用于確定風機與電網諧振的方法及系統與流程

本公開涉及風力發電領域，更具體地，涉及用于確定風機與電網諧振的方法和系統。

背景技術：

隨著能源與環境問題的日益突出，世界各國正在把更多目光投向可再生能源。風能是可再生能源的重要類別，由于其蘊藏量大、可再生、分布廣、無污染的特性，成為全球普遍歡迎的清潔能源。風力發電作為目前最具規模化開發條件和商業化發展前景的可再生能源發電方式，受到世界各國越來越多的重視。

我國風能資源豐富，可開發利用的風能儲量約十億千瓦。隨著國家不斷加大對清潔能源的開發支持力度，中國風電行業實現了突飛猛進的發展，中國風電并網容量迅速躍居世界第一。高速的發展帶來了大量技術問題的爆發，大容量風電場能否安全并網成為主要關注問題，而風電場的諧波與諧振問題則直接影響到并網的電能質量。

技術實現要素：

本發明提供了一種用于確定風機與電網諧振的方法及系統，能夠通過在風機并網點處疊加諧波電壓來獲得風機在各頻率諧波電壓下的阻抗。由于電網在各諧波頻率下的阻抗是已知的，據此可以確定風機與電網在所關注的諧波頻率范圍內是否存在諧振。

本發明的第一方面提供一種用于確定風機與電網諧振的方法，包括：將不同頻率的多個諧波電壓分別疊加到風機并網點處的基波電壓上；獲得風機分別響應于不同頻率的多個諧波電壓的多個諧波電流；基于多個諧波電壓和多個諧波電流確定風機在各頻率處的阻抗的幅值和相位角；基于所確定的各頻率處的阻抗的幅值和相位角判斷風機與電網是否存在諧振。

本發明的第二方面提供一種用于確定風機與電網諧振的系統，包括：諧波生成模塊，將不同頻率的多個諧波電壓分別疊加到風機并網點處的基波電壓上；電流獲得模塊，獲得風機分別響應于不同頻率的多個諧波電壓的多個諧波電流；阻抗確定模塊，基于多個諧波電壓和多個諧波電流確定風機在各頻率處的阻抗的幅值和相位角；諧振判定模塊，基于所確定的各頻率處的阻抗的幅值和相位角判斷風機與電網是否存在諧振。

根據本發明的實施例，當確定風機與電網在所關注的諧波頻率范圍內存在諧振的情況下，可以通過調整風機的參數來改變風機的阻抗特性，從而消除風機與電網的諧振。

附圖說明

圖1示出風機與電網構成的系統的示意架構圖；

圖2示出根據本發明的實施例的用于確定風機與電網諧振的方法的流程圖；

圖3a示出根據本發明的實施例的風機與電網的阻抗特性曲線；

圖3b示出根據本發明的另一實施例的風機與電網的阻抗特性曲線；

圖4示出根據本發明的實施例的用于確定風機與電網諧振的系統的框圖；

圖5是示出能夠實現根據本發明實施例的用于確定風機與電網諧振的方法和系統的計算設備的示例性硬件架構的結構圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部實施例。基于本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

下面將詳細描述本發明的各個方面的特征和示例性實施例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節，以便提供對本發明的全面理解。但是，對于本領域技術人員來說很明顯的是，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明的更好的理解。本發明決不限于下面所提出的任何具體配置和算法，而是在不脫離本發明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和算法的任何修改、替換和改進。在附圖和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本發明造成不必要的模糊。

配電系統中具有非線性特性的電氣設備會引發諧波，使電網受到污染，造成電網功率損耗增加、線路和設備過熱等問題。更嚴重的情況是風機與電網可能在某一諧波頻率附近發生諧振，這會加重諧波畸變，最終可能導致設備燒毀、電網斷電等后果。因此，消除諧振具有非常重要的意義。

