CN104362628A - 一种避免大型风电场谐振的控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种避免大型风电场发生谐振的控制方法，包括以下步骤：1)数据测量采集与处理分析，以风电场出口为测量点，采集电压和电流数据，依次进行高通滤波HPF、离散傅里叶分解DFT信号处理，利用戴维南等效定理，求出风电场系统的谐波阻抗，对计算的谐波阻抗结果进行分析，得到谐振频率；2)并联电容器投切容量逻辑计算，在某电容器容量下以切出、投入的次序判断，电场并网点阻抗值是否位于两个阻抗中间值的±30％范围内，直至满足要求为止；3)晶闸管控制电容器组合并入电网运行。以及提供一种避免大型风电场发生谐振的控制装置。本发明能有效避免出现高次谐波谐振、消除安全隐患。

Description

一种避免大型风电场谐振的控制方法及其装置

技术领域

本发明涉及风电场技术领域，尤其是一种避免风电场谐振的控制方法及其控制装置。

背景技术

电力电子技术的飞速发展，影响着各种电力电子装置在电力系统、工业、交通以及家庭中的广泛应用，导致了谐波问题日益突出，谐波造成的危害日益严重。

长期以来，我国风电产业走“大规模、高度集中开发，以及远距离、高电压输送”的路线，开发大型风电场，融入大电网。风电并网会引起电能质量问题，由于谐波对于电网的影响和危害十分严重，因此风机接入电网的谐波问题成为备受关注的电能质量问题之一。目前，大型风电场并网运行过程中出现的谐波和谐振问题日益突出，全国多处风场出现了风电场内部谐振事故。风电场谐振的发生导致了风电场内的风机大面积脱网甚至烧毁风机模块，造成严重的后果以及经济损失，引起了业主、电网公司以及整机厂家的重点关注。

谐波产生的主要原因是由于系统的发、输、用电环节中出现了非线性负载，形成非正弦的电压和电流，产生谐波。发电环节中，由于发电机很难做到绝对对称，使得发出的电能质量降低；输电环节中，变压器的饱和特性，导致了奇次谐波的产生；用电环节中，电力电子器件的广泛使用，会产生大量的谐波电压和电流，成为电网中最大的谐波源。同时，谐振会导致谐波电流和电压的放大，并联谐振引起严重的电压失真，串联谐振引起严重的电流失真。

风电系统中，谐波产生的主要来源有两方面：一方面，风电机组中使用的电力电子装置，可能会产生谐波。对于恒速风力发电机组，软并网系统在机组启动阶段，采用晶闸管移相触发方式平稳的完成风机并网，晶闸管的移相控制会产生谐波。对于变速恒频机组，变流器装置参与风机运行，接入系统，所以会产生一定的谐波。另一方面，电网的背景谐波注入风电场，会导致风电场的串联谐振而产生较大的谐波电流，从而引发背景谐波的放大。

发明内容

为了克服已有风电场中无法避免出现高次谐波谐振问题、存在安全隐患的不足,本发明提供了一种有效避免出现高次谐波谐振、消除安全隐患的避免大型风电场谐振的控制方法及其装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种避免大型风电场发生谐振的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

1)数据测量采集与处理分析

以风电场出口为测量点，采集电压和电流数据，依次进行高通滤波HPF、离散傅里叶分解DFT信号处理，利用戴维南等效定理，求出风电场系统的谐波阻抗；

对计算的谐波阻抗结果进行分析，画出阻抗幅值Z与谐波次数h的关系图，阻抗角与谐波次数h的关系图；谐振点由阻抗幅值较大且阻抗角为零确定，计算得到谐振频率；存储谐波阻抗计算结果及谐振频率；

