CN106610446A - 一种基于功率区间自适应划分的风电机组谐波电流确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于功率区间自适应划分的风电机组谐波电流确定方法，包括设置风电机组谐波电流的采集点并按照功率区间的划分对每个功率区间进行电流和电压的数据的采集；根据采集到的电流和电压的数据确定谐波的参数；对所述每个功率区间进行初步的对谐波电流的统计计算，根据设定条件和谐波电流结果设定选出不符合设定条件的需要细化的功率区间，并对该所述功率区间行细化，准确定位谐波产生的区间。本发明技术方案更加准确的定位谐波产生的区间，为分析风电机组产生谐波的原因提供更加详细的数据。

Description

一种基于功率区间自适应划分的风电机组谐波电流确定方法

技术领域：

本发明涉及新能源接入与控制领域，更具体涉及一种基于功率区间自适应划分的风电机组谐波电流确定方法。

背景技术：

风力发电作为可再生能源开发中技术最成熟的、最具有规模开发和商业化发展前景的发电方式之一，由于其在减轻环境污染、调整能源结构、解决偏远地区居民用电问题等方面的突出作用，越来越受到世界各国的重视并得到了广泛的开发和应用。近年来我国风力发电发展势头迅猛，风电装机每年翻番，大规模并网风电机组的运行对电网及用户的影响也日趋重要。

电力系统中的谐波是由于铁磁饱和设备、电子开关设备和电弧设备等非线性设备的存在而造成。对于风电机组来说，发电机本身产生的谐波是可以忽略的，谐波电流的真正来源是风电机组中采用的电力电子元件。对于定速风电机组来说，由于没有电力电子设备的参与，机组在连续运行过程中基本没有谐波产生。当机组进行投入操作时，软并网装置处于工作状态，将有谐波电流产生，但由于投入的过程较短，这时的谐波注入可以忽略。

变速风电机组则采用了电力电子设备：双馈式异步风电机组的发电机定子直接接入电网，而发电机转子则通过经直流环节连接的两个变流器(即转子侧变流器和电网侧变流器)接入电网。永磁直驱同步风电机组所发电力则通过背靠背全功率风电变流器直接接入电网，该背靠背全功率风电变流器由发电机侧变流器、直流环节和电网侧变流器组成。不论是哪种类型的变速风电机组，机组投入运行后风电变流器都将始终处于工作状态。因此，变速风电机组的并网运行可能会引起谐波注入问题。

谐波电流会引起变压器和电机铁心过热，同时由于谐波电流频率较高，会引起电容器电感值下降，进而导致故障。另外，谐波还会导致三相系统中性线过热，会干扰通讯设备和过电流继电器的正常运行。

目前对于风电机组谐波的统计计算方法是，测试结果基于每个有功功率区间的10min，对每个10％功率区间至少采集9个10min时间序列的瞬时电流测量数据(测试三次、三相)。由于风电机组的功率变化范围较大，因此在不同的功率下的谐波电流也不同，为了更加准确的确定谐波电流产生的原因，可以将对应的功率区间进行细化，但是无限的细化，不仅会延长测试周期，也使得后期计算处理更加复杂。

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于功率区间自适应划分的风电机组谐波电流确定方法，更加准确的定位谐波产生的区间，为分析风电机组产生谐波的原因提供更加详细的数据。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于功率区间自适应划分的风电机组谐波电流确定方法，包括：

设置风电机组谐波电流的采集点并按照功率区间的划分对每个功率区间进行电流和电压的数据的采集；

根据采集到的电流和电压的数据确定谐波的参数；

对所述每个功率区间进行初步的对谐波电流的统计计算，根据设定条件和谐波电流结果设定选出不符合设定条件的需要细化的功率区间，并对该所述功率区间行细化，准确定位谐波产生的区间。

在对需要进行细化的所述功率区间进行细化后形成新的功率区间；根据所述新的功率区间范围内原始采集到的数据重新计算该区间内的谐波的参数，直到重新计算的谐波的参数不能满足所述设定条件且细化后的功率区间为范围最小的能够定位谐波产生的功率区间。

所述设定条件包括总谐波畸变率、各次谐波含有率、间谐波和高频分量。

对小于0％的风电机组额定功率P_n和大于100％的风电机组额定功率P_n的所述功率区间的数据不做要求。

所述功率区间按照每10％的风电机组额定功率进行划分；对每个10％功率区间至少采集9组10min时间序列的瞬时电流测量数据；对每组10min数据进行谐波计算后，进行功率分区间的统计。

