浮式电站黑启动方式下静止变频器谐波的快速评估方法与流程

1.本发明涉及一种电能质量技术，特别涉及一种浮式电站黑启动方式下静止变频器谐波的快速评估方法。


背景技术：

2.与国内大部分地区不同，在某些海岛及一些类似的地区，由于电网系统不完善，用电负荷较为分散，海上浮式电站成为这些地区兼顾经济性和用电需求的供电方式。国产首个容量达240mw的浮式电站项目包括两台燃气轮机、一台汽轮机及与它们配套的发电机，还有供给燃料的液化天然气船等。由于海上浮式电站属于孤立电力系统，这意味着浮式电站需要进行黑启动(不依赖别的网络帮助而自行启动)。浮式电站黑启动是通过静止变频器对燃气轮机进行启动，由于静止变频器(sfc)在变频启动过程中会产生大量谐波，谐波污染会对浮式电站设备及系统的安全运行带来不利影响，因此要对浮式电站黑启动方式下静止变频器谐波水平进行评估。
3.目前谐波评估的常用方法是，在仿真平台上建立模型，仿真计算变频启动系统参数对谐波的影响，并评估谐波水平是否符合要求。由于百兆瓦级浮式电站是新发展的工程项目，对于其黑启动谐波的研究鲜有文献报道。黑启动系统短路容量小，谐波的影响更为严重，对于浮式电站黑启动过程中产生的谐波与其影响因素之间的关系，目前还缺少量化理论研究。


