高渗透率风电机故障特性等值仿真方法

技术领域

本发明涉及的是一种配电网故障检测领域的技术，具体是一种高渗透率风电机故障特性等值仿真方法。

背景技术

随着可再生能源发电量的增加，负荷和分布式电源的特性对配电网络特性起主导作用，在含高渗透率风电场的电力系统发生故障时，没必要也难以对每台机组进行详细的建模分析，因此需要考虑高渗透率分布式电源的等值方法，来降低配电网的故障分析复杂度。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种高渗透率风电机故障特性等值仿真方法，通过构造DFIG的故障电流模型，利用PSCAD搭建含故障电流模型的配电网络仿真系统，为分析高渗透率风电机组的故障特性提供了理论基础。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种高渗透率风电机故障特性等值仿真方法，分别构造单台DFIG、多台DFIG的故障电流模型，然后分别搭建含单台或多台DFIG的配电网络仿真系统以进行故障仿真。

所述的故障电流模型，通过以下方式实现：针对单台DFIG的电压磁链的关系，构造包含定子侧磁链和转子侧磁链的单台DFIG故障电流模型；对于同母线接入的多台DFIG，利用多个单台DFIG故障电流模型叠加得到等值后的DFIG的故障特性；对于异地接入的多台DFIG，利用配电网中不同母线的电气量关系，将接入于不同母线的DFIG故障电流模型等值为接入于其中某一母线的单台DFIG的故障电流模型。

所述的单台DFIG故障电流模型，具体包括：

1)定子侧磁链：故障后的定子磁链的稳态分量为：

2)转子侧磁链：转子磁链为一个衰减的以转子转速旋转的分量和一个稳定的以定子转速旋转的分量：

3)定子短路电流：

所述的双馈电机参数包括：额定容量S，定子电阻R

所述的对于同母线接入的多台DFIG，多个单台DFIG的故障电流模型叠加得到等值后的DFIG的故障特性是指：当同母线接入的两台DFIG且配电网发生故障时，将两台风机DFIG1和DFIG2的故障电流模型等值为单台DFIG故障电流模型，等值后的DFIG故障电流模型为：

当同母线接入三台以上DFIG时，考虑在配电网络发生故障时，将DFIG1、DFIG2、···、DFIGn的故障电流模型等值为单台DFIG故障电流模型，其中DFIG的故障电流模型只需要将对应的n台风机的故障电流模型进行叠加即可：

所述的将接入于不同母线的DFIG的故障电流模型等值为接入于其中某一母线的单台DFIG故障电流模型是指：在配电网发生故障时，利用配电网中不同母线的电气量关系，将接入不同母线的DFIG故障电流模型进行等值，将其等值为接入某母线的单台DFIG的故障电流模型，具体包括：

DFIG1的故障电流

经过变压器后，DFIG1输出的电流乘以变比k

DFIG1的故障电流经过变压器T1后为：

实际中，由于变压器T1的存在，母线B和母线F的电压在折算到同一电压等级后可能依旧存在压降与相角差，在配电网中，由于风机容量比较小，风机的阻抗比较大，相对来说，变压器的阻抗比较小，因此可以进行忽略。

DFIG2的故障电流经过变压器T2之后，转化为受母线D的电压

考虑用母线B的电压

对于母线B的电压

利用K

技术效果

本发明将同一母线或不同母线上的DFIG故障电流模型进行等值，等效为单台DFIG故障电流模型，降低了含高渗透率DG的配电网故障分析的复杂度的同时，通过分析双馈异步风力发电机电压磁链的关系，分别研究其定子侧磁链与转子侧磁链，进而得到单台DFIG的故障电流的表达式；对于同母线接入的多台DFIG，直接利用多台DFIG的故障电流叠加得到等值后的DFIG的故障电流模型；对于异地接入的多台DFIG，利用配电网中不同母线的电气量关系，将接入于不同母线的DFIG的故障电流等值为接入于其中某一母线的单台DFIG的故障电流模型，从而显著提高了仿真效率和准确率。

