一种确定含双馈感应发电机三相短路电流的磁链解析方法

专利类型：发明专利

语言：中文

申请号：CN201410020446.0

申请日：20140115

发明人：周念成谢光莉王强钢罗艾青周川

申请人：重庆大学

申请人地址：400044 重庆市沙坪坝区沙正街174号

公开日：20160907

公开号：CN103698586B

代理人：穆祥维

代理机构：重庆博凯知识产权代理有限公司 50212

摘　　要：本发明公开一种确定含双馈感应发电机三相短路电流的磁链解析方法，分析了双馈感应发电机（DFIG）的电磁暂态模型和定、转子磁链的故障暂态特性，电网故障后DFIG定子磁链直流分量将在转子绕组感应出与转速方向相反的交流磁链，无法在三相定子坐标轴（静止坐标轴）中去描述，需将DFIG定子磁链强制分量归算至定子侧，定子磁链直流分量归算至转子侧形成静态等值电路，进而分析转子电阻对故障时定子磁链直流分量动态衰减及其与转子绕组感应过程的影响，推导了电网三相短路时DFIG定子短路电流的解析表达式。

主权项：一种确定含双馈感应发电机三相短路电流的磁链解析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：将双馈感应发电机定子磁链强制分量归算至定子侧，定子磁链直流分量归算至转子侧形成静态等值电路，从而推出转子磁链反向旋转暂态周期分量与定子磁链直流分量的衰减时间常数T_s，以及转子磁链直流分量衰减时间常数T_r；步骤二：利用静态等值电路，建立定、转子电流及磁链之间的关系，推导出电网三相短路时双馈感应发电机定子短路电流的解析式；步骤三：分析定子与转子磁链相关系数之间的关系，验证定子坐标下定、转子磁链衰减直流分量的相关系数可以用转子坐标下定、转子磁链衰减直流分量的相关系数代替；其中，所述步骤一的具体步骤为：将转子等效电路按频率归算至定子侧，对于定子磁链直流分量，将定子侧电量按频率归算至转子侧，可得定子磁链直流分量归算至转子坐标的静态等值电路，从定子侧等效阻抗可求得转子磁链反向旋转暂态周期分量与定子磁链直流分量的衰减时间常数T_s： $R_{s d} - {jω}_{r} L_{s d} = R_{e} + R_{s} - {jω}_{r} (L_{e} + L_{l s}) + \frac{- {jω}_{r} L_{m} (R_{r} - {jω}_{r} L_{l r})}{R_{r} - {jω}_{r} (L_{l r} + L_{m})} - - - (1)$ $T_{s} = \frac{L_{s d}}{R_{s d}} = \frac{L_{s} R_{r}^{2} + ω_{r}^{2} L_{r} (L_{s} L_{r} - L_{m}^{2})}{(R_{s} + R_{e}) R_{r}^{2} + ω_{r}^{2} L_{m}^{2} R_{r} + ω_{r}^{2} L_{r}^{2} (R_{s} + R_{e})} - - - (2)$ 式中：R_sd为从定子侧看的等效阻抗，j为复数符号，ω_r为转子电角速度，L_sd为从定子侧看的等效电感，R_e为双馈感应发电机至接入点间变压器及线路等效电阻，R_s为定子电阻，L_e为双馈感应发电机至接入点间变压器及线路等效电感，L_m为励磁电感，L_ls为定子漏电感，L_lr为转子漏电感，R_r为转子电阻，L_s＝L_ls+L_e+L_m，L_r＝L_lr+L_m；相对于定速感应发电机，双馈感应发电机转子电阻R_r很小，即与励磁电感相差100倍以上，则定子磁链直流分量衰减时间常数T_s＝(L_s?L_m²/L_r)/(R_s+R_e)；从转子侧等效阻抗为： $R_{r d} + {jω}_{r} L_{r d} = R_{r} + {jω}_{r} L_{l r} + \frac{{jω}_{r} L_{m} [(R_{s} + R_{e}) + {jω}_{r} (L_{l s} + L_{e})]}{R_{s} + R_{e} + {jω}_{r} (L_{l s} + L_{e} + L_{m})} - - - (3)$ 式中：R_rd为从转子侧看的等效阻抗，L_rd为从转子侧看的等效电感，由于通常情况下，定子电阻和接入变压器、线路的等效电阻R_s+R_e<<ω_r(L_ls+L_e)且L_s＝L_ls+L_e+L_m>>L_e，此时转子磁链直流分量衰减时间常数T_r可近似为： $T_{r} = \frac{L_{r d}}{R_{r d}} \approx \frac{L_{s} L_{r} - L_{m}^{2}}{L_{s} R_{r}} - - - (4);$ 所述步骤二的具体步骤为：发电机电压电流方向按电动机惯例，采用空间矢量法可得三相短路故障后定子坐标系下双馈感应发电机定子电压方程为： $u_{s}^{'} (t) = {\overset{\cdot}{U}}_{s}^{'} e^{j ω t} = R_{s} i_{s}^{'} (t) + \frac{d}{d t} ψ_{s}^{'} (t) - - - (5)$ 