所述采集点设置在包括风电机组出口变压器低压侧的三相电压处和三相电流处。

所述谐波的参数包括电流谐波、间谐波、总谐波电流畸变和高频分量发射值。

风电机组的所述电流谐波参数只分析其频率在电网基波频率50倍以内的各谐波电流分量；所述电流谐波采用谐波子群有效值进行分析；某一谐波有效值以及与之直接相邻的两个谱线分量的方和根为第n次谐波子群的有效值G_sg,n；根据下式计算谐波子群有效值：

式中，C_k为频谱分量，C_k等于谐波分量G_n；k＝N*n，N为时间窗内的基波周期数；上角标2代表平方；C_k+i为频谱分量C_k的相邻分量。

风电机组的电流所述间谐波只分析频率在2kHz以下的间谐波电流分量；

电流间谐波采用间谐波的中心子群有效值进行计算；在两个连续谐波的频率之间，不包括与谐波频率的直接相邻的频率及直接相邻的频率分量的全部间谐波的有效值为间谐波的中心子群有效值C_isg,n；在谐波阶数n和n+1之间的间谐波中心子群有效值被设定为C_isg,n；根据下式计算间谐波的中心子群有效值：

式中，C_k+i是由离散傅立叶变换得到的相应的超出第n次谐波频率的频谱分量的有效值。

利用下式计算总谐波电流畸变THC：

式中：I_h为第h次谐波电流的分组有效值；I_n为风电机组的额定电流。

所述高频分量按离散傅立叶变换未处理的输出按200Hz宽的频带分组，其第一频带的中心频率是2100Hz，其每个频带输出的G_b是有效值，按下式进行计算：

式中，中心频率b代表了该段频带，f为频率，C_f为频率f对应的频谱幅值。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果

1、本发明技术方案在不影响测试周期及数据计算的基础上，根据采集得到的原始数据，将功率区间进行自适应细化，对风电机组进行谐波电流计算；

2、本发明技术方案保证了计算结果的可靠性；

3、本发明技术方案减少风电机组故障的产生；

4、本发明技术方案为风力发电做出了进一步的贡献。

附图说明

图1为本发明实施例风电机组谐波电流测试采集点示意图；

图2为本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

本例的发明提供一种基于功率区间自适应划分的风电机组谐波电流确定方法，包括如图2所示：

1)风电机组谐波电流采集点

风电机组谐波电流测试原理图及采集点示意图如附图1所示。测量点选择可以准确得出风电机组在不同功率区间下的谐波电流值，主要包括：风电机组出口变压器低压侧三相电压、三相电流。对于采集设备，应满足IEC61400-21标准要求，采样率至少为2kHz。

表1采集点

2)谐波电流计算

谐波可分为瞬态谐波，暂态谐波和稳态谐波，通常持续时间很短的谐波认为是无害的。因此，对风电机组启动或其它切换操作引起的短期谐波不作要求，只测量其连续运行过程中产生的电流谐波、间谐波和高频分量发射值。

为了便于查看风电机组输出功率和电流分量(谐波、间谐波及高频分量)之间的关系，将风电机组有功功率分区间，在每个功率区间内，应至少采集9组(每相测试三次，共三相)10min时间序列的瞬时电压和电流测量数据。统计每个区间内电流分量(谐波、间谐波及高频分量)及总谐波电流畸变率与In的百分比。

采用DFT(离散傅里叶变换)对测量电流进行矩形加权，即不对测量所得时间序列应用特殊加权函数(汉宁、汉明等)。有功功率评估时间周期与谐波采用的时间窗长度相同。推荐50Hz系统采用10-周期观测窗，60系统采用12-周期观测窗。即谱线的频率间隔为5Hz。

另外，测量电流谐波、间谐波和高频分量时，风电机组的无功功率应尽可能为零，若可行，无功功率设定点控制应设定为Q＝0。如果采用其他运行模式，应说明清楚。

对于频率在电网基波频率50倍以内的各谐波电流分量，应指定各次谐波电流分量值并计算总电流谐波畸变因数。频率低于2kHz的电流间谐波分量依照IEC 61000-4-7:2002附录A给出的方法计算分组值。频率在2kHz至9kHz之间的电流高频分量依照IEC 61000-4-7:2002附录B的方法计算分组值。测量风电机组产生的电流谐波、间谐波和高频分量时，风电机组的无功功率应尽可能为零。

(1)电流谐波

谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。风电机组电流谐波只分析频率在电网基波频率50倍以内的各谐波电流分量和相应的总谐波电流畸变。

