CN105678017B - 基于频域解析的dfig撬棒电阻整定约束计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于频域解析的DFIG撬棒电阻整定约束计算方法,通过Laplace变换,在频域内实现撬棒电路触发后定转子电流零状态响应和零输入响应的求解和叠加。采用Laplace反变换,求解定转子暂态电流的时域解。通过分析定转子电流在频域和时域的求解所得解析表达式的物理特性,计算不同转速、不同撬棒电阻条件下撬棒电路触发后的线电压上限,依据该上限值得到撬棒电阻阻值的约束条件,确保转子变流器在撬棒电路触发期间被可靠旁路。
Description
技术领域
本发明涉及基于频域解析的DFIG撬棒电阻整定约束计算方法,属于电气传动应用技术领域。
背景技术
撬棒电路实现了双馈风力发电机(Doubly-fed Induction Generator,简称DFIG)在低电压穿越过程中的转子变流器旁路保护。采用该保护方法进行控制时,转子变流器失去对转子电流的控制,暂态特性完全取决于撬棒电路的参数,撬棒电阻的整定阻值是双馈风力发电机实现低电压穿越和适时恢复交流励磁的关键因素。撬棒电路触发期间的定转子暂态电流解析是实现该参数整定的技术瓶颈。
目前双馈发电机撬棒电阻整定方法主要有3类方法:
1)根据发电机参数和电网电压跌落特性,通过低电压穿越电磁仿真实现参数整定。由于该方法的物理过程不明确,需要在多种工况下分别进行仿真,计算成本高。
2)忽略双馈发电机定转子电阻的条件下,通过触发期间的定转子暂态电流解析,为确保低电压穿越过程转子暂态电流和直流母线电压不超越限值,实现撬棒电阻整定。该方法存在误差,且误差限难以确定,仅能对工程应用提供参考。
3)通过定转子瞬态时间常数,在时域中分析低电压穿越过程中的绕组最大暂态电流,但是定转子的暂态直流电流是近似直流,实际上是以较缓慢的角频率旋转,且误差产生原因不明,需要结合工程经验进行参数调整。
由此可见,当前,双馈发电机组撬棒电阻整定多依赖实验试探、工程经验、仿真或近似计算的方法,上述方法均存在成本高、周期长、电阻整定范围不明确、撬棒电路触发后转子变流器被旁路的可靠性难以保证的问题。
在此前提下,通过双馈风力发电机在撬棒电路触发过程中的定转子电流解析,计算不同转速、不同撬棒电阻条件下的暂态过程撬棒电路线电压上限,得到撬棒电阻整定值的约束条件,对于确保撬棒电路触发期间转子变流器的可靠旁路、提高发电机组低电压可靠性和降低撬棒电路参数设计难度,均有显著意义。
发明内容
本发明针对上述技术难题,提出一种基于Laplace变换和反变换的定转子暂态电流计算方法,该解析方法适用于任意跌落深度的电网电压平衡或不平衡故障。通过Laplace变换,在频域内实现撬棒电路触发后定转子电流零状态响应和零输入响应的求解和叠加。采用Laplace反变换,求解定转子暂态电流的时域解。
通过分析定转子电流在频域和时域的求解所得解析表达式的物理特性,计算不同转速、不同撬棒电阻条件下撬棒电路触发后的线电压上限,依据该上限值得到撬棒电阻阻值的约束条件,确保转子变流器在撬棒电路触发期间被可靠旁路。
为解决上述技术问题,本发明提供一种基于频域解析的DFIG撬棒电阻整定约束计算方法,其特征是,参数定义:
定子静止坐标系中的转子电压,转子旋转坐标系中的转子电压
定子静止坐标系中的定子电压
定子静止坐标系中的定子电流,定子静止坐标系中的转子电流
转子旋转坐标系中的定子电流,转子旋转坐标系中的转子电流
定子静止坐标系中的定子磁链,定子静止坐标系中的转子磁链
Rs定子电阻,Rr转子回路总电阻
Rrw转子绕组电阻,Rc转子撬棒电阻
Lss定子漏感,Lrs转子漏感
