一种海上风电交流并网系统设计方法和装置与流程

1.本发明涉及海上风电技术领域，尤其涉及一种海上风电交流并网系统设计方法和装置。


背景技术：

2.海上风电并网系统是建设在近海或远海，通过叶片、机械传动设备发电机、变流器等设备将海上的风能转换为电能的机组或场站，可通过交流或直流输电的方式将产生的电能输送到陆上电网的系统。
3.海上风电交流并网系统中出现的超同步振荡属于宽频振荡的一种，振荡频率范围为工频至工频两倍，即50hz～100hz。海上风电机组的阻抗特性由于受到机组变流器锁相环的影响，在超同步频段呈现为带有负阻尼的电容；另一方面，电网侧的阻抗特性，由于受到交流海缆的影响，在超同步频段呈现为较大的电感。当电网侧电感与机组侧电容在超同步段发生谐振，且缺乏阻尼甚至伴随负阻尼，则发生自激振荡，即海上风电超同步振荡现象。目前并没有具有理论依据指导又有效地防止海上风电交流并网系统出现超同步振荡现象的系统设计方法，无法降低海上风电超同步振荡带来的振荡风险。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种海上风电交流并网系统设计方法和装置，用于降低海上风电交流并网系统发生超同步振荡带来的振荡风险，提高海上风电交流并网系统的运行可靠性。
5.有鉴于此，本发明第一方面提供了一种海上风电交流并网系统设计方法，包括：
6.根据海上风电交流并网系统的系统接线图，建立海上风电交流并网系统的小信号序阻抗等效模型；
7.海上风电交流并网系统的小信号序阻抗等效模型，计算海上风电交流并网系统的电网侧阻抗数学模型和电源侧阻抗数学模型；
8.根据电网侧阻抗数学模型和电源侧阻抗数学模型，绘制电网侧阻抗和电源侧阻抗的伯德图；
9.根据电网侧阻抗和电源侧阻抗的伯德图计算海上风电交流并网系统的相位裕度；
10.判断海上风电交流并网系统的相位裕度是否达到阈值，若是，则直接输出使得海上风电交流并网系统的相位裕度达到阈值对应的预置参数的值，若否，则调节影响海上风电交流并网系统的相位裕度的预置参数，输出使得海上风电交流并网系统的相位裕度达到阈值对应的预置参数的值。
11.可选地，调节影响海上风电交流并网系统的相位裕度的预置参数，输出使得海上风电交流并网系统的相位裕度达到阈值对应的预置参的值，包括：
12.确定海上风电交流并网系统的主体设计参数以及预置参数的可调范围；
13.在满容量吸收感性无功功率的工况下，根据预设的预置参数优先级排序依次在预置参数的可调范围内调节预置参数；
14.当海上风电交流并网系统的相位裕度达到阈值时，停止调节预置参数，在满容量发出感性无功功率的工况下校验海上风电交流并网系统的相位裕度是否达到阈值，若否，则在满容量发出感性无功功率的工况下，根据预设的自变量参数优先级排序依次在预置参数的可调范围内调节预置量参数，直至海上风电交流并网系统的相位裕度达到阈值，并输出使得海上风电交流并网系统的相位裕度达到阈值对应的预置参数的值。
15.可选地，预设的预置参数优先级排序为：电流环参数、锁相环参数、海缆参数和并网点短路比。
16.可选地，根据电网侧阻抗和电源侧阻抗的伯德图计算海上风电交流并网系统的相位裕度，包括：
17.在电网侧阻抗和电源侧阻抗的伯德图中，获取电网侧和电源侧的幅频特性曲线相交的频率点，获取幅频特性曲线相交的频率点的相位差，得到海上风电交流并网系统的相位裕度。
18.可选地，阈值为40度。
19.本发明第二方面提供了一种海上风电交流并网系统设计装置，包括：
20.等效模型建立模块，用于根据海上风电交流并网系统的系统接线图，建立海上风电交流并网系统的小信号序阻抗等效模型；
21.数学模型计算模块，用于海上风电交流并网系统的小信号序阻抗等效模型，计算海上风电交流并网系统的电网侧阻抗数学模型和电源侧阻抗数学模型；
22.伯德图绘制模块，用于根据电网侧阻抗数学模型和电源侧阻抗数学模型，绘制电网侧阻抗和电源侧阻抗的伯德图；
23.相位裕度计算模块，用于根据电网侧阻抗和电源侧阻抗的伯德图计算海上风电交流并网系统的相位裕度；
24.输出模块，用于判断海上风电交流并网系统的相位裕度是否达到阈值，若是，则直接输出使得海上风电交流并网系统的相位裕度达到阈值对应的预置参数的值，若否，则调节影响海上风电交流并网系统的相位裕度的预置参数，输出使得海上风电交流并网系统的相位裕度达到阈值对应的预置参数的值。
25.可选地，输出模块具体用于：
