混合风电场输出工频短路电流计算方法

摘要

本发明公开了一种混合风电场输出工频短路电流计算方法，首先将混合风电场各机组的故障过程分为故障瞬间和故障持续两个阶段；在故障瞬间，建立故障穿越控制启动前的混合风电场故障工频等效电路，求解获得故障瞬间各机组机端电压，从而确定各机组故障穿越控制；在故障持续阶段，根据各机组故障穿越控制，利用修正表达式计算每台双馈风电机组的工频短路电流，根据直驱风电机组故障电流定值计算混合风电场输出的工频短路电流。本方法能够提高大容量混合风电场短路电流计算的准确性，可以进一步用于大规模新能源电力系统的暂态分析、故障保护和控制的研究和实施。

权利要求

1.混合风电场输出工频短路电流计算方法，其特征在于：首先将混合风电场各机组的故障过程分为故障瞬间和故障持续两个阶段；在故障瞬间，建立故障穿越控制启动前的混合风电场故障工频等效电路，通过电路求解获得故障瞬间各机组机端电压，从而确定各机组故障穿越控制；在故障持续阶段，根据各机组故障穿越控制，利用修正表达式计算每台双馈风电机组的工频短路电流，根据直驱风电机组故障电流定值计算混合风电场输出的工频短路电流；

具体计算步骤包括：

1)根据双馈风电机组和直驱风电机组参数和故障前机组的运行状态，计算双馈风电机组和直驱风电机组稳态运行时的功率参考值矢量 和其中Psref_D、Qsref_D分别为双馈风电机组稳态运行时有功功率参考值和无功功率参考值；

其中Psref_P、Qsref_P分别为直驱风电机组稳态运行时有功功率参考值和无功功率参考值；

2)故障穿越控制启动前的双馈风电机组和直驱风电机组等值模型分别为其中，上标*表示功率参考值矢量的共轭；

uf|0|：故障瞬间双馈风电机组和直驱风电机组的机端电压矢量；

if|0|_D：故障瞬间双馈风电机组输出的短路电流矢量；

if|0|_P：故障瞬间直驱风电机组输出的短路电流矢量；

根据上述等值模型建立故障瞬间的风电场等效电路并与电网故障等效电路相连形成混合风电场故障工频等效电路，通过电路求解获得故障瞬间的风电机组机端电压uf|0|；

3)根据故障瞬间的机端电压uf|0|，判断风电场中双馈风电机组转子保护动作情况；当|uf|0||＜|uop|时不会发生转子过流或直流母线过压，不启动转子保护；当|uf|0||≥|uop|将发生转子过流或直流母线过压，启动转子保护；其中，uop为双馈风电机组转子保护启动的机端电压阈值矢量；

根据故障瞬间的机端电压uf|0|，计算直驱风电机组故障穿越控制的有功和无功电流，计算公式为ifrd_P：直驱风电机组在故障穿越控制启动后的有功电流；

ifrq_P：直驱风电机组在故障穿越控制启动后的无功电流；

i0d_P：直驱风电机组在稳态运行时有功电流；

imax_P：直驱风电机组网侧变流器输出电流最大允许值；

4)根据并联风电机组数量，利用双馈风电机组工频短路电流的修正表达式，计算风电场中任一双馈风电机组的工频短路电流；

对于采用转子保护的故障穿越控制的双馈风电机组，工频短路电流的修正表达式为：对于采用无功输出的故障穿越控制的双馈风电机组，工频短路电流的修正表达式为：mD：双馈风电机组数量；

mP：直驱风电机组数量；

ifr_D：混合风电场中任意一台双馈风电机组采用转子保护的故障穿越控制时输出工频短路电流矢量；

ifr_P：直驱风电机组在故障穿越控制启动后的工频短路电流矢量；ifr_P＝ifrd_P+jifrq_P；

ifnr_D：混合风电场中任意一台双馈风电机组采用无功输出的故障穿越控制时输出工频短路电流矢量；

其中，ZD＝jXT-Ze，ZG＝Zg+Ztl，复合电压 为：采用无功输出的故障穿越控制的双馈风力发电机组功率参考值矢量，其中Pfref_D、Qfref_D分别为双馈风电机组采用无功输出的故障穿越控制时的有功功率参考值和无功功率参考值；

