CN105548696B - 基于分布参数电路的风机谐波适应性远端检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布参数电路的风机谐波适应性远端检测系统及方法，包括：扰动发生装置以及与所述扰动发生装置连接的测试电缆；测试电缆的另一端连接风电机组；设定风电机组风机箱变的出口端为风机近端A点，远端测试点作为风机远端B点；在风机近端A点输入测试规程要求的测试谐波，测试风机远端B点的谐波电压幅值，根据风机近端A点相比于风机远端测试B点的各次谐波放大或衰减比例，确定谐振频率。本发明有益效果：能够在测试装置无法靠近待检测风机的情景下(如海上测试)，顺利实现接入测试电缆后的远端检测。

Description

基于分布参数电路的风机谐波适应性远端检测系统及方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组并网检测技术领域，尤其涉及一种基于分布参数电路的风机谐波适应性远端检测方法。

背景技术

近年来，风电发展十分迅速，据世界风能理事会统计，在过去六年(2009-2014)中，全球风电市场规模扩大了约250GW，海上风电也受到更多的关注，全球范围内海上风电并网规模不断增加，对电网稳定性影响日益突出。

2011年，张北地区连续发生多起风电机组大规模脱网事故，对电网安全运行和供电造成严重的影响，使得风电机组并网电网适应性检测重要性得到广泛认可。为此，国家能源局针对风电并网检测工作印发了《国家电网公司风电并网检测管理暂行办法》(以下简称测试规程)。目前关于风电机组并网检测的研究基本针对于陆上，测试点靠近于风机中压出口侧。在进行电网谐波适应性并网检测时，扰动发生装置可以按照测试规程要求产生相应的测试谐波，直接注入风机侧。

与陆上风电机组检测不同的是，海上风电机组基础位于海水，海上风浪情况比较复杂，测试装置往往难以抵达风机电压出口处进行测量，通常需要通过一定长度的海底电缆进行测试连接。同时海底电缆含有大量的分布电容参数，会给检测带来一定的影响，尤其是电网谐波适应性检测。在对风电机组进行远端测试时，如果仍然按照陆上检测方法直接在远端注入规程要求测试谐波，经过海缆的作用会产生一定的畸变，当测试谐波到达风机侧时，已经和远端有了一定不同，会严重影响检测的可靠性，甚至引起谐振，危害待检测风机以及扰动发生装置。

发明内容

本发明的目的就是为了消除风电机组远端检测时长距离电缆的影响，解决谐波适应性远端检测问题，提出了一种基于分布参数电路的风机谐波适应性远端检测系统及方法，该系统及方法不仅能够根据测试时采用的电缆对测试谐波在远端进行相应的修正，以保证实际注入风机侧的谐波符合测试规程要求，而且能够有效避免谐波适应性测试过程中潜在的谐振问题。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种基于分布参数电路的风机谐波适应性远端检测系统，包括：扰动发生装置以及与所述扰动发生装置连接的测试电缆；所述测试电缆的另一端连接风电机组；设定风电机组风机箱变的出口端为风机近端A点，远端测试点作为风机远端B点；

在风机近端A点输入测试规程要求的测试谐波，测试风机远端B点的谐波电压幅值，根据风机近端A点相比于风机远端测试B点的各次谐波放大或衰减比例，确定谐振频率。

一种基于分布参数电路的风机谐波适应性远端检测方法，包括以下步骤：

S1:根据测试时所采用的测试电缆，建立分布参数电路模型；所述分布参数电路模型包括单位长测试电缆的长度，以及每公里电缆的分布电容参数，电导参数，电阻参数以及电抗参数；

S2:按照测试规程要求所需采用的测试谐波，构建风机近端A点的谐波电压数学模型；

S3:根据不同的测试需求，对扰动发生装置发出的各次谐波进行分组；

S4：利用构建的谐波电压数学模型，在MATLAB仿真平台上，通过设置分布参数，计算空载条件下，在风机近端A点输入测试规程要求的测试谐波时，对应的风机远端B点相对于风机近端A点的谐波电压幅值的变化；

