程實用參數(shù)堵轉電流百分比，計算得到等值模型下各元件參數(shù):定 子電阻Rs、轉子電阻Rr、定子電感Ls。、轉子電感Lr。和Crowbar電阻Rcb ;
[0103]工程上計算通常使用的是國家標準，國家標準中使用的參數(shù)較少，其中已知的只 有堵轉電流百分比，因此為了體現(xiàn)計算方法的工程實用性，要用堵轉電流百分比推出各元 件的參數(shù)。利用工程實用參數(shù)堵轉電流百分比，計算等值模型下各元件參數(shù)，對于雙饋電機 來講，定、轉子電阻的值很小，因此定、轉子電阻在求解三相短路電流的過程中影響非常小， 為了計算方便，假設定、轉子電阻相等，為等效電阻的一半；定、轉子電感相等，為等效電感 的一半；根據(jù)電路原理已知得到：等效電Pi
效電感 ?人y ;其中Req代表等值模型下的等效電阻;pbr為單相有功功率，v br為單
相電壓;Zbr為等效阻抗，Ibr為單相電流，根據(jù)等效電阻公式得到定子電阻Rs和轉子電阻R r分 別為：
[0104]
[0105] 其中，Pn為電機的額定功率，PN = 3Pbr;Iu?為堵轉電流，ILR=Ibr;
[0106] 相捉筆教由咸公=?^縣？1丨雜+由咸丨."π、轉子電感Lr。根據(jù)以下公式計算：
[0107]
[0108] 其中，COs為同步轉速;UrM為電機的額定線電壓
[0109] Crowbar電阻Rcb-般為已知參數(shù)，若不是已知，則根據(jù)以下公知的經驗公式計算：
[0110]
[0111] 其中，Udc為直流母線電壓，Us為定子側電壓;Rcb為Crowbar電阻；
[0112] 步驟七，將所得的參數(shù)代入步驟五，得到實用計算下的A相、B相和C相的短路電流 瞬時最大值和短路電流周期分量有效值。
[0113] 將步驟六中計算的參數(shù)代入步驟五的公式中，則計算得到A相短路電流瞬時最大 值is_x、B相短路電流瞬時最大值i sbmax和C相短路電流瞬時最大值is_x分別為：
[0114
[0115」 iscmax lsbmax lsamax
[0116]計算得到A相短路電流周期分量有效值isavmr、B相短路電流周期分量有效值isbvmr 和C相鉭路固·令舊·有放佶i.
[0117；
[0118；
[0119] 實施本發(fā)明的有益效果為:在計算雙饋電機短路電流時，考慮了 Crowbar電阻對短 路電流的計算的影響，不僅考慮Crowbar電阻在原理上對轉子側變流器的保護，同時考慮 Crowbar電阻在實際運行中對轉子側電流和轉子側磁鏈的抑制，更加精確的表達了雙饋電 機短路時，短路電流的大小，并且采用工程實用參數(shù)計算短路電流，與現(xiàn)有工程上國家標準 計算相比，計算結果更精確，進而能夠精確根據(jù)短路電流確定電路中其他設備的參數(shù)，保護 其他設備，提高雙饋電機的安全性，對于風電場的電氣設備經濟安全設計具有重要意義和 推廣價值。
[0120] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型 也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種雙饋電機Ξ相短路電流實用計算方法，其特征是，包括W下步驟： 步驟一，建立雙饋風力發(fā)電機暫態(tài)等值模型，計算短路后的定子側等效電抗Zs ; 步驟二，根據(jù)所述短路后的定子側等效阻抗和空間旋轉坐標系下的雙饋風力發(fā)電機電 磁暫態(tài)方程，計算得到短路前的定子側磁鏈初值恥0和轉子側磁鏈初值如0; 步驟Ξ，根據(jù)所述短路前的定子側磁鏈初值托〇和轉子側磁鏈初值如0計算得到暫態(tài)定子 側磁鏈夢,和暫態(tài)轉子側磁鏈廬; 步驟四，根據(jù)所述暫態(tài)定子側磁鏈跨y和暫態(tài)轉子側磁鏈捉計算得到定子側電流ζ ; 步驟五，對所述定子側電流ζ進行坐標變換，得到A相、Β相和C相的短路電流、短路電流 瞬時最大值和短路電流周期分量有效值； 步驟六，利用工程實用參數(shù)堵轉電流百分比，計算得到等值模型下各元件參數(shù):定子電 阻Rs、轉子電阻Rr、定子電感Ls。