附图说明

图1为异地接入DFIG时故障电流等值方法的流程图；

图2为含两个DFIG接入的配电网络示意图；

图3为同母线多DFIG等值后的配电网络示意图；

图4为含n个DFIG接入的配电网络示意图；

图5为含两个DFIG异地接入的配电网络示意图；

图6为异地接入的DFIG等值后的配电网络示意图；

图7为含DFIG的简单配电网络示意图；

图8为发生不同程度电压跌落下的DFIG故障特性示意图；

图9为不同容量的DFIG的故障特性示意图；

图10为同母线接入等容量多DFIG的等值故障特性示意图；

图11为同母线接入不等容量多DFIG的等值故障特性示意图；

图12为线路DB长度不同时等值故障特性示意图；

图13为DFIG的容量和阻抗参数不同时的等值故障特性示意图。

具体实施方式

经过具体实际实验，如图1所示，为本实施例涉及的一种考虑DFIG异地接入的等值方法，包括：

步骤1)输入DFIG1和DFIG2的风机参数，包括转子转速ω

步骤2)计算得到配电网络正常运行时的风机并网母线的电压相角，对应的是DFIG1的并网母线F的电压相角θ

步骤3)配电网络发生故障后，输入等值后的DFIG的并网母线电压，也即母线B的电压

步骤4)基于母线B的电压

步骤5)基于母线B的电压

步骤6)利用母线D的电压跌落程度K

步骤7)将配电网故障后DFIG1的故障电流

如图2所示，为含两个DFIG接入的配电网络，其中M为交流大电源，DFIG1和DFIG2均接入于母线F，并通过变压器T接入母线B。

如图3所示，为等值后的配电网络：当图2所示配电网发生故障时，将DFIG1和DFIG2的故障电流模型等值为单台DFIG的故障电流模型，得到图3所示配电网络。

如图4所示，为当同一母线接入n台DFIG时的配电网络。在配电网络发生故障时，可以考虑将DFIG1、DFIG2、···、DFIGn的故障电流模型等值为单台DFIG的故障电流模型，即可以表示为图3所示结构。

如图5所示配电网络，其中M表示传统交流大电源，DFIG1的并网母线为母线F，经过变压器T1接入母线B，而DFIG2的并网母线为母线E，经变压器T2接入母线D，之后经过馈线DB接入母线B。

如图6所示，为针对图5中的DFIG1和DFIG2的故障电流模型，将其等值为接入母线B的单台DFIG的故障电流模型的配电网络。

如图7所示，为利用PSCAD所搭建的含DFIG的简单配电网络，其中M为交流大电源，DFIG1为双馈异步风力发电机，并网点为母线F，之后经过变压器T接入母线B。线路AB长度为5km。针对配电网中发生三相接地故障时，母线F发生不同程度电压跌落以及DFIG1容量不同的情况进行仿真，验证DFIG的故障特性。配电网仿真模型相关阻抗参数如表1所示。

表1系统仿真模型相关阻抗参数

1)DFIG接入母线电压发生不同程度跌落的仿真分析：

搭建DFIG1模型，设定额定容量为2MW。在母线C处发生三相接地故障，通过设置不同的线路BC的长度，实现DFIG1并网母线F出现不同程度的电压跌落。线路BC的长度与母线F的电压跌落程度关系如表2所示，其中随着线路BC的增长，母线F的电压跌落程度变小。

表2为线路BC长度和母线F电压跌落程度的对应关系

如图8所示，为模拟配电网中母线C发生三相接地故障时，DFIG1输出A相故障电流仿真值与计算值的比较曲线(额定电压等级为0.69kV)，其中虚线为理论计算值，实线为PSCAD仿真值。改变线路BC的长度，仿真值与理论计算值都比较接近，且变化趋势也比较一致。

在故障初期，DFIG1的故障电流包含直流衰减分量、工频分量和以转子转速旋转的衰减非工频分量，故障电流相比工作电流较大，之后幅值逐渐衰减。计算值在故障发生第一个周波的幅值相比仿真值略大，这部分与以转子转速旋转的衰减非工频分量有关。在达到稳态时，计算值与仿真值的相位基本一致，幅值也基本一致，存在较小的误差，误差主要来源于与阻抗计算时对小电阻的忽略。总体来说，仿真值与理论值较为吻合，验证了定子电流i

2)DFIG容量不同时等值故障特性的仿真分析：

利用PSCAD搭建如图7所示含DFIG的配电网络，固定线路BC长度为10km，设定DFIG1不同容量作为对照，仿真验证DFIG1的故障特性。

如图9所示，DFIG1的容量分别取1MW、2MW、4MW、8MW，实线为配电网发生故障时DFIG1输出的A相电流的PSCAD仿真值，虚线为对应的利用定子电流i

同母线接入多DFIG仿真分析：

1)等容量多DFIG接入的仿真分析：

利用PSCAD仿真软件搭建图4所示含n台DFIG的配电网络，分别取n为2、3、4的情况进行仿真验证，每台DFIG的容量为2MW，并设置一组n为2，容量为4MW的仿真作为对比，其中线路AB长度为5km，线路BC长度为10km，母线C处发生三相接地故障，系统相关阻抗参数见表1。

配电网发生故障后，DFIG的等值模型故障电流的A相仿真值与计算值如图10所示，其中虚线为基于公式的理论计算值，实线为PSCAD仿真值。图(a)对应的系统为含2台容量为2MW的DFIG的配电网络；图(b)对应的系统为含2台容量为4MW的DFIG的配电网络；图(c)对应的系统为含3台容量为2MW的DFIG的配电网络；图(d)对应的系统为含4台容量为2MW的DFIG的配电网络。