S5：根据风机远端B点相对于风机近端A点的谐波电压幅值的变化，确定风机近端A点相比于风机远端测试B点的各次谐波放大或衰减比例；

如果所述放大衰减比例超过设定倍数，则确定该测试谐波引起了谐振；

S6：根据步骤S5中确定的各次谐波放大或衰减比例，按照测试规程要求的测试谐波作为风机近端A点的数据，计算风机远端B点相应谐波的幅值；

S7：根据步骤S6中的风机远端B点谐波幅值V_B，同时去除谐振谐波，取V_B作为实际测试时，扰动发生装置输出设定值；

S8:将测试电缆连接待检测风电机组，按照测试规程要求，按照以上所得的风机远端B点谐波幅值V_B对扰动发生装置进行调试，对所要求的测试谐波进行分组测试。

所述步骤S1中，分布参数电路模型具体为：

其中，为线路的电压电流；r为每公里电缆的电阻值，w_f为谐波频率对应的弧度值，为每公里电缆的电感值，g为每公里电缆的电导，C为每公里电缆的电容值。

所述步骤S2中，风机近端A点的谐波电压数学模型具体为：

其中，A为基波幅值，Bn为第n次谐波的幅值，n为谐波次数，n∈(2,25)，且没有3k次谐波；为基波电压的初相、为第n次谐波电压的初相、w为基波电压角速度。

所述步骤S3中，根据测试需求，按照以电压总谐波畸变率考核、以奇次谐波含有率考核、以偶次谐波含有率考核3种测试情况对扰动发生装置发出的各次谐波进行分组。

所述步骤S4中，风机远端B点相对于风机近端A点的谐波电压幅值的变化的确定方法具体为：

V_B＝V_Achγx+I_AZ_cnshγ_nx

其中，对于n次谐波，不同频率的谐波对应的值不同；V_A和I_A分别为风机近端A点的电压和电流，V_B和I_B分别为风机远端B点的电压和电流；特别地，当空载时末端电流I_A＝0，则可根据末端电压进行直接推算。谐波适应性检测时，末端电压即为规程所要求测试电压。

所述步骤S6中，计算风机远端B点各次谐波相应的幅值的方法具体为：

对于第K次谐波，风机近端、远端对应的谐波电压分别为V_Ak和V_Bk；由步骤S5得出，风机近端A点相比于风机远端测试B点的谐波放大了m倍，即V_Ak/V_Bk＝m；

因此，实际检测时，对于第k次谐波，按照规程在近端A点的要求值V_Ak，除以m，可求得远端B点的电压值V_Bk。

本发明的有益效果：

第一，本发明设计的基于分布参数电路风电机组谐波适应性远端检测方法，能够在测试装置无法靠近待检测风机的情景下(如海上测试)，顺利实现接入测试电缆后的远端检测。

第二，本发明设计的基于分布参数电路风电机组谐波适应性远端检测方法，能够根据实际测试所采用的电缆型号及长度不同，相应调节仿真设置，具有较强的适应性和调节能力。

第三，本发明设计的基于分布参数电路风电机组谐波适应性远端检测方法，首先对待检测的系统进行MATLAB仿真建模分析，能够准确确定待检测系统的谐振频率，可有效避免实际测试时测试谐波的注入。

第四，本发明设计的基于分布参数电路风电机组谐波适应性远端检测方法，在实际2～25次谐波测试时，提出分组测试的方法，即降低了对测试装置谐波畸变输出精度的要求，又能保证对各次的谐波的完整检测。

第五，本发明设计的基于分布参数电路风电机组谐波适应性远端检测方法，相比于已有的近端测试系统，未增加其他的装置，能够有效的控制测试系统的成本。

第六，本发明设计的基于分布参数电路风电机组谐波适应性远端检测方法，其中涉及的主要仿真模型是基于MATLAB平台开发，具有很强的可操作性和广泛的使用范围。

附图说明

图1(a)为谐波适应性远端检测测试系统结构示意图；

图1(b)为图1(a)对应的谐波适应性远端检测测试系统结构等值模型；

图2(a)为空载条件下谐波适应性远端检测测试系统结构示意图；

图2(b)为图2(a)对应的空载条件下谐波适应性远端检测测试系统结构等值电路模型；

图3为基于分布参数电路风电机组谐波适应性远端检测方法流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1(a)及图1(b)所示，本发明提供一种风电机组谐波适应性远端检测装置，实际完整的测试系统包括谐波扰动发生装置，长距离测试电缆，以及待检测风机。测试电缆一端与谐波扰动发生装置连接，另一端与待检测风机连接。

图1(b)为图1(a)对应的谐波适应性远端检测测试系统结构等值模型，其中Xc，Rc为测试装置的等效阻抗，A点为风机箱变出口端，B为远端检测点。AB段为海缆的分布参数等值电路，Xt为海上风电机组箱变等值阻抗，Xwt为风机的等值阻抗。电导g的值很小，一般可以忽略。

如图2(a)及图2(b)所示，是基于空载条件下近端检测，对含有长距离电缆的系统进行远端修正，以使得在远端B点输入一定的测试谐波，能够在近端A点获得测试规程所要求的谐波适应性测试条件。如图2(b)所示，空载测试系统含有电感及电容元素，在特定的谐波下能够产生谐振。本发明的风电机组谐波适应性远端检测方法，通过分布参数电路和谐波扰动发生装置模型，可有效确定系统谐振频率。