26.判断海上风电交流并网系统的相位裕度是否达到阈值，若否，则确定海上风电交流并网系统的主体设计参数以及预置参数的可调范围；
27.在满容量吸收感性无功功率的工况下，根据预设的预置参数优先级排序依次在预置参数的可调范围内调节预置参数；
28.当海上风电交流并网系统的相位裕度达到阈值时，停止调节预置参数，在满容量发出感性无功功率的工况下校验海上风电交流并网系统的相位裕度是否达到阈值，若否，则在满容量发出感性无功功率的工况下，根据预设的自变量参数优先级排序依次在预置参数的可调范围内调节预置量参数，直至海上风电交流并网系统的相位裕度达到阈值，并输出使得海上风电交流并网系统的相位裕度达到阈值对应的预置参数的值。
29.可选地，预设的预置参数优先级排序为：电流环参数、锁相环参数、海缆参数和并网点短路比。
30.可选地，相位裕度计算模块具体用于：
31.在电网侧阻抗和电源侧阻抗的伯德图中，获取电网侧和电源侧的幅频特性曲线相交的频率点，获取幅频特性曲线相交的频率点的相位差，得到海上风电交流并网系统的相位裕度。
32.可选地，阈值为40度。
33.从以上技术方案可以看出，本发明提供的海上风电交流并网系统设计方法具有以下优点：
34.本发明提供的海上风电交流并网系统设计方法，通过确立海上风电交流并网系统的小信号序阻抗等效模型，得到海上风电交流并网系统的电网侧阻抗数学模型和电源侧阻抗数学模型，然后绘制出电网侧阻抗和电源侧阻抗的伯德图来获取系统的相位裕度，如果相位裕度没有达到阈值，说明系统存在发生超同步振荡的风险，则通过调节影响海上风电交流并网系统的相位裕度的预置参数，使得海上风电交流并网系统的相位裕度达到阈值，具备严谨的理论依据，能够精准调节系统参数，避免设计冗余和浪费，能够彻底消除超同步振荡风险，确保不发生超同步振荡，因而，降低了海上风电交流并网系统发生超同步振荡带来的振荡风险，提高了海上风电交流并网系统的运行可靠性。
附图说明
35.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
36.图1为本发明提供的一种海上风电交流并网系统设计方法的流程示意图；
37.图2为本发明提供的典型的海上风电交流并网系统的接线结构图；
38.图3为图2对应的结构等效图；
39.图4为图3对应的海上风电交流并网系统的小信号序阻抗等效模型；
40.图5本发明提供的为典型的海上风电交流并网系统的电源侧和电网侧的阻抗伯德图；
41.图6为本发明实施例中提供的一种调节影响海上风电交流并网系统的相位裕度的预置参数的流程示意图；
42.图7为本发明提供的一种海上风电交流并网系统设计装置的结构示意图。
具体实施方式
43.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
44.为了便于理解，请参阅图1，本发明中提供了一种海上风电交流并网系统设计方法的实施例，包括：
45.步骤101、根据海上风电交流并网系统的系统接线图，建立海上风电交流并网系统的小信号序阻抗等效模型。
46.以图2中典型的海上风电交流并网系统的接线结构图为例，在众多的海上风电机组(包含叶轮、传动系统、发电机、变流器、滤波器、箱变、控制系统等)通过中压集电海缆汇集到海上升压站的低压侧交流母线，经过升压站升压后，通过高压交流海缆送至陆上母线，陆上母线接入陆上交流系统，陆上交流系统可由一带有等效电网阻抗的理想电压源等效，其等效电网阻抗的大小，由陆上母线(并网点)处的短路比(即短路容量与风电场额定容量之比)确定，在陆上母线处，还连接有用于补偿高压海缆容性无功功率的高压并联电抗器(高抗)和并联的动态无功补偿设备(svg，又称statcom)。
47.将图2所示的接线结构图抽象等效为图3的等效结构图(忽略陆上母线侧svg的影响和中压集电海缆的影响)，图3中的组成部分从右至左依次为：集总后的风电机组变流器、lc滤波器、箱式变压器、海上升压站、送出海缆和等效陆上电网。然后再将图3等效为图4的小信号序阻抗等效模型，包括电源侧和电网侧两大部分，电网侧包含海上升压站、送出海缆、并联高抗、陆上交流系统，其等效阻抗为zg(s)；电网侧包含风电机组变流器、滤波器、箱变，其总等效阻抗为zc(s)。图4中，z
inv
(s)为风机变流器等效阻抗(纳入了滤波器电感)，cf为滤波器电容，l
t
为箱变短路电感，ls为海上升压站短路电感，z
