CN111106618A - 一种新能源发电装备接入电力系统的谐波分析方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新能源发电装备接入电力系统的谐波分析方法及装置，包括：分别获取新能源发电装备接入电力系统的接口变流器等效模型的电量参数，包括独立电压源的瞬时电压值、受控电压源的瞬时电压值和阻抗的阻抗值；根据所述电量参数确定新能源发电装备接入电力系统的谐波电流。本发明提供的技术方案利用新能源发电装备接入电力系统的接口变流器等效模型中获取的电量参数，有效地分析了新能源发电装备输出电流的谐波特性，解决了新能源发电单元并网谐波电流难以评估的实际问题。

Description

一种新能源发电装备接入电力系统的谐波分析方法及装置

技术领域

本发明涉及新能源发电领域，具体涉及一种新能源发电装备接入电力系统的谐波分析方法及装置。

背景技术

随着电力电子装备的大量采用，电力系统的谐波问题日益严重，特别是在电力电子装备大量集中应用的新能源发电领域，发电装备的谐波问题愈发严重。因此，如何准确分析双馈发电机定子侧的谐波特性就显得尤为重要。

针对新能源发电装备的谐波建模与分析，由于其多采用最大功率追踪控制而只向电力系统输入，最初将其等效为多频理想电流源叠加的形式，即根据外部测量的各次谐波含量在对应频率点处设置相应幅值的理想电流源，多个频率电流源输出相互叠加共同构成新能源发电装备输出电流，从而模拟其谐波电流输出特性。然而，随着电力电子装备应用规模的扩大以及研究的深入，有学者发现电力电子装备由于其闭环控制结构，不再是单纯电流源表现形式，而根据戴维南等效电路或诺顿等效电路，呈现电压源与阻抗串联、电流源与阻抗并联的复合形式。美国弗吉尼亚理工大学在两相同步旋转dq坐标系中提出了基于dq轴阻抗模型的变流器谐波等效模型。然而，在两相同步旋转dq坐标系中，d轴阻抗和q轴阻抗存在耦合，并且这两个变量物理意义模糊，难以与实际物理量相对应。美国伦斯理工学院利用谐波线性化方法，根据对称分量理论，推导了三相并网逆变器在正序、负序下的等效阻抗表达式，并从其时域模型出发，在复频域内得出一个纯等效阻抗模型，并且其中同频正负序的谐波阻抗完全相等，因此得到的二端口网络只含受控源，进一步等效成了更为简单的纯阻抗模型。这些研究成果多应用于新能源发电装备接入的振荡风险分析以及其控制策略的自优化，很少关注新能源发电装备的谐波行为。

因此，现有研究成果在刻画新能源发电装备输出电流谐波特性方面存在不足，无法准确描述新能源发电装备接入电力系统的谐波电流。

发明内容

为了解决新能源发电装备接入电力系统的谐波特性分析不足的问题，本发明提供一种新能源发电装备接入电力系统的谐波分析方法及装置。通过本方法，确定了新能源发电装备接入电力系统的接口变流器等效模型的电量参数，并根据这些电量参数确定了新能源发电装备接入电力系统的谐波电流，本方法有效实现了对新能源发电装备谐波电流的模拟评估，有利于保障新能源发电装备接入电力系统的安全可靠性。

本发明提供的一种新能源发电装备接入电力系统的谐波分析方法，其改进之处在于，包括：

分别获取新能源发电装备接入电力系统的接口变流器等效模型的电量参数；

根据所述电量参数确定新能源发电装备接入电力系统的谐波电流。

优选的，所述新能源发电装备接入电力系统的接口变流器等效模型为串联的独立电压源、受控电压源和阻抗；

所述电量参数包括：独立电压源的瞬时电压值、受控电压源的瞬时电压值和阻抗的阻抗值。

进一步的，所述独立电压源的瞬时电压值的确定过程包括：利用独立电压源频率和各次谐波电压幅值u_A的对应关系，结合三相正弦波发生原理获取所述独立电压源的瞬时电压值；

按下式计算所述独立电压源在频率f∈(0，+∞)范围内的各次谐波电压幅值u_A：

上式中，s为拉普拉斯算子，j为复数因子，ω₀为工频角频率，i_cref为接口变流器输出电流指令值，u_g为电网相电压幅值；

其中，

k_p、k_i分别为电流控制闭环参数的比例系数和积分系数，T_d＝(0.5～1.5)T_s，为控制系统延迟时间，T_s为控制系统采样时间。

进一步的，所述受控电压源的瞬时电压值的确定过程包括：利用受控电压源的频率及其对应的受控电压源电压幅值u_B的对应关系以及受控电压源的角频率及其对应的受控电压源电压幅值u_C的对应关系，结合三相正弦波发生原理获取所述受控电压源的瞬时电压值；

