风力发电系统宽频阻抗在线主动测量装置、方法及应用与流程

1.本发明涉及一种测量装置，尤其是涉及一种风力发电系统宽频阻抗在线主动测量装置、方法及其应用。


背景技术：

2.近十几年来，风力发电系统以其清洁、低成本等优点得到了迅速发展，为解决能源危机做出了巨大贡献。大量文献指出，风电场数量的激增极大地改变了电力系统的动态运行状况，引发了包括次、超同步振荡、中频振荡、宽频振荡等各种振荡问题。一个有效的解决方案是根据相应的系统阻抗改进电力电子器件的控制环，如增加有源阻尼控制。通常可以利用系统阻抗求得谐振点，并以此为据指导控制参数优化并应用到电力电子器件的控制回路中，可以大大降低系统不稳定性，保证风力发电系统的安全稳定运行。
3.实际应用中，出于保密的需求，风机的控制环、拓扑结构等具体参数难以获知，从而导致计算建模的准确性难以验证。因此，阻抗测量技术常被用来获得实时的系统阻抗，文献指出，外加扰动方法，更为可靠。由于基于正弦波扫描频法的测量方法时间较长，宽频阻抗测量技术受到广泛关注，该方法可在较短的信号注入时间内获得系统的宽频特性。常见的宽频阻抗测量技术有随机脉冲宽度调制信号，其特点为激励频带不可控；伪随机二进制序列，其可施加在并网变流器的控制回路，但频谱分辨率为分数，容易造成傅里叶变换中的频谱泄露；chrip脉冲调制信号，其特点为需要额外的扰动电路，同时注入频带中存在的间隙限制了其应用
4.现有技术，如中国专利申请，其申请号：cn201811357313.7，公开号：cn109738703a公开了一种高压宽频带阻抗测量装置及其控制方法,高压宽频带阻抗测量装置主要包括高压宽频带电压扰动注入装置、电压与电流信号处理单元、宽频带阻抗计算与监控系统。高压宽频带电压扰动注入装置采用工频降压变压器+多绕组移相变压器两级变压方式从高压侧取电,多绕组移相变压器二次侧的每个绕组均接一个ac/dc/ac功率单元；ac/dc/ac功率单元由三相可控全桥、直流侧电容和单相h桥组成；扰动注入装置通过宽频带升压变压器串联接入到待测新能源发电装备的高压侧线路中,电压扰动注入装置的三相可控全桥采用整流/回馈控制、其输出采用考虑直流侧电压波动的开环控制。本发明可满足光伏、风电、无功补偿等电力电子装备的宽频带输出阻抗特性在线测量的需求。
5.中国专利申请，其申请号：cn202010975113.9，公开号：cn112260263a，公开了一种陆上双馈风场经传统直流送出系统的阻抗测量方法及装置,涉及可再生能源发电及传输系统技术领域,用于实现陆上双馈风场经传统直流送出系统的阻抗测量,为稳定性分析提供可靠准确的数据基础。方案如下：获取双馈风场子系统的结构参数；根据给定双馈风场子系统的结构参数、控制参数及相关稳态值,计算得到特定频率f下的风场阻抗值z
wf
(s)。获取传统直流送出子系统的输出有功功率p、传统直流送出子系统的输出无功功率q。计算特定频率f下的传统直流送出子系统的阻抗值z
lcc
(s)；将z
wf
(s)以及z
lcc
(s)进行阻抗级联进行相应的阻抗级联,得到特定频率f下的整个陆上双馈风场经传统直流送出系统的总阻抗值。
6.然而，上述现有技术依赖于复杂的整流、逆变及相应的储能稳压设备。系统中的工频电压载波将导致频移产生频带间隙，相比本发明无法达到对阻抗进行低成本、高精度的测量。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术中的不足，本发明公开一种风力发电系统宽频阻抗在线主动测量装置、方法及其应用，其技术方案如下：
8.一种风力发电系统宽频阻抗在线主动测量装置，包括实现耗能的模块1、实现宽频阻抗测量功能的模块2、实现电压等级变换的模块3以及模块4；其特征为：
9.所述模块1为一组反并联晶闸管及耗能电阻：当风力发电系统由于故障产生功率盈余时，晶闸管导通，耗能电阻投入使用，以消耗盈余能量，实现故障穿越，正常情况下备用；
10.所述模块2与模块1串联，包括耗能电阻及双向开关并联：所述双向开关由一组反串联电力电子开关及对应续流二极管构成，所述电力电子开关用于接收微处理器产生的控制信号，以产生扰动电流用于测量阻抗；
