一种风电次同步振荡监测调节系统的制作方法

本实用新型涉及风电控制领域，特别是涉及一种风电次同步振荡监测调节系统。

背景技术：

大规模风电通过串补交流电模式并入电网可以有效提高输电能力，然而，在工作过程中会产生次同步振荡问题，次同步振荡会造成风机脱网或者设备损坏，从而造成巨大的经济损失，现有技术中，对于风电次同步振荡的监测主要通过经验、历史数据等方式，然后计算次同步振荡的相关参数，再根据相关参数处理次同步振荡问题，这种方式，效率低下，实时性低，虽然在一定程度上降低了次同步振荡问题的可能性，但是由于次同步振荡引起的风电事故仍然层出不穷。

因此，需要提出一种风电次同步振荡监测系统，能够对风电引起风电次同步振荡的相关参数进行准确监测，实时输出监测数据，从而保证风电次同步振荡监测的准确性，能够准确指导次同步振荡系统的一致措施，确保风力发电持续稳定运行。

此外，更需要一种能够实时、智能化的调节系统，能够实现对风力涡轮机的电路进行调节，以避免发生风电次同步振荡的可能性。

技术实现要素：

鉴于上述问题，提出了本实用新型以便提供一种解决上述问题或者至少部分地解决上述问题的风电次同步振荡监测调节系统。

本实用新型提供的一种风电次同步振荡监测调节系统，包括：

风力涡轮机，其具有转子叶片和可旋转地连接于所述转子叶片的发电机；

监测单元，用于监测风电次同步振荡参数，包括：

风电监测模块，用于监测风电场参数，包括风电电压传感器、风电电流传感器、风电频率传感器、风速传感器、用于监测所述发电机的转矩的转矩传感器以及用于监测所述发电机的转速的转速传感器；和电网监测模块，用于监测电网参数，包括电网电压传感器、电网电流传感器以及电网频率传感器；

处理单元，与所述监测单元通信连接；

远程监控单元，与所述处理单元通信连接；

功率转换器，响应于所述监测单元、所述处理单元和所述远程监控单元的监测数据，调节并入电网的频率和电压。

进一步地，所述功率转换器包括全转换功率转换器和部分转换功率转换器中的一个。

进一步地，所述发电机包括双馈感应发电机、感应发电机和同步发电机中的一个。

进一步地，所述处理单元包括：预处理电路，与所述监测单元连接；处理服务器，与所述预处理电路通信连接；存储服务器，与所述处理服务器通信连接，且所述处理服务器与所述远程监控单元通信连接。所述处理单元还包括：预警单元，其包括与所述处理服务器连接的输入键盘、与所述处理服务器连接的显示器以及与所述处理服务器连接的声光报警器。

进一步地，所述预处理电路包括依次连接的放大电路、滤波电路以及模数转换电路，所述放大电路的输入端与所述监测单元的输出端连接，所述模数转换电路的输出端与所述处理服务器连接。

进一步地，所述远程监控单元包括与所述处理单元通信连接的远程处理服务器以及与所述远程处理服务器通信连接的远程存储服务器；所述远程监控单元还包括远程预警单元，所述远程预警单元包括与所述远程处理服务器连接的远程输入键盘、与所述远程处理服务器连接的远程显示器以及与所述远程处理服务器连接的远程声光报警器。

本实用新型具有的有益效果是：

本实用新型提供的一种的风电次同步振荡监测调节系统能够对风电引起风电次同步振荡的相关参数进行准确监测，实时输出监测数据，从而保证风电次同步振荡监测的准确性，能够准确指导次同步振荡系统的一致措施，确保风力发电持续稳定运行。

