CN110297150A - 风力发电机组并网点短路容量检测方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种风力发电机组并网点短路容量检测方法和装置。该短路容量检测方法包括：在变流器为网侧空载调制状态，且电网相对于变流器处于短路状态时，调制变流器的无功功率给定值和制动功率给定值，并采集调制后风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号；根据调制后的风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号，及风力发电机组并网点的额定线电压，得到风力发电机组并网点的短路容量。采用本发明实施例中的技术方案，能够实现对风力发电机组并网点短路容量的有效检测。

Description

风力发电机组并网点短路容量检测方法和装置
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及风力发电机组并网点短路容量检测方法和装置。
背景技术
风电场中各风力发电机组发电量需要通过电力系统才能并入电网。风电场短路比用于表征电力系统的短路运行承载能力。当风力发电机组处于空载调制状态时，其机侧整流器未工作而网侧逆变器与电力系统低压侧接通，相当于电力系统负载接近为空，可以认为电力系统在短路运行。由于风电场中可能有多台风力发电机组同时处于空载调制状态，因此需要足够高的风电场短路比才能够维持风电场的稳定运行。通常风电场短路比需要大于1.7～2左右。
但是，本申请的发明人发现，风电场短路比需要根据各风力发电机组并网点的短路容量计算得到，由于现有技术中未有关于风力发电机组并网点短路容量的检测方法，因此，无法得到风电场短路比，需要直到电力系统发生振荡时才知道风电场短路比已偏低，不利于风电场的稳定运行。
发明内容
本发明实施例提供了一种风力发电机组并网点短路容量检测方法和装置，能够实现对风力发电机组并网点短路容量的有效检测。
第一方面，本发明实施例提供了一种风力发电机组并网点短路容量检测方法，该方法包括：
在变流器为网侧空载调制状态，且电网相对于变流器处于短路状态时，调制变流器的无功功率给定值和制动功率给定值，并采集调制后风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号；
根据调制后的风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号，及风力发电机组并网点的额定线电压，得到风力发电机组并网点的短路容量。
在第一方面的一种可能的实施方式中，电网相对于变流器处于短路状态时，电网和变流器之间的电力系统被等效为串联设置的低压侧电源、内阻和线路阻抗，调制变流器的无功功率给定值和制动功率给定值，包括：若线路阻抗与内阻之间的差值大于第一预设阈值，且线路阻抗中的感抗和线路阻抗中的电阻之间差值大于第二预设阈值，则对变流器执行第一空载调制操作，第一空载调制操作为将无功功率给定值设置为0至变流器中逆变器的额定视在功率之间的任一功率值，及将制动功率给定值设置为0。
在第一方面的一种可能的实施方式中，根据调制后的风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号，及风力发电机组并网点的额定线电压，得到风力发电机组并网点的短路容量，包括：根据第一空载调制操作后的风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号，得到第一短路电压有效值和第一无功功率反馈值；根据电网相对于变流器处于断路状态下、风力发电机组并网点的三相电压信号，得到第一初始电压有效值；根据第一初始电压有效值、第一短路电压有效值、第一无功功率反馈值和额定线电压，得到风力发电机组并网点的短路容量。
在第一方面的一种可能的实施方式中，根据第一初始电压有效值、第一短路电压有效值、第一无功功率反馈值和额定线电压，得到风力发电机组并网点的短路容量，包括：根据第一初始电压有效值、第一短路电压有效值、第一无功功率反馈值，得到线路阻抗中的感抗；根据感抗和额定线电压，得到风力发电机组并网点的短路容量。
在第一方面的一种可能的实施方式中，调制变流器的无功功率给定值和制动功率给定值，包括：若线路阻抗与内阻之间的差值大于第一预设阈值，且线路阻抗中的感抗和线路阻抗中的电阻之间差值未大于第二预设阈值，则分别对变流器执行第一空载调制操作和第二空载调制操作；第二空载调制操作为将无功功率给定值设置为0，将制动功率给定值设置为0至额定视在功率之间的任一功率值。
在第一方面的一种可能的实施方式中，根据调制后的风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号，及风力发电机组并网点的额定线电压，得到风力发电机组并网点的短路容量，包括：根据第一空载调制操作后的三相电压信号和三相电流信号，得到第二短路电压有效值、第二无功功率反馈值和第一有功功率反馈值；并根据第二空载调制操作后的三相电压信号和三相电流信号，得到第三短路电压有效值、第三无功功率反馈值和第二有功功率反馈值；根据电网相对于变流器处于断路状态下、风力发电机组并网点的三相电压信号，得到第二初始电压有效值；根据第二初始电压有效值、第二短路电压有效值、第二无功功率反馈值、第一有功功率反馈值、第三短路电压有效值、第三无功功率反馈值和第二有功功率反馈值，得到线路阻抗中的感抗和线路阻抗中的电阻；根据感抗、电阻和额定线电压，得到风力发电机组并网点的短路容量。