2)并联电容器投切容量逻辑计算

电容器组分为m组电容器，其容量值为等比数列递增，分别为C_f1、2C_f1、…、2^m-1C_f1容量值形成2^m-1种容量组合；

2.1)投切容量值从2^m-1种电容容量组合中按从小到大的顺序依次选取；

2.2)根据谐振点n及相邻两个频次n-1、n+1对应的阻抗值为Z(n)、Z(n-1)、Z(n+1)，计算两个阻抗中心点，采用如下公式：

$Z_{m\_(n-1)}=\frac{Z(n-1)+Z\left(n\right)}{2}$

$Z_{m\_(n+1)}=\frac{Z\left(n\right)+Z(n+1)}{2}$

在某电容器容量下以切出、投入的次序判断，电场并网点阻抗值是否位于两个阻抗中间值的±30％范围内，直至满足要求为止；

3)晶闸管控制电容器组合并入电网运行：

每个电容器分别通过晶闸管与风电场的公共连接点连接，对选定的电容器通过晶闸管的通断控制电容器的投切。

进一步，所述步骤3)中，每个晶闸管均与触发电路连接，通过触发电路实现电容器的投切。

再进一步，所述步骤1)中，阻抗计算利用如下公式：

其中,Z(h_w)、是风电场系统谐波阻抗值,R是风电场系统谐波电阻值，X_hf是风电场系统谐波电抗值，风电场PCC点电压测量值,风电场PCC点电流测量值。

一种避免大型风电场发生谐振的控制装置，所述装置包括：

电容器组，分为m组电容器，其容量值为等比数列递增，分别为C_f1、2C_f1、…、2^m-1C_f1容量值形成2^m-1种容量组合；

晶闸管脉冲触发电路，每个电容器分别通过晶闸管与风电场的公共连接点连接，所述晶闸管受控于所述触发电路；

风电场并网点电压和电流检测模块，用于对风电场的公共连接点的电压和电流信号进行采样以获取风电场实时运行数据；

信号处理模块，用于对电压和电流信号进行高通滤波HPF、离散傅里叶分解DFT号处理；

风电场阻抗计算模块，用于计算风电场并网点的各次谐波阻抗值；

阻抗分析模块，用于画出阻抗幅值Z与谐波次数h的关系图，阻抗角与谐波次数h的关系图，并确定阻抗幅值最大且阻抗角为零的点为谐振点；

以及，电容器组投切逻辑模块，用于从2^m-1种容量组合中按从小到大的规则依次选取，电容器组投切方式选择依据是判定电容投切后风电场并网点阻抗值位于投切前两相邻谐振点阻抗中间值的±30％范围内，确定电容器组后向触发电路发出投切控制指令；

所述风电场并网点电压和电流检测模块与所述信号处理模块连接，所述信号处理模块与所述风电场阻抗计算模块连接，所述风电场阻抗计算模块与所述阻抗分析模块连接，所述阻抗分析模块与所述电容器组投切逻辑模块连接，所述电容器组投切逻辑模块与所述触发电路连接。

进一步，所述阻抗计算模块中，基于戴维南等效定理，风电场并网点的各次谐波阻抗值的计算公式如下：

其中,Z(h_w)、是风电场系统谐波阻抗值,R是风电场系统谐波电阻值，X_hf是风电场系统谐波电抗值，风电场PCC点电压测量值,风电场PCC点电流测量值。

再进一步，所述电容器组投切逻辑模块中，投切容量值从2^m-1种电容容量组合中按从小到大的顺序依次选取，根据谐振点n及相邻两个频次n-1、n+1对应的阻抗值为Z(n)、Z(n-1)、Z(n+1)，计算两个阻抗中心点Z_{m_(n-1)}、Z_{m_(n+1)}，采用如下公式：

$Z_{m\_(n-1)}=\frac{Z(n-1)+Z\left(n\right)}{2}$

$Z_{m\_(n+1)}=\frac{Z\left(n\right)+Z(n+1)}{2}$

在某电容器容量下以切出、投入的次序判断，电场并网点阻抗值是否位于两个阻抗中间值的±30％范围内，直至满足要求为止。

更进一步，每个电容器均与电阻串联。可以有效防止电容与电网发生谐振，保证系统的稳定性。

本发明的技术构思为：本发明的技术构思为：风电场中含有感性和容性元件，主要是风电场主变、风电场PCC点无功功率补偿装置、中压的架空线和电缆、箱变和风电机组。其中，容性主要体现在中压长距离线路或电缆的对地电容、风电场PCC点的无功补偿等。

