CN105229477A

CN105229477A - 计算机辅助确定电力网阻抗的方法

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Publication number: CN105229477A
Application number: CN201380075207.9A
Authority: CN
Inventors: B·安德烈森; N·戈尔登鲍姆; D·奥布拉多维奇; A·萨博
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2033-03-28
Also published as: CN105229477B; US20160047851A1; EP2951598A1; WO2014154298A1; EP2951598B1; JP6161783B2; JP2016512949A

Abstract

本发明涉及计算机辅助确定电力网(EN)的阻抗的方法，其中在相应的相继的时刻在发电机组连接到电力网(EN)上的连接点(PCC)处测量电压(V_PCC)、有功功率(P_PCC)和无功功率(Q_PCC)。在此，利用与所测量的电压(V_PCC)的相位无关的运算法则在相应的当前时刻估算阻抗值(Z_GE)。仅当所测量的电压或者无功功率变化比较大的时候进行估算。也仅在估算值的估算误差小的时候对估算值加以考虑。本发明基于以下认识：即使不知道电压相位，在电力网的确定的工作点也能准确估算阻抗。尤其在连接了风力涡轮机或者多个风力涡轮机构成的风电场的电力网中使用本发明所述的方法。

Description

计算机辅助确定电力网阻抗的方法

技术领域

本发明涉及计算机辅助确定电力网阻抗的方法以及发电机组和计算机程序产品。

背景技术

为了适当控制在连接点处与电力网相连的发电机组，通常需要电力网的阻抗作为参数。从现有技术中已知不同的用于估算该阻抗的方法。按照一种方法所述，对电力网的电力组件进行计算机辅助建模，并且利用该建模计算电网的特性和尤其是其连接点处的阻抗。然而这样的方法是复杂的，并且在电力网有所改动的情况下需要连续进行更新。众所周知，还通过发电机组参数的主动改变来确定电网的特性，然而这所具有的缺点是干扰机组的正常运行。

发明内容

因此本发明的任务在于运用计算机辅助方法以简单方式确定电力网的阻抗。

通过专利独立权利要求来解决该任务。本发明的改进方案在从属权利要求中进行定义。

本发明所述的方法用于计算机辅助确定电力网或电网的阻抗，其中在相应的相继的时刻在发电机组连接到电力网的连接点处测量电压、有功功率和无功功率。在此以及在下文中，所测量的电压始终指的是真实的电压值(电压振幅)，也就是不确定所测量的电压的相位。在本发明所述的方法中，根据以下所述的步骤a)至d)确定电力网的阻抗值。在这些步骤中通过表达方式“仅在......的情况下”详细说明相应的条件。所指的是仅在条件存在的情况下才执行相应的步骤，否则就在相应的(当前)时刻中断确定阻抗值。

在所述方法的第一步骤a)中，在相应的当前时刻确定先前时刻与当前时刻之间的所测量的电压值变化以及先前时刻与当前时刻之间的所测量的无功功率值变化是否满足第一标准。如果所测量的电压值变化大于第一阈值，并且所测量的无功功率值变化大于第二阈值，则满足第一标准。

在步骤b)中仅在所测量的电压和所测量的无功功率的值变化满足第一标准的情况下才确定所测量的电压和所测量的无功功率的变化是否满足第二标准，其中如果由发电机组引起所测量的电压和所测量的无功功率的变化，则满足第二标准。在此以及在下文中，不附加“值”的变化这一概念指的是有符号的、不是按照数值的变化。

在步骤c)中仅在所测量的电压和所测量的无功功率的变化满足第二标准的情况下，才根据与所测量的电压的相位无关的运算法则估算阻抗值。特别是设计运算法则，使其对所测量的电压的恒定相位有效。在此，也确定所估算的阻抗值的估算误差。仅在估算误差小于预先确定的误差阈值的情况下，估算的阻抗值才是所确定的阻抗值，就是说仅在该情况下通过估算阻抗值更新阻抗值。

