用于确定风机与电网谐振的方法及系统与流程

本公开涉及风力发电领域，更具体地，涉及用于确定风机与电网谐振的方法和系统。

背景技术：

随着能源与环境问题的日益突出，世界各国正在把更多目光投向可再生能源。风能是可再生能源的重要类别，由于其蕴藏量大、可再生、分布广、无污染的特性，成为全球普遍欢迎的清洁能源。风力发电作为目前最具规模化开发条件和商业化发展前景的可再生能源发电方式，受到世界各国越来越多的重视。

我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约十亿千瓦。随着国家不断加大对清洁能源的开发支持力度，中国风电行业实现了突飞猛进的发展，中国风电并网容量迅速跃居世界第一。高速的发展带来了大量技术问题的爆发，大容量风电场能否安全并网成为主要关注问题，而风电场的谐波与谐振问题则直接影响到并网的电能质量。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于确定风机与电网谐振的方法及系统，能够通过在风机并网点处叠加谐波电压来获得风机在各频率谐波电压下的阻抗。由于电网在各谐波频率下的阻抗是已知的，据此可以确定风机与电网在所关注的谐波频率范围内是否存在谐振。

本发明的第一方面提供一种用于确定风机与电网谐振的方法，包括：将不同频率的多个谐波电压分别叠加到风机并网点处的基波电压上；获得风机分别响应于不同频率的多个谐波电压的多个谐波电流；基于多个谐波电压和多个谐波电流确定风机在各频率处的阻抗的幅值和相位角；基于所确定的各频率处的阻抗的幅值和相位角判断风机与电网是否存在谐振。

本发明的第二方面提供一种用于确定风机与电网谐振的系统，包括：谐波生成模块，将不同频率的多个谐波电压分别叠加到风机并网点处的基波电压上；电流获得模块，获得风机分别响应于不同频率的多个谐波电压的多个谐波电流；阻抗确定模块，基于多个谐波电压和多个谐波电流确定风机在各频率处的阻抗的幅值和相位角；谐振判定模块，基于所确定的各频率处的阻抗的幅值和相位角判断风机与电网是否存在谐振。

根据本发明的实施例，当确定风机与电网在所关注的谐波频率范围内存在谐振的情况下，可以通过调整风机的参数来改变风机的阻抗特性，从而消除风机与电网的谐振。

附图说明

图1示出风机与电网构成的系统的示意架构图；

图2示出根据本发明的实施例的用于确定风机与电网谐振的方法的流程图；

图3a示出根据本发明的实施例的风机与电网的阻抗特性曲线；

图3b示出根据本发明的另一实施例的风机与电网的阻抗特性曲线；

图4示出根据本发明的实施例的用于确定风机与电网谐振的系统的框图；

图5是示出能够实现根据本发明实施例的用于确定风机与电网谐振的方法和系统的计算设备的示例性硬件架构的结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

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。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。

配电系统中具有非线性特性的电气设备会引发谐波，使电网受到污染，造成电网功率损耗增加、线路和设备过热等问题。更严重的情况是风机与电网可能在某一谐波频率附近发生谐振，这会加重谐波畸变，最终可能导致设备烧毁、电网断电等后果。因此，消除谐振具有非常重要的意义。

图1是风机与电网构成的系统的示意框图100。如图1中所示，系统100包括风机群集101和电网102，其中风机群集包括多个风机101-1、101-2、……、101-n。在该系统中，电网的阻抗特性是已知的，通常可以从电网公司获得。而风机群集的阻抗特性受许多因素的影响，例如，单个风机的参数、风机集群中风机的数量等。

在多台风机集中并网的情况下，在公共连接点电网的阻抗将很大程度上影响风机的并网特性。在一些地区电网与风机的短路比已经接近3左右，电网的阻抗可能和风机阻抗发生谐振。随着这一类地区风电机组装机容量的持续增加，短路比不断减小，这一地区开始出现次同步震荡的问题，导致风电大规模脱网，严重威胁到了系统的安全运行。

本发明的实施例通过在电路系统100中的风机并网点a处叠加各个频率的谐波电压的方法来获得风机在各个谐波频率下的阻抗(即，风机的阻抗特性)，通过对所获得的风机的阻抗特性与已知的电网的阻抗特性进行比较来确定风机与电网在所关注的频率范围内是否存在谐振。如果发现风机在某一谐波频率下与电网发生谐振，则通过调整风机参数来消除该频率处的谐振，从而确保系统的安全运行。