圖1是風機與電網構成的系統的示意框圖100。如圖1中所示，系統100包括風機群集101和電網102，其中風機群集包括多個風機101-1、101-2、……、101-n。在該系統中，電網的阻抗特性是已知的，通常可以從電網公司獲得。而風機群集的阻抗特性受許多因素的影響，例如，單個風機的參數、風機集群中風機的數量等。

在多臺風機集中并網的情況下，在公共連接點電網的阻抗將很大程度上影響風機的并網特性。在一些地區電網與風機的短路比已經接近3左右，電網的阻抗可能和風機阻抗發生諧振。隨著這一類地區風電機組裝機容量的持續增加，短路比不斷減小，這一地區開始出現次同步震蕩的問題，導致風電大規模脫網，嚴重威脅到了系統的安全運行。

本發明的實施例通過在電路系統100中的風機并網點a處疊加各個頻率的諧波電壓的方法來獲得風機在各個諧波頻率下的阻抗(即，風機的阻抗特性)，通過對所獲得的風機的阻抗特性與已知的電網的阻抗特性進行比較來確定風機與電網在所關注的頻率范圍內是否存在諧振。如果發現風機在某一諧波頻率下與電網發生諧振，則通過調整風機參數來消除該頻率處的諧振，從而確保系統的安全運行。

可以在實體的風機上實施如下所述的本發明的方法，也可以通過電力系統仿真軟件來對系統100中的風機和電網的模型進行仿真實驗。在本發明的實施例中，為確保仿真軟件輸出結果和實際風機一致，風機模型的控制系統采用真實風機的控制系統中所用的代碼，并充分考慮傳輸線路的阻尼特性。

圖2示出根據本發明的實施例的用于確定風機與電網發生諧振的方法200的流程圖。如圖2中所示，方法200包括以下步驟：S201，將不同頻率的多個諧波電壓分別疊加到風機并網點處的基波電壓上；S202，獲得風機分別響應于該不同頻率的多個諧波電壓的多個諧波電流；S203，基于多個諧波電壓和多個諧波電流確定風機在各頻率處的阻抗的幅值和相位角；S204，基于所確定的各頻率處的阻抗的幅值和相位角判斷風機與電網是否存在諧振。

在步驟S201中，值得注意的是，本發明中涉及的電壓(包括基波電壓、諧波電壓等)和電流(包括基波電流、諧波電流等)均是三相的。諧波電壓的幅值可以是基波電壓的幅值的5％-10％，因為小于5％時會導致FFT變換得出的結果與實際結果的誤差較大，而大于10％會導致風機不能運行。例如，諧波電壓的幅值可以是基波電壓幅值的8％。

在一些實施例中，上述不同頻率是從第一閾值頻率到第二閾值頻率的步長為預定值的多個頻率，其中，第一閾值頻率和第二閾值頻率限定所需要的風機阻抗特性的頻率范圍。考慮到風電機組裝機容量較大的地區在23Hz和77Hz發生過電網波動，本發明主要關注5-200Hz范圍內的諧波。當然，本發明所采用的方法200可以用于獲得任意諧波頻率范圍內風機的阻抗特性。

為了獲得需要頻率范圍內的諧波阻抗，需要分別疊加不同頻率的多個諧波電壓并進行多次重復測量。可根據需要設定諧波電壓的頻率步長。一般地，較大的測量步長可以縮短測量時間，但測量精度相對較低；較小的測量步長會導致測量時間較長，但會得到較為準確的測量結果。選定頻率步長后，則從低到高，按照步長依次疊加諧波電壓。通過測量和記錄相關實驗數據來計算風機阻抗，這將在下文進一步描述。

在步驟S202中，在一些實施例中，獲得風機分別響應于不同頻率的多個諧波電壓的多個諧波電流包括：針對每個頻率的諧波電壓，對風機的電流進行采樣，其中該電流是響應于基波電壓的基波電流和響應于該頻率的諧波電壓的諧波電流之和；將所采樣的電流進行快速傅里葉變換(FFT)以得到風機響應于該頻率的諧波電壓的諧波電流。應理解，對采樣的電流進行FFT是用于把響應于基波電壓的基波電流和響應于該頻率的諧波電壓的諧波電流在頻率上分開，從而確定響應于諧波電壓的諧波電流。

