CN110299720A - 风电场短路比监测方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种风电场短路比监测方法和装置。该风电场短路比监测方法包括：测量位于风电场中各风力发电机组并网点处的风电场电力系统的系统短路容量；根据各风力发电机组的本身容量以及系统短路容量，计算得到各风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值；根据风电场中所有风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值，计算得到风电场短路比。采用本发明实施例中的技术方案，能够实现对风电场短路比的有效监测。

Description

风电场短路比监测方法和装置
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风电场短路比监测方法和装置。
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。比如，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，此时，电力系统的负载接近为空，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，现有技术中未有关于风电场短路比的检测方法，因此，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电场短路比监测方法和装置，能够实现对风电场短路比的有效监测。
第一方面，本发明实施例提供一种风电场短路比监测方法，该风电场短路比监测方法包括：
测量位于风电场中各风力发电机组并网点处的风电场电力系统的系统短路容量；
根据各风力发电机组的本身容量以及系统短路容量，计算得到各风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值；
根据风电场中所有风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比，计算得到风电场短路比。
在第一方面的一种可能的实施方式中，根据系统短路容量，计算得到各风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值，包括：将各风力发电机组的本身容量与对应的系统短路容量之间的比值，作为各风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值；或者，计算与风电场中所有风力发电机组对应的系统短路容量的平均值；将各风力发电机组的本身容量与平均值之间的比值，作为各风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值。
在第一方面的一种可能的实施方式中，根据风电场中所有风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值，计算得到风电场短路比，包括：计算风电场中所有风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值的和值；将和值的倒数作为风电场短路比。
在第一方面的一种可能的实施方式中，在将和值的倒数作为风电场短路比之后，该方法还包括：判断风电场短路比是否小于预设阈值；若风电场短路比小于预设阈值，则发出表示风电场处于短路比低限故障的报警信息。
在第一方面的一种可能的实施方式中，在判断风电场短路比是否小于预设阈值之后，该方法还包括：若风电场短路比小于预设阈值，则对风电场中所有风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值进行从大到小排序；根据排序依次对各短路比值所属的风力发电机组执行停机指令，并根据风电场中、除已停机风力发电机组以外的其他所有风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值，计算更新后的风电场短路比，直到更新后的风电场短路比大于预设阈值，停止执行停机指令。
在第一方面的一种可能的实施方式中，停机指令包括以下指令中的一个或多个：使风力发电机组有功功率下降至零的指令，停止变流器调制的指令和断开变流器与电网之间的连接的指令。
第二方面，本发明实施例提供一种风电场短路比监测装置，风电场短路比监测装置包括：
测量模块，用于测量位于风电场中各风力发电机组并网点处的风电场电力系统的系统短路容量；
第一计算模块，用于根据各风力发电机组的本身容量以及系统短路容量，计算得到各风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值；
第二计算模块，用于根据与风电场中所有风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值，计算得到风电场短路比。
在第二方面的一种可能的实施方式中，第二计算模块包括：第一计算单元，用于计算与风电场中所有风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值的和值；第二计算单元，用于将和值的倒数作为风电场短路比。
在第二方面的一种可能的实施方式中，该装置还包括：判断模块，用于判断风电场短路比是否小于预设阈值；预警模块，用于若风电场短路比小于预设阈值，则发出表示风电场处于短路比低限故障的报警信息。