当所述受控电压源的频率为(2k-1)ω₀时，按下式计算所述受控电压源的频率对应的电压幅值u_B：

当所述受控电压源的角频率为kω_c±nω_r，且k＝6m，n＝2m-1，m为正整数时，按下式计算所述受控电压源电压幅值u_C：

当所述受控电压源的角频率为kω_c±nω_r，且k＝6m，n＝2m-1，m为正整数时，按下式计算所述受控电压源电压幅值u_C：

上式中，k为正整数，ω₀为工频频率，T_dt为调制死区时间，f_sw为调制开关频率，U_dc为直流电压，

为输出电流初始相位角，t为时间，ω_c为载波角频率，ω_r为调制波角频率，J_i为第一类贝塞尔函数，下标i为阶数，m为调制度。

进一步的，所述接口变流器模型中阻抗的阻抗值Z_g的获取过程包括：

于新能源装备与电网连接点的切口处施加的1-1000Hz范围内的频率，测量获得小值电压扰动信号和新能源装备输出的同频率电流反馈；

根据所述小值电压扰动信号和新能源装备输出的同频率电流反馈，按照欧姆定理获取所述接口变流器模型中阻抗的阻抗值。

优选的，所述根据所述电量参数确定新能源发电装备接入电力系统的谐波电流，包括：

按下式计算所述新能源发电装备接入电力系统的谐波电流i_d：

i_d＝(u-u_abc1-u_abc2)/Z_g

上式中，u为电力系统电压，u_abc1为独立电压源的瞬时电压值，u_abc2为受控电压源的瞬时电压值。

一种新能源发电装备接入电力系统的谐波分析装置，其改进之处在于，包括：

获取模块，用于分别获取新能源发电装备接入电力系统的接口变流器等效模型的电量参数；

确定模块，用于根据所述电量参数确定新能源发电装备接入电力系统的谐波电流。

优选的，所述获取模块，包括：

等效单元，用于将所述新能源发电装备接入电力系统的接口变流器等效模型为串联的独立电压源、受控电压源和阻抗；

第一确定单元，用于利用独立电压源频率和各次谐波电压幅值u_A的对应关系，结合三相正弦波发生原理获取所述独立电压源的瞬时电压值；

按下式计算所述独立电压源在频率f∈(0，+∞)范围内的各次谐波电压幅值u_A：

上式中，s为拉普拉斯算子，j为复数因子，ω₀为工频角频率，i_cref为接口变流器输出电流指令值，u_g为电网相电压幅值；

其中，

k_p、k_i分别为电流控制闭环参数的比例系数和积分系数，T_d＝(0.5～1.5)T_s，为控制系统延迟时间，T_s为控制系统采样时间。

第二确定单元，用于利用受控电压源的频率及其对应的受控电压源电压幅值u_B的对应关系以及受控电压源的角频率及其对应的受控电压源电压幅值u_C的对应关系，结合三相正弦波发生原理获取所述受控电压源的瞬时电压值；

当所述受控电压源的频率为(2k-1)ω₀时，按下式计算所述受控电压源的频率对应的电压幅值u_B：

当所述受控电压源的角频率为kω_c±nω_r，且k＝6m，n＝2m-1，m为正整数时，按下式计算所述受控电压源电压幅值u_C：

当所述受控电压源的角频率为kω_c±nω_r，且k＝6m，n＝2m-1，m为正整数时，按下式计算所述受控电压源电压幅值u_C：

上式中，k为正整数，ω₀为工频频率，T_dt为调制死区时间，f_sw为调制开关频率，U_dc为直流电压，

为输出电流初始相位角，t为时间，ω_c为载波角频率，ω_r为调制波角频率，J_i为第一类贝塞尔函数，下标i为阶数，m为调制度。

第三确定单元，用于根据新能源装备与电网连接点的切口处施加的1-1000Hz范围内的频率测量得到的小值电压扰动信号和测量得到的新能源装备输出的同频率电流反馈，按照欧姆定理获取所述接口变流器模型中阻抗的阻抗值。