eg：无穷大电源电压矢量；

Zg：无穷大电源内阻抗；

Ztl：输电线阻抗；

XT：风电机组升压变等效电抗；

Zf：故障点过渡阻抗；

Ze：双馈风电机组在采用转子保护的故障穿越控制时的暂态工频等效阻抗，具体表达式为 其中Ls_D、Lr_D分别为定、转子电感，Rrc_D＝Rr_D+Rc_D为转子电阻Rr_D和转子保护电阻Rc_D之和，ωs同步转速，ωp＝ωs-ωr为转差速，ωr为转子转速；j为虚数单位；σ为双馈风电机组的漏磁系数， Ls、Lr、Lm分别为双馈风电机组的定子等效电感、转子等效电感和激磁电感；

5)根据双馈风电机组修正后的工频短路电流和直驱风电机组故障穿越控制的电流定值，计算混合风电场输出的工频短路电流ihwf，计算公式为

说明书

混合风电场输出工频短路电流计算方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电力系统故障分析和短路计算，具体指一种双馈风电机组和直驱风电机组组成的混合风电场输出工频短路电流的计算方法，属于电力系统分析领域。

背景技术

[0002] 风力发电是我国发展可再生能源的主要电源之一，被认为是传统化石能源发电的有效替代方式。目前，风力发电装机容量年增长率超过20％，在部分区域电网中，其装机容量已超过系统电源总容量的20％，风力发电正逐渐发展为电网中的主流电源。双馈风电机组和直驱风电机组是当前风力发电的主流机型，与传统定速风电机组相比，双馈风电机组和直驱风电机组采用电力电子装置进行控制，有更宽的调速范围、更高的能量转换效率、控制方式更灵活等优点。

[0003] 双馈风电机组主要由绕线式异步发电机与背靠背变流器构成，定子绕组直接连接电网，转子绕组通过变流器连接电网。稳定运行时，转子侧变流器用以控制机组有功功率和无功功率，有功功率参考值通过最大风能跟踪方式给定，无功功率参考值一般设置为0以实现单位功率运行。网侧变流器用以控制直流母线电压稳定。电网发生故障后，机端电压低于阈值时发出转子保护动作指令，保障机组安全，此时机组失去励磁，相当于转子绕组接入大电阻的常规异步发电机。若机端电压高于阈值，转子保护不动作，此时转子侧变流器保持控制作用，呈现出更复杂的暂态特征。

[0004] 直驱风电机组主要由永磁同步发电机与背靠背变流器构成，定子绕组通过变流器连接电网。其变流器稳态控制方式与双馈风电机组类似，但在电网发生故障时，由于通过全功率变流器并网，其故障暂态特性由网侧变流器决定。风电并网标准GT/T19963-2011规定，在电网发生三相短路使得风电机组接入点电压跌落至20％～90％额定电压时，风电场应提供动态无功电流以支撑电网电压。此时直驱风电机组桨距角控制系统和机侧变流器需调整原动机功率输入，网侧变流器控制器需闭锁外环按照并网标准的无功电流要求给定参考值，从而实现暂态无功功率的输出。

[0005] 短路电流的准确计算是电力系统保护和安全控制的基础。电网故障下风电场的等值采用容量加权方式，即认为风电场中同类型的每台机组的故障特征完全一致，风电场送出的短路电流等于每台机组单独运行时短路电流之和。但是，对于双馈和直驱等变速风电机组，由于风电场中各机组初始工况、低穿方式、控制器参考值以及控制器暂态跟踪性能等的不同，风电场中各机组的输出并不相同，加权方式的等值势必存在误差，影响风电场整体故障输出的准确评价。特别是对于混合式风电场，不仅存在同类型机组的相互作用，某一机组还面临着暂态输出特性完全不同的机组间的相互作用，造成风电场输出短路电流较单个机组短路电流的变异增加。目前，在双馈风电机组或直驱风电机组单机并网运行的短路电流分析与计算方面，已有较多研究和工程实践。但是对于多机并联运行下混合风电场整体暂态特征的分析还未考虑机组相互作用造成的单机暂态特征变化，还不能准确计算和评估风电场输出的工频短路电流，从而制约了电力系统规划设计、故障保护和安全控制等的研究和实施。

