CN111814102A - 一种适用于海上风电经交流海缆网络送出系统的谐波参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于海上风电经交流海缆网络送出系统的谐波参数优化方法。包括：构建交流海缆网络的传递函数模型、构建风电机组的谐波模型及传递函数模型；构建计及多风机及交流海缆网络的网络传递函数模型；基于网络传递函数模型进行谐波潮流计算，进而计算得到谐波计算点关于谐波源的网络传递函数，根据网络传递函数的幅频特性进行分析参数变化对谐波幅值的影响进而通过优化参数来降低谐波幅值。

Description

一种适用于海上风电经交流海缆网络送出系统的谐波参数优 化方法

技术领域

本发明涉及海上风电场经交流海缆网络送出系统的谐波模型建立以及基于模型的谐波参数优化方法。

技术背景

近海风电场通常距离海岸在100公里内，由此普遍采用交流海缆进行外送。由于交流海缆对地电容值大，且等效电容可能会与系统电抗参数发生谐振。而海上风电机组主要采用大容量的全功率变流器进行并网，全功率变流器的网侧变流控制系统具有多个控制环节，包括锁相环、直流电压环节及d/q轴控制系统等，各变流控制系统会对谐波分量进行响应且变流控制系统之间会存在复杂的交互作用，进而对谐振的频率点带来影响，同时也会导致谐振呈现负阻尼甚至是弱阻尼，进而导致系统中出现高幅值的谐波，危害电气设备安全及系统的安全稳定运行。

发明内容

本发明的目的是提出一种适用于海上风电经交流海缆网络送出系统的谐波参数优化方法，以保护电气设备安全及系统的安全稳定运行。为此，本发明采用以下技术方案：

一种适用于海上风电经交流海缆网络送出系统谐波参数优化方法，其特征在于所述方法构建传递函数模型，基于该模型分析系统中多因素对谐波的影响并进行参数优化来降低谐波幅值；所述传递函数模型包括交流海缆网络的传递函数、全功率变换风电机组谐波源及传递函数模型、全系统的网络传递函数；所述方法根据网络传递函数的幅频特性，分析系统中多因素对谐波特性的影响进而优化参数以降低谐波的幅值。

进一步地，本发明方法计及海缆对地电容的特性，在同步坐标系下推导得到交流海缆的传递函数模型，推导得到升压变及并网交流系统传递函数模型，进而推导得到送出交流网络的传递函数，以风场并网点各母线电压、电流作为接口。

进一步地，本发明方法针对风电机组，构建其在同步坐标系下的谐波源模型，构建得到计及锁相环、电流环及直压环节的传递函数方程，进而构建得到风机侧的传递函数模型。

进一步地，本发明方法结合风电机组传递函数及交流海缆网络的网络传递函数，构建得到全系统的网络传递函数，推导得到谐波计算点关于谐波源的传递函数表达式。

进一步地，在推导得到全系统网络传递函数表达式的基础上，通过分析参数对网络传递函数幅频特性的影响，得到参数变化对谐波幅值特性的影响，进而在给定参数范围内选择使谐波幅值最小的参数，实现参数优化。

所述同步坐标系为d/q轴同步坐标系，优化过程中，根据推导得到谐波计算点关于多个谐波源的网络传递函数，根据网络传递函数的幅频特性，计算得到谐波计算点谐波的d/q轴分量，根据谐波幅频特性分析参数变化对谐波幅值的影响，最终进行参数优化以降低谐波幅值。

根据上述技术方案，本发明的益处是：构建得到的网络传递函数计及了锁相环、电流环等变流控制系统环节以及交流海缆网络，能够计及变流控制系统的不对称性，进而采用该模型能够更准确的进行谐波幅值计算，能够更好的分析参数变化对谐波特性的影响以及通过参数优化来降低谐波幅值。

附图说明

图1为海上风场经交流海缆送出系统的拓扑结构。

图2为锁相环拓扑结构框图。

图3为全功率变换风电机组网侧变流器的变流控制系统拓扑结构。

图4为风电机组网侧变流器传递函数框图。

图5为海上风电场经交流海缆网络送出的全系统网络传递函数框图。

图6为计算得到的网络传递函数幅频。

具体实施方式

本发明提出了一种适用于海上风电经交流海缆网络送出系统的谐波参数优化方法。本发明按照如下四个步骤实施：1)建立交流海缆网络的网络传递函数模型；2)建立全功率变换风电机组的谐波源及传递函数模型；3)建立全系统的网络传递函数模型，基于网络传递函数的幅频特性分析参数对谐波特性的影响，进而通过优化参数来降低谐波幅值。