本发明所述的方法基于以下认识：在发电机组通常所连接的感应电力网中(也就是具有小的或没有阻抗实部的电力网)出现可以用无需考虑所测量的电压相位的简单运算法则准确确定阻抗的工作点。发明人在此已认识到，只有当连接点处所测量的电压和无功功率出现较大变化、并且同时有功功率变化是小的时，才能以充分的精度使用运算法则，其中通过估算误差间接检查有功功率变化的条件。

在一种特别优选的实施方式中，在步骤b)中以简单方式检查第二标准，使得所测量的电压变化的符号与所测量的无功功率变化的符号进行比较，其中如果两个符号一致，则满足第二标准。

在本发明所述方法的另一种方案中，步骤d)中的预先确定的误差阈值是当前时刻之前最后执行的步骤d)中确定的估算误差。以这种方式保证，一直只是当阻抗值的估算误差变得比较小的时候，才将阻抗值更新。

优选地，根据(预先确定的)百分比测量精度设定以上定义的第一和第二阈值，使得保证不由测量误差引起变化。在此，所述第一阈值是大于一的正系数与所测量的电压的百分比测量精度的乘积，并且/或者第二阈值是大于一的正系数与所测量的功率的百分比测量精度的乘积。事实证明尤其是值5适合作为正系数。

在另一种方案中，还确定先前时刻与当前时刻之间的有功功率变化，其中如果有功功率的值变化大于第三阈值，则在当前时刻中断确定阻抗值。因此考虑到本发明所述的认识：仅在有功功率变化小的情况下才能准确估算阻抗。

在本发明所述方法的另一种设计方案中，在该方法中也确定先前时刻与当前时刻之间的有功功率变化，在步骤c)中根据预先确定的关系确定估算误差。该关系根据所测量的有功功率、所测量的有功功率值变化和所测量的无功功率值变化说明估算误差。在此可以针对示例电力网通过将使用以上运算法则估算的阻抗值与实际出现的阻抗值进行比较的方式确定关系。为了确定实际阻抗值，可以使用本身已知的方法模拟电力网，或者电力网可以是一个真实的电力网。例如可以用一个或多个表格的形式存放关系。例如在详细说明中可示例性地找到关系的图形图。

在本发明所述方法的另一种方案中，在步骤c)中根据以下方程式的一个或者多个通过在包括当前时刻和先前一个或多个时刻的若干时刻所测量的电压、所测量的有功功率和所测量的无功功率估算阻抗值，这些方程式是步骤c)中的运算法则的方案：

Z_{G E} = \frac{U_{2} - U_{1}}{(\frac{P_{2}}{U_{2}} - \frac{P_{1}}{U_{1}}) - (\frac{{jQ}_{2}}{U_{2}} - \frac{{jQ}_{1}}{U_{1}})}

其中Z_GE是估算的阻抗值；

其中U₂是在若干时刻中的某个时刻在连接点上的所测量的电压，Q₂是所测量的无功功率，P₂是所测量的有功功率；

其中U₁或Q₁或P₁是在测量电压U₂、无功功率Q₂和有功功率P₂的时刻之前的时刻在连接点上的所测量的电压或所测量的无功功率或所测量的有功功率。

可以以本身已知的方式基于均方差最小化解算以上方程组。在一种简单的方案中，如果仅仅考虑当前时刻和先前时刻的值，则方程组仅仅包括一个方程式。

在另一种方案中，在上次执行步骤d)的时刻以来的时段超过预先确定的阈值的情况下改变发电机组的一个或多个参数，使得在连接点处的电压和/或无功功率改变。参数改变在此引起执行本发明所述方法的以上步骤a)至d)。以这种方式实现，通过主动激励发电机组的方式改变运行参数，这可以导致重新估算阻抗值。在此，优选地设计发电机组的参数变化，使得连接点处的有功功率保持不变。以这种方式考虑到，在有功功率基本上不变的情况下，上述估算误差变小，这导致重新确定阻抗值。