发明内容

[0006] 针对混合风电场短路电流计算尚未计及多机相互影响的情况，本发明提出一种考虑双馈风电机组与直驱风电机组相互影响的混合风电场工频短路电流计算方法。本方法考虑了双馈风电机组转子保护是否动作和直驱风电机组无功电流参考值不同等故障穿越控制，能够计及并联双馈风电机组和直驱风电机组对任意一台双馈风电机组工频短路电流的影响，可用于计算电网对称短路下混合风电场输出的工频短路电流，从而提高大容量混合风电场短路电流计算的准确性。

[0007] 本发明的技术方案是这样实现的：

[0008] 混合风电场输出工频短路电流计算方法，其特征在于：首先将混合风电场各机组的故障过程分为故障瞬间和故障持续两个阶段；在故障瞬间，建立故障穿越控制启动前的混合风电场故障工频等效电路，通过电路求解获得故障瞬间各机组机端电压，从而确定各机组故障穿越控制；在故障持续阶段，根据各机组故障穿越控制，利用修正表达式计算每台双馈风电机组的工频短路电流，根据直驱风电机组故障电流定值计算混合风电场输出的工频短路电流。

[0009] 具体计算步骤包括：

[0010] 1)根据双馈风电机组和直驱风电机组参数和故障前机组的运行状态，计算双馈风电机组和直驱风电机组稳态运行时的功率参考值矢量 和

[0011] 其中Psref_D、Qsref_D分别为双馈风电机组稳态运行时有功功率参考值和无功功率参考值；

[0012] 其中Psref_P、Qsref_P分别为直驱风电机组稳态运行时有功功率参考值和无功功率参考值；

[0013] 2)故障穿越控制启动前的双馈风电机组和直驱风电机组等值模型分别为[0014]

[0015]

[0016] 其中，上标*表示功率参考值矢量的共轭；

[0017] uf|0|：故障瞬间双馈风电机组和直驱风电机组的机端电压矢量；

[0018] if|0|_D：故障瞬间双馈风电机组输出的短路电流矢量；

[0019] if|0|_P：故障瞬间直驱风电机组输出的短路电流矢量；

[0020] 根据上述等值模型建立故障瞬间的风电场等效电路并与电网故障等效电路相连形成混合风电场故障工频等效电路，通过电路求解获得故障瞬间的风电机组机端电压uf|0|；

[0021] 3)根据故障瞬间的机端电压uf|0|，判断风电场中双馈风电机组转子保护动作情况；当|uf|0||＜|uop|时不会发生转子过流或直流母线过压，不启动转子保护；当|uf|0||≥|uop|将发生转子过流或直流母线过压，启动转子保护；其中，uop为双馈风电机组转子保护启动的机端电压阈值矢量；

[0022] 根据故障瞬间的机端电压uf|0|，计算直驱风电机组故障穿越控制的有功和无功电流，计算公式为

[0023]

[0024] ifrd_P：直驱风电机组在故障穿越控制启动后的有功电流；

[0025] ifrq_P：直驱风电机组在故障穿越控制启动后的无功电流；

[0026] i0d_P：直驱风电机组在稳态运行时有功电流；

[0027] imax_P：直驱风电机组网侧变流器输出电流最大允许值；

[0028] 4)根据并联风电机组数量，利用双馈风电机组工频短路电流的修正表达式，计算风电场中任一双馈风电机组的工频短路电流；

[0029] 对于采用转子保护的故障穿越控制的双馈风电机组，工频短路电流的修正表达式为：

[0030]

[0031] 对于采用无功输出的故障穿越控制的双馈风电机组，工频短路电流的修正表达式为：

[0032]

