快速无功补偿装置装备下的双馈风机短路电流计算方法

本发明涉及风力发电，具体涉及一种快速无功补偿装置装备下的双馈风机短路电流计算方法。

背景技术：

1、随着风电渗透率不断提高和装机容量不断增大，电网电压骤升/骤降故障会导致风电场内部电压的连锁性大幅波动，以至引发大规模风电机组脱网事故，威胁整个系统的安全稳定运行。针对这类电压剧烈波动问题，风电场常常在并网点接入快速响应的无功补偿装置，以对输电系统所缺失的无功功率进行补充或消纳，从而使电网保持相对平稳的电压水平。

2、与相对较小规模风电场相比，大规模风电场与无功补偿装置的组合将会使电网系统的短路电流表现出独特的特性。相对快速的无功补偿装置在电压失去稳定时注入大量无功电流，进而使风电场风机与出线阻抗耦合加深，风机暂态直流磁通分量渗入瞬时跃变电压物理值，使采用稳定阶跃并网电压作为风机输入对象的短路电流计算失效，以至双馈风机(即双馈异步风力发电机)短路电流的最终计算结果产生较大计算误差。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提供一种快速无功补偿装置装备下的双馈风机短路电流计算方法，旨在解决现有的参杂无功补偿装置的双馈风机短路电流计算精度不高的问题。

2、本发明提出的技术方案为：

3、一种快速无功补偿装置装备下的双馈风机短路电流计算方法，包括：

4、建立控制策略影响下的无功补偿装置注入电流传递函数模型；

5、建立定转子电压动态影响下的双馈风机输出电流传递函数模型；

6、建立包含无功补偿装置的双馈风机暂态电压模型，其中，所述双馈风机暂态电压模型包括包含线路阻抗及无功补偿装置等效阻抗的双馈风机定子侧扩充阻抗，且所述双馈风机暂态电压模型相较于经典暂态模型修正了由线路阻抗和无功补偿装置导致的双馈风机短路电流的特征频率偏移；

7、将无功补偿装置注入电流与并网点电压的传递函数模型，以及双馈风机输出电流与并网点电压的传递函数模型代入所述双馈风机暂态电压模型，以求解得到双馈风机短路电流。

8、优选的，所述建立无功补偿装置注入电流与并网点电压的传递函数模型，包括：

9、基于静态无功补偿装置计算无功补偿装置电流输出特性，其中，所述电流输出特性的dq轴下的暂态模型如公式(1)：

10、

11、式中，icdq为无功补偿装置注入电流，icd为无功补偿装置的d轴注入电流，icq为无功补偿装置的q轴注入电流，icdq,ref为无功补偿装置注入参考电流，ucdc,ref为无功补偿装置的内部变流器直流电压，ucdc为无功补偿装置的直流参考电压，vcdq为无功补偿装置的变流器交流侧电压，vcd为无功补偿装置交流侧d轴电压，vcq为无功补偿装置交流侧q轴电压；usdq为无功补偿装置并网点电压，usd为并网点d轴电压，usdq,ref为无功补偿装置并网点参考电压，usd,ref为功补偿装置并网点d轴参考电压；lc为无功补偿装置的出线线路电感值，c为无功补偿装置的直流侧电容值；ωn为风机定子同步转速；kpi、kii、kpac、kiac、kpdc、kidc均为无功补偿装置的内部变流器计算所述注入参考电流和所述参考电压所采用的pi控制器的控制参数；j为虚数单位，s为拉式算子。

12、优选的，所述基于静态无功补偿装置计算无功补偿装置电流输出特性，之后还包括：

13、基于电流闭环控制采用dq轴解耦、直流电压解耦的控制方式，将公式(1)转换为如公式(2)所述的空间方程形式：

14、

15、式中，表示icd的导数；

16、令icd＝0，以通过公式(2)求解得到无功补偿装置的无功注入电流并表示为如公式(3)所述的简化形式：

17、

18、优选的，所述令icd＝0，以通过公式(2)求解得到无功补偿装置的无功注入电流并表示为如公式(3)所述的简化形式，之后包括：

19、将公式(3)进行拉普拉斯变换，以获得无功补偿装置的无功注入电流的传递函数形式，并以定子电压作为输入对象，从而得到如下结果：

20、

21、式中，icq0为无功补偿装置的初始注入无功电流值；将定子侧电压项系数描述为传递函数gc1(s)，与定子侧无关的项描述为传递函数gc2(s)，且gc1(s)和gc2(s)均含有相同的有理式分母denc，以及不同的有理式分子numc1和numc2；usdq(s)为定子电压在频域下的响应；