风电系统中，感性元件和容性元件同时存在，当电路满足一定条件时，会发生并联谐振和串联谐振。当并联谐振发生时，电路的总电流最小，而支路电流往往大于电路中的总电流，即表现为电流谐振。当串联谐振发生时，电路总的阻抗值为最小，电流最大，在电感和电容上可能产生比电源电压大很多倍的高电压，即表现为电压谐振。谐振频率取决于风电场的拓扑结构、连接的发电设备以及无功补偿装置。

风电场谐振发生的条件很难预测，受较多动态因素的影响。第一，随着架空线路和地下电缆距离的增大，对地电容大大增加，导致了谐振发生的频率降低，增大了谐振发生的机率。第二，风电场中并网运行机组的台数改变风电场的阻抗特性，随着并网风机的台数增加，使得风电场的阻抗减小，影响谐振频率降低。第三，风电场PCC点的无功功率补偿设备会根据风电场实时运行情况进行动态调节，当某个时刻补偿设备调节的容性阻抗与风电场的感性阻抗匹配时，会导致谐振的发生。在风电场设计时，只考虑避免风电场低次谐波谐振，而对于高次谐波没有充分考虑或者难以考虑。近几年，多处风电场高次谐波谐振的发生，导致了严重的经济损失，引起了业界的充分关注。风电场通常发生并联谐振,谐波电流源来自于风电机组，谐振的发生存在于箱式变压器、线路以及无功补偿装置的高次谐波阻抗回路中。并联谐振的最大谐振电压出现在参与并联谐振的变压器中压侧。

以风电场出口为测试点，对测量的电压和电流值进行高通滤波HPF、离散傅里叶分解DFT信号处理，利用戴维南等效定理，求出风电场系统的谐波阻抗Z(h_w)，对于无谐波电流的谐波阻抗可不予考虑，阻抗Z(h_w)计算公式如下：

其中,Z(h_w)、是风电场系统谐波阻抗值,R是风电场系统谐波电阻值，L_hf是风电场系统谐波感抗值，w_hf是谐波角频率，风电场PCC点电压测量值,风电场PCC点电流测量值。

画出阻抗幅值Z与谐波次数h的关系图，阻抗角与谐波次数h的关系图，并确定阻抗幅值最大且阻抗角为零的点为谐振点。当存在同次谐波电流时，就会发生并联谐振，同次谐波电流与谐波阻抗共同作用就会产生很高的谐波电压值。

任何含有电感和电容元件的网络系统都存在谐振点，但是存在谐振点但并不一定发生谐振，是否引发谐振取决于谐波源向该网络注入的谐波频率是否恰好满足该网络发生谐振所需要的条件。由于风电出力的随机性和间歇性，引起风电场阻抗特性发生变化，风电场的频谱特性发生改变。通过实时频谱分析得到风电场实时并联谐振点，并结合风电场电流傅里叶分解结果判断是否存在此次谐波电流，当且仅当两者都满足要求时判定风电场将发生并联谐振。

当判断风电场运行情况满足谐振发生条件时，通过投切风电场PCC点并联电容器，改变风电场系统的阻抗特性，避开谐振区域使其不满足谐振产生条件。合理选择电容器容量组合避免引入其它次数谐振发生。风电场PCC点安装的电容器组，电容器组包含C_f1、2C_f1、…、2^m-1C_f1m组电容器，各组电容的容量呈等差序列，共形成2^m-1种电容量组合。每组单相电容使用两个反并联的晶闸管，各组电容器通过晶闸管的通断控制风电场PCC点电容的投切。