一、交流海缆网络的传递函数模型构建

图1显示了海上风场经交流海缆送出系统的拓扑结构。各全功率变换风电机组经箱变升压后汇集于汇集变，经汇集变升压后经交流海缆集中外送，其中交流海缆采用PI型等值电路。

1.1交流海缆网络的传递函数模型

图1中交流海缆采用PI型电路。针对PI型电路电阻、电感及对地电容各元件，计算得到各元件的传递函数：

ΔU_11d/q(s)-ΔU_22d/q(s)＝Z_LH1(s)ΔI_H1d/q(s) (1)

ΔI_C11d/q(s)＝G_C11ΔU_11d/q(s) (2)

ΔI_C12d/q(s)＝G_C12ΔU_22d/q(s) (3)

ΔU_22d/q(s)＝Z₂₂(s)ΔI_22d/q(s) (4)

式中U₁₁/I₁₁及U₂₂/I₂₂分别为端口电压/电流，I_H1、I_C11及I_C12分别为流过电感及电容的电流。△代表扰动量，下标d/q代表d/q轴分量；Z_LH1(s)＝R_H1E(s)+L_H1T(s)，G_C11(s)＝C₁₁T(s)，G_C12(s)＝C₁₂T(s)，R_H1、L_H1、C₁₁及C₁₂分别为电阻、电感及对地电容，

Z₂₂(s)反应端口2的电压与电流之间的关系，由下级网络的结构及性质决定。

1.2升压变及并网交流系统传递函数模型

图1中R_x1及L_x1代表升压变及线路等效电阻及电感。R_T1及L_T1为汇集升压变及线路的电阻及电感。R_s及L_s反应并网交流系统的等效电阻及电感。上述三个元件的传递函数方程分别如下所示：

ΔU_x1d/q(s)-ΔU_1d/q(s)＝Z_x1(s)ΔI_x1d/q(s) (5)

ΔU_1d/q(s)-ΔU_11d/q(s)＝Z_T1(s)ΔI_T1d/q(s) (6)

ΔU_22d/q(s)＝Z_s(s)ΔI_22d/q(s) (7)

式中U_x1及I_x1为风机并网点处的电压及电流；U₁及U₁₁为汇集变两端电压；I_T1为流过汇集变的电流；Z_x1(s)＝R_x1E(s)+L_x1T(s)；Z_T1(s)＝R_T1E(s)+L_T1T(s)；Z_s(s)＝R_sE(s)+L_sT(s)。

1.3交流海缆的网络阻抗模型

联立上述各式，求得各风机并网点处电压扰动量(△U_x1d/q(s)，△U_x2d/q(s)，……△U_xmd/q(s)，△U_y1d/q(s)，……△U_ynd/q(s))关于并网点处电流扰动量(△I_x1d/q(s)，△I_x2d/q(s)，……△I_xmd/q(s)，△I_y1d/q(s)，……△I_ynd/q(s))的传递函数如下所示：

上式中Z_xm为接入汇集线B_T1的第m个风机升压变及线路阻抗；Z_yn为接入汇集线B_T2的第n个风机升压变及线路阻抗；Z_T1及Z_T2为两台汇集变的阻抗；Z₁₁为汇集线B_H1处的等效阻抗。

二、全功率变换风电机组的谐波源及网络传递函数构建

2.1网侧变流控制系统各环节传递函数模型

(1)谐波源模型

风机的并网变流器通常采用PWM控制，电力电子开关器件在导通关断时会产生谐波电压分量。谐波电压分量的数学表达式如下所示：

其中U_h为谐波电压的幅值，hω₀为第h次谐波的角频率，ψ_h为第h次谐波的相位。

对其进行Park变换，求得交流系统同步坐标系下d/q轴谐波分量的表达式：

(2)锁相环传递函数模型

图2为一种典型的锁相环控制系统框图。对应框图，以母线电压q轴分量扰动量△U_q为输入，以锁相环输出相位角扰动量△θ_pll，求得其数学模型为：

式中：U_d0为母线电压d轴分量稳态值；K_p、K_i分别为锁相环比例及积分系数。

(3)直压外环及电流内环传递函数模型

dq电流环控制系统框图见图3。对应框图，求得其传递函数模型为：

上式中^*代表标幺值；K_pd、K_pq、K_id及K_iq分别为电流内环d/q轴比例和积分系数；K_pc及K_ic分别为直压外环比例及积分系数；ΔU^c _{cd_ref}及ΔU^c _{cq_ref}分别为控制系统坐标系下dq轴电压参考值扰动量；ΔU^c _dc为测量得到的直流电压扰动量；ΔU^c _d、ΔU^c _q、ΔI^c _d及ΔI^c _q分别为母线电压及母线电流在控制系统同步坐标系下的扰动量；G及T分别为电压前馈环节的比例及延时参数；X_L为滤波电感的阻抗。