22、基于拉普拉斯逆变换，将公式(4)转换为如下的时域形式：

23、

24、式中，上述时域形式的各分量的频率来自于公式(4)中有理式分母的特征解，各项系数ai来自于公式(4)中有理式的各个特征解对应的留数值。

25、优选的，所述建立双馈风机输出电流与并网点电压的传递函数模型，包括：

26、将双馈风机在dq轴下的暂态模型用公式(5)和公式(6)表达：

27、

28、

29、式中，usdq为无功补偿装置并网点电压，urdq为转子电压；isdq为定子电流，irdq为转子电流；rs为定子电阻，rr为转子电阻；ls为定子电感，lr为转子电感；lm为激磁电感，ψsdq为定子磁链，ψrdq为转子磁链，ωn为同步转速，ωs为定转子滑差角速度。

30、优选的，所述将双馈风机在dq轴下的暂态模型用公式(5)和公式(6)表达，之后包括：

31、基于公式(6)，将定子电流与转子磁链作为主变量以得到公式(7)和公式(8)：

32、

33、

34、将公式(7)代入公式(5)以得到公式(9)：

35、

36、优选的，所述将公式(7)代入公式(5)以得到公式(9)，之后包括：

37、将公式(9)进行拉普拉斯变换以得到：

38、

39、式中，双馈风机的数学表示从公式(5)的微分方程形式转换为公式(10)表示的代数方程组形式，参数a、b、c和d如公式(11)所示：

40、

41、优选的，还包括：

42、求解公式(10)，以求解得双馈风机的定子电流为：

43、

44、式中，公式(12)将定子侧电压项系数描述为传递函数gs1(s)，与定子侧无关的项描述为gs2(s)，且gs1(s)和gs2(s)含有相同的有理式分母dens，以及不同的有理式分子nums1和nums2；

45、将公式(12)表达为不同频率的傅立叶本征函数的叠加，即其中，定子电流中的本征谐波频率将由s2+(a+d)s+(ad+bc)＝0的特征解，以及定子电流表达式中的风机定子侧电压的动态特性频率、转子侧电压的动态特性频率所决定，即：

46、

47、优选的，所述建立包含无功补偿装置的双馈风机暂态电压模型，包括：

48、设短路点电压为uk＝kus，其中，us代表无穷大电网的稳定电压值，k为短路导致的电压跌落比例，双馈风机的并网点电压受到无功补偿装置以及线路阻抗的耦合作用，定子侧阻抗从默认的zs扩张为zs+z′s，且z′s表示外部线路阻抗和无功补偿装置等效阻抗之和，由如下公式计算：

49、

50、式中，zl为线路阻抗；

51、将并网点的电压表示为：

52、

53、式中，itdq为dq轴形式表示的汇入电网线路电流，取值为双馈风机以及无功补偿装置的输出电流之和，即itdq＝isdq+icdq，upcc为并网点电压，取值为定子侧电压值。

54、优选的，还包括：

55、结合公式(4)和公式(12)，并联合上述公式(13)，以得出此时的定子电流以及定子侧电压，即并网点电压满足如下表达式：

56、

57、

58、式中，us0为定子电压故障瞬间电压，gl(s)为频域下线路阻抗的响应函数；

59、所述将无功补偿装置注入电流与并网点电压的传递函数模型，以及双馈风机输出电流与并网点电压的传递函数模型代入所述双馈风机暂态电压模型，以求解得到双馈风机短路电流，包括：

60、综合求解公式(14)，以得到并网点电压以及双馈风机的短路电流：

61、

62、

63、利用留数计算各个函数基上的系数ai以计算短路后无功补偿装置装备下的双馈风机短路电流的任一时刻的瞬时值。

64、通过上述技术方案，能实现以下有益效果：

65、本发明提出的快速无功补偿装置装备下的双馈风机短路电流计算方法，建立了含无功补偿装置的双馈风机暂态电压模型，该暂态电压模型能够准确反映并网点电压受无功补偿装置注入电流影响的暂态特性；同时该暂态电压模型提出了包含线路阻抗及无功补偿装置等效阻抗的双馈风机定子侧扩充阻抗，从而修正了由线路阻抗和无功补偿装置导致的双馈风机短路电流的特征频率偏移，从而提高了参杂无功补偿装置的双馈风机短路电流计算精度。