11.所述模块3包括变压器，该模块3将耗能功能模块接入点的风电系统电压降低至装置的工作电压，以降低对模块1、2的额定电压等级、散热及绝缘等级方面的要求；
12.模块4包括电流互感器ct、电压互感器pt及微处理器：电流互感器ct安装在装置并网点风场侧，用来测量风电系统侧扰动电流注入情况；电压互感器pt放置在耗能装置并网点处用于测量该点电压信号。
13.本发明还公开一种宽频阻抗的在线主动测量方法，包括权利要求1-2任一所述的风力发电系统宽频阻抗在线主动测量装置，其特征为：包括如下步骤：
14.步骤1：通过风力发电系统宽频阻抗在线主动测量装置获得适用于风电场的宽频阻抗；
15.步骤2：采用反相线性调频pwm(rc-pwm)信号控制交流斩波器；
16.步骤3：分析反串联igbt工作状态以获取干扰电流和响应电压；分别获得在电压正、负周期rc-pwm信号控制下桥臂产生的扰动电流id(t)；
17.步骤4：利用快速傅里叶变换获得无频带间隙影响的阻抗值。
18.本发明还公开一种将宽频阻抗的在线测量方法应用于风电场的风力发电系统中。
19.有益效果
20.1)扰动信号产生装置无需复杂的整流、逆变及相应的储能稳压设备，通过对风电场固有耗能装置的简单改造即可实现，降低了成本。
21.2)所提出的rc-pwm控制信号使扰动电流在所需测试的较宽频带范围内均匀分布，避免了由于工频电压载波导致的频移产生的频带间隙。
22.3)模块化改造，可以根据实际响应灵活调节投切组别，控制注入信号的幅值。
附图说明
23.图1为本发明风电系统原理图；
24.图2(a)为本发明典型交流斩波器拓扑；图2(b)具备主动阻抗测量的改进交流斩波
器(单相视图)；图2(c)为桥臂按照δ接或者y接接法示意图。
25.图3rc-pwm信号和cpwm信号控制下的干扰电流和幅频特性：
26.(a)chirp信号和cpwm信号；
27.(b)rc-pwm信号；幅频特性；
28.(c)cpwm信号；
29.(d)由cpwm信号产生的扰动电流；
30.(e)rc-pwm信号；
31.(f)由rc-pwm信号产生的扰动电流；
32.图4(a)第一阶段，系统电压的正周期，igbt接受开通指令；(b)第二阶段，系统电压正周期，igbt接受关断指令；(c)第三阶段，系统电压负周期，igbt接收开通指令；(d)第四阶段，系统电压负周期，igbt接收关断指令；
33.图5(a)背景电压u
m0
波形；(b)u
m0
频谱；(c)背景电流i
m0
波形(d)i
m0
频谱；
34.图6(a)扰动电流id波形；(b)id频谱；(c)响应电压ur波形；(d)ur频谱。
具体实施方式
35.一种风力发电系统宽频阻抗在线主动测量装置，包括实现耗能的模块1、实现宽频阻抗测量功能的模块2及实现电压等级变换的模块3以及模块4。参见图2所示。阻抗测量及耗能功能由图2(b)右侧模块a完成。在实际应用中，可将其作为桥臂按照δ接或者y接接入风力发电系统。由于风力发电系统三相对称，将三相系统可以分别作为三个单相系统分析，本发明即以单相装置视图为例做解释说明。模块a由实现耗能的模块1、实现宽频阻抗测量功能的模块2及实现电压等级变换以降低成本的模块3构成。模块1为一组反并联晶闸管及耗能电阻，是当风力发电系统由于短路等故障产生功率盈余时，晶闸管导通，耗能电阻投入使用，以消耗盈余能量，实现故障穿越，正常情况下冷备用。模块2为耗能电阻及双向开关并联构成，后与模块1串联。双向开关由一组反串联高性能电力电子开关(如igbt)及对应续流二极管构成，高性能电力电子开关用于接收微处理器产生的控制信号，以产生扰动电流用于测量阻抗；模块3由变压器构成，该模块将耗能装置接入点的风电系统电压降低至装置的工作电压，以降低对模块1、2的额定电压等级、散热及绝缘等方面的要求；模块4由电流互感器ct、电压互感器pt及高性能微处理器构成。电流互感器ct安装在装置并网点风场侧，用来测量风电系统侧扰动电流注入情况；如需测量电网侧阻抗，同理可在并网点的电网侧增设电流互感器；电压互感器pt放置在改造后的耗能装置并网点处用于测量该点电压信号。测量信号均传输至本地微处理器中，当电压出现幅值持续上升并超过阈值时，微处理器触发模块1启动耗能功能；微处理器也用于产生用于阻抗测量的控制信号，通过模块2产生相应的扰动信号；此外，当向风电系统注入扰动信号后，利用模块3中ct、pt两互感器获得风场侧的扰动信号及响应信号信息，通过微处理器进行频域分析及响应计算后，即可获得风电系统侧(如有需要，也可获得电网侧)的宽频阻抗信息。