如图3所示为谐波适应性远端检测流程图，具体步骤如下：

S1:根据测试时所采用的电缆，建立实用的分布参数电路模型。主要包括单位长电缆的长度，以及每公里电缆的分布电容参数，电导参数，电阻参数以及电抗参数。

本步骤中，所采用的分布参数电路，由如下表达式决定：

其中r为每公里电缆的电阻值，w_f为谐波频率对应的弧度值，L为每公里电缆的电感值，g为每公里电缆的电导，C为每公里电缆的电容值。这些值主要由电缆的型号以及铺设环境决定。

S2:按照测试规程要求采用的测试谐波，构建谐波的数学模型。

按照不同的测试要求，风机近端A点的谐波电压可以表示为：

其中，n为谐波次数，n∈(2,25)，且没有3k次谐波。A为基波幅值，Bn为第n次谐波的幅值，由测试规程所要求的畸变率决定。

S3:考虑到实际测试情况，结合现有的扰动发生装置的性能，对2～25次谐波(无3k次谐波，k为整数)进行分组，以备测试。

本步骤中，考虑到测试规程的如下要求：

按照陆上风机近端A点测试规程，利用测试装置产生2～25次谐波(不含3K次谐波)，其他电压等级参照GB/T 14549进行设置：

(a)以电压总谐波畸变率考核，设置电压总谐波畸变率(10kV为4％，35kV为3％)，这种谐波组合下测试时间至少为10min。

(b)以各次电压谐波含有率考核，利用测试装置设置奇次谐波含有率(单次谐波电压含有率，10kv为3.2％，35kV为2.4％)，每种谐波组合下测试时间至少2min.

(c)以各次电压谐波含有率考核，利用测试装置设偶次谐波含有率(单次谐波电压含有率，10kv为1.6％，35kV为1.2％)，每种谐波组合下测试时间至少2min.

测试时需要产生的谐波成分较多，结合实际测试中扰动发生装置谐波畸变率输出精度有一定的局限，如对于(a)项测试，35kV电压下，难以在3％的总谐波畸变率下，在一次测试中包含所有测试谐波，需要对各次谐波进行分组。

S4:利用构建的数学模型，编写基于MATLAB的仿真程序，计算空载条件下，测试电缆对各次谐波的影响，主要关注对幅值大小的影响。

本步骤中，结合之前步骤的数学模型以及分组情况，利用编程仿真的方法，研究空载条件下，在近端A点输入规程要求的测试谐波，对应的B点的谐波情况，主要关注B点相对于A点的对应谐波幅值的变化。

风机远端B点相对于风机近端A点的谐波电压幅值的变化具体为：

V_B＝V_Achγx+I_AZ_cnshγ_nx

其中，对于n次谐波，不同频率的谐波对应的值不同；V_A和I_A分别为风机近端A点的电压和电流，V_B和I_B分别为风机远端B点的电压和电流。

特别地，当空载时末端电流I_A＝0，则可根据末端电压进行直接推算。谐波适应性检测时，末端电压即为规程所要求测试电压。

S5:根据仿真测试结果，分析经海缆的作用，风机近端相比于远端测试点的各次谐波放大(衰减)比例。如果发现某次谐波，放大倍数超过10倍，即认为该次谐波引起了谐振。

本步骤中，主要通过对比远近两端的幅值大小，确定引入电缆后，空载测试的谐振频率。

S6：根据S5中的各次谐波放大(衰减)比例，按照测试标准要求的测试谐波作为风机近端侧数据，计算长距离海缆远端各次谐波相应的幅值。

本步骤中，根据S5中的各次谐波放大(衰减)比例，按照测试规程在近端A点处要求的谐波含量，计算远端B点对应的谐波幅值。

对于第K次谐波，风机近端、远端对应的谐波电压分别为V_Ak和V_Bk；由步骤S5得出，风机近端A点相比于风机远端测试B点的谐波放大了m倍，即V_Ak/V_Bk＝m；

因此，实际检测时，对于第k次谐波，按照规程在近端A点的要求值V_Ak，除以m，可求得远端B点的电压值V_Bk。

S7：根据S6中的远端修正结果，同时排除谐振谐波，作为实际测试时，扰动发生装置输出设定值。

本步骤中，主要考虑到谐振会导致严重的谐波放大或缩小，实际测试时难以严格控制远端B点谐波扰动发生装置所注入谐波含量，从而会在近端A点产生较大误差，因此在本步骤中加以排除。实际测试中，通过避免在B点处注入对应的测试谐波，予以实现。

S8:通过电缆连接待检测风电机组，按照测试规程要求，对所要求的测试谐波按照进行分组测试。

本步骤中，结合待检测风机，按照以上所得的远端B点设置值对扰动发生装置进行调试，并按照S3中的分组情况，进行远端测试。

至此，本轮调整结束。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种基于分布参数电路的风机谐波适应性远端检测方法，其特征是，包括以下步骤：