[0033] mD：双馈风电机组数量；

[0034] mP：直驱风电机组数量；

[0035] ifr_D：混合风电场中任意一台双馈风电机组采用转子保护的故障穿越控制时输出工频短路电流矢量；

[0036] ifr_P：直驱风电机组在故障穿越控制启动后的工频短路电流矢量；ifr_P＝ifrd_P+jifrq_P；

[0037] ifnr_D：混合风电场中任意一台双馈风电机组采用无功输出的故障穿越控制时输出工频短路电流矢量；

[0038] 其中，ZD＝jXT-Ze，ZG＝Zg+Ztl，复合电压 为：

[0039]

[0040] 采用无功输出的故障穿越控制的双馈风力发电机组功率参考值矢量，其中Pfref_D、Qfref_D分别为双馈风电机组采用无功输出的故障穿越控制时的有功功率参考值和无功功率参考值；

[0041] eg：无穷大电源电压矢量；

[0042] Zg：无穷大电源内阻抗；

[0043] Ztl：输电线阻抗；

[0044] XT：风电机组升压变等效电抗；

[0045] Zf：故障点过渡阻抗；

[0046] Ze：双馈风电机组在采用转子保护的故障穿越控制时的暂态工频等效阻抗，具体表达式为 其中Ls_D、Lr_D分别为定、转子电感，Rrc_D＝Rr_D+Rc_D为转子电阻Rr_D和转子保护电阻Rc_D之和，ωs同步转速，ωp＝ωs-ωr为转差速，ωr为转子转速；j为虚数单位；σ为双馈风电机组的漏磁系数， Ls、Lr、Lm分别为双馈风电机组的定子等效电感、转子等效电感和激磁电感；

[0047] 5)根据双馈风电机组修正后的工频短路电流和直驱风电机组故障穿越控制的电流定值，计算混合风电场输出的工频短路电流ihwf，计算公式为

[0048]

[0049] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

[0050] 本发明提出一种考虑双馈风电机组与直驱风电机组相互影响的混合风电场工频短路电流计算方法。本方法针对电网故障下混合风电场中双馈风电机组和直驱风电机组暂态特征相互耦合的特点，考虑了并联双馈风电机组和直驱风电机组对任意一台双馈风电机组工频短路电流的影响，并提出在不同故障穿越控制下计及并联机组对双馈风电机组工频短路电流影响的混合风电场工频短路电流计算方法，能够提高大容量混合风电场短路电流计算的准确性，可以进一步用于大规模新能源电力系统的暂态分析、故障保护和控制的研究和实施。

附图说明

[0051] 图1-本发明混合风电场工频短路电流计算实施方式整体流程图。

[0052] 图2-含2台双馈风电机组和2台直驱风电机组的混合风电场并网系统图。

[0053] 图3-双馈风电机组工频等效电路图；其中(a)故障穿越控制启动前工频等效电路图；(b)故障穿越控制启动后(转子保护)工频等效电路图；(c)故障穿越控制启动后(无功输出)工频等效电路图。

[0054] 图4-直驱风电机组工频等效电路图，其中(a)故障穿越控制启动前工频等效电路图；(b)故障穿越控制启动后工频等效电路图。

[0055] 图5-故障穿越控制启动前的混合风电场并网系统工频等效电路图。

[0056] 图6-故障穿越控制启动后的混合风电场并网系统工频等效电路图，其中(a)双馈风电机组采用转子保护的故障穿越控制工频等效电路图；(b)双馈风电机组转子采用无功输出的故障穿越控制工频等效电路图。

具体实施方式

[0057] 本发明针对双馈风电机组和直驱风电机组组成的混合风电场，考虑了混合风电场中双馈风电机组与直驱风电机组之间的相互作用，根据投运的双馈风电机组和直驱风电机组的数量修正风电场内双馈风电机组输出的短路电流，通过修正后的单个风电机组短路电流求和，计算电网对称短路下混合风电场输出的工频短路电流，可以提高大容量混合风电场短路电流计算的准确性。