电流谐波采用谐波子群有效值进行分析。某一谐波有效值以及与之直接相邻的两个谱线分量的方和根为谐波子群的有效值(G_sg,n)。根据下式(4-28)计算谐波子群有效值。

式中，C_k为频谱分量，C_k(k＝N*n)等于谐波分量G_n；N为时间窗内的基波周期数。

(2)电流间谐波

间谐波分量，即对周期性交流量进行傅立叶级数分解，得到频率不等于基波频率整数倍的分量。风电机组电流间谐波只分析频率在2kHz以下的间谐波电流分量。

电流间谐波采用间谐波的中心子群有效值进行计算。在两个连续谐波的频率之间，不包括与谐波频率直接相邻频率直接相邻的频率分量的全部间谐波的有效值为间谐波的中心子群有效值(C_isg,n)。在谐波阶数n和n+1之间的间谐波中心子群有效值被设定为C_isg,n。例如在n＝5和n＝6之间的中心子群用C_isg,5表示。根据下式计算间谐波的中心子群有效值。

式中，C_k+1是由离散傅立叶变换得到的相应的超出第n次谐波频率的频谱分量的有效值，而C_isg,n则是第n次间谐波中心子群的有效值。

利用式(4-30)计算总谐波电流畸变：

式中：

I_h――第h次谐波电流的分组有效值；

I_n――风电机组的额定电流。

(3)电流高频分量

高频分量，即频率在2～9kHz之间的分量。离散傅立叶变换未处理的输出按200Hz宽的频带分组，第一频带的中心频率是2100Hz每个频带输出的G_b是有效值，按下式进行计算。

式中，中心频率b代表了该段频带，例如2100Hz、2300Hz、2500Hz，最高中心频率为8900Hz。

3)功率区间自适应划分方法

目前对于风电机组谐波的计算方法是，测试结果基于每个有功功率区间的10min，对每个10％功率区间至少采集9个10min时间序列的瞬时电流测量数据(测试三次、三相)。对每个10min数据进行谐波计算后，进行功率分区间统计，当风电机组有功功率输出分别在0、10、20、…、100％的风电机组额定功率P_n区间时，通过测试得到电流谐波、间谐波和高频分量与风电机组额定电流I_n的百分比。此处，0、10、20、…、100％为功率区间中点。

由于风电机组的功率变化范围较大，因此在不同的功率下的谐波电流也不同，为了更加准确的确定谐波电流产生的原因，可以将对应的功率区间进行细化，但是无限的细化，不仅会延长测试周期，也使得后期计算处理更加复杂。在不影响测试周期及数据计算的基础上，将功率区间进行自适应细化，数据仍满足每个10％区间采集到的数据不少于9个10min，以保证数据结果的可靠性。考虑到小于0％P_n时，风机基本处于停机状态，大于100％P_n时，有些风电机组不具备超发能力，因此这两个区间的数据不做具体要求。

根据采集得到的原始数据，计算得出各数据的各次谐波电流、间谐波电流、高频分量及电流谐波总畸变率，首先按照10％功率区间进行初步统计计算，根据各次谐波结果设定选出需要细化的功率区间，并对此功率段进行细化，更加准确的定位谐波产生的区间。计算流程如附图2所示。

自适应分区间可根据包括总谐波畸变率、各次谐波含有率、间谐波和高频分量等不同的条件作为设定条件对谐波结果进行重新计算划分，依照前面所述的方法，对原来采集到的数据进行相同的数据处理，当计算完成后，对计算结果进行判断，若重新计算的结果满足所述设定条件，则排除该区间可能发生谐波；若所述重新计算的结果依然不满足所述设定条件，则对所述新的功率区间再进行细化并再重新计算结果，直到所述记过仍不满足所述设定条件或者且细化后的功率区间为范围最小的能够定位谐波产生的功率区间。根据不同的风机机组类型是的不同，最终细化功率区间的范围也不同，风机机组额定功率靠前的百分比的功率区间的最终细化功率区间的范围比靠后的百分比的功率区间的最终细化功率区间的范围大，一般来说0-50％风机机组额定功率的功率区间最终细化到任意每个原始功率区间中5％的风机机组额定功率的功率区间范围内，而51-100％风机机组额定功率的功率区间最终细化到任意每个原始功率区间中2％的风机机组额定功率的功率区间范围内，即可知道谐波产生的具体功率区间范围，从而找出谐波产生的原因所在。

测试按照上述方法进行计算，采集风电机组出口变压器低压侧三相电压、三相电流，通过采集到的数据，以3％谐波电流总畸变率为限，利用功率自适应细化分区间方法进行谐波电流计算，计算结果如表2所示。