S1:根据测试时所采用的测试电缆，建立分布参数电路模型；所述分布参数电路模型包括单位长测试电缆的长度，以及每公里电缆的分布电容参数，电导参数，电阻参数以及电抗参数；

S2:按照测试规程要求所需采用的测试谐波，构建风机近端A点的谐波电压数学模型；

S3:根据不同的测试需求，对扰动发生装置发出的各次谐波进行分组；

S4：利用构建的谐波电压数学模型，在MATLAB仿真平台上，通过设置分布参数，计算空载条件下，在风机近端A点输入测试规程要求的测试谐波时，对应的风机远端B点相对于风机近端A点的谐波电压幅值的变化；

S5：根据风机远端B点相对于风机近端A点的谐波电压幅值的变化，确定风机近端A点相比于风机远端B点的各次谐波放大或衰减比例；

如果所述放大衰减比例超过设定倍数，则确定该测试谐波引起了谐振；

S6：根据步骤S5中确定的各次谐波放大或衰减比例，按照测试规程要求的测试谐波作为风机近端A点的数据，计算风机远端B点相应谐波的幅值；

S7：根据步骤S6中的风机远端B点谐波幅值V_B，同时去除谐振谐波，取V_B作为实际测试时，扰动发生装置输出设定值；

S8:将测试电缆连接待检测风电机组，按照测试规程要求，按照以上所得的风机远端B点谐波幅值V_B对扰动发生装置进行调试，对所要求的测试谐波进行分组测试。

2.如权利要求1所述的一种基于分布参数电路的风机谐波适应性远端检测方法，其特征是，所述步骤S1中，分布参数电路模型具体为：

<mrow> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mover> <mi>V</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>x</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>jw</mi> <mi>f</mi> </msub> <mi>L</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mover> <mi>I</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mover> <mi>I</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>x</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>g</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>jw</mi> <mi>f</mi> </msub> <mi>C</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mover> <mi>V</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> <mo>;</mo> </mrow>

其中，为线路的电压电流；r为每公里电缆的电阻值，w_f为谐波频率对应的弧度值，L为每公里电缆的电感值，g为每公里电缆的电导，C为每公里电缆的电容值。

3.如权利要求1所述的一种基于分布参数电路的风机谐波适应性远端检测方法，其特征是，所述步骤S2中，风机近端A点的谐波电压数学模型具体为：

其中，A为基波幅值，Bn为第n次谐波的幅值，n为谐波次数，n∈(2,25)，且没有3k次谐波；为基波电压的初相、为第n次谐波电压的初相、w为基波电压角速度。

4.如权利要求1所述的一种基于分布参数电路的风机谐波适应性远端检测方法，其特征是，所述步骤S3中，根据测试需求，按照以电压总谐波畸变率考核、以奇次谐波含有率考核、以偶次谐波含有率考核3种测试情况对扰动发生装置发出的各次谐波进行分组。

5.如权利要求1所述的一种基于分布参数电路的风机谐波适应性远端检测方法，其特征是，所述步骤S4中，风机远端B点相对于风机近端A点的谐波电压幅值的变化的确定方法具体为：

V_B＝V_Achγx+I_AZ_cnshγ_nx

<mrow> <msub> <mi>I</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>V</mi> <mi>A</mi> </msub> <mrow> <mi>s</mi> <mi>h</mi> <mi>&amp;gamma;</mi> <mi>x</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <msub> <mi>I</mi> <mi>A</mi> </msub> <msub> <mi>ch&amp;gamma;</mi> <mi>n</mi> </msub> <mi>x</mi> </mrow>

其中，对于n次谐波，不同频率的谐波对应的值不同；V_A和I_A分别为风机近端A点的电压和电流，V_B和I_B分别为风机远端B点的电压和电流。

6.如权利要求5所述的一种基于分布参数电路的风机谐波适应性远端检测方法，其特征是，当空载时，风机近端A点的电流I_A＝0，则风机远端B点的幅值根据风机近端A点的电压进行直接推算；谐波适应性检测时，风机近端A点的电压即为规程所要求测试电压。

7.如权利要求1所述的一种基于分布参数电路的风机谐波适应性远端检测方法，其特征是，所述步骤S6中，计算风机远端B点各次谐波相应的幅值的方法具体为：

对于第K次谐波，风机近端、远端对应的谐波电压分别为V_Ak和V_Bk；由步骤S5得出，风机近端A点相比于风机远端B点的谐波放大了m倍，即V_Ak/V_Bk＝m；

因此，实际检测时，对于第k次谐波，按照规程在近端A点的要求值V_Ak，除以m，可求得远端B点的电压值V_Bk。