可以在实体的风机上实施如下所述的本发明的方法，也可以通过电力系统仿真软件来对系统100中的风机和电网的模型进行仿真实验。在本发明的实施例中，为确保仿真软件输出结果和实际风机一致，风机模型的控制系统采用真实风机的控制系统中所用的代码，并充分考虑传输线路的阻尼特性。

图2示出根据本发明的实施例的用于确定风机与电网发生谐振的方法200的流程图。如图2中所示，方法200包括以下步骤：S201，将不同频率的多个谐波电压分别叠加到风机并网点处的基波电压上；S202，获得风机分别响应于该不同频率的多个谐波电压的多个谐波电流；S203，基于多个谐波电压和多个谐波电流确定风机在各频率处的阻抗的幅值和相位角；S204，基于所确定的各频率处的阻抗的幅值和相位角判断风机与电网是否存在谐振。

在步骤S201中，值得注意的是，本发明中涉及的电压(包括基波电压、谐波电压等)和电流(包括基波电流、谐波电流等)均是三相的。谐波电压的幅值可以是基波电压的幅值的5％-10％，因为小于5％时会导致FFT变换得出的结果与实际结果的误差较大，而大于10％会导致风机不能运行。例如，谐波电压的幅值可以是基波电压幅值的8％。

在一些实施例中，上述不同频率是从第一阈值频率到第二阈值频率的步长为预定值的多个频率，其中，第一阈值频率和第二阈值频率限定所需要的风机阻抗特性的频率范围。考虑到风电机组装机容量较大的地区在23Hz和77Hz发生过电网波动，本发明主要关注5-200Hz范围内的谐波。当然，本发明所采用的方法200可以用于获得任意谐波频率范围内风机的阻抗特性。

为了获得需要频率范围内的谐波阻抗，需要分别叠加不同频率的多个谐波电压并进行多次重复测量。可根据需要设定谐波电压的频率步长。一般地，较大的测量步长可以缩短测量时间，但测量精度相对较低；较小的测量步长会导致测量时间较长，但会得到较为准确的测量结果。选定频率步长后，则从低到高，按照步长依次叠加谐波电压。通过测量和记录相关实验数据来计算风机阻抗，这将在下文进一步描述。

在步骤S202中，在一些实施例中，获得风机分别响应于不同频率的多个谐波电压的多个谐波电流包括：针对每个频率的谐波电压，对风机的电流进行采样，其中该电流是响应于基波电压的基波电流和响应于该频率的谐波电压的谐波电流之和；将所采样的电流进行快速傅里叶变换(FFT)以得到风机响应于该频率的谐波电压的谐波电流。应理解，对采样的电流进行FFT是用于把响应于基波电压的基波电流和响应于该频率的谐波电压的谐波电流在频率上分开，从而确定响应于谐波电压的谐波电流。

在一些实施例中，采样可以在电流进入稳态后进行，并且所采样的电流为预定时间段内采样的电流。进行采样的预定时间段的长短以及采样频率可根据FFT变换的精度要求来确定。一般来说，采样时间越长、采样频率越高，FFT变换的精度越高。当然，考虑到样本分析和FFT计算的成本，一般将采样时间和采样频率设置为能够满足误差要求即可。例如，在一个示例中，可以将采样时间设置为1s，将采样频率设置为5KHz。

在步骤S203中，在获得风机响应于该频率的谐波电压的谐波电流之后，根据欧姆定律，用该频率的谐波电压除以相应的谐波电流即可得到该频率的风机阻抗。

在步骤S204中，如上所述，电网的阻抗是已知的，一般可以从风机电厂或电网公司获得，因此在得到风机在各频率的阻抗的幅值和相位角的情况下，可以直接根据数值与电网的阻抗值的比较来判断风机与电网是否发生谐振。在风机阻抗与电网阻抗幅值相等，且相位角相差180°的情况下，确定风机与电网是否发生谐振。在实践中，可以将所得到的风机在各频率的阻抗的幅值和相位角绘制成幅值和相位曲线，此时可直观地通过判断风机幅值曲线与电网幅值曲线的交点处风机阻抗相位角与电网阻抗相位角是否相差180°来判断风机与电网是否发生谐振。

在一些实施例中，在风机与电网存在谐振的情况下，可以通过调整风机的参数来改变所述风机的阻抗，从而消除风机与电网的谐振。其中，风机的参数包括风机的控制参数(例如，电压控制比例/积分参数、电流控制比例/积分参数、锁相控制比例/积分参数等)或运行参数(例如，电机转速、变桨角度、塔架受力等)。