表2基于功率自适应细化分区间方法计算的谐波电流

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于功率区间自适应划分的风电机组谐波电流确定方法，其特征在于：包括：

设置风电机组谐波电流的采集点并按照功率区间的划分对每个功率区间进行电流和电压的数据的采集；

根据采集到的电流和电压的数据确定谐波的参数；

对所述每个功率区间进行初步的对谐波电流的统计计算，根据设定条件和谐波电流结果设定选出不符合设定条件的需要细化的功率区间，并对该所述功率区间行细化，准确定位谐波产生的区间。

2.如权利要求1所述的一种基于功率区间自适应划分的风电机组谐波电流确定方法，其特征在于：在对需要进行细化的所述功率区间进行细化后形成新的功率区间；根据所述新的功率区间范围内原始采集到的数据重新计算该区间内的谐波的参数，直到重新计算的谐波的参数不能满足所述设定条件且细化后的功率区间为范围最小的能够定位谐波产生的功率区间。

3.如权利要求1或2所述的一种基于功率区间自适应划分的风电机组谐波电流确定方法，其特征在于：所述设定条件包括总谐波畸变率、各次谐波含有率、间谐波和高频分量。

4.如权利要求1或2所述的一种基于功率区间自适应划分的风电机组谐波电流确定方法，其特征在于：对小于0％的风电机组额定功率P_n和大于100％的风电机组额定功率P_n的所述功率区间的数据不做要求。

5.如权利要求1所述的一种基于功率区间自适应划分的风电机组谐波电流确定方法，其特征在于：所述功率区间按照每10％的风电机组额定功率进行划分；对每个10％功率区间至少采集9组10min时间序列的瞬时电流测量数据；对每组10min数据进行谐波计算后，进行功率分区间的统计。

6.如权利要求1所述的一种基于功率区间自适应划分的风电机组谐波电流确定方法，其特征在于：所述采集点设置在包括风电机组出口变压器低压侧的三相电压处和三相电流处。

7.如权利要求1所述的一种基于功率区间自适应划分的风电机组谐波电流确定方法，其特征在于：所述谐波的参数包括电流谐波、间谐波、总谐波电流畸变和高频分量发射值。

8.如权利要求7所述的一种基于功率区间自适应划分的风电机组谐波电流确定方法，其特征在于：风电机组的所述电流谐波参数只分析其频率在电网基波频率50倍以内的各谐波电流分量；所述电流谐波采用谐波子群有效值进行分析；某一谐波有效值以及与之直接相邻的两个谱线分量的方和根为第n次谐波子群的有效值G_sg,n；根据下式计算谐波子群有效值：

$G_{sg,n}^2={\mathrm{\Σ}}_{i=-1}^1{C}_{k+i}^2...$

式中，C_k为频谱分量，C_k等于谐波分量G_n；k＝N*n，N为时间窗内的基波周期数；上角标2代表平方；C_k+i为频谱分量C_k的相邻分量的有效值。

9.如权利要求8所述的一种基于功率区间自适应划分的风电机组谐波电流确定方法，其特征在于：风电机组的电流所述间谐波只分析频率在2kHz以下的间谐波电流分量；

电流间谐波采用间谐波的中心子群有效值进行计算；在两个连续谐波的频率之间，不包括与谐波频率的直接相邻的频率及直接相邻的频率分量的全部间谐波的有效值为间谐波的中心子群有效值C_isg,n；在谐波阶数n和n+1之间的间谐波中心子群有效值被设定为C_isg,n；根据下式计算间谐波的中心子群有效值：

$C_{isg,n}^2={\mathrm{\Σ}}_{i=2}^8{C}_{k+i}^2...$

式中，C_k+i是由离散傅立叶变换得到的相应的超出第n次谐波频率的频谱分量的有效值。

利用下式计算总谐波电流畸变THC：

$THC=\frac{\sqrt{\underset{h=2}{\overset{50}{\Σ}}{I}_h^2}}{I_n}\×100...$

式中：I_h为第h次谐波电流的分组有效值；I_n为风电机组的额定电流。

10.如权利要求9所述的一种基于功率区间自适应划分的风电机组谐波电流确定方法，其特征在于：所述高频分量按离散傅立叶变换未处理的输出按200Hz宽的频带分组，其第一频带的中心频率是2100Hz，其每个频带输出的G_b是有效值，按下式进行计算：

$G_b=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{f=b-90}^{b+100}{C}_f^2}...$

式中，中心频率b代表了该段频带，f为频率，C_f为频率f对应的频谱幅值。