电容器的投切逻辑依据是根据谐振点n及相邻两个频次n-1、n+1对应的阻抗值为Z(n)、Z(n-1)、Z(n+1)，计算两个阻抗中心点，采用如下公式：

$Z_{m\_(n-1)}=\frac{Z(n-1)+Z\left(n\right)}{2}$

$Z_{m\_(n+1)}=\frac{Z\left(n\right)+Z(n+1)}{2}$

从2^m-1种电容容量组合中按从小到大的顺序依次判断选取，判断电容投切后的风电场并网点阻抗值是否位于两个阻抗中间值的±30％范围内，直至满足要求为止。电容器容量按从小到大顺序依次选择是为了投切最少的电容器而减小对风电场出口电压带来的影响；投切电容器阻抗值位于两相邻谐振点阻抗中间值的±30％范围内，是为了避免电容器的切出引入新的谐振发生，避开其它次谐振点。

本发明的有益效果主要表现在：1.电容器投切可以改善风电场出口的运行电压；2.电容器投切容量选择不会引入其它次谐振发生；3.电容投切判断依据考虑了风电场阻抗变化的影响；4.采用高次谐波阻抗测量受基波的影响小，测量准确性高；5.电容晶闸管投切方式响应速度快；6.电容晶闸管投切方式产生谐波含量小。

附图说明

图1是风电场并联谐振示意图。

图2是风电场并联谐振单线图。

图3为谐波次数与风电场网络阻抗频谱分析结果示意图。

图4为谐波次数与风电场网络阻抗角分析结果示意图。

图5是本发明控制系统总框图。

图6是高次谐波阻抗测量具体处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图6，一种避免大型风电场发生谐振的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

1)数据测量采集与处理分析

以风电场出口为测量点，采集电压和电流数据，依次进行高通滤波HPF、离散傅里叶分解DFT信号处理，利用戴维南等效定理，求出风电场系统的谐波阻抗；

对计算的谐波阻抗结果进行分析，画出阻抗幅值Z与谐波次数h的关系图，阻抗角与谐波次数h的关系图；谐振点由阻抗幅值较大且阻抗角为零确定，计算得到谐振频率；存储谐波阻抗计算结果及谐振频率；

2)并联电容器投切容量逻辑计算

电容器组分为m组电容器，其容量值为等比数列递增，分别为C_f1、2C_f1、…、2^m-1C_f1容量值形成2^m-1种容量组合；

2.1)投切容量值从2^m-1种电容容量组合中按从小到大的顺序依次选取；

2.2)根据谐振点n及相邻两个频次n-1、n+1对应的阻抗值为Z(n)、Z(n-1)、Z(n+1)，计算两个阻抗中心点，采用如下公式：

$Z_{m\_(n-1)}=\frac{Z(n-1)+Z\left(n\right)}{2}$

$Z_{m\_(n+1)}=\frac{Z\left(n\right)+Z(n+1)}{2}$

在某电容器容量下以切出、投入的次序判断，电场并网点阻抗值是否位于两个阻抗中间值的±30％范围内，直至满足要求为止；

3)晶闸管控制电容器组合并入电网运行：

每个电容器分别通过晶闸管与风电场的公共连接点连接，对选定的电容器通过晶闸管的通断控制电容器的投切。

参照图5，一种避免大型风电场发生谐振的控制装置，包括电容器组，分为m组电容器，其容量值为等比数列递增，分别为C_f1、2C_f1、…、2^m-1C_f1容量值形成2^m-1种容量组合；

晶闸管脉冲触发电路，每个电容器分别通过晶闸管与风电场的公共连接点连接，所述晶闸管受控于所述触发电路；

风电场并网点电压和电流检测模块，用于对风电场的公共连接点的电压和电流信号进行采样以获取风电场实时运行数据；

信号处理模块，用于对电压和电流信号进行高通滤波HPF、离散傅里叶分解DFT号处理；

风电场阻抗计算模块，用于计算风电场并网点的各次谐波阻抗值；

阻抗分析模块，用于画出阻抗幅值Z与谐波次数h的关系图，阻抗角与谐波次数h的关系图，并确定阻抗幅值最大且阻抗角为零的点为谐振点；

以及，电容器组投切逻辑模块，用于从2^m-1种容量组合中按从小到大的规则依次选取，电容器组投切方式选择依据是判定电容投切后风电场并网点阻抗值位于投切前两相邻谐振点阻抗中间值的±30％范围内，确定电容器组后向触发电路发出投切控制指令；