Lm定转子互感,Ls定子电感,Lr转子电感
Lrr由转子绕组产生的穿过气隙的自感
NrkNr定子有效匝数
NskNs转子有效匝数
k绕组折算系数
ω1电网电压同步转速,ωr转子旋转电角速度
θr定子A相绕组与转子a相绕组之间的角度
Udc四象相变流器直流母线电压设定值
pn发电机极对数
θsp0电网电压跌落时刻正序电压,θsn0电网电压跌落时刻负序电压的初相角
电网电压跌落后正序电压的矢量模,电网电压跌落后负序电压的矢量模
Re对复数求取实部的算子
Im对复数求取虚部的算子;
参数上标定义:
→空间矢量
s定子坐标系,
r转子坐标系
'经绕组折算后的数值;
参数下标定义:
α定子两相静止坐标系α轴,
β定子两相静止坐标系β轴
s定子,
r转子;
包括以下步骤:
1)在定子静止坐标系和转子旋转坐标系中的定、转子电压空间矢量方程分别为:
(式1a)
(式1b)
在定转子相数相同的条件下,由绕组折算系数和根据(式1b)进行绕组归算得到:
(式2)
经过绕组归算,Lrr'等于Lm';通过(式2)计算得:
(式3)
在定子静止坐标系中,(式3)表示为:
(式4)
由(式4)得定子两相静止坐标系中的转子电压方程:
(式5)
考虑电网电压跌落t0时刻的电流初值,由(式5)进行Laplace变换得:
(式6)
将(式6)带入得:
(式7)
电网电压跌落后的空间矢量表达式为:
(式8)
对(式8)进行Laplace变换可得:
(式9)
考虑电网电压跌落t0时刻的磁链初值,对(式1a)进行Laplace变换得:
(式10)
2)定子暂态电流计算
电网电压跌落后,触发撬棒电路对转子绕组进行短接,通过零状态响应和零输入响应对定子的暂态电流进行计算;
将(式7)、(式9)代入(式10),得在频域中的表达式为:
(式11)
式中和分别为定子暂态电流在定子静止坐标系的零状态响应和零输入响应,表达式分别为:
(式12)
(式13)
式中A1=s2Lr'Ls-s2Lm'2+sLr'Rs+sRr'Ls-sjωrLr'Ls+sjωrLm'2-jωrLr'Rs+Rr'Rs;NUM1(s)和NUM2(s)为表达式的替代分子,DEN1(s)和DEN2(s)为表达式的替代分母;
计算NUM1(s)/DEN1(s)表达式的四个极点为:
(式14)
计算NUM2(s)/DEN2(s)表达式的两个极点为:
(式15)
对DEN1(s)和DEN2(s)进行求导,得到dDEN1(an)/ds和dDEN2(bn)/ds;由于Re(a1)=Re(a2)=0,且Re(a3)、Re(a4)、Re(b1)和Re(b2)为非零,在定子两相静止坐标系中,通过反Laplace变换可得电网电压跌落、撬棒电路触发后的定子暂态电流的表达式为:
(式16)
-1/Re(a3)、-1/Re(a4)、-1/Re(b1)和-1/Re(b2)分别为各暂态分量的衰减时间常数;
3)转子暂态电流计算
将和代入(式6),得到电网电压跌落、触发撬棒电路对转子绕组进行短接后,转子暂态电流在定子两相静止坐标系的零状态响应和零输入响应:
(式17)
(式18)
式中,NUM3(s)和NUM4(s)为表达式的替代分子,DEN3(s)和DEN4(s)为表达式的替代分母;
的五个极点表达式为:
(式21)
的三个极点表达式为:
(式22)
通过对DEN3(s)和DEN4(s)求导,得到dDEN3(cn)/ds和dDEN4(dn)/ds;由于Re(c2)=Re(c3)=0,且Re(c1)、Re(c4)、Re(c5)、Re(d1)、Re(d2)和Re(d3)为非零,在定子两相静止坐标系中,通过反Laplace变换得电网电压跌落、撬棒电路触发后的转子稳、暂态电流的表达式分别为:
