[发明专利]一种双馈风电机组超速脱网临界时间的计算方法

摘要

本发明是一种双馈风电机组超速脱网临界时间的计算方法，其特点是：本文从建立DFIG受扰后机电暂态数学模型入手，分析了DFIG初始运行条件、扰动强度以及Crowbar保护动作等因素在机电暂态中的作用，推导了DFIG机组达到超速保护动作的条件，并且用所提出的方法通过对某风电场风电机群脱网实例的分析，根据所计算的各机组转子加速至超速保护动作定值的时间，正确识别了超速保护动作的风电机组。该方法计算简单，具有计算快速、评价精度高、应用价值高、在线应用前景大等优点。

主权项

一种双馈风电机组超速脱网临界时间的计算方法，其特征在于，它包括以下步骤：1).建立DFIG机电暂态数学模型DFIG转子运动方程为：$\frac{{\mathrm{d\&omega;}}_r}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_N}{T_j}(T_m^{*}-T_e^{*})---\left(1\right)$$\left\{\begin{array}{c}{T^{*}}_m={P^{*}}_m/{{\mathrm{\&Omega;}}^{*}}_r\\ {T^{*}}_e={T^{*}}_{\mathrm{es}}-{T^{*}}_{\mathrm{er}}\end{array}\right.---\left(2\right)$式(1)和(2)中：上标*表示标幺值；ω_r为转子电气角速度；Ω_r为转子机械角速度；ω₁为同步角速度；ω_N为电网角频率；P_m为机械功率；T_j为惯性时间常数，T_m为机械转矩；T_e为电磁转矩，由同步转矩分量T_es和异步转矩分量T_er构成，若Crowbar保护动作，转子绕组经电阻R_cb短路，DFIG进入异步电机运行状态，此时电磁转矩平均值T_eav为：$T_{\mathrm{eav}}=\frac{{3\mathrm{pU}}_1^2\&times;(R_r+R_{\mathrm{cb}})/s}{2\mathrm{\&pi;}{f}_N[{(R_s+(R_r+R_{\mathrm{cb}})/s)}^2+{(X_s+X_r)}^2]}---\left(3\right)$式(3)中：p为极对数，U₁为定子相电压有效值；s＝(ω₁－ω_r)/ω₁为转差率；f_N为电网频率；R_s为定子绕组电阻；R_r为转子绕组电阻；X_s为定子绕组漏抗；X_r为转子绕组漏抗；R_cb为Crowbar保护电阻，通常取值为0.6p.u.～1.5p.u.，当电网发生不对称故障时，由于DFIG定子绕组中性点不接地，定子电压只存在正序分量和负序分量，无零序分量，故障导致的电压正序分量降低会使T_eav减小，引起转子加速；电压的负序分量使电磁转矩中出现2倍频分量，但对T_eav影响很小，分析不对称故障时，用定子电压正序分量有效值替代式(3)中U₁，式(3)表明：电网扰动导致的电压跌落越深，电磁转矩平均值T_eav下降幅度越大；2).Crowbar保护动作引起的转子转速变化正常运行的双馈风电机组可分为超同步和亚同步两种运行状态，超同步为发电机角速度大于于旋转磁场角速度，亚同步即为发电机角速度小于旋转磁场角速度，当双馈风电机组处于超同步运行状态时，距超速保护定值ω_rlim裕度较低，受电网故障扰动后更容易触发超速保护动作，由于所分析的过程时间较短，<1s，再考虑到风力机的惯性较大，可假设T_m在受扰后的暂态过程中保持不变，受扰前，T_m与T_e相等，转子转速保持不变，受扰后，定子电压正序分量降低，引起T_eav发生跳变；3).转子加速至超速保护动作的时间Tcr由任何初态ω_r0开始，Crowbar保护动作后转子转速随时间的变化可由以下积分式表示，${\mathrm{\&omega;}}_r\left(t\right)={\mathrm{\&omega;}}_{r0}+\frac{{\mathrm{\&omega;}}_N}{T_j}{\&Integral;}_0^t(T_m^{*}-T_{\mathrm{eav}}{\left(u\right)}^{*})\mathrm{du}---\left(4\right)$当ω_r达到超速保护定值ω_rlim时，对应的时间即为转子加速至超速保护动作的时间T_cr，于是有：${\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{rlim}}={\mathrm{\&omega;}}_{r0}+\frac{{\mathrm{\&omega;}}_N}{T_j}{\&Integral;}_0^{T_{\mathrm{cr}}}(T_m^{*}-T_{\mathrm{eav}}{\left(t\right)}^{*})\mathrm{dt}---\left(5\right)$式(5)表明：Crowbar动作后电磁转矩的平均值T_eav越小，T_cr越小；机组的初始转速ω_r0越大，T_cr也越小，考虑到在Crowbar保护动作的短暂过程中T_eav(t)^*变化不大，设为常数T_eav^*，则转子加速至超速保护动作的时间T_cr近似表达为：$T_{\mathrm{cr}}=\frac{T_j({\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{rlim}}-{\mathrm{\&omega;}}_{r0})}{{\mathrm{\&omega;}}_N(T_m^{*}-{T_{\mathrm{eav}}}^{*})}---\left(6\right).$