所述风电场并网点电压和电流检测模块与所述信号处理模块连接，所述信号处理模块与所述风电场阻抗计算模块连接，所述风电场阻抗计算模块与所述阻抗分析模块连接，所述阻抗分析模块与所述电容器组投切逻辑模块连接，所述电容器组投切逻辑模块与所述触发电路连接。

进一步，每个电容器均与电阻串联。可以有效防止电容与电网发生谐振，保证系统的稳定性。

本实施例中，以m＝5为例，即所述电容器组分为5组，其容量值为等比数列递增，分别为C_f1、2C_f1、4C_f1、8C_f1、16C_f1容量值形成31种容量组合，

本实施例的具体实施步骤如下：

1)数据测量采集与处理分析。以风电场出口为测量点，采集电压和电流数据，依次进行高通滤波HPF、离散傅里叶分解DFT信号处理，利用戴维南等效定理，求出风电场系统的谐波阻抗，对于无谐波电流的谐波阻抗可不予考虑。阻抗计算利用如下公式：

其中,Z(h_w)、是风电场系统谐波阻抗值,R是风电场系统谐波电阻值，X_hf是风电场系统谐波电抗值，风电场PCC点电压测量值,风电场PCC点电流测量值。

对计算的谐波阻抗结果进行分析，画出阻抗幅值Z与谐波次数h的关系图，阻抗角与谐波次数h的关系图。谐振点可以由阻抗幅值较大且阻抗角为零确定，计算得到谐振频率。存储谐波阻抗计算结果及谐振频率。

2)并联电容器投切容量逻辑计算。

首先，投切容量值从31种电容容量组合中按从小到大的顺序依次选取。电容器采用“等差序列”的分组方式，包含C_f1、2C_f1、3C_f1、4C_f1、5C_f1五组电容器，可以得到31种电容器组合。

其次，根据谐振点n及相邻两个频次n-1、n+1对应的阻抗值为Z(n)、Z(n-1)、Z(n+1)，计算两个阻抗中心点，采用如下公式：

$Z_{m\_(n-1)}=\frac{Z(n-1)+Z\left(n\right)}{2}$

$Z_{m\_(n+1)}=\frac{Z\left(n\right)+Z(n+1)}{2}$

在某电容器容量下以切出、投入的次序判断，电场并网点阻抗值是否位于两个阻抗中间值的±30％范围内，直至满足要求为止。

3)晶闸管控制电容器组合并入电网运行。每组单相电容使用两个反并联的晶闸管，对选定的电容器通过晶闸管的通断控制电容器的投切。并网运行的电容器容量的改变，有效的避开谐振区域，控制了高次谐振的进一步扩大，将谐振的发生遏制在萌芽期。

Claims (7)

1.一种避免大型风电场发生谐振的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤：

1)数据测量采集与处理分析

以风电场出口为测量点，采集电压和电流数据，依次进行高通滤波HPF、离散傅里叶分解DFT信号处理，利用戴维南等效定理，求出风电场系统的谐波阻抗；

对计算的谐波阻抗结果进行分析，画出阻抗幅值Z与谐波次数h的关系图，阻抗角与谐波次数h的关系图；谐振点由阻抗幅值较大且阻抗角为零确定，计算得到谐振频率；存储谐波阻抗计算结果及谐振频率；