[0058] 具体地，本发明首先将混合风电场故障过程分为故障瞬间和故障持续两个阶段。在故障瞬间，建立故障穿越控制启动前的混合风电场故障计算工频等效电路，通过电路求解获得初始故障电压，从而确定机组的故障穿越控制。在故障持续阶段根据各机组故障穿越控制，利用修正表达式计算每台双馈风电机组的工频短路电流，根据直驱风电机组故障电流定值计算混合风电场输出的工频短路电流。总体流程图如附图1所示。下面以一个含2台双馈风电机组和2台直驱风电机组的混合风电场系统(如图2所示)来介绍应用本发明进行短路电流的计算，其具体步骤为：

[0059] 1、输入各机组参数和电力系统各元件参数

[0060] 需输入的双馈风电机组参数包括：额定容量，定、转子额定电压，定、转子电阻，定、转子漏感、激磁电感，转子保护电阻，转子保护启动电压，升压变压器正序电抗，当前运行风速；

[0061] 需输入的直驱风电机组参数包括：额定容量，定、转子额定电压，定、转子电阻，定、转子漏感、激磁电感，网侧变流器内环电流稳态参考值，升压变压器正序电抗，当前运行风速；

[0062] 输入的电力系统各参数包括：输电线路、变压器正序电抗、系统等效电抗、故障发生前的电网电压。

[0063] 2、设定短路位置和故障过渡电阻

[0064] 根据短路计算的需要选择短路位置，并设定故障过渡电阻。此处，以110kV母线发生三相短路，过渡阻抗等于Zf为例。

[0065] 3、建立故障穿越控制启动前的双馈风电机组和直驱风电机组的故障工频等值模型

[0066] 考虑双馈风电机组和直驱风电机组故障穿越启动时间的延迟，利用故障瞬间双馈风电机组和直驱风电机组功率控制定值建立系统等效电路，计算故障瞬间的风电机组机端电压。其中，故障穿越控制启动前双馈风电机组和直驱风电机组可以等效为电压控制电流源，其控制方程为：

[0067]

[0068]

[0069] 式中，上标*表示功率参考值矢量的共轭；uf|0|为各机组故障穿越控制启动前的机端电压； Psref_D、Qsref_D分别为各双馈风电机组稳态运行时有功功率参考值和无功功率参考值，if|0|_D为各双馈风电机组故障穿越控制启动前短路电流；Psref_P、Qsref_P分别为直驱风电机组稳态运行时有功功率参考值和无功功
率参考值，if|0|_P为各直驱风电机组故障穿越控制启动前短路电流。

[0070] 4、建立故障穿越控制启动前的混合风电场并网系统故障工频等效电路[0071] 将各双馈风电机组和直驱风电机组的故障工频等值模型与电网故障等值电路相连，可以建立故障穿越控制启动前的系统故障工频等效电路，如图5所示，其中ZG为无穷大电源等效阻抗Zg与输电线阻抗Ztl之和，XT各机组升压变等效电抗。

[0072] 5、计算故障穿越控制启动前的各机组机端故障电压

[0073] 根据边界条件：

[0074] Zf＝0时，|uf|0||＞0

[0075] 求解图5所示的等效电路，得到故障穿越控制控制启动前的各机组故障机端电压为：

[0076]

[0077] 6、建立故障穿越控制启动后的双馈风电机组和直驱风电机组故障工频等值模型[0078] 对于双馈风电机组，根据故障瞬间的机端电压uf|0|，判断风电场中双馈风电机组转子保护动作情况。当|uf|0||＜|uop|时不会发生转子过流或直流母线过压，转子保护动作；当|uf|0||≥|uop|将发生转子过流或直流母线过压，转子保护不动作。其中uop为双馈风电机组转子保护启动的机端电压阈值矢量。

[0079] 当双馈风电机组采用转子保护的故障穿越控制时，其定子工频短路电流可表示为[0080]

[0081] 当双馈风电机组采用无功输出的故障穿越控制时，其定子工频短路电流可表示为[0082]