在第一方面的一种可能的实施方式中，在采集调制后所述风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号的步骤之后，该方法还包括：根据调制后短路状态下风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号，及调制后的无功功率给定值，得到用于驱动变流器中开关器件的PWM信号，以使变流器输出的无功功率趋近于调制后的无功功率给定值；或者，根据调制后的无功功率给定值得到用于驱动变流器中开关器件的PWM信号，以调整变流器输出的无功功率。
在第一方面的一种可能的实施方式中，在采集调制后所述风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号的步骤之后，该方法还包括：根据调制后短路状态下变流器中制动单元的电压反馈信号及电流反馈信号，及调制后的制动功率给定值，得到用于驱动制动单元中制动功率模块的开关器件的PWM信号，以使制动单元的制动功率趋近于调制后的制动功率给定值；或者，根据调制后的无功功率给定值得到用于驱动制动单元中开关器件的PWM信号，以调整制动单元的制动功率。
第二方面，本发明实施例提供一种风力发电机组并网点短路容量检测装置，该装置包括：
调制模块，用于在变流器为网侧空载调制状态，且电网相对于变流器处于短路状态时，调制变流器的无功功率给定值和制动功率给定值，并采集调制后风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号；
计算模块，用于根据调制后的三相电压信号和三相电流信号，及风力发电机组并网点的额定线电压，得到风力发电机组并网点的短路容量。
在第二方面的一种可能的实施方式中，电网相对于变流器处于短路状态时，电网和变流器之间的电力系统被等效为串联设置的低压侧电源、内阻和线路阻抗，调制模块包括：第一调制单元，用于若线路阻抗与内阻之间的差值大于第一预设阈值，且线路阻抗中的感抗和线路阻抗中的电阻之间差值大于第二预设阈值，则对变流器执行第一空载调制操作，第一空载调制操作将无功功率给定值设置为0至变流器中逆变器的额定视在功率之间的任一功率值，及将制动功率给定值设置为0。
在第二方面的一种可能的实施方式中，调制模块还包括：第二调制单元，用于若线路阻抗与内阻之间的差值大于第一预设阈值，且线路阻抗中的感抗和线路阻抗中的电阻之间差值未大于第二预设阈值，则分别对变流器执行第一空载调制操作和第二空载调制操作；第二空载调制操作为将无功功率给定值设置为0，将制动功率给定值设置为0至额定视在功率之间的任一功率值。
在第二方面的一种可能的实施方式中，风力发电机组并网点短路容量检测装置设置在风电场的中央集控设备中。
在本发明实施例中，为检测风力发电机组并网点的短路容量，可以在变流器为网侧空载调制状态，且电网相对于变流器处于短路状态时，调制变流器的无功功率给定值和制动功率给定值，然后采集调制后风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号，再根据调制后的风力发电机组的三相电压信号和三相电流信号和风力发电机组并网点的额定线电压，得到风力发电机组并网点的短路容量。
由于本发明实施例中的调制后风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号为电力系统处于低压侧短路状态时的信号，因此，可以利用该调制后的三相电压信号和三相电流信号对电力系统处于短路状态时的阻抗参数进行求解，结合计算得到的阻抗参数和风力发电机组并网点的额定线电压，就能够得到风力发电机组并网点的短路容量。
附图说明
从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。
图1为本发明实施例涉及的风电场电力系统的结构示意图；
图2为本发明实施例涉及的风力发电机组的并网结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的风力发电机组并网点短路容量检测方法的流程示意图；
图4为本发明实施例提供的电力系统低压侧发生短路时的等效电路图；
图5为与图4对应的电力系统内阻Rs远小于线路阻抗Z1时，电力系统低压侧发生短路时的等效电路图；
图6为与图5对应的线路阻抗中Z1的电阻Rc远小于感抗XL1时，电力系统低压侧发生短路时的等效电路图；
图7为本发明另一实施例提供的风力发电机组并网点短路容量检测方法的流程示意图；
图8为本发明又一实施例提供的风力发电机组并网点短路容量检测方法的流程示意图；
图9为本发明实施例提供的无功功率闭环调节装置的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的制动功率开环调节装置的结构示意图；