x
(ω)和zy(ω)为送出海缆的等效参数，lr为并联高抗的等效电感，lg为陆上交流系统的等效电感。
48.步骤102、海上风电交流并网系统的小信号序阻抗等效模型，计算海上风电交流并网系统的电网侧阻抗数学模型和电源侧阻抗数学模型。
49.在小信号序阻抗等效模型分析中，重点关注的是电网侧阻抗zg(s)与电源侧阻抗zc(s)之间的匹配关系，在图3的模型中，电网侧阻抗zg(s)为：
[0050][0051]
其中，z0和γ为海缆参数，z0为送出海缆的波阻抗，γ为传播系数，d为海缆长度。海缆的波阻抗和传播系数由海缆的单位长度电阻、电感和电容确定。
[0052]
电源侧阻抗zc(s)为：
[0053][0054][0055]
其中，k为箱变低压侧到海上升压站高压侧的总变比(如箱变低压侧的逆变器出口电压为0.69kv，送出海缆为220kv，则k＝220/0.69)，n为整个风电场的机组台数，s为拉普拉斯变量，在实频域中有s＝j2πf，f为频率自变量，当s＝j2πf取不同的值时，z(s)即为对应频率下的阻抗，ω1为电网基波频率，hi为电流环控制函数，kf(s)为交流电压前馈增益，t
pll
(s-jω1)为锁相环闭环函数，i1∠φ
i1
为工作点输出电流相量，v1为工作点交流电压。
[0056]
步骤103、根据电网侧阻抗数学模型和电源侧阻抗数学模型，绘制电网侧阻抗和电源侧阻抗的伯德图。
[0057]
根据原有的主体设计参数中确定下来的参数：海缆参数(单位长度下的电阻、电感和电容)、海缆长度、海缆额定电压、交流系统等效电感(或并网点短路比)、并联高抗电感、
海上升压站短路电抗、风电场总容量、风电机组单机容量、箱变短路电抗、机组滤波器lc参数、机组电流环参数(电流环增益k
pi
和电流反馈系数k
ii
)、锁相环参数(锁相环比例增益k
pt
和锁相环积分增益k
it
)，和步骤102中的电源侧阻抗和电网侧阻抗计算公式，绘制出海上风电交流并网系统电网侧阻抗和电源侧阻抗的伯德图，如图5所示，为方便比较，可将电网侧阻抗和电源侧阻抗的伯德图绘制在同一张图上。
[0058]
步骤104、根据电网侧阻抗和电源侧阻抗的伯德图计算海上风电交流并网系统的相位裕度。
[0059]
根据图5的伯德图，可读出海上风电交流并网系统的相位裕度(phase margin，pm)，其中，相位裕度的读取方法为：在电网侧和电源侧的幅频特性曲线相交的频率点上，测量其相位之差，即为海上风电交流并网系统的相位裕度。
[0060]
步骤105、判断海上风电交流并网系统的相位裕度是否达到阈值，若是，则直接输出使得海上风电交流并网系统的相位裕度达到阈值对应的预置参数的值，若否，则调节影响海上风电交流并网系统的相位裕度的预置参数，输出使得海上风电交流并网系统的相位裕度达到阈值对应的预置参数的值。
[0061]
本发明实施例中，影响海上风电交流并网系统的相位裕度的预置参数选择为：电流环参数(电流环增益k
pi
和电流反馈系数k
ii
)、锁相环参数锁相环比例增益k
pt
和锁相环积分增益k
it
)、海缆参数(波阻抗z0和传播系数γ)和并网点短路比。选取这四种参数作为调试参数的原因是：在海上风电并网系统的主体设计完成后，其他的主体参数不方便再做修改(包括海缆额定电压、海缆长度、升压站短路电抗、风电场总容量、风机单机容量)。当然，本领域技术人员可根据实际应用情况对影响海上风电交流并网系统的相位裕度的参数：海缆参数、海缆长度、海缆额定电压、交流系统等效电感(或并网点短路比)、并联高抗电感、海上升压站短路电抗、风电场总容量、风电机组单机容量、箱变短路电抗、机组滤波器lc参数、机组电流环参数、锁相环参数)进行灵活选择，将优先级次序进行灵活排列。
[0062]
在步骤104计算得到海上风电交流并网系统的相位裕度之后，判断海上风电交流并网系统的相位裕度是否达到阈值(取不小于40度)，若否，则调节影响海上风电交流并网系统的相位裕度的预置参数，输出使得海上风电交流并网系统的相位裕度达到阈值对应的预置参数的值，完成海上风电交流并网系统设计。其中，效果最好的一种预置参数优先级排序为：电流环参数、锁相环参数、海缆参数和并网点短路比。如图6所示，首先获取主体设计参数；然后确定每个可调参数的可调范围；然后在满容量吸收感性无功功率的工况下(输出额定电流且相位超前电压90度，此为暂态下可能出现的最大风险工况)，依次在各自的可调范围内(按优先级排序)，先后调节电流环参数(k