优选的，所述确定模块，用于：

按下式计算所述新能源发电装备接入电力系统的谐波电流i_d：

i_d＝(u-u_abc1-u_abc2)/Z_g

上式中，u为电力系统电压，u_abc1为独立电压源的瞬时电压值，u_abc2为受控电压源的瞬时电压值。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

本发明提供了一种新能源发电装备接入电力系统的谐波分析方法及装置，从建立新能源发电装备接入电力系统的接口变流器等效模型的角度，探索根据接口变流器等效模型的电量参数进行新能源发电装备接入电力系统的谐波电流的分析计算方法，解决了新能源发电装备并网谐波电流难以评估的实际问题，有利于保证新能源发电装备接入电力系统的安全可靠性。

附图说明

图1是本发明提供的新能源发电装备接入电力系统的谐波分析方法的流程图；

图2是本发明实施例中新能源发电装备接入电力系统的接口变流器等效模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

实施例一

本发明实施例提供一种新能源发电装备接入电力系统的谐波分析方法，流程图如图1所示，包括以下步骤：

分别获取新能源发电装备接入电力系统的接口变流器等效模型的电量参数；

根据所述电量参数确定新能源发电装备接入电力系统的谐波电流。

具体的，新能源发电装备接入电力系统的接口变流器等效模型，如图2所示，为串联的独立电压源、受控电压源和阻抗；接口变流器等效模型的电量参数包括：独立电压源的瞬时电压值、受控电压源的瞬时电压值和阻抗的阻抗值。

独立电压源的瞬时电压值的确定过程包括：利用独立电压源频率和各次谐波电压幅值u_A的对应关系，结合三相正弦波发生原理获取所述独立电压源的瞬时电压值；

按下式计算所述独立电压源在频率f∈(0，+∞)范围内的各次谐波电压幅值u_A：

上式中，s为拉普拉斯算子，j为复数因子，ω₀为工频角频率，i_cref为接口变流器输出电流指令值，u_g为电网相电压幅值；

其中，

k_p、k_i分别为电流控制闭环参数的比例系数和积分系数，T_d＝(0.5～1.5)T_s，为控制系统延迟时间，T_s为控制系统采样时间。

受控电压源的瞬时电压值的确定过程包括：利用受控电压源的频率及其对应的受控电压源电压幅值u_B的对应关系以及受控电压源的角频率及其对应的受控电压源电压幅值u_C的对应关系，结合三相正弦波发生原理获取所述受控电压源的瞬时电压值；