在另一种设计方案中，在所测量的电压值变化大于比第一阈值大的第四阈值、并且/或者所测量的无功功率值变化大于比第二阈值大的第五阈值、并且所测量的电压值变化和所测量的无功功率值变化不满足第二标准的情况下，改变发电机组的一个或多个参数，使得连接点上的电压和/或者无功功率改变。参数改变在此引起执行本发明所述方法的以上步骤a)至d)。因此考虑以下事实：在电力网中出现较大的事件时改变电网的阻抗，使得应该引起重新计算阻抗。在此优选地设计发电机组的参数变化，使得连接点上的有功功率保持不变，使得变化实际上也导致重新确定阻抗。

在一种优选方案中，在风力涡轮机或者多个风力涡轮机构成的风电场形式的发电机组所连接的电力网中使用本发明所述的方法。尽管如此，必要时也可以将该方法用于其它发电机组。

除了上述方法之外，本发明还涉及一种发电机组，其中设计所述发电机组，使其在电力网的连接点处并网时执行本发明所述的方法或者本发明所述方法的一种或多种优选方案。于是发电机组的相应控制单元能够直接处理所确定的阻抗值，以便将发电机组的运行合适地适配于电力网。

此外，本发明还涉及一种计算机程序产品，所述计算机程序产品具有保存在机器可读的载体上的程序代码，以用于当在计算机上执行该程序代码时，执行本发明所述的方法或者本发明所述方法的一种或者多种优选方案。

附图说明

以下根据附图对本发明的实施例进行详细说明。

其中：

图1示出具有用于发电机组的连接点的三相电力网的示意图，其中执行本发明所述方法的一种实施方式；

图2示出通过单相系统对图1的三相电力网的阻抗进行建模；

图3示出解释本发明所述方法的一种实施方式的主要步骤的示意图；以及

图4示出用于确定根据本发明估算的阻抗的估算误差的关系图形图的示例。

具体实施方式

根据图1中作为戴维南等效电路所示的三相电力网描述本发明所述方法的以下实施方式。使用Z₁、Z₂和Z₃表示电力网的各个相1、2和3中的阻抗。使用V₁、V₂和V₃表示电网中的相应电压。通过点PCC(PCC＝PointofCommonCoupling/公共连接点)将发电机组(未示出)连接到电力网上，其中还单独为三个相绘出连接点。使用I₁、I₂和I₃表示各相中存在的电流。此外还存在用于各个相的变压器，使用Z_T表示变压器的阻抗。以下将该阻抗算入到相应的阻抗Z₁、Z₂和Z₃中。在图1中使用V₁₂、V₁₃和V₂₃表示各相之间的电压。

在这里所述的实施方式的范围内，以具有相同阻抗Z₁至Z₃和相同电压V₁至V₃(具有120度相位差)的平衡三相电力网为出发点。因此可以根据图2中所示的单相系统确定阻抗。在根据图2的单相系统中，V_G表示图1中的相同电压V₁至V₃的值，并且Z_G相当于图1中的相同阻抗Z₁至Z₃的值。连接点PCC上的电压V_PCC或电流I_PCC相当于某个相的电压或电流。从所连接的发电机组测量电压V_PCC。同样通过发电机组确定电流I_PCC以及无功功率Q_PCC和有功功率P_PCC。类似于图1，又将变压器的阻抗Z_T算入到电力网的阻抗Z_G中。

本发明所述方法的下述实施方式的目的从现在起是根据测量值V_PCC、Q_PCC和P_PCC正确确定电力网的阻抗。理论上可以以本身已知的方式通过以下公式确定阻抗Z_G：

Z_{G} = \frac{U_{2} - U_{1}}{I_{2} - I_{1}}

在此，U₂和I₂是连接点上某个时刻的复数电压或电流，以及U₁和I₁是连接点上另一时刻的相应复数电压或电流。因此以上电压或电流包含相位值。在此，由于电力网的频率波动，这些相位值的确定证明是有问题的。尽管如此，为了确定正确的阻抗值Z_G，以下使用一种假设连接点上的电压相位不变的条件下确定阻抗值的运算法则。这里运用了以下认识：在电网运行中总是反复出现使用该运算法则估算阻抗导致小的估算误差的工作点。在此，通过分析估算误差可以确定何时将阻抗的相应估算分类为有效的。