附图说明

图1为一种风电次同步振荡监测调节系统监测调节系统的示意性原理图。

具体实施方式

图1为本实用新型的原理框图，如图1所示。本实用新型的实施例提供了一种风电次同步震荡监测调节系统，其可包括风力涡轮机、监测单元、处理单元、远程监控单元和功率转换器10。其中，风力涡轮机，其可具有转子叶片和可旋转地连接于转子叶片的发电机。监测单元用于监测风电次同步振荡参数，其可包括风电监测模块和电网监测模块。风电监测模块用于监测风电场参数，其可包括风电电压传感器900、风电电流传感器300、风电频率传感器800、风速传感器500、用于监测发电机的转矩的转矩传感器600以及用于监测发电机的转速的转速传感器700。风电监测模块用于监测风电场参数，其可包括风电电压传感器900、风电电流传感器300、风电频率传感器800、风速传感器500、用于监测发电机的转矩的转矩传感器600以及用于监测发电机的转速的转速传感器700。电网监测模块用于监测电网参数，其可包括电网电压传感器200、电网电流传感器400以及电网频率传感器100。并且，处理单元与监测单元通信连接，远程监控单元与处理单元通信连接。通过对风电引起风电次同步振荡的相关参数进行准确监测，实时输出监测数据，从而保证风电次同步振荡监测的准确性，能够准确指导次同步振荡系统的一致措施，确保风力发电持续稳定运行。监测单元包括用于监测风电场参数的风电监测模块和用于监测电网参数的电网监测模块；所述风电监测模块包括风电电压传感器900、风电电流传感器 300、风电频率传感器800、风速传感器500、用于监测风力涡轮机转矩的转矩传感器600以及用于监测风力涡轮机转速的转速传感器700；所述电网监测模块包括电网电压传感器200、电网电流传感器400以及电网频率传感器100，能够对风电引起风电次同步振荡的相关参数进行准确监测，实时输出监测数据，从而保证风电次同步振荡监测的准确性，能够准确指导次同步振荡系统的抑制措施，确保风力发电持续稳定运行，当然，上述中的每一种传感器均可以设置多个，形成多个检测点，其中，转矩传感器600和转速传感器700获取风力涡轮机的转速信号以及转矩信号，处理服务器根据转矩信号转速信号控制风机的桨距控制器输出相应的指令，处理服务器根据风速、转速、风电电压信号、风电电流信号计算风电功率信号，然后根据风电功率信号来判断是否产生次振荡，风电频率传感器800用于对风电的实际频率进行监测，根据计算功率、实际频率和计算频率共同确定次振荡产生的原因，确保监测结果的准确性；处理服务器根据电网电压、电网电流和电网频率以及上述的参数进行次振荡分析，当然，处理服务器在处理过程中的计算方法采用现有的算法，在此不加以赘述。

进一步地，风电次同步震荡监测调节系统还可包括功率转换器10，响应于监测单元、处理单元和远程监控单元的监测数据，调节并入电网的频率和电压。即基于监控进行电压和频率的调节，避免产生次同步振荡问题。

在本实用新型的一些实施例中，风力涡轮机可包括用于将风能转换为旋转能以驱动连接到变速箱的轴的转子叶片。风力涡轮机还可包括结构支撑部件，例如塔架和一个转子指向机构。变速箱将低速旋转转换为高速旋转，如驱动发电机发电所需的那样。典型地，多个风力涡轮机位于被称为风力涡轮机公园的共同位置。

由发电机产生的电力被提供给功率电子系统以调节发电机输出电压和/或频率以经由升压变压器供应给电网.变压器的低压侧连接到功率电子系统和高压侧到电网。电力电子系统是可控制的，以根据需要将特性赋予所产生的电力以匹配或修改在电网上流动的电力的特性。根据当前实用新型的实施例，电力电子系统可以控制有功功率流量和/或电压调节，以减少电网上的次同步振荡。

不同的发电机用于不同的风力涡轮机应用，包括异步(感应)发电机(例如，鼠笼，绕线转子和双馈感应发电机)和同步发电机(例如绕线转子和永磁同步发电机)。有利地，感应发电机相对简单并且便宜，但是不利的是，定子需要反作用磁化电流并因此消耗来自电网的无功功率。