当所述受控电压源的频率为(2k-1)ω₀时，按下式计算所述受控电压源的频率对应的电压幅值u_B：

当所述受控电压源的角频率为kω_c±nω_r，且k＝6m，n＝2m-1，m为正整数时，按下式计算所述受控电压源电压幅值u_C：

当所述受控电压源的角频率为kω_c±nω_r，且k＝6m，n＝2m-1，m为正整数时，按下式计算所述受控电压源电压幅值u_C：

上式中，k为正整数，ω₀为工频频率，T_dt为调制死区时间，f_sw为调制开关频率，U_dc为直流电压，

为输出电流初始相位角，t为时间，ω_c为载波角频率，ω_r为调制波角频率，J_i为第一类贝塞尔函数，下标i为阶数，m为调制度。

接口变流器模型中阻抗的阻抗值Z_g的获取过程包括：

于新能源装备与电网连接点的切口处施加的1-1000Hz范围内的频率，测量获得小值电压扰动信号和新能源装备输出的同频率电流反馈；

根据所述小值电压扰动信号和新能源装备输出的同频率电流反馈，按照欧姆定理获取所述接口变流器模型中阻抗的阻抗值。

具体的，根据独立电压源的瞬时电压值、受控电压源的瞬时电压值和阻抗的阻抗值确定新能源发电装备接入电力系统的谐波电流，包括：

按下式计算所述新能源发电装备接入电力系统的谐波电流i_d：

i_d＝(u-u_abc1-u_abc2)/Z_g

上式中，u为电力系统电压，u_abc1为独立电压源的瞬时电压值，u_abc2为受控电压源的瞬时电压值。

实施例二

本发明实施例还提供一种新能源发电装备接入电力系统的谐波分析装置，包括：

获取模块，用于分别获取新能源发电装备接入电力系统的接口变流器等效模型的电量参数；

确定模块，用于根据所述电量参数确定新能源发电装备接入电力系统的谐波电流。

具体的，所述获取模块，包括：

等效单元，用于将所述新能源发电装备接入电力系统的接口变流器等效模型为串联的独立电压源、受控电压源和阻抗；

第一确定单元，用于利用独立电压源频率和各次谐波电压幅值u_A的对应关系，结合三相正弦波发生原理获取所述独立电压源的瞬时电压值；

按下式计算所述独立电压源在频率f∈(0，+∞)范围内的各次谐波电压幅值u_A：

上式中，s为拉普拉斯算子，j为复数因子，ω₀为工频角频率，i_cref为接口变流器输出电流指令值，u_g为电网相电压幅值；

其中，

k_p、k_i分别为电流控制闭环参数的比例系数和积分系数，T_d＝(0.5～1.5)T_s，为控制系统延迟时间，T_s为控制系统采样时间。

第二确定单元，用于利用受控电压源的频率及其对应的受控电压源电压幅值u_B的对应关系以及受控电压源的角频率及其对应的受控电压源电压幅值u_C的对应关系，结合三相正弦波发生原理获取所述受控电压源的瞬时电压值；

当所述受控电压源的频率为(2k-1)ω₀时，按下式计算所述受控电压源的频率对应的电压幅值u_B：

当所述受控电压源的角频率为kω_c±nω_r，且k＝6m，n＝2m-1，m为正整数时，按下式计算所述受控电压源电压幅值u_C：

当所述受控电压源的角频率为kω_c±nω_r，且k＝6m，n＝2m-1，m为正整数时，按下式计算所述受控电压源电压幅值u_C：

上式中，k为正整数，ω₀为工频频率，T_dt为调制死区时间，f_sw为调制开关频率，U_dc为直流电压，

为输出电流初始相位角，t为时间，ω_c为载波角频率，ω_r为调制波角频率，J_i为第一类贝塞尔函数，下标i为阶数，m为调制度。

第三确定单元，用于根据新能源装备与电网连接点的切口处施加的1-1000Hz范围内的频率测量得到的小值电压扰动信号和测量得到的新能源装备输出的同频率电流反馈，按照欧姆定理获取所述接口变流器模型中阻抗的阻抗值。

具体的，所述确定模块，用于：

按下式计算所述新能源发电装备接入电力系统的谐波电流i_d：

i_d＝(u-u_abc1-u_abc2)/Z_g

上式中，u为电力系统电压，u_abc1为独立电压源的瞬时电压值，u_abc2为受控电压源的瞬时电压值。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种新能源发电装备接入电力系统的谐波分析方法，其特征在于，所述方法包括：

分别获取新能源发电装备接入电力系统的接口变流器等效模型的电量参数；

根据所述电量参数确定新能源发电装备接入电力系统的谐波电流。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述新能源发电装备接入电力系统的接口变流器等效模型为串联的独立电压源、受控电压源和阻抗；

所述电量参数包括：独立电压源的瞬时电压值、受控电压源的瞬时电压值和阻抗的阻抗值。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述独立电压源的瞬时电压值的确定过程包括：利用独立电压源频率和各次谐波电压幅值u_A的对应关系，结合三相正弦波发生原理获取所述独立电压源的瞬时电压值；

按下式计算所述独立电压源在频率f∈(0，+∞)范围内的各次谐波电压幅值u_A：

上式中，s为拉普拉斯算子，j为复数因子，ω₀为工频角频率，i_cref为接口变流器输出电流指令值，u_g为电网相电压幅值；

其中，

k_p、k_i分别为电流控制闭环参数的比例系数和积分系数，T_d＝(0.5～1.5)T_s，为控制系统延迟时间，T_s为控制系统采样时间。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述受控电压源的瞬时电压值的确定过程包括：利用受控电压源的频率及其对应的受控电压源电压幅值u_B的对应关系以及受控电压源的角频率及其对应的受控电压源电压幅值u_C的对应关系，结合三相正弦波发生原理获取所述受控电压源的瞬时电压值；