在一些實施例中，采樣可以在電流進入穩態后進行，并且所采樣的電流為預定時間段內采樣的電流。進行采樣的預定時間段的長短以及采樣頻率可根據FFT變換的精度要求來確定。一般來說，采樣時間越長、采樣頻率越高，FFT變換的精度越高。當然，考慮到樣本分析和FFT計算的成本，一般將采樣時間和采樣頻率設置為能夠滿足誤差要求即可。例如，在一個示例中，可以將采樣時間設置為1s，將采樣頻率設置為5KHz。

在步驟S203中，在獲得風機響應于該頻率的諧波電壓的諧波電流之后，根據歐姆定律，用該頻率的諧波電壓除以相應的諧波電流即可得到該頻率的風機阻抗。

在步驟S204中，如上所述，電網的阻抗是已知的，一般可以從風機電廠或電網公司獲得，因此在得到風機在各頻率的阻抗的幅值和相位角的情況下，可以直接根據數值與電網的阻抗值的比較來判斷風機與電網是否發生諧振。在風機阻抗與電網阻抗幅值相等，且相位角相差180°的情況下，確定風機與電網是否發生諧振。在實踐中，可以將所得到的風機在各頻率的阻抗的幅值和相位角繪制成幅值和相位曲線，此時可直觀地通過判斷風機幅值曲線與電網幅值曲線的交點處風機阻抗相位角與電網阻抗相位角是否相差180°來判斷風機與電網是否發生諧振。

在一些實施例中，在風機與電網存在諧振的情況下，可以通過調整風機的參數來改變所述風機的阻抗，從而消除風機與電網的諧振。其中，風機的參數包括風機的控制參數(例如，電壓控制比例/積分參數、電流控制比例/積分參數、鎖相控制比例/積分參數等)或運行參數(例如，電機轉速、變槳角度、塔架受力等)。

通過本發明的方法可以獲得風機在各個諧波頻率下的阻抗，據此可以判定風機與電網在所關注的諧波頻率范圍內是否存在諧振，并可通過調整風機參數來消除的諧振，從而確保系統的安全運行。

應理解的是，雖然上文以單臺風機為例示出根據本發明的方法，該方法也可以適用于多臺風機。

下面結合具體實例示出方法200。

在一個實施例中，電網阻抗的幅值和相位曲線如圖3b中以虛線示出的曲線所示。在風機并網點處疊加頻率為f₀＝10Hz、相位分別相差120°的三相諧波電壓。對疊加諧波電壓后風機上的電流和電壓進行采樣，采樣頻率為5KHz。對采樣得到的樣本進行FFT變換，得到在諧波頻率f₀處風機上的三相諧波電壓和三相諧波電流。基于所得到的該頻率處的三相諧波電壓和三相諧波電流，通過歐姆定律可以計算風機在諧波頻率為f₀時的阻抗Z₀。

將頻率步長設置為Δf＝1Hz，接下來按照上述流程分別獲得風機在f₁＝f₀+Δf、f₂＝f₀+2Δf、……、f_n＝f₀+nΔf＝200Hz處的阻抗。之后，將所獲得的各頻率的阻抗繪制成阻抗的幅值和相位曲線，如圖3a中實線所示。