2)并联电容器投切容量逻辑计算

电容器组分为m组电容器，其容量值为等比数列递增，分别为C_f1、2C_f1、…、2^m-1C_f1容量值形成2^m-1种容量组合；

2.1)投切容量值从2^m-1种电容容量组合中按从小到大的顺序依次选取；

2.2)根据谐振点n及相邻两个频次n-1、n+1对应的阻抗值为Z(n)、Z(n-1)、Z(n+1)，计算两个阻抗中心点，采用如下公式：

$Z_{m\_(n-1)}=\frac{Z(n-1)+Z\left(n\right)}{2}$

$Z_{m\_(n+1)}=\frac{Z\left(n\right)+Z(n+1)}{2}$

在某电容器容量下以切出、投入的次序判断，电场并网点阻抗值是否位于两个阻抗中间值的±30％范围内，直至满足要求为止；

3)晶闸管控制电容器组合并入电网运行：

每个电容器分别通过晶闸管与风电场的公共连接点连接，对选定的电容器通过晶闸管的通断控制电容器的投切。

2.如权利要求1所述的一种避免大型风电场发生谐振的控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，每个晶闸管均与触发电路连接，通过触发电路实现电容器的投切。

3.如权利要求1或2所述的一种避免大型风电场发生谐振的控制方法，其特征在于：所述步骤1)中，阻抗计算利用如下公式：

其中,Z(h_w)、是风电场系统谐波阻抗值,R是风电场系统谐波电阻值，X_hf是风电场系统谐波电抗值，风电场PCC点电压测量值,风电场PCC点电流测量值。

4.一种如权利要求1所述的避免大型风电场发生谐振的控制方法实现的装置，其特征在于：所述装置包括：

电容器组，分为m组电容器，其容量值为等比数列递增，分别为C_f1、2C_f1、…、2^m-1C_f1容量值形成2^m-1种容量组合；

晶闸管脉冲触发电路，每个电容器分别通过晶闸管与风电场的公共连接点连接，所述晶闸管受控于所述触发电路；

风电场并网点电压和电流检测模块，用于对风电场的公共连接点的电压和电流信号进行采样以获取风电场实时运行数据；

信号处理模块，用于对电压和电流信号进行高通滤波HPF、离散傅里叶分解DFT号处理；

风电场阻抗计算模块，用于计算风电场并网点的各次谐波阻抗值；

阻抗分析模块，用于画出阻抗幅值Z与谐波次数h的关系图，阻抗角与谐波次数h的关系图，并确定阻抗幅值最大且阻抗角为零的点为谐振点；

以及，电容器组投切逻辑模块，用于从2^m-1种容量组合中按从小到大的规则依次选取，电容器组投切方式选择依据是判定电容投切后风电场并网点阻抗值位于投切前两相邻谐振点阻抗中间值的±30％范围内，确定电容器组后向触发电路发出投切控制指令；

所述风电场并网点电压和电流检测模块与所述信号处理模块连接，所述信号处理模块与所述风电场阻抗计算模块连接，所述风电场阻抗计算模块与所述阻抗分析模块连接，所述阻抗分析模块与所述电容器组投切逻辑模块连接，所述电容器组投切逻辑模块与所述触发电路连接。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述阻抗计算模块中，基于戴维南等效定理，风电场并网点的各次谐波阻抗值的计算公式如下：

其中,Z(h_w)、是风电场系统谐波阻抗值,R是风电场系统谐波电阻值，X_hf是风电场系统谐波电抗值，风电场PCC点电压测量值,风电场PCC点电流测量值。

6.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于：所述电容器组投切逻辑模块中，投切容量值从2^m-1种电容容量组合中按从小到大的顺序依次选取，根据谐振点n及相邻两个频次n-1、n+1对应的阻抗值为Z(n)、Z(n-1)、Z(n+1)，计算两个阻抗中心点Z_{m_(n-1)}、Z_{m_(n+1)}，采用如下公式：

$Z_{m\_(n-1)}=\frac{Z(n-1)+Z\left(n\right)}{2}$

$Z_{m\_(n+1)}=\frac{Z\left(n\right)+Z(n+1)}{2}$

在某电容器容量下以切出、投入的次序判断，电场并网点阻抗值是否位于两个阻抗中间值的±30％范围内，直至满足要求为止。

7.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于：每个电容器均与电阻串联。