(式23a)
(式23b)
-1/Re(c1),-1/Re(c4),-1/Re(c5),-1/Re(d1),-1/Re(d2)和-1/Re(d3)分别为各暂态分量的衰减时间常数;
4)撬棒电阻整定约束设定
设双馈发电机电角转速范围为ωr∈[K1ω1,K2ω1],其中K1∈(0,1]且K2∈[1,2);以ωr∈[K1ω1,K2ω1]为约束条件,构建以x为变量的函数ωr(nx)=K1ω1+0.314x,其中x为非负整数(x=0,1,2,3,...,),以ωr(nx)∈[K1ω1,K2ω1]为约束条件,得到由ωr(nx)构成的序列ωse;令y为Rc'的自变量,构建函数Rc'(my)=10-3y,其中y为非负整数(y=0,1,2,3,...);
当电网电压发生跌落时、在转子侧变流器被撬棒旁路的条件下,假设c1、a3和a4实部为零,暂态电流不发生衰减,由(式23a)、(式23b)得转子电流表达式为:
(式24)
根据Rc'(my)=10-3y,以y=0为初值,在电机参数已知的条件下,设Rc'=Rc'(m0),
Rc'(m0)表示y=0时的电阻值,并将序列ωse的所有元素逐次逐个代入(式24),求取周期表达式,得到在一个周期内模的峰值在不同转速条件下的最大值通过绕组折算,得到由
计算得到撬棒电路线电压峰值上限值为:
(式25)
递增y,重复以上过程,得到ULL_max(m1),ULL_max(m2),…;
在y递增过程中,当ULL_max(mV)≥Udc,即y=V时撬棒电路线电压峰值上限值大于等于四象限变流器直流母线电压设定值时,停止计算,经绕组折算将Rc=k2·Rc'(mV-1)设定为撬棒电阻整定上限;以Rc∈[0,k2·Rc'(mV-1)]为约束条件,确保撬棒电路触发后转子变流器被可靠旁路。
步骤3)中,和具体表达式展开为:
(式19)
(式20)。
本发明所达到的有益效果:
本发明通过频域计算,实现了双馈风力发电机在低电压穿越过程中撬棒电路触发后的定转子电流解析。基于该解析表达式,通过撬棒电路线电压(即转子变流器输出点端电压)的上限设定,给出了撬棒电阻整定的区间约束条件,确保撬棒电路触发后转子变流器被可靠旁路,显著提高了转子变流器在低电压穿越过程中的保护安全性。
附图说明
图1是双馈风力发电机转子撬棒电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
符号定义:
定子静止坐标系中的转子电压,转子旋转坐标系中的转子电压
定子静止坐标系中的定子电压
定子静止坐标系中的定子电流,定子静止坐标系中的转子电流
转子旋转坐标系中的定子电流,转子旋转坐标系中的转子电流
定子静止坐标系中的定子磁链,定子静止坐标系中的转子磁链
Rs,Rr 定子电阻,转子回路总电阻
Rrw,Rc 转子绕组电阻,转子撬棒电阻
Lss,Lrs 定子漏感,转子漏感
Lm,Ls,Lr 定转子互感,定子电感,转子电感
Lrr 由转子绕组产生的穿过气隙的自感
NrkNr 定子有效匝数
NskNs 转子有效匝数
k 绕组折算系数
ω1,ωr 电网电压同步转速,转子旋转电角速度
θr 定子A相绕组与转子a相绕组之间的角度
Udc 四象相变流器直流母线电压设定值
pn 发电机极对数
θsp0,θsn0 电网电压跌落时刻正序电压和负序电压的初相角
电网电压跌落后正序电压和负序电压的矢量模
Re 对复数求取实部的算子
Im 对复数求取虚部的算子
符号上标定义:
→ 空间矢量
s,r 定子坐标系,转子坐标系
' 经绕组折算后的数值
符号下标定义:
α,β 定子两相静止坐标系α轴,定子两相静止坐标系β轴
s,r 定子,转子
频域变量