36.在上述基础上，本发明公开一种宽频阻抗的在线测量方法，其特征为：
37.包括如下步骤：
38.步骤1：通过风力发电系统宽频阻抗在线主动测量装置获得适用于风电场的宽频阻抗：
39.图1为常规风电系统拓扑图，其中风机通过汇能后经集中升压站汇集送出，为实现短路故障引起的低压穿越问题，在风电系统中常常配置并网耗能装置。该耗能装置位于升压变压器与电网侧之间，用于在故障时消耗盈余能量。
40.风力发电系统中耗能装置结构如图2(a)所示，这些斩波器分组并联在母线上。发生短路故障时，它们按组依次投入使用，以消耗盈余能量。但正常运行条件下耗能装置多数时间均处于闲置状态，不利于提高电网资产的利用率。因此，本发明通过改造斩波器组结构，在耗能装置实现故障穿越的功能的同时，集成主动阻抗测量功能。通过向系统内注入受控的宽频小信号电流，通过测量风电系统侧或系统侧的响应，即可实现对风电系统侧及电网侧的宽频阻抗建模。
41.阻抗测量及耗能功能由右侧模块a完成。在实际应用中，可将其作为桥臂按照δ接或者y接接入风力发电系统。由于风力发电系统三相对称，将三相系统可以分别作为三个单相系统分析，本发明即以单相装置视图为例做解释说明。模块a由实现耗能的模块1、实现宽频阻抗测量功能的、模块2及实现电压等级变换以降低成本的模块3构成。模块1为一组反并联晶闸管及耗能电阻，是当风力发电系统由于短路等故障产生功率盈余时，晶闸管导通，耗能电阻投入使用，以消耗盈余能量，实现故障穿越，正常情况下冷备用。模块2为耗能电阻及双向开关并联构成，后与模块1串联。双向开关由，一组反串联高性能电力电子开关(如igbt)及对应续流二极管构成，高性能电力电子开关用于接收微处理器产生的控制信号，以产生扰动电流用于测量阻抗；模块3由变压器构成，该模块将耗能装置接入点的风电系统电压降低至装置的工作电压，以降低对模块1、2的额定电压等级、散热及绝缘等方面的要求；模块4由电流互感器ct、电压互感器pt及高性能微处理器构成。电流互感器ct安装在装置并网点风场侧，用来测量风电系统侧扰动电流注入情况；如需测量电网侧阻抗，同理可在并网点的电网侧增设电流互感器；电压互感器pt放置在改造后的耗能装置并网点处用于测量该点电压信号。测量信号均传输至本地微处理器中，当电压出现幅值持续上升并超过阈值时，微处理器触发模块1启动耗能功能；微处理器也用于产生用于阻抗测量的控制信号，通过模块2产生相应的扰动信号；此外，当向风电系统注入扰动信号后，利用模块3中ct、pt两互感器获得风场侧的扰动信号及响应信号信息，通过微处理器进行频域分析及响应计算后，即可获得风电系统侧(如有需要，也可获得电网侧)的宽频阻抗信息。
42.步骤2：采用反相线性调频pwm(rc-pwm)信号控制交流斩波器
43.测量风电系统阻抗一般使用cpwm作为扰动信号，即一种基于变频正弦信号的变频脉宽调制(chirp-pwm,cpwm)。cpwm信号的谐波分量大多分布于10～50hz，在设置频段外的谐波分量与变信号相比相对较大，谐波能量分布不够集中；谐波幅值分布的均匀度较差，从而在注入宽频电流干扰时，容易出现工频电压载波频谱导致搬移产生的频带间隙。使用cpwm信号进行1500-3000hz频带下的扰动电流测量试验。图3(d)显示了cpwm信号及其相应的干扰电流，可以看出，使用cpwm作为扰动信号时，会出现数量较多的频带间隙。
44.为了避免这种情况，需要采用rc-pwm信号控制交流斩波器。该信号基于线性时变频率的线性chirp波，频率可表示为：
45.g
chirp
＝sin(2πf
min
t+π(f
max-f
min