如图10所示，(a)(b)(c)(d)四种情况下，理论计算值与仿真值都较为接近，其中在故障后第一个周波理论计算值会比仿真大，且随着DFIG数量的增多，误差会增大，主要是由于单台DFIG的计算值与仿真值存在误差，叠加时误差也会随着叠加导致误差变大而导致的。总的来说，仿真验证了公式

2)不等容量多DFIG接入的仿真分析：

利用PSCAD搭建如图4所示的含n台DFIG的配电网络的仿真系统，其中线路AB长度为5km，线路BC长度为10km，母线C处发生三相接地故障，线路相关阻抗见表1。设置四个对照组：(a)含2台DFIG。容量分别为2MW和4MW，风机参数均按表1设置；(b)含4台DFIG。容量分别为1MW、2MW、3MW和4MW，风机参数均按表1设置；(c)含2台DFIG。第一台容量为2MW，风机参数按表3设置。第二台容量为4MW，风机参数按表1设置；(d)含4台DFIG。第一台容量为1MW，风机参数按表1设置。第二台容量为2MW，风机参数按表3设置。第三台容量为3MW，风机参数按表1设置。第四台为4MW，风机参数按表3设置。

表3为第二组DFIG阻抗参数

如图11所示，为仿真结果，其中虚线为公式计算得到的DFIG等值模型故障电流的A相分量，实线为PSCAD对应的仿真值，其中在(a)n＝2，容量分别为2、4MW，风机阻抗参数相同，(b)n＝4，容量分别为1、2、3、4MW，风机阻抗参数相同，(c)n＝2，容量分别为2、4MW，风机阻抗参数不同，(d)n＝4，容量分别为1、2、3、4MW，风机阻抗参数不同四种情况下，计算值的第一个周波稍大于仿真值，且DFIG个数越多，误差越大。总的来说，仿真值与理论计算值基本一致，验证了公式

异地接入多DFIG仿真分析：

1)DFIG异地接入线路长度不同的仿真分析：

利用PSCAD搭建如图5所示含两台DFIG异地接入的配电网络，其中DFIG2经变压器接入母线D后经线路DB接入母线B，其中DFIG1和DFIG2的容量均为2MW，线路AB长度为5km，线路BC长度为10km，母线C处发生三相接地故障，系统相关阻抗参数见表1。改变线路DB长度，来验证异地接入DFIG故障电流等值方法的准确性。

表4为母线D的电压跌落程度的仿真值和K

表4为母线D的电压跌落程度K

如图12所示，为多DFIG异地接入的配电网中，线路DB长度不同时，利用本发明的故障特性等值方法计算得到的DFIG的等效故障特性与PSCAD的仿真值，其中虚线为理论计算值，实线为PSCAD仿真值。在故障后的第一个周波，理论计算值相比仿真值较大，之后则较为接近。总的来说，计算值与仿真值较为一致，幅值与相位也基本相同。

2)不等容量多DFIG异地接入的仿真分析：

利用PSCAD搭建如图5所示含两台DFIG异地接入的配电网络，其中DFIG2经变压器接入母线D后经线路DB接入母线B，其中线路AB长度为5km，线路BC长度为10km，线路DB长度为10km，母线C处发生三相接地故障，系统阻抗参数见表1。DFIG1的容量为2MW，阻抗参数见表1。分别设置DFIG2的不同容量以及不同阻抗参数共四个对照组来验证多DFIG异地接入的故障特性等值方法的有效性：

(a)DFIG2容量为2MW，阻抗参数按表1设置，DFIG1和DFIG2容量相同，阻抗参数相同；(b)DFIG2容量为4MW，阻抗参数按表1设置，DFIG1和DFIG2容量不同，阻抗参数相同；(c)DFIG2容量为2MW，阻抗参数按表3设置，DFIG1和DFIG2容量相同，阻抗参数不同；(d)DFIG2容量为4MW，阻抗参数按表3设置，DFIG1和DFIG2容量不同，阻抗参数不同。

如图12所示，为DFIG的容量和阻抗参数不同时的等值故障特性图，其中虚线为基于本发明提出的等值方法计算得到的理论计算值，实线为PSCAD的仿真值。可以看出，无论DFIG1和DFIG2的容量与阻抗是否存在差异，理论计算值与仿真值都较为接近，其中在故障后第一个周波，计算值比仿真值略大，之后计算值与仿真值较为接近。总的来说，仿真验证了本发明提出的多DFIG异地接入的故障电流等值方法的准确性和有效性。

与现有技术相比，本方法结合配电网中的电气量的关系与单台风机的故障特性，研究适用于不同接入情况的多台风机的故障电流等值方法，本方法降低了复杂配电网络的计算难度，提高了配电网故障电流计算的准确度，有利于含有大量DFIG的配电网的故障分析，为DFIG渗透率较高的配电网提供了继电保护研究的理论基础。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。