(4)直流电容环节传递函数

直流电容环节参数见图3。以电容电压扰动量作为输出量，以变流器出口电压、母线电流dq轴分量扰动量为输入量，在考虑风机母线电压d轴定向以及无功出力较小的情况下，求得直流电容环节的数学模型如下式所示：

式中：C₁为直流电容，ΔU_cd为变流器出口电压d轴分量扰动量。

2.2网侧变流控制系统传递函数模型

联立(9)-(13)，构建得到风机的传递函数模型，其传递函数网络拓扑结构如图4所示，进一步对其进行整理，针对单台风电机组计算得到ΔU_d/q、ΔI_d/q及ΔU_d/qf的传递函数表达式：

其中：

T_U1d/q＝FF(E+U_pll)+(CC_d/qZ₀-Z_L)I_pll-U_cpll-E-U₀CC_d/qG_d/q

Z_1d/q＝CC_d/q-Z_L-U₀CC_d/qT_d/q+(E+U₀CC_d/qG_d/q)(Z_Ls+Z_L)

T_U2d/q＝-(E+U₀CC_d/qG_d/q) (15)

其中：U₀及Z₀分别为额定电压及额定电阻；

其中：

三、全系统网络传递函数构建及谐波参数优化

将式(14)所示的各单台风机的谐波源模型，与式(8)所示的网络传递函数进行结合，构建得到全系统的网络传递函数，计算得到风机并网点处的谐波电流(△I_x1d/q(s)，△I_x2d/q(s)，……△I_xmd/q(s)，△I_y1d/q(s)，……△I_ynd/q(s))关于初始的谐波注入谐波电压源(△U_x1d/qf(s)，△U_x2dfd/qf(s)，……△U_mxdfd/qf(s)，△U_y1dfd/qf(s)，……△U_yndfd/qf(s))的表达式：

(ΔI_x1d/q(s)，ΔI_x2d/q(s)，……ΔI_xmd/q(s)，ΔI_y1d/q(s)，……ΔI_ynd/q(s))＝f_T(ΔU_x1d/qf(s)，ΔU_x2d/qf(s)，……ΔU_x3md/qf(s)，ΔU_y1d/qf(s)，……ΔI_ynd/qf(s)) (25)

进一步根据交流网络的传递函数计算得出系统中各点的谐波电流值关于并网点处谐波电流值：

ΔI_xd/q＝f_T(ΔI_x1d/q(s)，ΔI_x2d/q(s)，……ΔI_xmd/q(s)，ΔI_y1d/q(s)，……ΔI_ynd/q(s)) (26)

四、谐波幅值特性分析及参数优化

根据传递函数模型，计算得到图1中并网点(B处)关于谐波注入点的传递函数幅频特性，根据传递函数幅频特性分析并网短路比参数对谐波幅值的影响，分析结果如图6所示。

由图6可知，随着系统短路容量由1800MVA增加至3600MVA再增加至7200MVA，决定系统幅值特性的主对角线传递函数幅值峰值降低，即表明在系统相同的扰动下，谐波的幅值会降低，进而可知优化并网交流系统的短路容量能够在一定程度上降低幅值。

上述对实施实例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适用于海上风电经交流海缆网络送出系统谐波参数优化方法，其特征在于所述方法构建传递函数模型，基于该模型分析系统中多因素对谐波幅值特性的影响并进行参数优化来降低谐波幅值；所述传递函数模型包括交流海缆网络的传递函数、全功率变换风电机组谐波源及传递函数模型、全系统的网络传递函数。

2.如权利要求1所述的一种适用于海上风电经交流海缆网络送出系统谐波参数优化方法，其特征在于，计及海缆对地电容的特性，在同步坐标系下推导得到计及海缆对地电容特性的交流海缆传递函数模型，推导得到升压变及并网交流系统传递函数模型，进而推导得到送出交流网络的传递函数模型，以风场并网点各母线电压、电流作为接口。

3.如权利要求1所述的一种适用于海上风电经交流海缆网络送出系统谐波参数优化方法，其特征在于，针对风电机组，构建其在同步坐标系下的谐波源模型，构建得到计及锁相环、电流环及直压环节的传递函数方程，进而构建得到风机侧的传递函数模型。

4.如权利要求1所述的一种适用于海上风电经交流海缆网络送出系统谐波参数优化方法，其特征在于，结合风电机组传递函数及交流海缆网络的网络传递函数，构建得到全系统的网络传递函数，推导得到谐波计算点关于谐波源的传递函数表达式。

5.如权利要求1所述的一种适用于海上风电经交流海缆网络送出系统谐波参数优化方法，其特征在于，在推导得到全系统网络传递函数表达式的基础上，通过分析参数对网络传递函数幅频特性的影响，得到参数变化对谐波幅值特性的影响，进而在给定参数范围内选择使谐波幅值最小的参数，实现参数优化。

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