图11为本发明实施例提供的风力发电机组并网点短路容量检测装置的结构示意图。
101-风力发电机组；102-中压母线(102_1、102_2和102_3)；
103-高压母线；104-变电站出线线路；105-中压/低压变压器；
106-高压/中压变压器；107-中央集控设备；200-变流器；
201-整流器；202-制动单元；2021-制动电阻；
2022-制动单元中开关器件；203-逆变器；
2031-逆变器中开关器件；204-滤波器；205-主断路器。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。
本发明实施例提供了一种风力发电机组并网点短路容量检测方法和装置，能够实现对风力发电机组并网点短路容量的有效检测，从而能够根据检测到的风力发电机组并网点短路容量计算风电场短路比，实现对风电场进行提前预警，避免直到发生电力系统振荡时才知道风电场短路比过低，进而能够保证风电场的安全稳定运行。
图1为本发明实施例涉及的风电场电力系统的结构示意图。如图1所示，风力发电机组101并入电网之间的线路依次包括中压母线102(包括102_1、102_2和102_3)、高压母线103和变电站出线线路104。
图1还示出了中压/低压变压器105和高压/中压变压器106，风力发电机组101的发电量先经中压/低压变压器105并入中压母线102，再经高压/中压变压器106并入高压母线103，最终经变电站出线线路104并入电网。
图1中还示出了风电场的中央集控设备107，该中央集控设备107分别与风电场中的各风力发电机组101连接，中央集控设备107可以与各风力发电机组101之间进行数据传输和控制信号传输。
图1中还示出了风电场中各风力发电机组并网点Pi，各风力发电机组并网点Pi分别位于对应的风力发电机组101和中压/低压变压器105之间，即位于对应的中压/低压变压器105的低压侧。因此，电力系统低压侧也可以理解为电力系统的靠近风力发电机组并网点Pi一侧。
图2为本发明实施例涉及的风力发电机组的并网结构示意图。如图2所示，风力发电机组和电网之间设置有变流器200，变流器200从机侧到网侧依次包括整流器201、制动单元202、逆变器204和滤波器205。
其中，整流器201用于对风力发电机组发电产生的三相交流电进行整流。制动单元202用于消耗有功功率以使直流母线电压维持在稳定值。逆变器204用于将整流后的直流电重新转换为三相交流电并入电网。
滤波器205用于产生无功功率。在一个可选实施例中，滤波器205可以为谐波滤波器205，该谐波滤波器205由多组电容和电感并联组成，能够产生容性无功功率。
图2中还示出了位于逆变器204网侧和风力发电机组并网点Pi之间的主断路器206，用于控制电网和变流器200之间的接通和断开。
图3为本发明一实施例提供的风力发电机组并网点短路容量检测方法的流程示意图，该短路容量检测方法包括步骤301和步骤302。
在步骤301中，在变流器为网侧空载调制状态，且电网相对于变流器处于短路状态时，调制变流器的无功功率给定值和制动功率给定值，并采集调制后风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号。
由于变流器处于网侧空载调制状态时，变流器与电力系统低压侧之间的线路被接通(即主断路器处于闭合状态)，且风力发电机组处于停机或待机状态，即靠近机侧整流器处于未调制状态，靠近网侧的逆变器处于可调制状态)，这种情况下，相当于电力系统低压侧的负载接近为空，因此，变流器处于网侧空载调制状态时可以认为电力系统在短路运行。此时，无功功率给定值通常被赋值为0，有功功率实际值为变流器器件的损耗。
在一个可选实施例中，可以主动将变流器设置为网侧空载调制状态，且电网相对于变流器处于短路状态。
在一个可选实施例中，也可以是自发处于变流器为网侧空载调制状态且电网相对于变流器为短路的状态。
在步骤302中，根据调制后的所述风力发电机组的三相电压信号和三相电流信号，及风力发电机组并网点的额定线电压，得到风力发电机组并网点的短路容量。
在本发明实施例中，为检测风力发电机组并网点的短路容量，可以在变流器为网侧空载调制状态，且电网相对于变流器处于短路状态时，调制变流器的无功功率给定值和制动功率给定值，然后采集调制后风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号，再根据调制后的风力发电机组的三相电压信号和三相电流信号和风力发电机组并网点的额定线电压，得到风力发电机组并网点的短路容量。
由于本发明实施例中的调制后风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号为电力系统处于低压侧短路状态时的信号，因此，可以利用该调制后的三相电压信号和三相电流信号对电力系统处于短路状态时的阻抗参数进行求解，结合计算得到的阻抗参数和风力发电机组并网点的额定线电压，就能够计算得到风力发电机组并网点的短路容量。