当所述受控电压源的频率为(2k-1)ω₀时，按下式计算所述受控电压源的频率对应的电压幅值u_B：

当所述受控电压源的角频率为kω_c±nω_r，且k＝6m，n＝2m-1，m为正整数时，按下式计算所述受控电压源电压幅值u_C：

当所述受控电压源的角频率为kω_c±nω_r，且k＝6m，n＝2m-1，m为正整数时，按下式计算所述受控电压源电压幅值u_C：

上式中，k为正整数，ω₀为工频频率，T_dt为调制死区时间，f_sw为调制开关频率，U_dc为直流电压，

为输出电流初始相位角，t为时间，ω_c为载波角频率，ω_r为调制波角频率，J_i为第一类贝塞尔函数，下标i为阶数，m为调制度。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述接口变流器模型中阻抗的阻抗值Z_g的获取过程包括：

于新能源装备与电网连接点的切口处施加的1-1000Hz范围内的频率，测量获得小值电压扰动信号和新能源装备输出的同频率电流反馈；

根据所述小值电压扰动信号和新能源装备输出的同频率电流反馈，按照欧姆定理获取所述接口变流器模型中阻抗的阻抗值。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述电量参数确定新能源发电装备接入电力系统的谐波电流，包括：

按下式计算所述新能源发电装备接入电力系统的谐波电流i_d：

i_d＝(u-u_abc1-u_abc2)/Z_g

上式中，u为电力系统电压，u_abc1为独立电压源的瞬时电压值，u_abc2为受控电压源的瞬时电压值。

7.一种新能源发电装备接入电力系统的谐波分析装置，其特征在于，所述装置包括：

获取模块，用于分别获取新能源发电装备接入电力系统的接口变流器等效模型的电量参数；

确定模块，用于根据所述电量参数确定新能源发电装备接入电力系统的谐波电流。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述获取模块，包括：

等效单元，用于将所述新能源发电装备接入电力系统的接口变流器等效模型为串联的独立电压源、受控电压源和阻抗；

第一确定单元，用于利用独立电压源频率和各次谐波电压幅值u_A的对应关系，结合三相正弦波发生原理获取所述独立电压源的瞬时电压值；

按下式计算所述独立电压源在频率f∈(0，+∞)范围内的各次谐波电压幅值u_A：

上式中，s为拉普拉斯算子，j为复数因子，ω₀为工频角频率，i_cref为接口变流器输出电流指令值，u_g为电网相电压幅值；

其中，

k_p、k_i分别为电流控制闭环参数的比例系数和积分系数，T_d＝(0.5～1.5)T_s，为控制系统延迟时间，T_s为控制系统采样时间。

第二确定单元，用于利用受控电压源的频率及其对应的受控电压源电压幅值u_B的对应关系以及受控电压源的角频率及其对应的受控电压源电压幅值u_C的对应关系，结合三相正弦波发生原理获取所述受控电压源的瞬时电压值；

当所述受控电压源的频率为(2k-1)ω₀时，按下式计算所述受控电压源的频率对应的电压幅值u_B：

当所述受控电压源的角频率为kω_c±nω_r，且k＝6m，n＝2m-1，m为正整数时，按下式计算所述受控电压源电压幅值u_C：

当所述受控电压源的角频率为kω_c±nω_r，且k＝6m，n＝2m-1，m为正整数时，按下式计算所述受控电压源电压幅值u_C：

上式中，k为正整数，ω₀为工频频率，T_dt为调制死区时间，f_sw为调制开关频率，U_dc为直流电压，

为输出电流初始相位角，t为时间，ω_c为载波角频率，ω_r为调制波角频率，J_i为第一类贝塞尔函数，下标i为阶数，m为调制度。

第三确定单元，用于根据新能源装备与电网连接点的切口处施加的1-1000Hz范围内的频率测量得到的小值电压扰动信号和测量得到的新能源装备输出的同频率电流反馈，按照欧姆定理获取所述接口变流器模型中阻抗的阻抗值。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述确定模块，用于：

按下式计算所述新能源发电装备接入电力系统的谐波电流i_d：

i_d＝(u-u_abc1-u_abc2)/Z_g

上式中，u为电力系统电压，u_abc1为独立电压源的瞬时电压值，u_abc2为受控电压源的瞬时电压值。

Images