從圖3a中可直觀地看出，在f_x＝95Hz處風機阻抗與電網阻抗幅值相等、相位角相差180°，即當諧波頻率為95Hz時風機與電網發生諧振。

在確定風機與電網存在諧振的情況下，為消除諧振，可以對風機的參數進行調整，例如，對風機的控制參數(例如，電壓控制比例/積分參數、電流控制比例/積分參數、鎖相控制比例/積分參數等)或運行參數(例如，電機轉速、變槳角度、塔架受力等)中的一者或多者進行調整。圖3b示出了對風機參數進行調整后風機與電網的阻抗特性曲線，其中實線示出的曲線表示風機阻抗特性曲線，虛線示出的曲線表示電網阻抗的幅值和相位角。從圖3b中可直觀地看出，經過參數調整后，風機的阻抗特性曲線與電網的阻抗特性曲線不存在幅值相近、相位角相差180°的交點，即，在各諧波頻率處風機與電網都不會發生諧振。

圖4示出根據本發明的實施例的用于確定風機與電網諧振的系統400的框圖。如圖4所示，系統400包括：諧波生成模塊401，將不同頻率的多個諧波電壓分別疊加到風機并網點處的基波電壓上；電流獲得模塊402，獲得風機分別響應于不同頻率的多個諧波電壓的多個諧波電流；阻抗確定模塊403，基于多個諧波電壓和多個諧波電流確定風機在各頻率處的阻抗的幅值和相位角；諧振判定模塊404，基于所確定的各頻率處的阻抗的幅值和相位角判定風機與電網是否存在諧振。

系統400中的電流獲得模塊403還包括：采樣模塊4031，對風機的電流進行采樣；以及FFT模塊4032，根據所采樣的電流進行FFT變換以得到風機響應于該頻率的諧波電壓的諧波電流。在一些實施例中，系統400可選地包括參數調整模塊，用于在存在諧振的情況下，通過調整所述風機的參數來改變所述風機的阻抗，從而消除風機與電網的諧振。

結合圖2至圖4描述的用于確定風機與電網諧振的方法和系統可以由計算設備實現。圖5是示出能夠實現根據本發明實施例的用于確定風機與電網諧振的方法和系統的計算設備的示例性硬件架構的結構圖。如圖5所示，計算設備500包括輸入設備501、輸入接口502、中央處理器503、存儲器504、輸出接口505、以及輸出設備506。其中，輸入接口502、中央處理器503、存儲器504、以及輸出接口505通過總線510相互連接，輸入設備501和輸出設備506分別通過輸入接口502和輸出接口505與總線510連接，進而與計算設備500的其他組件連接。具體地，輸入設備501接收輸入信息(例如，采樣信息)，并通過輸入接口502將輸入信息傳送到中央處理器503；中央處理器503基于存儲器504中存儲的計算機可執行指令對輸入信息進行處理以生成輸出信息，將輸出信息臨時或者永久地存儲在存儲器504中，然后通過輸出接口505將輸出信息傳送到輸出設備506；輸出設備506將輸出信息輸出到計算設備500的外部供用戶使用。

也就是說，圖4所示的用于確定風機與電網諧振的系統也可以被實現為包括：存儲有計算機可執行指令的存儲器；以及處理器，該處理器在執行計算機可執行指令時可以實現結合圖2描述的用于確定風機與電網諧振的方法和系統。這里，處理器可以基于輸入信息執行計算機可執行指令，從而實現結合圖2描述的用于確定風機與電網諧振的方法和系統。

以上所述的結構框圖中所示的功能塊可以實現為硬件、軟件、固件或者它們的組合。當以硬件方式實現時，其可以例如是電子電路、專用集成電路(ASIC)、適當的固件、插件、功能卡等等。當以軟件方式實現時，本發明的元素是被用于執行所需任務的程序或者代碼段。程序或者代碼段可以存儲在機器可讀介質中，或者通過載波中攜帶的數據信號在傳輸介質或者通信鏈路上傳送。

本發明可以以其他的具體形式實現，而不脫離其精神和本質特征。例如，特定實施例中所描述的算法可以被修改，而系統體系結構并不脫離本發明的基本精神。因此，當前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本發明的范圍由所附權利要求而非上述描述定義，并且，落入權利要求的含義和等同物的范圍內的全部改變從而都被包括在本發明的范圍之中。