、轉子電感以。和化owbar電阻Rcb ; 步驟屯，將所得的參數(shù)代入步驟五，得到實用計算下的A相、B相和C相的短路電流瞬時 最大值和短路電流周期分量有效值。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種雙饋電機Ξ相短路電流實用計算方法，其特征是，所述步 驟一中，短路后的定子側等效電抗Zs為： Zs = RcB+jWsL S 其中，Rcb為雙饋電機定子側在t = 0時刻發(fā)生Ξ相短路故障后在t = 0 +時刻投入的 化owbar電阻，Ws表示同步角速度，1/ S表示定子繞組暫態(tài)電感。 進一步的，在所述步驟二中，定子側磁鏈初值托〇為：其中，UsO為短路前的機端電壓初值;轉子側磁鏈初值如0為：其中，k為轉子等效電感，Lm為激磁電感，Rs為定子電阻，IsO為短路前的機端電流初值。3. 根據(jù)權利要求2所述的一種雙饋電機Ξ相短路電流實用計算方法，其特征是，在所述 步驟Ξ中，根據(jù)短路前的定子側磁鏈初值恥0計算暫態(tài)定子側磁鏈於，為其中為定子側電壓跌落系數(shù)，Usl為故障后電壓瞬時跌落至的值，Ts為 DFIG暫態(tài)定子時間常數(shù)； 根據(jù)短路前的轉子側磁鏈初值如0計算暫態(tài)轉子側磁鏈療，為：其中，τ/ S為DFIG暫態(tài)轉子時間常數(shù)。4. 根據(jù)權利要求3所述的一種雙饋電機Ξ相短路電流實用計算方法，其特征是，在所述 步驟四中，根據(jù)所述暫態(tài)定子側磁鏈捉,和暫態(tài)轉子側磁鏈聲f計算得到定子側電流^ ;其中，為轉子電感禪合系數(shù)。5. 根據(jù)權利要求4所述的一種雙饋電機Ξ相短路電流實用計算方法，其特征是，在所述 步驟五中，對所述定子側電流4進行坐標變換，得至UA相短路電流isa、B相短路電流isb和討目 短路電流isc分別為：其中，α為短路時刻的電壓相角； 根據(jù)所述A相短路電流isa、B相短路電流isb和討目短路電流isc計算得到A相短路電流瞬 時最大值isamax、B相短路電流瞬時最大值isbmax和C相短路電流瞬時最大值iscmax分別為：Iscmax Isbmax Isamax； 根據(jù)所述A相短路電流isa、B相短路電流isb和討目短路電流isc計算得到A相短路電流周 期分量有效值isavmr、B相短路電流周期分量有效值isbvmr和C相短路周期分量有效值isavmr分 別為：Iscvmr Isbvmr Isavmr 〇6. 根據(jù)權利要求5所述的一種雙饋電機Ξ相短路電流實用計算方法，其特征是，在所述 步驟六中，利用工程實用參數(shù)堵轉電流百分比，計算等值模型下各元件參數(shù)，定子電阻Rs和 轉子電阻Rr分別為：其中，Req代表等值模型下的等效電阻;Pbr為單相有功功率，Pn為電機的額定功率;Ibr為 單相電流，lu?為堵轉電流； 定子電感Ls。、轉子電感Lr。根據(jù)W下公式計算：其中，COs為同步轉速;UrM為電機的額定電壓； Crowbar電阻化B為：其中，Udc為直流母線電壓，Us為定子側電壓;Rcb為Crowbar電阻。7.根據(jù)權利要求6所述的一種雙饋電機Ξ相短路電流實用計算方法，其特征是，在所述 步驟屯中，將步驟六中計算的參數(shù)代入步驟五的公式中，則計算得到A相短路電流瞬時最大 值isamax、B相短路電流瞬時最大值isbmax和C相短路電流瞬時最大值issmax分別為：計算得到A相短路電流周期分量有效值isavmr、B相短路電流周期分量有效值isbvmr和C相 短路周期分量有效值is。胃分別為：
【文檔編號】G06F19/00GK105938515SQ201610226005
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年4月12日
【發(fā)明人】潘文霞, 楊剛, 劉明洋, 劉漢江, 陳劍, 柴守江
【申請人】河海大學