在第二方面的一种可能的实施方式中，该装置还包括：排序模块，用于若风电场短路比小于预设阈值，则对风电场中所有风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值进行从大到小排序；停机模块，用于根据排序依次对各短路比值所属的风力发电机组执行停机指令，并根据与风电场中、除已停机风力发电机组以外的其他所有风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值，计算更新后的风电场短路比，直到更新后的风电场短路比大于预设阈值，停止执行停机指令。
在第二方面的一种可能的实施方式中，风电场短路比监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，为检测风电场短路比，可以测量位于风电场中各风力发电机组并网点处的风电场电力系统的系统短路容量；然后根据各风力发电机组的本身容量以及系统短路容量，计算得到各风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值；再根据风电场中所有风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值，计算得到风电场短路比。
由于位于风电场中各风力发电机组并网点处的系统短路容量可以实时测量得到，因此，采用本发明实施例中的风电场短路比监测方法，能够实时检测到风电场短路比数据。
此外，本发明实施例中的风电场短路比监测方法还能够当风电场短路比较低时提前进行预警，避免直到发生电力系统振荡时才知道风电场短路比过低；及通过停机控制策略，逐步合理地对风电场中的风力发电机组执行停机指令，以提高风电场短路比，维护风电场的安全稳定运行。
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为本发明一实施例提供的风电场短路比监测方法的流程示意图；
图3为本发明一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4为本发明另一实施例提供的风电场短路比监测方法的流程示意图；
图5为本发明又一实施例提供的风电场短路比监测方法的流程示意图；
图6为本发明一实施例提供的风电场短路比监测装置的结构示意图；
图7为本发明另一实施例提供的风电场短路比监测装置的结构示意图。
附图标记说明：
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。
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电场短路比监测方法和装置，能够实现对风电场短路比的有效监测，及能够根据监测到的风电场短路比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，并能够根据监测到的风电场短路比对风电场中的风力发电机组执行停机保护策略，从而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。
图2为本发明一实施例提供的风电场短路比监测方法的流程示意图。如图2所示，该风电场短路比监测方法包括步骤201至步骤203。
在步骤201中，测量位于风电场中各风力发电机组并网点处的风电场电力系统的系统短路容量。
当风力发电机组处于空载调制状态时，其变流器的机侧整流器未工作而网侧逆变器与电力系统低压侧接通，相当于风电场电力系统在该风力发电机组并网点处的负载接近为空，可以认为风电场电力系统在短路运行，此时，变流器的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。
图3为本发明一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3所示，风电场电力系统低压侧相对于变流器处于短路状态时，即低压侧三相短路时，风电场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。考虑到内阻Rs一般远小于线路阻抗Z1，计算时可忽略不计。
其中，线路阻抗Z1＝Rc+ω×Lc，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。
在一个可选实施例中，可以调制变流器的无功功率给定值和制动功率给定值，然后根据调制后短路状态下的风力发电机组并网点处的三相电压信号和三相电流信号，及未调制前断路状态下的风力发电机组并网点处的三相电压信号和三相电流信号，计算得到处于短路状态下的风电场电力系统的线路阻抗参数值(包括电阻Rc和感抗Lc)，接着利用风力发电机组并网点的额定线电压和线路阻抗参数值就能够得到风电场电力系统在该风力发电机组并网点处的系统短路容量，此处，容量也可以理解为功率。
需要说明的是，本领域技术人员也可以采用其他测量方式测量位于风电场中各风力发电机组并网点处的风电场电力系统的系统短路容量，此处不进行限定。
在步骤202中，根据各风力发电机组的本身容量以及系统短路容量，计算得到各风力发电机组的相对于风电场电流系统的短路比值。
在步骤203中，根据风电场中所有风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值，计算得到风电场短路比。
在本发明实施例中，为检测风电场短路比，可以测量位于风电场中各风力发电机组并网点处的风电场电力系统的系统短路容量；然后根据各风力发电机组的本身容量以及系统短路容量，计算得到各风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值；再根据风电场中所有风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值，计算得到风电场短路比。