在双馈感应发电机(DFIG)中，公用电网提供的电力(通常为三相AC) 激励发电机定子的绕组。风力涡轮机的风力驱动叶片组件产生机械力以转动转子轴，例如通过齿轮箱。磁化电流和低频(滑动)功率从转子转换器提供给转子。转子转换器通过控制转子电流分量来控制有功功率和无功功率。DFIG通常用于功率电子系统包含部分转换器(通常约为全转换器容量的三分之一)时使用。

电力电子系统对于不同的涡轮发电机装置和应用(包括整流器，逆变器和变频器(例如背对背，多电平，串联，矩阵和谐振转换器))采用不同的元件。

被称为全转换器或背对背转换器的一种类型的转换器被用于变速风力涡轮机中，包括连接到发电机侧的功率转换器10，连接到电网侧的DC链路和功率转换器10。全转换器将由风力涡轮机产生的输入电压(即，固定频率的交流电)，可变频率交流电(由于可变风速)或直流电转换为期望的输出频率和电压，它提供的网格。通常使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，发电机侧转换器将发电机产生的电力转换为直流并将该能量传输至直流链路。从直流链路将电力提供给电网侧有源转换器，在那里转换为固定频率的交流电并提供给电网。

在一些实施例中，全转换器包括用于将产生的AC电转换成DC的发电机侧转换器和用于过滤DC电流的输出电容器。DC电流被提供给用于产生提供给电网的60Hz AC功率的线路侧转换器(逆变器)。通过发电机侧转换器的操作来确定来自风力涡轮机的可用功率的量。

本实用新型涉及风力涡轮机用于阻尼栅格上的次同步振荡的用途。线路侧转换器可以提供与STATCOM相同的功能，并且可以在风力涡轮机工作时进一步产生有效功率。一个真正的STATCOM可以产生或吸收只有无功功率来抑制次同步振荡；它不能产生或注入实际的权力。由于全转换器风力涡轮机具有 STATCOM的所有电压调节属性，并且不同于STATCOM也可以产生实际功率，所以整个转换器风力涡轮机可以提供对次同步振荡的有效阻尼；也许比单独运行的STATCOM更好的阻尼。风力涡轮机在线时始终可以提供来自线路侧变流器的无功功率，当风力涡轮机产生实际功率时，可以使用实际功率阻尼补充功能。

本实用新型提供了一种新的、有益的风力涡轮机以及使用风力涡轮机来单独使用电压调节(当风力涡轮机在线但不产生有效功率时)或电压调节来有效地衰减次同步振荡的方法辅以有功功率控制(当汽轮机产生有功功率或有功功率时)。本实用新型可以基于本地或远程电压，电流或功率测量而主动地衰减次同步振荡电压，电流和/或功率振荡。然而，认识到由于到远程次同步振荡的距离，可能不可能有效地抑制这种远程振荡。根据一个实施例，风力涡轮机的次同步振荡阻尼功能仅在本地或远程检测到次同步振荡时才起作用。

本实用新型在风力涡轮机系统侧转换器(也称为线路侧转换器)的控制中实施次同步振荡阻尼功能，仅使用电压能力(当涡轮机在线时，不管它是否是例如，当风力涡轮机输出由于风力不足而实际发电量减少时)或者由有功功率控制(当涡轮机产生实际功率时)补充的电压控制产生实际功率。控制信号通过一个辅助信号提供给线路侧变流器给电压调节控制器以控制此功能。

在一个实施例最中，真实功率的注入可能需要将负序分量注入到电力系统中以引起电压不平衡，即因为电压具有不同的幅值或者电压彼此不相位相差 120度，所以振荡阻尼增加。如其控制算法所体现的风力涡轮机控制策略应该具有足够的通用性，以适应用于实现次同步振荡阻尼的各种控制。只要风力涡轮机位于电力系统的边缘，而大多数电力系统现在位于这些边缘，它们可能并不理想地位于提供次同步振荡阻尼，因为它们可能不位于大型发电站附近或位于大型发电站之间。但随着它们变得越来越普遍，风力涡轮机可能位于主发电站附近或主要发电站之间，例如具有减少次同步振荡的次要动机。