pi
、k
ii
)、锁相环参数(k
pt
、k
it
)、海缆参数(波阻抗z0和传播系数γ)、并网点短路比(scr)，一旦满足相位裕度要求，即跳过后续的参数调节；然后，在满容量发出感性无功功率的工况下(输出额定电流且相位滞后电压90度)，校验设计参数，确认其满足系统的相位裕度要求，否则重新按照上述优先级排序，依次调节上述4种参数以进一步增大相位裕度，直到其在发出感性无功的工况下同样满足相位裕度要求。
[0063]
本发明实施例提供的海上风电交流并网系统设计方法，通过确立海上风电交流并网系统的小信号序阻抗等效模型，得到海上风电交流并网系统的电网侧阻抗数学模型和电源侧阻抗数学模型，然后绘制出电网侧阻抗和电源侧阻抗的伯德图来获取系统的相位裕度，如果相位裕度没有达到阈值，说明系统存在发生超同步振荡的风险，则通过调节影响海
上风电交流并网系统的相位裕度的预置参数，使得海上风电交流并网系统的相位裕度达到阈值，具备严谨的理论依据，能够精准调节系统参数，避免设计冗余和浪费，能够彻底消除超同步振荡风险，确保不发生超同步振荡，因而，降低了海上风电交流并网系统发生超同步振荡带来的振荡风险，提高了海上风电交流并网系统的运行可靠性。
[0064]
为了便于理解，请参阅图7，本发明中提供了海上风电交流并网系统设计装置，包括：
[0065]
等效模型建立模块701，用于根据海上风电交流并网系统的系统接线图，建立海上风电交流并网系统的小信号序阻抗等效模型；
[0066]
数学模型计算模块702，用于海上风电交流并网系统的小信号序阻抗等效模型，计算海上风电交流并网系统的电网侧阻抗数学模型和电源侧阻抗数学模型；
[0067]
伯德图绘制模块703，用于根据电网侧阻抗数学模型和电源侧阻抗数学模型，绘制电网侧阻抗和电源侧阻抗的伯德图；
[0068]
相位裕度计算模块704，用于根据电网侧阻抗和电源侧阻抗的伯德图计算海上风电交流并网系统的相位裕度；
[0069]
输出模块705，用于判断海上风电交流并网系统的相位裕度是否达到阈值，若是，则直接输出使得海上风电交流并网系统的相位裕度达到阈值对应的预置参数的值，若否，则调节影响海上风电交流并网系统的相位裕度的预置参数，输出使得海上风电交流并网系统的相位裕度达到阈值对应的预置参数的值。阈值为40度。
[0070]
输出模块705具体用于：
[0071]
判断海上风电交流并网系统的相位裕度是否达到阈值，若否，则确定海上风电交流并网系统的主体设计参数以及预置参数的可调范围；
[0072]
在满容量吸收感性无功功率的工况下，根据预设的预置参数优先级排序依次在预置参数的可调范围内调节预置参数；
[0073]
当海上风电交流并网系统的相位裕度达到阈值时，停止调节预置参数，在满容量发出感性无功功率的工况下校验海上风电交流并网系统的相位裕度是否达到阈值，若否，则在满容量发出感性无功功率的工况下，根据预设的自变量参数优先级排序依次在预置参数的可调范围内调节预置量参数，直至海上风电交流并网系统的相位裕度达到阈值，并输出使得海上风电交流并网系统的相位裕度达到阈值对应的预置参数的值。
[0074]
预设的预置参数优先级排序为：电流环参数、锁相环参数、海缆参数和并网点短路比。
[0075]
相位裕度计算模块704具体用于：
[0076]
在电网侧阻抗和电源侧阻抗的伯德图中，获取电网侧和电源侧的幅频特性曲线相交的频率点，获取幅频特性曲线相交的频率点的相位差，得到海上风电交流并网系统的相位裕度。
[0077]
本发明实施例提供的海上风电交流并网系统设计方法，通过确立海上风电交流并网系统的小信号序阻抗等效模型，得到海上风电交流并网系统的电网侧阻抗数学模型和电源侧阻抗数学模型，然后绘制出电网侧阻抗和电源侧阻抗的伯德图来获取系统的相位裕度，如果相位裕度没有达到阈值，说明系统存在发生超同步振荡的风险，则通过调节影响海上风电交流并网系统的相位裕度的预置参数，使得海上风电交流并网系统的相位裕度达到
阈值，具备严谨的理论依据，能够精准调节系统参数，避免设计冗余和浪费，能够彻底消除超同步振荡风险，确保不发生超同步振荡，因而，降低了海上风电交流并网系统发生超同步振荡带来的振荡风险，提高了海上风电交流并网系统的运行可靠性。
[0078]
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。