进一步地，基于本发明实施例中技术方案检测得到风力发电机组并网点短路容量，还能够计算风电场短路比，从而能够实现对风电场进行提前预警，避免直到发生电力系统振荡时才知道风电场短路比过低，进而能够保证风电场的安全稳定运行。
为便于本领域技术人员理解，下面对本发明实施例中的风力发电机组并网点短路容量检测方法进行详细说明。
图4为本发明实施例提供的电力系统低压侧发生短路时的等效电路图。
如图4所示，电网相对于变流器处于短路状态时，即低压侧三相短路时，电力系统低压侧可以等效为串联设置的低压侧电源AC、内阻Rs和线路阻抗Z1，Z1＝Rc+ω×Lc，其中，Rc为线路阻抗Z1中的电阻，Lc为线路阻抗Z1中的线圈电感，ω为角速度。线路阻抗Z1中的感抗Xc＝ω×Lc。
图4中还示出了低压侧阻抗Z2，Z2＝RL+ω×LL，其中，RL为低压侧阻抗Z2中的电阻，LL为低压侧阻抗Z2中的线圈电感，ω为角速度。低压侧阻抗Z2中的感抗XL＝ω×LL。
图5为与图4对应的电力系统内阻Rs远小于线路阻抗Z1时，电力系统低压侧发生短路时的等效电路图。也就是说，线路阻抗Z1与内阻Rs之间的差值大于第一预设阈值。其中，第一预设阈值的取值可以根据电力系统的实际工作情况和本领域技术人员的经验进行确定。
从图5可以看出，由于电力系统内阻Rs远小于线路阻抗Z1，因此，电力系统低压侧发生短路时的等效电路可以略去内阻Rs。此外，图5中还略去了低压侧阻抗Z2的示意，以简化等效电路结构。
图6为与图5对应的线路阻抗中Z1的电阻Rc远小于感抗XL1时，电力系统低压侧发生短路时的等效电路图。也就是说，线路阻抗Z1中的感抗Xc和电阻Rc之间差值大于第二预设阈值。其中，第二预设阈值的取值可以根据电力系统的实际工作情况和本领域技术人员的经验进行确定。
从图6可以看出，由于线路阻抗中Z1的电阻Rc远小于感抗Xc，因此，电力系统低压侧发生短路时的等效电路还可以略去电阻Rc。
下面分别结合图5和图6中的等效电路图对图3中的步骤301和步骤302进行详细说明。考虑到图6中的等效电路结构较图5更加简化，因此先结合图6中的等效电路图对图3中的步骤301和步骤302进行详细说明。
图7为本发明另一实施例提供的风力发电机组并网点短路容量检测方法的流程示意图，用于电力系统内阻Rs远小于线路阻抗Z1时，电阻Rc远小于感抗Xc的情况(即图6中的等效电路图)。如图7所示，该短路容量检测方法包括步骤701至步骤704。
在步骤701中，对变流器执行第一空载调制操作。
其中，第一空载调制操作具体为：将无功功率给定值设置为0至变流器中逆变器的额定视在功率之间的任一功率值，及将制动功率给定值设置为0。
在步骤702中，根据第一空载调制操作后的风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号，得到第一短路电压有效值和第一无功功率反馈值。
在步骤703中，根据电网相对于变流器处于断路状态下、风力发电机组并网点的三相电压信号，得到第一初始电压有效值。具体地，可以使主断路器断开以使电网相对于变流器处于断路状态。
在步骤704中，根据第一初始电压有效值、第一短路电压有效值、第一无功功率反馈值和额定线电压，得到风力发电机组并网点的短路容量。
具体地，可以根据第一初始电压有效值、第一短路电压有效值、第一无功功率反馈值，得到线路阻抗中的感抗，然后根据感抗和额定线电压，得到风力发电机组并网点的短路容量。
进一步地，结合图6，本发明实施例中的风力发电机组并网点的短路容量Sd可以表示为：
其中，Un为风力发电机组并网点的额定线电压，Xc为线路阻抗中的感抗值。
图8为本发明又一实施例提供的风力发电机组并网点短路容量检测方法的流程示意图，用于电力系统内阻Rs远小于线路阻抗Z1时，电阻Rc未远小于感抗Xc的情况(即图5中的等效电路图)。如图8所示，该短路容量检测方法包括步骤801至步骤805。
在步骤801中，分别对变流器执行第一空载调制操作和第二空载调制操作。其中，
第二空载调制操作具体为，将无功功率给定值设置为0，将制动功率给定值设置为0至额定视在功率之间的任一功率值。
其中，第一空载调制操作和第二空载调制操作的执行顺序可以调换。通常，可以在在前操作执行结束一段时间后执行在后操作，以提高采集数据的稳定性。
在步骤802中，根据第一空载调制操作后的风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号，得到第二短路电压有效值、第二无功功率反馈值和第一有功功率反馈值。并根据第二空载调制操作后的风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号，得到第三短路电压有效值、第三无功功率反馈值和第二有功功率反馈值。
在步骤803，根据电网相对于变流器处于断路状态下、风力发电机组并网点的三相电压信号，得到第二初始电压有效值。
在步骤804中。根据第二初始电压有效值、第二短路电压有效值、第二无功功率反馈值、第一有功功率反馈值、第三短路电压有效值、第三无功功率反馈值和第二有功功率反馈值，得到线路阻抗中的感抗和线路阻抗中的电阻。
在步骤805中，根据感抗、电阻和额定线电压，得到风力发电机组并网点的短路容量。
具体地，结合图5，本发明实施例中的风力发电机组并网点的短路容量Sd可以表示为：