在此，发明人尤其认识到：当连接点上出现所测量的电压和无功功率变化、同时有功功率的变化小并且电力网是无功的时候，也就是当电力网的阻抗的实部是小的时候，使用假设所测量的电压相位不变的运算法总是导致小的估算误差。最后的假设通常在发电机组连接到高压电力网上的时候被满足。

使用上面已经提及的以下方程组作为估算阻抗的运算法则：

Z_{G E} = \frac{U_{2} - U_{1}}{(\frac{P_{2}}{U_{2}} - \frac{P_{1}}{U_{1}}) - (\frac{{jQ}_{2}}{U_{2}} - \frac{{jQ}_{1}}{U_{1}})}

其中Z_GE是估算的阻抗值；

其中U₂是在包括当前时刻和一个或多个先前时刻的若干时刻中的某个时刻在连接点上的所测量的电压，Q₂是所测量的无功功率，P₂是所测量的有功功率；

在一种简单的方案中，在此仅仅观察当前的时刻和上一个时刻，使得方程组仅包括一个方程式。在这种情况下，U₂、Q₂和P₂涉及当前的时刻，并且U₁、Q₁和P₁涉及上一个时刻。

以下根据附图3解释本发明所述方法的主要步骤。在此，始终在相应的当前时刻t逐步执行所述的方法，并且图3示出在相应时刻t的方法步骤。在该时刻在步骤S1中检查当前时刻与先前时刻之间连接点上的电压V_PCC的值变化|ΔV_PCC|是否大于阈值TH1，并且当前时刻与先前时刻之间连接点上的无功功率Q_PCC的值变化|ΔQ_PCC|是否大于阈值TH2。在此利用了以下认识：针对小的估算误差所需的前提条件在使用以上提及的运算法则的情况下在于连接点上出现电压和无功功率变化。在一种优选方案中，根据预先确定的电压或无功功率的测量精度确定阈值TH1和TH2。相应的阈值尤其是大于一的正系数(例如5)与相应的百分比测量精度的乘积。

仅当满足了根据步骤S1的条件的时候，才继续估算当前时刻的阻抗，否则就结束估算。如果满足了根据步骤S1的条件，就在步骤S2中检查发电机组或电力网是否引起了连接点上的电压或无功功率的相应变化。仅在发电机组引起电压或无功功率变化的情况下，才可以估算阻抗。在这里所述的实施方式中，在步骤S2中检查电压V_PCC的变化ΔV_PCC的符号是否对应于无功功率Q_PCC的变化ΔQ_PCC的符号。仅当符号一致的时候，则发电机组引起了电压或无功功率的变化。如果就是这种情况，则以步骤S3继续执行该方法。否则在当前时刻结束估算阻抗。

在继续执行该方法的其情况下，在步骤S3中从现在起根据以上运算法估算阻抗值Z_GE。还为该估算确定估算误差errZ_GE。在此，根据预先为了模拟电力网或者必要时在电力网真实运行中确定的关系来确定估算误差。图4示例性示出描述该关系的图。在该图中，以pu为单位(perunit)说明不限制普遍性的相应功率值和以百分比说明估算误差。为了确定该图，在电力网模拟范围内以Z_G＝0.0707+0.4950j(单位：pu)为实际阻抗值的基础。在该图中，根据无功功率值变化|ΔQ_PCC|说明估算误差errZ_GE，其中图中的不同的线适用于有功功率ΔP_PCC的值变化|ΔP_PCC|的不同值。在图4中仅以三个线为例说明相应线条所适用的有功功率值变化。在此，对于这些线条有功功率值变化从左向右增大。