式中：u"_s(t)为故障后定子电压，i"_s(t)为故障后定子电流，ψ"_s(t)为故障后定子磁链强制分量的空间矢量，为故障后定子电压相量，e为自然幂数符号，t为运行时间，ω为同步电角速度，R_s为定子电阻；忽略定子电阻R_s，由式(5)可得故障后定子磁链强制分量的空间矢量设正常运行时双馈感应发电机端电压为电网故障后端电压阶跃变化至将故障前后电压代入式(5)得三相短路后双馈感应发电机定子磁链ψ_s短(t)为：再根据静态等值电路中定子侧的转子电流转子电流反向周期分量与定子侧的定子电流定子电流直流分量关系为： ${\overset{\cdot}{I}}_{r f} = \frac{- {jωL}_{m} {\overset{\cdot}{I}}_{s f}}{R_{r} / (1 - ω_{r} / ω) + {jωL}_{r}}, {\overset{\cdot}{I}}_{r d} = \frac{{jω}_{r} L_{m} {\overset{\cdot}{I}}_{s d}}{R_{r} - {jω}_{r} L_{r}} - - - (7)$ 结合ψ_s(t)＝L_si_s(t)+L_mi_r(t)和ψ_r(t)＝L_mi_s(t)+L_ri_r(t)得转子磁链强制分量ψ_rf(t)和转子磁链反向周期分量ψ_rd(t)为， $\begin{matrix} ψ_{r f} (t) = \frac{L_{m} R_{r} / (1 - ω_{r} / ω) \cdot ψ_{s f} (t)}{L_{s} R_{r} / (1 - ω_{r} / ω) + j ω (L_{s} L_{r} - L_{m}^{2})} = η_{f} (ω_{r}) ψ_{s f} (t) \\ ψ_{r d} (t) = \frac{L_{m} R_{r} \cdot ψ_{s d} (t)}{L_{s} R_{r} + {jω}_{r} (L_{m}^{2} - L_{s} L_{r})} = η_{d} (ω_{r}) ψ_{s d} (t) \end{matrix} - - - (8)$ 式中：i_s(t)为定子侧电流，i_r(t)为转子侧电流，ψ_r(t)为转子磁链，ψ_s(t)为定子磁链，ψ_sf(t)为定子磁链强制分量，ψ_sd(t)为定子磁链直流分量，设故障时双馈感应发电机初始转速为ω_r0，根据转子磁链守恒，可得三相短路后定子坐标下转子磁链ψ_r短(t)为，式中：η_f为定子坐标下转子磁链强制分量与定子磁链强制分量的相关系数，η_d为转子坐标下转子磁链反向周期分量与定子磁链直流分量的相关系数；再由双馈感应发电机定子磁链、转子磁链与电流关系有i_s(t)＝[L_rψ_s(t)?L_mψ_r(t)]/(L_sL_r?L_m²)，将式(6)和式(9)代入可得双馈感应发电机的定子短路电流i_s短(t)表达式为，式中：A₁为同步频率周期分量的幅值，A₂为转子频率周期分量的幅值，A₃为直流分量的幅值，为同步频率周期分量的相位，为转子频率周期分量的相位，为直流分量的相位；所述步骤三的具体步骤为：定子磁链的衰减直流分量分解成若干个频率ω_d接近于0的低频分量，0<ω_d<<ω，则对于定子磁链频率分量ω_d归算至定子侧等值电路与所述步骤一中定子磁链强制分量归算至定子侧的静态等值电路类似，将定子磁链直流分量归算至定子侧形成的静态等值电路中ω替换为ω_d，转差s替换为1?ω_r/ω_d，据此可得，归算至定子侧的转子电流反向周期分量与定子电流直流分量关系为： ${\overset{\cdot}{I}}_{r d} = \frac{- {jω}_{d} L_{m} - {\overset{\cdot}{I}}_{s d}}{R_{r} / (1 - ω_{r} / ω_{d}) + {jω}_{d} L_{r}} - - - (11)$ 再由ψ_s(t)＝L_si_s(t)+L_mi_r(t)和ψ_r(t)＝L_mi_s(t)+L_ri_r(t)可得，定子坐标下定子磁链直流分量与转子磁链反向周期分量的相关系数为： $\frac{ψ_{r d} (t)}{ψ_{s d} (t)} = \frac{L_{m} R_{r} / (1 - ω_{r} / ω_{d})}{L_{s} R_{r} / (1 - ω_{r} / ω_{d}) + {jω}_{d} (L_{s} L_{r} - L_{m}^{2})} = \frac{L_{m} R_{r}}{L_{s} R_{r} + j (ω_{d} - ω_{r}) (L_{s} L_{r} - L_{m}^{2})} - - - (12)$ 式中：ψ_rd(t)为转子磁链反向周期分量，ψ_sd(t)为定子磁链直流分量；当ω_d趋近于0时定子坐标系下两者的相关系数，与式(8)中其在转子坐标系下的情况相等即为： $\frac{ψ_{r d} (t)}{ψ_{s d} (t)} = \frac{L_{m} R_{r}}{L_{s} R_{r} + {jω}_{r} (L_{m}^{2} - L_{s} L_{r})} = η_{d} (ω_{r}) - - - (13)$ 由于定子磁链衰减直流分量中各低频量满足0<ω_d<<ω，可认为定子和转子坐标下两者的比例近似相等。

关键词：

法律状态：公开

IPC专利分类号：G01R19/00(2006.01)I;G01R31/34(2006.01)I