根据本实用新型的一个实施例，风力涡轮机和中的每一个包括全转换器风力涡轮机，其从电力网的角度出现为不提供真实能量的电压控制装置(例如在风力涡轮机不产生有效功率但可用于调节系统电压的缩减期间)或提供真实能量的电压控制装置(例如当风力涡轮机为电网产生功率时)。因此，整个转换器可以独立于产生有功功率来调节电压，因为除了补偿实际电阻损耗外，电压调节不需要实际能量。因此，在不产生实际功率的情况下，整个转换器可以调制所测量的次同步振荡电压的相位角以产生具有相位角的输出电压，该相位角有效地抑制电网上的次同步振荡。

因此，除了向电网供应有效功率之外，适当控制的风力涡轮机或可以提供阻尼次同步振荡的辅助功能。如果风力涡轮机不产生有效功率，则其可以使用电压(电压相位角)调节来衰减次同步振荡。如果风力涡轮机正在产生实际功率，则其可以使用由实际功率调节补充的电压调节来衰减次同步振荡。

在本实用新型的一些实施例中，控制电压的相角以衰减次同步振荡(无论风力涡轮机是否为电网产生有效功率)并且将电压注入电网以减少次同步振荡。如果传输系统是理想的，即纯粹无阻抗地反应，这种技术就足够了。但是，所有真实的传输系统都有实际的电阻，因此，除非通过校正电压将实际功率注入系统，否则次同步振荡电压不能完全消除。

在本实用新型的又一个实施例中，风力涡轮机可包括能量存储装置，例如电池，超级电容器，超导磁能存储装置，允许风力涡轮机执行补充实际功率控制的电压控制，实际功率当风力涡轮机没有产生有效功率时，从存储装置提供。

在本实用新型的一些实施例中，处理单元包括与监测单元连接的预处理电路、与预处理电路连接的处理服务器、与处理服务器通信连接的存储服务器，处理服务器与远程监控单元通信连接，其中，预处理电路包括依次连接的放大电路、滤波电路以及模数转换电路，放大电路的输入端与监测单元的输出端连接，模数转换电路的输出端与处理服务器连接，通过这种结构，为处理服务器提供准确的参考数据；处理服务器接收到监测单元输出的监测参数，通过现有的算法对次同步振荡参数进行相应计算，至少包括次同步振荡的频率的计算、风机的有功功率、风机的无功功率、电网输送功率等参数，并且处理服务器对引起次同步振荡的原因作出建议分析，处理服务器将实测数据、处理服务器的计算结果以及引起次同步振荡的原因信息发送到远程处理服务器，通过上述结构，能够实时反馈风电并网运行时的实时参数，准确指导远程控制工作，其中，存储服务器用于对处理服务器所处理的数据进行同步存储，作为历史数据用于处理服务器在未来处理中做参考数据。

本实施例中，处理单元还包括预警单元，预警单元包括与处理服务器连接的输入键盘、与处理服务器连接的显示器以及与处理服务器连接的声光报警器，通过这种结构，能够将处理服务器的处理过程进行显示监控，当处理服务器计算的相应参数存在越限，比如风电机的穿透功率越限，那么声光报警器进行相应的报警，方便及时作出应对措施。

本实施例中，远程监控单元包括与处理单元通信连接的远程处理服务器以及与远程处理服务器通信连接的远程存储服务器，其中，远程监控单元还包括远程预警单元，远程预警单元包括与远程处理服务器连接的远程输入键盘、与远程处理服务器连接的远程显示器以及与远程处理服务器连接的远程声光报警器，远程处理服务器用于根据处理服务器输出的数据进行进一步处理，并通过显示器呈现，利于工作人员分析并作出正确的指导措施，处理服务器同时将越限的报警信息传输到远程处理服务器，远程处理服务器收到报警信息后，立即控制声光报警器进行相应报警。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本实用新型的多个示例性实施例，但是，在不脱离本实用新型精神和范围的情况下，仍可根据本实用新型公开的内容直接确定或推导出符合本实用新型原理的许多其他变型或修改。因此，本实用新型的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。