通过本发明的方法可以获得风机在各个谐波频率下的阻抗，据此可以判定风机与电网在所关注的谐波频率范围内是否存在谐振，并可通过调整风机参数来消除的谐振，从而确保系统的安全运行。

应理解的是，虽然上文以单台风机为例示出根据本发明的方法，该方法也可以适用于多台风机。

下面结合具体实例示出方法200。

在一个实施例中，电网阻抗的幅值和相位曲线如图3b中以虚线示出的曲线所示。在风机并网点处叠加频率为f₀＝10Hz、相位分别相差120°的三相谐波电压。对叠加谐波电压后风机上的电流和电压进行采样，采样频率为5KHz。对采样得到的样本进行FFT变换，得到在谐波频率f₀处风机上的三相谐波电压和三相谐波电流。基于所得到的该频率处的三相谐波电压和三相谐波电流，通过欧姆定律可以计算风机在谐波频率为f₀时的阻抗Z₀。

将频率步长设置为Δf＝1Hz，接下来按照上述流程分别获得风机在f₁＝f₀+Δf、f₂＝f₀+2Δf、……、f_n＝f₀+nΔf＝200Hz处的阻抗。之后，将所获得的各频率的阻抗绘制成阻抗的幅值和相位曲线，如图3a中实线所示。

从图3a中可直观地看出，在f_x＝95Hz处风机阻抗与电网阻抗幅值相等、相位角相差180°，即当谐波频率为95Hz时风机与电网发生谐振。

在确定风机与电网存在谐振的情况下，为消除谐振，可以对风机的参数进行调整，例如，对风机的控制参数(例如，电压控制比例/积分参数、电流控制比例/积分参数、锁相控制比例/积分参数等)或运行参数(例如，电机转速、变桨角度、塔架受力等)中的一者或多者进行调整。图3b示出了对风机参数进行调整后风机与电网的阻抗特性曲线，其中实线示出的曲线表示风机阻抗特性曲线，虚线示出的曲线表示电网阻抗的幅值和相位角。从图3b中可直观地看出，经过参数调整后，风机的阻抗特性曲线与电网的阻抗特性曲线不存在幅值相近、相位角相差180°的交点，即，在各谐波频率处风机与电网都不会发生谐振。

图4示出根据本发明的实施例的用于确定风机与电网谐振的系统400的框图。如图4所示，系统400包括：谐波生成模块401，将不同频率的多个谐波电压分别叠加到风机并网点处的基波电压上；电流获得模块402，获得风机分别响应于不同频率的多个谐波电压的多个谐波电流；阻抗确定模块403，基于多个谐波电压和多个谐波电流确定风机在各频率处的阻抗的幅值和相位角；谐振判定模块404，基于所确定的各频率处的阻抗的幅值和相位角判定风机与电网是否存在谐振。

系统400中的电流获得模块403还包括：采样模块4031，对风机的电流进行采样；以及FFT模块4032，根据所采样的电流进行FFT变换以得到风机响应于该频率的谐波电压的谐波电流。在一些实施例中，系统400可选地包括参数调整模块，用于在存在谐振的情况下，通过调整所述风机的参数来改变所述风机的阻抗，从而消除风机与电网的谐振。

结合图2至图4描述的用于确定风机与电网谐振的方法和系统可以由计算设备实现。图5是示出能够实现根据本发明实施例的用于确定风机与电网谐振的方法和系统的计算设备的示例性硬件架构的结构图。如图5所示，计算设备500包括输入设备501、输入接口502、中央处理器503、存储器504、输出接口505、以及输出设备506。其中，输入接口502、中央处理器503、存储器504、以及输出接口505通过总线510相互连接，输入设备501和输出设备506分别通过输入接口502和输出接口505与总线510连接，进而与计算设备500的其他组件连接。具体地，输入设备501接收输入信息(例如，采样信息)，并通过输入接口502将输入信息传送到中央处理器503；中央处理器503基于存储器504中存储的计算机可执行指令对输入信息进行处理以生成输出信息，将输出信息临时或者永久地存储在存储器504中，然后通过输出接口505将输出信息传送到输出设备506；输出设备506将输出信息输出到计算设备500的外部供用户使用。

也就是说，图4所示的用于确定风机与电网谐振的系统也可以被实现为包括：存储有计算机可执行指令的存储器；以及处理器，该处理器在执行计算机可执行指令时可以实现结合图2描述的用于确定风机与电网谐振的方法和系统。这里，处理器可以基于输入信息执行计算机可执行指令，从而实现结合图2描述的用于确定风机与电网谐振的方法和系统。

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。

本发明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的范围之中。