[0083] 式中uf表示各机组故障穿越控制启动后的机端电压， 为双馈风电机组在转子保护动作下的暂态工频等效阻抗，其中Ls_D、Lr_D分别为定、转子电感，Rrc_D＝Rr_D+Rc_D为转子电阻Rr_D和转子保护电阻Rc_D之和，ωs同步转速，ωp＝ωs-ωr为转差速，ωr为转子转速；j为虚数单位；σ为双馈风电机组的漏磁系数， Ls、Lr、Lm分别为双馈风电机组的定子等效电感、转子等效电感和激磁电感。 为采用无功输出的故障穿越控制的双馈风力发电机组功率参考值矢量，即 其中Pfref_D、Qfref_D分别为双馈风电机组采用无功输出的故障穿越控制时的有功功率参考值和无功功率参考值；

[0084] 对于直驱风电机组，根据故障瞬间的机端电压uf|0|，计算直驱风电机组故障穿越控制控制的有功和无功电流，计算公式为

[0085]

[0086] 式中ifr_P＝ifrd_P+jifrq_P，ifrd_P、ifrq_P分别为直驱风电机组在故障穿越控制启动后的内环d、q轴电流，i0d_P为稳态运行时内环d轴电流，imax_P为网侧变流器输出电流最大允许值。

[0087] 7、建立故障穿越控制启动后的混合风电场并网系统故障工频等效电路[0088] 将故障穿越控制启动后的各双馈风电机组和直驱风电机组故障工频等值模型与电网故障工频等效电路相连，可以建立故障穿越控制启动后的混合风电场并网系统故障工频等效电路如附图6所示。

[0089] 8、计算混合风电场中任一双馈风电机组输出的工频短路电流

[0090] 根据并联风电机组数量，利用双馈风电机组短路电流的修正表达式，计算风电场中任一双馈风电机组的短路电流。根据双馈风电机组转子保护的动作情况分为两种情况：

[0091] 对于采用转子保护的故障穿越控制的双馈风电机组，工频短路电流的修正表达式为：

[0092]

[0093] 对于采用无功输出的故障穿越控制的双馈风电机组，工频短路电流的修正表达式为：

[0094]

[0095] 式中，ZD＝jXT-Ze，ZG＝Zg+Ztl，复合电压

[0096] 9、计算混合风电场整体输出的工频短路电流

[0097] 根据双馈风电机组修正后的短路电流和直驱风电机组故障穿越控制控制的电流定值，计算混合风电场输出的工频短路电流。根据双馈风电机组转子保护的动作情况分为两种情况：

[0098] 若混合风电场中各双馈风电机组采用转子保护的故障穿越控制，则混合风电场短路电流可表示为

[0099] ihwf＝2ifr_D+2ifr_P

[0100] 若混合风电场中各双馈风电机组采用无功输出的故障穿越控制，则混合风电场短路电流可表示为

[0101] ihwf＝2ifnr_D+2ifr_P

[0102] 图3是本发明双馈风电机组工频等效电路图；其中(a)为故障穿越控制启动前工频等效电路图；(b)为故障穿越控制启动后(转子保护)工频等效电路图；(c)为故障穿越控制启动后(无功输出)工频等效电路图。

[0103] 图4为直驱风电机组工频等效电路图，其中(a)为故障穿越控制启动前工频等效电路图；(b)为故障穿越控制启动后工频等效电路图。

[0104] 针对混合风电场短路电流计算尚未计及多机相互影响的情况，本发明提出一种考虑双馈风电机组与直驱风电机组相互影响的混合风电场工频短路电流计算方法。本方法考虑了双馈风电机组转子保护是否动作和直驱风电机组无功电流参考值不同等故障穿越控制，能够计及并联双馈风电机组和直驱风电机组对任意一台双馈风电机组工频短路电流的影响，可用于计算电网对称短路下混合风电场输出的工频短路电流，从而提高大容量混合风电场短路电流计算的准确性，可为大规模新能源电力系统的暂态分析、故障保护和控制的研究和实施提供分析计算方法。

[0105] 最后需要说明的是，本发明的上述实例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。