由于位于风电场中各风力发电机组并网点处的系统短路容量可以实时测量得到，因此，采用本发明实施例中的风电场短路比监测方法，能够实时检测到风电场短路比数据。
为便于本领域技术人员理解，下面分别对步骤202和步骤203中的计算过程进行详细举例说明。
图4为本发明另一实施例提供的风电场短路比监测方法的流程示意图。图4与图2的不同之处在于，图2中的步骤202可细化为图4中的步骤2021或者步骤2022，用于说明步骤202的两种可能的实施方式。
作为第一种可能的实施方式，在步骤2021中，可以将各风力发电机组的本身容量与对应的系统短路容量之间的比值，作为各风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值。
具体地，可以根据以下公式计算各风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值Ki：
Ki＝Si/Sdi (1)
其中，i为风电场中各风力发电机组编号，Si为第i台风力发电机组的本身容量，Sdi为各风力发电机组在其并网点处测量的系统短路容量。
作为第二种可能的实施方式，在步骤2022中，可以计算与风电场中所有风力发电机组对应的系统短路容量的平均值，及将各风力发电机组的本身容量与平均值之间的比值，作为各风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值。
图4与图2的不同之处还在于，图2中的步骤203可细化为图4中的步骤2031，用于说明步骤2031的一种可能的实施方式。
在步骤2031中，可以计算风电场中所有风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值的和值，及将和值的倒数作为风电场短路比。
具体地，可以根据以下公式计算风电场短路比Kw：
其中，i为风电场中各风力发电机组编号，Ki为第i台风力发电机组对于风电场电力系统的的短路比值，n为风电场中所有风力发电机组的总数目。
在一个可选实施例中，结合图1，可以由各风力发电机组计算自身相对于风电场电力系统的短路比值Ki，然后将计算得到的短路比值Ki上传至风电场的中央集控器，由中央集控器来计算风电场短路比Kw。
图5为本发明又一实施例提供的风电场短路比监测方法的流程示意图。在步骤2031之后，图5还包括步骤2032至2035，用于根据监测得到的风电场短路比对风电场执行相应保护策略。
在步骤2032中，判断风电场短路比是否小于预设阈值。其中，预设阈值可以由本领域技术人员根据经验和风电场实际运行情况来确定。
在步骤2033中，若风电场短路比小于预设阈值，则发出表示风电场处于短路比低限故障的报警信息。
由于风电场短路比小于预设阈值说明发生电力系统振荡事故的概率很高，因此，需要发出表示风电场处于短路比低限故障的报警信息，以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。
在一个可选实施例中，若风电场短路比小于预设阈值，可以向风电场的中央集控设备107发出报警信息，告知维护人员短路比实时值，并告知风电场短路比发生“低于限值故障”。
在步骤2034中，若风电场短路比小于预设阈值，则对风电场中所有风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值进行从大到小排序。
在步骤2035中，根据排序依次对各短路比值所属的风力发电机组执行停机指令，并根据风电场中、除已停机风力发电机组以外的其他所有风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值，计算更新后的风电场短路比，直到更新后的风电场短路比大于预设阈值，停止执行停机指令。
其中，停机指令可以包括以下指令中的一个或多个：使风力发电机组有功功率下降至零的指令，停止变流器调制的指令和断开变流器与电网之间的连接的指令。
图6为本发明一实施例提供的风电场短路比监测装置的结构示意图。如图6所示，该风电场短路比监测装置包括测量模块601、第一计算模块602和第二计算模块603。
其中，测量模块601用于测量位于风电场中各风力发电机组并网点处的风电场电力系统的系统短路容量。
第一计算模块602用于根据各风力发电机组的本身容量以及系统短路容量，计算得到各风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值。
第二计算模块603用于根据与风电场中所有风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值，计算得到风电场短路比。
图7为本发明另一实施例提供的风电场短路比监测装置的结构示意图，图7与图6的不同之处在于，图6中的第二计算模块603可细化为图7中的第一计算单元6031和第二计算单元6032。
其中，第一计算单元6031用于计算风电场中所有风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值的和值。第二计算单元6032用于将和值的倒数作为风电场短路比。
图7与图6的不同之处还在于，图7中的风电场短路比监测装置还包括判断模块604和预警模块605，其中，判断模块604用于判断风电场短路比是否小于预设阈值。预警模块605用于若风电场短路比小于预设阈值，则发出表示风电场处于短路比低限故障的报警信息。