针对当前时刻有功功率的预先确定的值确定了图4的图。为了确定估算误差在此存在多个根据图4的图，其中通过模拟确定有功功率的不同值的每个图。为了在步骤S3中确定估算误差，从现在起找出与连接点上的当前有功功率值对应的相应的图。接着找出与连接点上的有功功率变化对应的线。然后根据该线查看无功功率值变化的估算误差。如从图4的图中看出，如果无功功率变化大并且有功功率变化小，则估算误差始终是小的，就是说以上运算法始终适用于估算Z_GE。

在确定估算误差之后，在步骤S4中确定该估算误差是否小于估算误差errZ。在此，估算误差errZ是最后在较早时刻确定的估算误差。仅在当前估算误差errZ_GE小于上次确定的估算误差errZ的情况下，才在步骤S5中将估算的阻抗值Z_GE视作有效确定的阻抗值Z_G。如果没有满足步骤S4中的条件，则在当前时刻中断估算阻抗。然后可以在发电机组中或者在发电机组中的相应控制单元中适当处理步骤S5中确定的阻抗值，以便将机组的运行适配于电力网的情况。

在上述方法的一种特别优选的实施方式中，还在确定的条件下主动改变发电机组的参数，其中改变参数影响连接点处的电压或无功功率。在一种方案中，如果从上次执行步骤S5的时刻以来的时段超过预先确定的阈值，那么就进行这样的改变。因此实现，在当前的运行条件长时间无法导致适当估算阻抗的时候提供新的运行条件。优选地设计，主动激励发电机组，使得在此连接点处的有功功率保持不变。在这种情况下要考虑到又存在根据其可以估算阻抗的条件。

在另一种设计方案中，在电力网中发生重大事件的情况下，同样主动激励发电机组。如果没有满足根据步骤S2的条件，然而电压值变化和/或者无功功率值变化很大，那么就确定有重大事件。为此针对值变化设定明显大于阈值TH1和TH2的相应阈值。本发明的该方案考虑到电力网中的重大事件导致其阻抗改变，使得需要更新阻抗值。

本发明所述方法的上述实施方式具有一系列优点。尤其可以在发电机组运行期间以电力网的小的干扰在机组的连接点上在线确定阻抗的良好估算。本发明在此基于以下认识：可以针对发电机组或电力网的确定的工作点准确估算阻抗，在此无需考虑由于频率不稳定而不能准确确定的连接点上的电压相位变化。本发明所述的方法可用于任意类型的发电机组，其中所述发电机组在一种优选实施方式中是多个风力涡轮机构成的风电场。

发电机组所连接的电力网尤其是高压电力网，对于该高压电力网，阻抗基本上是无功的，并且因此仅仅具有很小的实部或者没有实部。

Claims

1.计算机辅助确定电力网(EN)的阻抗(Z_G)的方法，其中在相应的相继的时刻在发电机组连接到电力网(EN)上的连接点(PCC)处测量电压(V_PCC)、有功功率(P_PPC)和无功功率(Q_PCC)，其中通过以下方式确定电力网(EN)的阻抗值(Z_G)：

b)仅在所测量的电压(V_PCC)和所测量的无功功率(Q_PCC)的值变化(|ΔV_PCC|，|ΔQ_PCC|)满足第一标准的情况下，才确定所测量的电压(V_PCC)和所测量的无功功率(Q_PCC)的变化(ΔV_PCC，ΔQ_PCC)是否满足第二标准，其中如果由发电机组引起了所测量的电压(V_PCC)和所测量的无功功率(Q_PCC)的变化(ΔV_PCC，ΔQ_PCC)，那么就满足了第二标准；

c)仅在所测量的电压(V_PCC)和所测量的无功功率(Q_PCC)的变化(|ΔV_PCC|，|ΔQ_PCC|)满足第二标准的情况下，才根据与所测量的电压(V_PCC)的相位无关的运算法则估算阻抗值(Z_GE)，并且确定所估算的阻抗值(Z_GE)的估算误差(errZ_GE)；