1)在定子静止坐标系和转子旋转坐标系中的定、转子电压空间矢量方程分别为:
(式1a)
(式1b)
在定转子相数相同的条件下,由绕组归算系数和根据(式1b)进行绕组归算得到:
(式2)
经过绕组归算,Lrr'等于Lm'。通过(式2)计算可得:
(式3)
在定子静止坐标系中,(式3)可表示为:
(式4)
由(式4)可得定子两相静止坐标系中的转子电压方程:
(式5)
考虑到双馈风电机组较大的转动惯量,在低电压穿越暂态过程中转子转速近似恒定。考虑到电网电压跌落t0时刻的电流初值,由(式5)进行Laplace变换可得:
(式6)
将(式6)带入可得:
(式7)
电网电压跌落后的空间矢量表达式为:
(式8)
对(式8)进行Laplace变换可得:
(式9)
考虑到电网电压跌落t0时刻的磁链初值,对(式1a)进行Laplace变换可得:
(式10)
2)定子暂态电流计算。
图1所示为双馈风力发电机转子撬棒电路原理图,图中Scrowbar为撬棒电路触发开关,Rc为撬棒电阻。电网电压跌落后,触发撬棒电路对转子绕组进行短接通过零状态响应和零输入响应对定子的暂态电流进行计算。
将(式7)、(式9)代入(式10),可得在频域中的表达式为:
(式11)
式中为零状态响应、为零输入响应,表达式分别为:
(式12)
(式13)
式中A1=s2Lr'Ls-s2Lm'2+sLr'Rs+sRr'Ls-sjωrLr'Ls+sjωrLm'2-jωrLr'Rs+Rr'Rs。NUM1(s)和NUM2(s)为表达式的替代分子,DEN1(s)和DEN2(s)为表达式的替代分母。
计算NUM1(s)/DEN1(s)表达式的四个极点为:
(式14)
计算NUM2(s)/DEN2(s)表达式的两个极点为:
(式15)
对DEN1(s)和DEN2(s)进行求导,得到dDEN1(an)/ds和dDEN2(bn)/ds。由于Re(a1)=Re(a2)=0,且Re(a3)、Re(a4)、Re(b1)和Re(b2)为非零,在定子两相静止坐标系中,通过反Laplace变换可得电网电压跌落、撬棒电路触发后的定子暂态电流的表达式为:
(式16)
可见:-1/Re(a3)、-1/Re(a4)、-1/Re(b1)和-1/Re(b2)分别为各暂态分量的衰减时间常数。
3)转子暂态电流计算。
将和代入(式6),得到电网电压跌落、触发撬棒电路对转子绕组进行短接后,转子暂态电流在定子两相静止坐标系的零状态响应和零输入响应:
(式17)
(式18)
式中,NUM3(s)和NUM4(s)为表达式的替代分子,DEN3(s)和DEN4(s)为表达式的替代分母。为零状态响应、为零输入响应,其具体表达式可展开为:
(式19)
(式20)
的五个极点表达式为:
(式21)
的三个极点表达式为:
(式22)
通过对DEN3(s)和DEN4(s)求导,得到dDEN3(cn)/ds和dDEN4(dn)/ds。由于Re(c2)=Re(c3)=0,且Re(c1)、Re(c4)、Re(c5)、Re(d1)、Re(d2)和Re(d3)为非零,在定子两相静止坐标系中,通过反Laplace变换可得电网电压跌落、撬棒电路触发后的转子稳、暂态电流的表达式分别为:
(式23a)
(式23b)
可见,-1/Re(c1),-1/Re(c4),-1/Re(c5),-1/Re(d1),-1/Re(d2)和-1/Re(d3)分别为各暂态分量的衰减时间常数。
4)撬棒电阻整定约束设定。