其中，Un为风力发电机组并网点的额定线电压，Xc为线路阻抗中的感抗值，Rc为线路阻抗中的电阻值。
需要说明的是，上述各电压有效值，可以是任意一相线电压有效值、三相线电压有效值的平均值或D轴电压正序分量，此处不进行限定。
为便于本领域技术人员理解，下面以电力系统内阻Rs远小于线路阻抗Z1时，电阻Rc未远小于感抗Xc的情况(即图5中的等效电路图)为例，对本发明实施例提供的风力发电机组并网点短路容量检测过程进行详细举例说明。
第一步，执行状态1的数据获取流程。
(1)t0时刻，设置断开变流器网侧主断路器，使得风电变流器与电网处于断路状态。
(2)t1时刻，采集风力发电机组并网点的三相电压信号，根据采集的三相电压信号计算此刻风力发电机组并网点电压有效值U1。
(3)t2时刻，闭合变流器网侧主断路器，设置变流器为网侧空载调制状态，将无功功率设定值赋值为0。
(4)t3时刻，将无功功率给定值设置为Qref1，制动功率给定值设置为0。其中，0<Qref1<逆变器额定视在功率。
(5)t4时刻，采集风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号，根据采集的三相电压信号和三相电流信号计算此刻风力发电机组并网点的有功功率反馈值P1和无功功率反馈值Q1，及根据采集的三相电压信号计算此刻风力发电机组并网点电压有效值
(6)t5时刻，将变流器恢复为空载调制状态，空载调制状态下无功功率设定值为0。
第二步，执行状态2的数据获取流程。
(1)t6时刻，设置断开变流器网侧主断路器，使得风电变流器与电网处于断路状态。
(2)t7时刻，采集风力发电机组并网点的三相电压信号，根据采集的三相电压信号计算此刻风力发电机组并网点电压有效值U2。
(3)t8时刻，闭合变流器网侧主断路器，设置变流器为网侧空载调制状态，将无功功率设定值赋值为0。
(4)t9时刻，将无功功率给定值设置为0，制动功率给定值设置为Pref1。其中，0<Pref1<逆变器额定视在功率。
(5)t10时刻，采集风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号，根据采集的三相电压信号和三相电流信号计算风力发电机组并网点的有功功率反馈值P2和无功功率反馈值Q2，及根据采集的三相电压信号计算此刻风力发电机组并网点电压有效值
(6)t11时刻，将变流器恢复为空载调制状态，空载调制状态下无功功率设定值为0。
第三步，联立方程组(3)，计算图5中线路阻抗参数：感抗Xc和电阻Rc。
第四步，根据对上述二元一次方程组求得到的感抗Xc和电阻Rc，及上文中的公式(2)计算得到风力发电机组并网点短路容量Sd。
可以理解地是，当电阻Rc远小于感抗Xc时，图5中的线路阻抗参数中仅剩一个未知参数感抗Xc，因此，仅需要执行上文中的任意一次数据获取流程，就能够求解得到感抗Xc，然后利用上文中的公式(2)就能够计算得到风力发电机组并网点短路容量Sd。
此外，为提高上述无功功率反馈值Q1和Q2的准确度，即提高无功功率的控制精度，可以在变流器中设置无功功率闭环调节装置或者无功功率开环调节装置。
其中，无功功率闭环调节装置被配置为，根据调制后短路状态下风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号，及调制后的无功功率给定值，得到用于驱动变流器中开关器件的PWM信号，以使变流器输出的无功功率趋近于调制后的无功功率给定值。
以图9为例，图9为本发明实施例提供的无功功率闭环调节装置的结构示意图。图9中示出了各元器件构成及其连接关系。
图9中示出的元器件包括：锁相环901、第一dq换算器902、解算器903、三相-两相电压坐标换算器904、三相-两相电流坐标换算器905、无功功率计算器906、无功功率调节器907、第二dq换算器908、Q轴电流调节器909、直流母线电压调节器910、D轴电流调节器911和调制信号发生器912。
图9中还示出了滤波器网侧三相电压反馈信号(Ua，Ub，Uc)，滤波器网侧三相电压反馈信号(Ua，Ub，Uc)，及逆变器和滤波器之间的三相电流反馈信号由于滤波器网侧到风力发电机组并网点之间为等电势状态，因此，滤波器网侧也可以理解为风力发电机组并网点处。
下面结合图9中的无功功率闭环调节装置，对变流器无功功率的调节过程进行详细说明。
S1、根据公式(4)计算得到滤波器网侧的无功功率反馈值Qc。
其中，Ua_rms，Ub_rms和Uc_rms分别为各相位的电压有效值、Ca，Cb和Cc分别为滤波器中对应于各相位的电容器的容值，f为电网电压频率。
S2、根据无功功率反馈值Qc和无功功率给定值为Q*，计算得到第一q轴电流给定值
具体地，可以利用图9中的锁相环901对三相电压反馈信号(Ua，Ub，Uc)进行锁相处理，得到并网点电压的相位角θ。然后利用图9中的第一dq换算器902，基于相位角θ对三相电压反馈信号(Ua，Ub，Uc)进行坐标变换，得到同步旋转坐标系下的d轴电压正序分量
并利用图9中的解算器903根据公式(5)，计算得到第一q轴电流给定值