d)仅在估算误差(errZ_GE)小于预先确定的误差阈值(errZ_G)的情况下，所估算的阻抗值(Z_GE)才是所确定的阻抗值(Z_G)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤b)中检查第二标准，使得所测量的电压(V_PCC)的变化(ΔV_PCC)的符号与所测量的无功功率(Q_PCC)的变化(ΔQ_PCC)的符号进行比较，其中如果两个符号一致，则满足了第二标准。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中预先确定的误差阈值(errZ_G)是上次在当前时刻之前执行的步骤d)中确定的估算误差。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中第一阈值(TH1)是大于一的正系数与所测量的电压(V_PCC)的百分比测量精度的乘积，并且/或者第二阈值(TH2)是大于一的正系数与所测量的无功功率(Q_PCC)的百分比测量精度的乘积。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中还确定先前时刻与当前时刻之间有功功率(ΔP_PCC)的变化(ΔP_PCC)，其中如果有功功率(P_PCC)的值变化(|ΔP_PCC|)大于第三阈值，则在当前时刻中断确定阻抗值(Z_G)。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中还确定先前时刻与当前时刻之间有功功率(ΔP_PCC)的变化(ΔP_PCC)，其中在步骤c)中根据预先确定的关系确定估算误差(errZ_GE)，所述关系根据所测量的有功功率(P_PCC)、所测量的有功功率(P_PCC)的值变化(|ΔP_PCC|)和所测量的无功功率(Q_PCC)的值变化(|ΔQ_PCC|)说明估算误差(errZ_GE)。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤c)中在包括当前时刻和一个或多个先前时刻的若干时刻根据以下方程式的一个或多个通过所测量的电压(V_PCC)、所测量的有功功率(P_PCC)和所测量的无功功率(Q_PCC)估算阻抗值：

Z_{G E} = \frac{U_{2} - U_{1}}{(\frac{P_{2}}{U_{2}} - \frac{P_{1}}{U_{1}}) - (\frac{{jQ}_{2}}{U_{2}} - \frac{{jQ}_{1}}{U_{1}})}

其中Z_GE是估算的阻抗值；

其中U₂是在若干时刻中的某个时刻在连接点上的所测量的电压，Q₂是所测量的无功功率，并且P₂是所测量的有功功率；

其中U₁或Q₁或P₁是在测量电压U₂、无功功率Q₂和有功功率P₂的时刻之前的时刻在连接点上所测量的电压或所测量的无功功率或所测量的有功功率。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中在上次执行步骤d)的时刻以来的时段超过预先确定的阈值的情况下改变发电机组的一个或多个参数，使得连接点(PCC)上的电压(V_PCC)和/或者无功功率(Q_PCC)改变，其中所述参数变化引起执行步骤a)至d)，其中优选地设计所述参数变化，使得连接点(PCC)上的有功功率(P_PCC)保持不变。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中在所测量的电压(V_PCC)的值变化(ΔV_PCC)大于比第一阈值大的第四阈值、并且/或者所测量的无功功率(Q_PCC)的值变化(ΔQ_PCC)大于比第二阈值大的第五阈值并且所测量的电压(V_PCC)和所测量的无功功率(Q_PCC)的值变化(|ΔV_PCC|，|ΔQ_PCC|)不满足第二标准的情况下，改变发电机组的一个或者多个参数，使得连接点(PCC)上的电压(V_PCC)和/或者无功功率(Q_PCC)改变，其中参数改变引起执行步骤a)至d)，其中优选地设计所述参数的变化，使得连接点(PCC)上的有功功率(P_PCC)保持不变。

10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述发电机组是风力涡轮机或者多个风力涡轮机构成的风电场。

11.发电机组，其中设计所述发电机组，使其在连接到电力网的连接点(PCC)上时执行权利要求1至10中任一项所述的方法。

12.计算机程序产品，具有保存在机器可读载体上的程序代码，以用于在计算机上执行该程序代码时，执行权利要求1至10中任一项所述的方法。