)t/t)
ꢀꢀꢀ
(1)
46.其中，g
chirp
为信号频率；f
min
为系统频率最小值；f
max
为系统频率最大值；t为扰动注入时间。通过整形函数获得cpwm信号，该整形函数在g
chirp
大于0的情况下将其转换为1，否则
为0：
[0047][0048]
进一步即可通过锁相反转函数获得rc-pwm信号，当输入电压的正负极切换时实现“0-1”反转:
[0049][0050]
或
[0051][0052]
图3(a-b)显示了由改进的交流斩波器产生的rc-pwm信号的扩展频谱和及其相应的干扰电流，当输入电压的正负极切换时，前者在大于0的情况下将g
chirp
转换为1，否则为0。后者在输入电压的正负极切换时实现“0-1”反转。图3(c)与(f)对比显示，相比采取cpwm控制方式，采用rc-pwm控制信号将频谱搬移转移至了控制信号中，进而避免了由于工频电压对控制信号的频谱搬移效应造成的频带间隙，避免了由于频带间隙引起的二次测量，实现了对可控扰动频带内所有可分辨频率的全频带扰动注入。
[0053]
步骤3：分析反串联igbt工作状态以获取干扰电流和响应电压
[0054]
在图4(a)所示的第一拓扑阶段中，系统处于电压正周期，igbt接受开通指令，t4、r1、igbt2、t2接入运行回路，利用电流互感器可测得模块2在电压正周期产生的响应电流id，此时装置输出正扰动电流。该情况下扰动电流可表示为：
[0055][0056]
其中，id(t)为扰动电流，u(t)为系统电压信号，g(t)为控制igbt的信号，表示受r1、r2共同影响的注入电流的幅值。响应电压ur可由电压互感器直接测得。
[0057]
在图4(b)所示的第二拓扑阶段中，系统处于电压正周期，igbt接受关断指令，t4、r1、r2接入运行回路，此时不向系统输入扰动电流，id＝0。
[0058]
在图4(c)所示的第三拓扑阶段中，系统处于电压负周期，igbt接受开通指令，t3、r1、t1、igbt2接入运行回路，此时测量装置输出负扰动电流。该情况下扰动电流可表示为：
[0059][0060]
在图4(d)所示的第三拓扑阶段中，系统处于电压负周期，igbt接受开通指令，t3、r1、r2接入运行回路，此时不向系统输入扰动电流，id＝0。
[0061]
步骤4：采取快速傅里叶变换技术，获得无频带间隙影响的阻抗值
[0062]
在实际运行中，原始输电系统中含有的各个频率的谐波分量会对测量结果的准确性产生影响。一方面，可以通过增加扰动信号的幅值提高信噪比来获得准确的阻抗测量结果；
[0063]
首先可以先利用装置模块4中的电压互感器pt、电流互感器ct测量系统正常运行的背景信号u
m0
,i
m0
而不施加干扰。
[0064]
其次，当微处理器向阻抗测量装置注入扰动信号rc-pwm后，可以利用电压互感器pt、电流互感器ct测得此时的扰动电流id以及响应电压ur。
[0065]
获取背景噪声、响应电压及扰动电流后，采取快速傅里叶变换技术，可以实现阻抗数值的快速计算，即可得到测量阻抗，其传递函数为：
[0066][0067]
其中u
m0
(jω),i
m0
(jω)为系统背景噪声；ur(jω)为逆变器响应电压；id(jω)为rc-pwm信号控制桥臂产生的干扰电流。
[0068]
本发明提出了一种风力发电系统宽频阻抗在线主动测量装置、方法，通过改造风电系统耗能装置实现风电系统及输电系统的电网阻抗实时测量，配合反相线性调频(rc-pwm)控制策略，通过形成函数和锁相反函数获得rc-pwm信号，实现了快速、高精度的宽频阻抗测量。
[0069]
本发明通过改造风电系统耗能装置，调制耗能电阻开关产生斩波电流，并向系统注入所需的宽频干扰信号，通过测量注入系统的干扰电流及其对应的电压，得到系统的阻抗特性。实现风电系统侧及电网侧的阻抗实时测量；实现快速、高精度的宽频阻抗测量，所提信号产生装置及方法避免了由工频载波引起的频谱搬移导致的频带间隙。
[0070]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。