设第K个采样周期的无功功率给定值为Q*(k)，第K个采样周期的滤波器网侧的无功功率反馈值为Qc(k)，第K个采样周期的d轴电压正序分量则第K个采样周期的第一q轴电流给定值为：
S3、根据瞬时无功理论计算滤波器网侧的无功功率反馈值Qf。
具体地，可以利用图9中的三相(a,b,c)-两相(α,β)电压坐标换算器904根据公式(7)计算三相电压反馈信号(Ua，Ub，Uc)的两相静止坐标系下的α轴电压分量Uα和β轴电压分量Uβ：
其中，C3/2为三相(a,b,c)-两相(α,β)的坐标变化矩阵。
并利用图9中的三相(a,b,c)-两相(α,β)电流坐标换算器905根据公式(9)计算得到滤波器网侧的三相电流反馈信号(Ia1，Ib1，Ic1)的两相静止坐标系下的α轴电流分量Iα和β轴电流分量Iβ：
其中，C3/2为三相(a,b,c)-两相(α,β)的坐标变化矩阵(请参见公式(8))。
然后根据公式(10)计算得到滤波器网侧的无功功率反馈值Qf：
Qf＝Uβ×Iα-Uα×Iβ (10)
在一个可选实施例中，也可以对滤波器网侧的无功功率反馈值Qf进行滤波处理，以提高无功功率反馈值的准确度。
S4、根据无功功率反馈值Qf和无功功率给定值Q*，得到第二q轴电流给定值
其中，可以利用图9中的无功功率调节器907计算得到第二q轴电流给定值其中，无功功率调节器907可以是PI(比例-积分)调节器或者PID(比例-积分-微分)调节器。
以PI调节器为例，第二q轴电流给定值的求解原理为：
Qerr(k)＝Q*(k)-Qf(k) (11)
其中，Qerr(k)为第k个采样周期的无功功率偏差；Q*(k)为第k个采样周期的无功功率给定值，Qf(k)为第k个采样周期的无功功率计算值，为第k个采样周期的无功功率给定值增量，kp为PI调节器的比例调节值，ki为PI调节器的积分调节值，为第k个采样周期的第二q轴电流给定值。
S5、利用图9中的Q轴电流调节器909，根据第一q轴电流给定值和第二q轴电流给定值的和值q轴电流正序分量和q轴电压正序分量得到q轴电压给定值
具体地，q轴电流正序分量可以为利用图9中的第二dq换算器908，基于相位角θ对三相电流反馈信号(Ia2，Ib2，Ic2)进行dq坐标换算得到。q轴电压正序分量为利用图9中的第一dq换算器902，基于相位角θ对三相电压反馈信号(Ua，Ub，Uc)进行dq坐标换算得到。
S6、利用图9中的直流母线电压调节器910，根据直流母线电压给定值Udc*和直流母线电压Udc，得到d轴电流给定值
以直流母线电压调节器910为PI调节器为例，d轴电流给定值的求解原理为：
其中，UDC_err(k)为第k个采样周期的直流母线电压偏差值；为第k个采样周期的直流母线电压给定值，UDC(k)为第k个采样周期的直流母线电压采样值，为第k个采样周期的有功电流给定值增量，kp为PI调节器的比例调节值，ki为PI调节器的积分调节值，为第k个采样周期的有功电流给定值。
S7、利用图9中的D轴电流调节器，根据d轴电流给定值、d轴电流正序分量和d轴电压正序分量得到d轴电压给定值d轴电流正序分量和d轴电压正序分量得到d轴电压给定值
具体地，d轴电流正序分量可以利用图9中的第二派克换算器908基于相位角θ对三相电流反馈信号(Ia2，Ib2，Ic2)进行dq坐标换算得到；d轴电压正序分量可以利用图9中的第一派克换算器902基于相位角θ对三相电压反馈信号(Ua，Ub，Uc)进行dq坐标换算得到。
在本发明实施例的无功功率闭环调节装置中，在将q轴电压给定值和d轴电压给定值输入图9中的调制信号发生器912后，该调制信号发生器912通过特定的调制算法(比如SVPWM调制算法)，能够生成控制逆变器中开关器件2031的PWM信号，该PWM信号经过驱动电路可以生成驱动逆变器中开关器件2031门级的控制信号，从而控制逆变器中开关器件2031的开关频率，进而能调整变流器的无功输出频率。
其中，无功功率开环调节装置(图中未示出)被配置为，根据调制后的无功功率给定值得到用于驱动变流器中开关器件2031的PWM信号，以调整变流器输出的无功功率。
与无功功率开环调节装置相比，无功功率闭环调节装置对变流器无功功率具有更高的控制精度，能够使得变流器无功功率更加趋近于调制后的无功功率给定值。
进一步地，为提高制动功率的控制精度，还可以在变流器中设置制动功率开环调节装置或者制动功率闭环调节装置。
图10为本发明实施例提供的无功功率开环调节装置的结构示意图。如图10所示，无功功率开环调节装置1001根据调制后的无功功率给定值P*得到用于驱动制动单元中的开关器件20221的PWM信号。
在一个可选实施例中，结合图10，制动功率闭环调节装置(图中未示出)被配置为，根据调制后短路状态下变流器中制动单元202的电压反馈信号(即直流母线电压信号)及电流反馈信号(即直流母线电流信号)，及调制后的制动功率给定值P*，得到用于驱动制动单元中的开关器件2022的PWM信号，以调整制动电阻2021的加热损耗，使制动单元202的制动功率趋近于调制后的制动功率给定值P*。
与制动功率开环调节装置202相比，制动功率闭环调节装置对制动单元的制动功率具有更高的控制精度，能够使得制动单元的制动功率更加趋近于调制后的制动功率给定值。