已知ω1=100π,设双馈发电机电角速度范围为ωr∈[K1ω1,K2ω1],其中K1∈(0,1]且K2∈[1,2)。当电网电压发生跌落时、在转子侧变流器被撬棒旁路的条件下,经绕组折算后的转子回路总电阻Rr'包括经绕组折算后的转子绕组电阻Rrw'和经绕组折算后的撬棒电阻Rc',即Rr'=Rrw'+Rc'。令x为ωr的自变量,构建函数ωr(nx)=K1ω1+0.314x,其中x为非负整数(x=0,1,2,3,...),以ωr(nx)∈[K1ω1,K2ω1]为约束条件,得到由ωr(nx)构成的序列ωse。令y为Rc'的自变量,构建函数Rc'(my)=10-3y,其中y为非负整数(y=0,1,2,3,...)。
当电网电压发生跌落时、在转子侧变流器被撬棒旁路的条件下,假设c1、a3和a4实部为零,暂态电流不发生衰减,由(式23a)、(式23b)可得转子电流表达式为:
(式24)
根据Rc'(my)=10-3y,以y=0为初值,在电机参数已知的条件下,设Rc'=Rc'(m0),
Rc'(m0)表示y=0时的电阻值,并将序列ωse的所有元素逐次逐个代入(式24),求取周期表达式,得到在一个周期内模的峰值在不同转速条件下的最大值通过绕组折算,得到由
计算得到撬棒电路线电压峰值上限值为:
(式25)
递增y,重复以上过程,得到ULL_max(m1),ULL_max(m2),…。
在y递增过程中,当ULL_max(mV)≥Udc,即y=V时撬棒电路线电压峰值上限值大于等于四象限变流器直流母线电压设定值时,停止上述计算,经绕组折算将Rc=k2·Rc'(mV-1)设定为撬棒电阻整定上限。以Rc∈[0,k2·Rc'(mV-1)]为约束条件,确保撬棒电路触发后转子变流器被可靠旁路。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于频域解析的DFIG撬棒电阻整定约束计算方法,其特征是,
参数定义:
定子静止坐标系中的转子电压,转子旋转坐标系中的转子电压
定子静止坐标系中的定子电压
定子静止坐标系中的定子电流,定子静止坐标系中的转子电流
转子旋转坐标系中的定子电流,转子旋转坐标系中的转子电流
定子静止坐标系中的定子磁链,定子静止坐标系中的转子磁链
Rs定子电阻,Rr转子回路总电阻
Rrw转子绕组电阻,Rc转子撬棒电阻
Lsσ定子漏感,Lrσ转子漏感
Lm定转子互感,Ls定子电感,Lr转子电感
Lrr由转子绕组产生的穿过气隙的自感
NrkNr定子有效匝数
NskNs转子有效匝数
k绕组折算系数
ω1电网电压同步转速,ωr转子旋转电角速度
θr定子A相绕组与转子a相绕组之间的角度
Udc四象相变流器直流母线电压设定值
pn发电机极对数
θsp0电网电压跌落时刻正序电压,θsn0电网电压跌落时刻负序电压的初相角电网电压跌落后正序电压的矢量模,电网电压跌落后负序电压的矢量模Re对复数求取实部的算子Im对复数求取虚部的算子;
参数上标定义:
→空间矢量
s定子坐标系,
r转子坐标系
'经绕组折算后的数值;
参数下标定义:
α定子两相静止坐标系α轴,
β定子两相静止坐标系β轴
s定子,
r转子;
包括以下步骤:
1)在定子静止坐标系和转子旋转坐标系中的定、转子电压空间矢量方程分别为:
在定转子相数相同的条件下,由绕组折算系数和根据(式1b)进行绕组归算得到:
经过绕组归算,Lrr'等于Lm';通过(式2)计算得:
在定子静止坐标系中,(式3)表示为:
由(式4)得定子两相静止坐标系中的转子电压方程:
考虑电网电压跌落t0时刻的电流初值,由(式5)进行Laplace变换得:
将(式6)带入得:
电网电压跌落后的空间矢量表达式为:
对(式8)进行Laplace变换可得:
考虑电网电压跌落t0时刻的磁链初值,对(式1a)进行Laplace变换得:
2)定子暂态电流计算
电网电压跌落后,触发撬棒电路对转子绕组进行短接,通过零状态响应和零输入响应对定子的暂态电流进行计算;