图7与图6的不同之处还在于，图7中的风电场短路比监测装置还包括排序模块606和停机模块607。其中，排序模块606用于若风电场短路比小于预设阈值，则对与风电场中所有风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值进行从大到小排序。停机模块607用于根据排序依次对各短路比值所属的风力发电机组执行停机指令，并根据与风电场中、除已停机风力发电机组以外的其他所有风力发电机组的相对于风电场电力系统的短路比值，计算更新后的风电场短路比，直到更新后的风电场短路比大于预设阈值，停止执行停机指令。
在一个可选实施例中，如上所述的风电场短路比监测装置设置在风电场的中央集控设备107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。
如上所述，本发明实施例中的风电场短路比监测方法，一方面能够实现对风电场短路比的有效监测，及当风电场短路比较低时提前进行预警，避免直到发生电力系统振荡时才知道风电场短路比过低；另一方面，本发明实施例能够通过停机控制策略，逐步合理地对风电场中的风力发电机组执行停机指令，以提高风电场短路比，维护风电场的安全稳定运行。
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 (11)

1.一种风电场短路比监测方法，其特征在于，包括：
测量位于风电场中各风力发电机组并网点处的风电场电力系统的系统短路容量；
根据各风力发电机组的本身容量以及所述系统短路容量，计算得到各风力发电机组的相对于所述风电场电力系统的短路比值；
根据所述风电场中所有风力发电机组的相对于所述风电场电力系统的短路比值，计算得到风电场短路比。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述系统短路容量，计算得到各风力发电机组的相对于所述风电场电力系统的短路比值，包括：
将各风力发电机组的本身容量与对应的系统短路容量之间的比值，作为各风力发电机组的相对于所述风电场电力系统的短路比值；或者，
计算与所述风电场中所有风力发电机组对应的系统短路容量的平均值；将各风力发电机组的本身容量与所述平均值之间的比值，作为各风力发电机组的相对于所述风电场电力系统的短路比值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据所述风电场中所有风力发电机组的相对于所述风电场电力系统的短路比值，计算得到风电场短路比，包括：
计算所述风电场中所有风力发电机组的相对于所述风电场电力系统的短路比值的和值；
将所述和值的倒数作为所述风电场短路比。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述将所述和值的倒数作为所述风电场短路比之后，所述方法还包括：
判断所述风电场短路比是否小于预设阈值；
若所述风电场短路比小于所述预设阈值，则发出表示所述风电场处于短路比低限故障的报警信息。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述判断所述风电场短路比是否小于预设阈值之后，所述方法还包括：
若所述风电场短路比小于所述预设阈值，则对所述风电场中所有风力发电机组的相对于所述风电场电力系统的短路比值进行从大到小排序；
根据所述排序依次对各短路比值所属的风力发电机组执行停机指令，并根据所述风电场中、除已停机风力发电机组以外的其他所有风力发电机组的相对于所述风电场电力系统的短路比值，计算更新后的风电场短路比，直到所述更新后的风电场短路比大于所述预设阈值，停止执行所述停机指令。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述停机指令包括以下指令中的一个或多个：使风力发电机组有功功率下降至零的指令，停止变流器调制的指令和断开所述变流器与电网之间的连接的指令。
7.一种风电场短路比监测装置，其特征在于，包括：
测量模块，用于测量位于风电场中各风力发电机组并网点处的风电场电力系统的系统短路容量；
第一计算模块，用于根据各风力发电机组的本身容量以及所述系统短路容量，计算得到各风力发电机组的相对于所述风电场电力系统的短路比值；
第二计算模块，用于根据所述风电场中所有风力发电机组的相对于所述风电场电力系统的短路比值，计算得到风电场短路比。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二计算模块包括：
第一计算单元，用于计算所述风电场中所有风力发电机组的相对于所述风电场电力系统的短路比值的和值；
第二计算单元，用于将所述和值的倒数作为所述风电场短路比。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
判断模块，用于判断所述风电场短路比是否小于预设阈值；
预警模块，用于若所述风电场短路比小于所述预设阈值，则发出表示所述风电场处于短路比低限故障的报警信息。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
排序模块，用于若所述风电场短路比小于预设阈值，则对所述风电场中所有风力发电机组的相对于所述风电场电力系统的短路比值进行从大到小排序；
停机模块，用于根据所述排序依次对各短路比值所属的风力发电机组执行停机指令，并根据所述风电场中、除已停机风力发电机组以外的其他所有风力发电机组的相对于所述风电场电力系统的短路比值，计算更新后的风电场短路比，直到所述更新后的风电场短路比大于所述预设阈值，停止执行所述停机指令。
11.根据权利要求7-10任一项所述的装置，其特征在于，所述风电场短路比监测装置设置在风电场的中央集控设备中。
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