图11为本发明实施例提供的风力发电机组并网点短路容量检测装置的结构示意图。如图11所示，该短路容量检测装置包括调制模块1101和计算模块1102。
其中，设置模块1101用于在变流器为网侧空载调制状态，使电网相对于变流器处于短路状态时，调制变流器的无功功率给定值和制动功率给定值，并采集调制后风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号。
计算模块1102用于根据调制后的风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号，及风力发电机组并网点的额定线电压，得到风力发电机组并网点的短路容量。
在一个可选实施例中，如图11所示，调制模块1101可以包括第一调制单元11011，用于若线路阻抗与内阻之间的差值大于第一预设阈值，且线路阻抗中的感抗和线路阻抗中的电阻之间差值大于第二预设阈值，则对变流器执行第一空载调制操作，第一空载调制操作为将无功功率给定值设置为0至变流器中逆变器的额定视在功率之间的任一功率值，及将制动功率给定值设置为0。
在一个可选实施例中，如图11所示，调制模块1101还可以包括第二调制单元11012，第二调制单元11012用于若线路阻抗与内阻之间的差值大于第一预设阈值，且线路阻抗中的感抗和线路阻抗中的电阻之间差值未大于第二预设阈值，则分别对变流器执行第一空载调制操作和第二空载调制操作。
第二空载调制操作为，将无功功率给定值设置为0，将制动功率给定值设置为0至额定视在功率之间的任一功率值。
在一个可选实施例中，风力发电机组并网点短路容量检测装置可以设置在风电场的中央集控设备(请参阅图1)中，以避免对现有硬件的改造，也可以设置在具有独立逻辑运算功能的器件中，此处不进行限定。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于装置实施例而言，相关之处可以参见方法实施例的说明部分。本发明实施例并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。本领域的技术人员可以在领会本发明实施例的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明实施例的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
本发明实施例可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明实施例的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明实施例的范围之中。

Claims (12)

1.一种风力发电机组并网点短路容量检测方法，其特征在于，所述方法包括：
在变流器为网侧空载调制状态，且电网相对于所述变流器处于短路状态时，调制所述变流器的无功功率给定值和制动功率给定值，并采集调制后所述风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号；
根据调制后的所述风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号，及所述风力发电机组并网点的额定线电压，得到所述风力发电机组并网点的短路容量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电网相对于所述变流器处于短路状态时，所述电网和变流器之间的电力系统被等效为串联设置的低压侧电源、内阻和线路阻抗，所述调制所述变流器的无功功率给定值和制动功率给定值，包括：
若所述线路阻抗与所述内阻之间的差值大于第一预设阈值，且所述线路阻抗中的感抗和所述线路阻抗中的电阻之间差值大于第二预设阈值，则对所述变流器执行第一空载调制操作，所述第一空载调制操作为将所述无功功率给定值设置为0至所述变流器中逆变器的额定视在功率之间的任一功率值，及将所述制动功率给定值设置为0。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据调制后的所述风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号，及所述风力发电机组并网点的额定线电压，得到所述风力发电机组并网点的短路容量，包括：
根据第一空载调制操作后的所述风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号，得到第一短路电压有效值和第一无功功率反馈值；
根据所述电网相对于所述变流器处于断路状态下、所述风力发电机组并网点的三相电压信号，得到第一初始电压有效值；
根据所述第一初始电压有效值、所述第一短路电压有效值、所述第一无功功率反馈值和所述额定线电压，得到所述风力发电机组并网点的短路容量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一初始电压有效值、所述第一短路电压有效值、所述第一无功功率反馈值和所述额定线电压，得到所述风力发电机组并网点的短路容量，包括：