将(式7)、(式9)代入(式10),得在频域中的表达式为:
式中和分别为定子暂态电流在定子静止坐标系的零状态响应和零输入响应,表达式分别为:
式中A1=s2Lr'Ls-s2Lm'2+sLr'Rs+sRr'Ls-sjωrLr'Ls+sjωrLm'2-jωrLr'Rs+Rr'Rs;NUM1(s)和NUM2(s)为表达式的替代分子,DEN1(s)和DEN2(s)为表达式的替代分母;
计算NUM1(s)/DEN1(s)表达式的四个极点为:
计算NUM2(s)/DEN2(s)表达式的两个极点为:
对DEN1(s)和DEN2(s)进行求导,得到dDEN1(an)/ds和dDEN2(bn)/ds;由于Re(a1)=Re(a2)=0,且Re(a3)、Re(a4)、Re(b1)和Re(b2)为非零,在定子两相静止坐标系中,通过反Laplace变换可得电网电压跌落、撬棒电路触发后的定子暂态电流的表达式为:
-1/Re(a3)、-1/Re(a4)、-1/Re(b1)和-1/Re(b2)分别为各暂态分量的衰减时间常数;
3)转子暂态电流计算
将和代入(式6),得到电网电压跌落、触发撬棒电路对转子绕组进行短接后,转子暂态电流在定子两相静止坐标系的零状态响应和零输入响应:
式中,NUM3(s)和NUM4(s)为表达式的替代分子,DEN3(s)和DEN4(s)为表达式的替代分母;
的五个极点表达式为:
的三个极点表达式为:
通过对DEN3(s)和DEN4(s)求导,得到dDEN3(cn)/ds和dDEN4(dn)/ds;由于Re(c2)=Re(c3)=0,且Re(c1)、Re(c4)、Re(c5)、Re(d1)、Re(d2)和Re(d3)为非零,在定子两相静止坐标系中,通过反Laplace变换得电网电压跌落、撬棒电路触发后的转子稳、暂态电流的表达式分别为:
-1/Re(c1),-1/Re(c4),-1/Re(c5),-1/Re(d1),-1/Re(d2)和-1/Re(d3)分别为各暂态分量的衰减时间常数;
4)撬棒电阻整定约束设定
设双馈发电机电角转速范围为ωr∈[K1ω1,K2ω1],其中K1∈(0,1]且K2∈[1,2);以ωr∈[K1ω1,K2ω1]为约束条件,构建以x为变量的函数ωr(nx)=K1ω1+0.314x,其中x为非负整数(x=0,1,2,3,…,),以ωr(nx)∈[K1ω1,K2ω1]为约束条件,得到由ωr(nx)构成的序列ωse;令y为Rc'的自变量,构建函数Rc'(my)=10-3y,其中y为非负整数(y=0,1,2,3,…);
当电网电压发生跌落时、在转子侧变流器被撬棒旁路的条件下,假设c1、a3和a4实部为零,暂态电流不发生衰减,由(式23a)、(式23b)得转子电流表达式为:
根据Rc'(my)=10-3y,以y=0为初值,在电机参数已知的条件下,设Rc'=Rc'(m0),Rc'(m0)表示y=0时的电阻值,并将序列ωse的所有元素逐次逐个代入(式24),求取周期表达式,得到在一个周期内模的峰值在不同转速条件下的最大值通过绕组折算,得到由计算得到撬棒电路线电压峰值上限值为:
递增y,重复以上过程,得到ULL_max(m1),ULL_max(m2),…;
在y递增过程中,当ULL_max(mV)≥Udc,即y=V时撬棒电路线电压峰值上限值大于等于四象限变流器直流母线电压设定值时,停止计算,经绕组折算将Rc=k2·Rc'(mV-1)设定为撬棒电阻整定上限;以Rc∈[0,k2·Rc'(mV-1)]为约束条件,确保撬棒电路触发后转子变流器被可靠旁路。
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