根据所述第一初始电压有效值、所述第一短路电压有效值、所述第一无功功率反馈值，得到所述线路阻抗中的感抗；
根据所述感抗和所述额定线电压，得到所述风力发电机组并网点的短路容量。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述调制所述变流器的无功功率给定值和制动功率给定值，包括：
若所述线路阻抗与所述内阻之间的差值大于所述第一预设阈值，且所述线路阻抗中的感抗和所述线路阻抗中的电阻之间差值未大于所述第二预设阈值，则分别对所述变流器执行所述第一空载调制操作和第二空载调制操作；
所述第二空载调制操作为，将所述无功功率给定值设置为0，将所述制动功率给定值设置为0至所述额定视在功率之间的任一功率值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据调制后的所述风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号，及所述风力发电机组并网点的额定线电压，得到所述风力发电机组并网点的短路容量，包括：
根据第一空载调制操作后的三相电压信号和三相电流信号，得到第二短路电压有效值、第二无功功率反馈值和第一有功功率反馈值；并根据第二空载调制操作后的三相电压信号和三相电流信号，得到第三短路电压有效值、第三无功功率反馈值和第二有功功率反馈值；
根据所述电网相对于所述变流器处于断路状态下、所述风力发电机组并网点的三相电压信号，得到第二初始电压有效值；
根据所述第二初始电压有效值、第二短路电压有效值、第二无功功率反馈值、第一有功功率反馈值、第三短路电压有效值、第三无功功率反馈值和第二有功功率反馈值，得到所述线路阻抗中的感抗和所述线路阻抗中的电阻；
根据所述感抗、电阻和所述额定线电压，得到所述风力发电机组并网点的短路容量。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述采集调制后所述风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号的步骤之后，所述方法还包括：根据调制后短路状态下所述风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号，及调制后的无功功率给定值，得到用于驱动所述变流器中开关器件的脉冲宽度调制PWM信号，以使所述变流器输出的无功功率趋近于所述调制后的无功功率给定值；或者，
根据调制后的无功功率给定值得到用于驱动所述变流器中开关器件的PWM信号，以调整所述变流器输出的无功功率。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述采集调制后所述风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号的步骤之后还包括：根据调制后短路状态下所述变流器中制动单元的电压反馈信号及电流反馈信号，及调制后的制动功率给定值，得到用于驱动所述制动单元中制动功率模块的开关器件的PWM信号，以使所述制动单元的制动功率趋近于所述调制后的制动功率给定值；或者，
根据调制后的无功功率给定值得到用于驱动所述制动单元中开关器件的PWM信号，以调整所述制动单元的制动功率。
9.一种风力发电机组并网点短路容量检测装置，其特征在于，所述装置包括：
调制模块，用于在所述变流器为网侧空载调制状态，且所述电网相对于所述变流器处于短路状态时，调制所述变流器的无功功率给定值和制动功率给定值，并采集调制后所述风力发电机组并网点的三相电压信号和三相电流信号；
计算模块，用于根据调制后的三相电压信号和三相电流信号，及所述风力发电机组并网点的额定线电压，得到所述风力发电机组并网点的短路容量。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述电网相对于所述变流器处于短路状态时，所述电网和变流器之间的电力系统被等效为串联设置的低压侧电源、内阻和线路阻抗，所述调制模块包括：
第一调制单元，用于若所述线路阻抗与所述内阻之间的差值大于第一预设阈值，且所述线路阻抗中的感抗和所述线路阻抗中的电阻之间差值大于第二预设阈值，则对所述变流器执行第一空载调制操作，所述第一空载调制操作为将所述无功功率给定值设置为0至所述变流器中逆变器的额定视在功率之间的任一功率值，及将所述制动功率给定值设置为0。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述调制模块还包括：
第二调制单元，用于若所述线路阻抗与所述内阻之间的差值大于所述第一预设阈值，且所述线路阻抗中的感抗和所述线路阻抗中的电阻之间差值未大于所述第二预设阈值，则分别对所述变流器执行第一空载调制操作和第二空载调制操作；
所述第二空载调制操作为，将所述无功功率给定值设置为0，将所述制动功率给定值设置为0至所述额定视在功率之间的任一功率值。
12.根据权利要求9-11中任一项所述的装置，其特征在于，风力发电机组并网点短路容量检测装置设置在风电场的中央集控设备中。
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