技术实现要素：

4.针对浮式电站黑启动过程中产生的谐波问题，提出了一种浮式电站黑启动方式下静止变频器谐波的快速评估方法，对浮式电站黑启动系统谐波水平使用谐波作用系数进行表征，使用拟合公式，由谐波作用系数快速估算总谐波畸变率，快速评估浮式电站黑启动系统的谐波水平是否满足要求，同时给出了一种通过优化调整升速曲线降低总谐波畸变率的高性价比方法。
5.本发明的技术方案为：一种浮式电站黑启动方式下静止变频器谐波的快速评估方法，具体包括如下步骤：
6.1)针对浮式电站黑启动系统，根据发电机组转子转动惯量和预先设计的转子升速曲线，计算启动过程需要静止变频器输出的有功功率；
7.2)根据黑启动系统电源的短路容量和静止变频器输出有功功率的最大值，计算谐波作用系数，以表征黑启动系统电源的短路容量和sfc输出功率对谐波水平的影响；
8.3)根据公共连接点pcc处的总谐波畸变率与谐波作用系数之间的拟合公式，插值计算谐波作用系数对应的的总谐波畸变率；
9.4)评估总谐波畸变率是否满足要求：如总谐波畸变率不超过其阈值，则表明浮式电站黑启动方式下的谐波水平满足要求且升速时间在允许范围内，结束评估；如总谐波畸变率超过阈值，则表明谐波水平不满足要求，转步骤5)优化调整升速曲线；
10.5)优化调整升速曲线，重复步骤1)～步骤4)，如总谐波畸变率不超过其阈值，则表明浮式电站黑启动方式下的谐波水平满足要求，同时如果升速时间在允许范围内，则结束评估；如升速时间接近允许值上限，仍不能满足谐波要求，表明优化调整升速曲线不能完全解决谐波问题，需要增配谐波抑制措施，然后再进行步骤1)～步骤5)的评估。
11.进一步，所述谐波作用系数计算公式是：其中静止变频器输出有功功率的最大值p
max
＝max(p
sfc
(kt))，p
sfc
(kt)为静止变频器输出的有功功率，k＝1，2，3，
…
，表示采样点，t为采样周期；s
sc
为黑启动系统电源的短路容量。
12.进一步，所述总谐波畸变率thd与谐波作用系数hic之间的拟合公式为：thd＝a
·
hic+b，其中系数a、b是由有限几次数值仿真计算结果拟合得到的。
13.进一步，所述优化调整升速曲线的方法是：降低角加速度，使得静止变频器输出的有功功率最大值降低，总谐波畸变率随之减小。
14.本发明的有益效果在于：本发明浮式电站黑启动方式下静止变频器谐波的快速评估方法，首次提出用谐波作用系数hic量化表征黑启动系统电源的短路容量和sfc输出功率对谐波的影响，现有研究对于谐波影响因素的分析，主要是通过数值仿真的方法，还缺少快速计算和量化表征的方法；采用拟合公式对总谐波畸变率thd与黑启动系统谐波作用系数hic之间的关系进行了描述，该拟合公式可以快速计算总谐波畸变率，现有方法对浮式电站黑启动系统中的谐波计算，往往使用详细的数值仿真，工作量大，花费时间多，本发明提出利用拟合关系曲线估算的处理方法，计算工作量小，且所需数据易于收集，快速简便；使用通过调整升速曲线来优化黑启动方案的方法，具体做法为降低角加速度，使sfc输出的有功功率最大值降低，从而减小谐波作用系数和总谐波畸变率，这有利于黑启动方案的可行性，此优化调整过程依据计算公式进行，应用方便，且调整升速曲线相比于配置谐波抑制措施成本更低。
附图说明
15.图1为本发明浮式电站黑启动方式下静止变频器谐波的快速评估方法流程图；
16.图2为本发明方法实施例对象浮式电站黑启动系统结构图；
17.图3a为本发明方法预先设计的转子升速曲线图；
18.图3b为本发明方法优化调整后的升速曲线图；
19.图4为本发明方法谐波作用系数与谐波畸变率关系曲线。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
21.本实施例以某240mw浮式电站黑启动过程为例，对公共连接点pcc处的电压谐波进行快速评估，其流程图如图1所示，通过以下步骤实现：
22.步骤1：针对浮式电站黑启动系统，根据发电机组转子转动惯量和预先设计的转子升速曲线，计算启动过程需要静止变频器sfc输出的有功功率。
23.所述浮式电站黑启动系统由依次连接的启动电源、换流变压器、静止变频器及燃气轮机发电机组构成，如图2所示。静止变频器利用开关管将工频交流电输入变成连续可调的频率幅值可控的交流电压，再将其注入到发电机的定子，让发电机在启动阶段以电动机的形式转动，并加速至自持转速(后续仅由燃机机械驱动力矩驱动加速及发出电功率)。
24.所述静止变频器输出的有功功率p
sfc
(kt)的计算公式是：
[0025][0026]
式中，ω(kt)为对发电机组升速曲线采样的角速度，k＝1，2，3，
…
，表示采样点，t为采样周期，j为发电机组转子转动惯量，tm(ω)和tf(ω)是燃机机械驱动力矩特性曲线和阻力矩特性曲线，二者都是角速度ω的函数。
[0027]
本实施例中，静止变频器sfc额定容量为3.0mw，发电机组转子转动惯量j＝3265kg.m2，预先设计的转子升速曲线如图3a所示，升速时间为110s，燃机机械驱动力矩特性曲线和阻力矩特性曲线均为已知。
[0028]
步骤2：根据黑启动系统电源的短路容量s
sc
和静止变频器sfc输出有功功率的最大值p
max
，计算谐波作用系数hic，以表征黑启动系统电源的短路容量和静止变频器sfc输出功率对谐波水平的影响。
[0029]
所述谐波作用系数计算公式是：其中p
max
＝max(p
sfc
(kt))。
[0030]
本实施例中，黑启动系统电源的短路容量s
sc
为60mva，p
max
＝3.56mw，经过计算，黑启动过程的谐波作用系数hic＝0.2436。
[0031]
步骤3：根据公共连接点pcc处的总谐波畸变率thd与谐波作用系数hic之间的拟合公式，插值计算谐波作用系数hic对应的浮式电站黑启动系统的总谐波畸变率thd。
[0032]
所述总谐波畸变率thd与谐波作用系数hic之间的拟合公式为：thd＝a
·
hic+b，其中系数a、b是由有限几次数值仿真计算结果拟合得到的。
[0033]
本实施例中，通过有限几次仿真计算得到总谐波畸变率thd与谐波作用系数hic之间的关系曲线，如图4所示，拟合公式系数a＝0.5，b＝-0.04，通过插值计算得到的总谐波畸变率thd＝8.17％。
[0034]
步骤4：评估总谐波畸变率thd是否满足要求，如总谐波畸变率不超过其阈值，则表明浮式电站黑启动方式下的谐波水平满足要求且升速时间在允许范围内，结束评估；如总谐波畸变率超过阈值，则表明谐波水平不满足要求，转步骤5优化调整升速曲线。
[0035]
所述的总谐波畸变率阈值为8％。
[0036]
本实施例中，由于总谐波畸变率thd超过了阈值(8.17％》8％)，表明谐波水平不满足要求，因此转步骤5优化调整升速曲线。
[0037]
步骤5：优化调整升速曲线，重复步骤1～步骤4，如总谐波畸变率thd不超过其阈值，则表明浮式电站黑启动方式下的谐波水平满足要求，同时如果升速时间在允许范围内，则结束评估；如升速时间接近允许值上限，仍不能满足谐波要求，表明优化调整升速曲线不能完全解决谐波问题，需要增配谐波抑制措施，重复步骤1～步骤5的评估。
[0038]
所述优化调整升速曲线的方法是：适当降低角加速度，使得sfc输出的有功功率最
大值降低，总谐波畸变率随之减小。注意该方法会使升速时间增大，因此需要判定升速时间是否在允许范围内。
[0039]
在本实施例中，通过延长启动过程、降低角加速度调整升速曲线，优化调整后的升速曲线如图3b所示，调整后升速时间由110秒增大到175秒，重复步骤1、步骤2，计算得到sfc输出的有功功率最大值p
max
＝1.86mw，谐波作用系数hic＝0.1801；重复步骤3，插值计算得到的总谐波畸变率thd＝5.01％；重复步骤4，总谐波畸变率thd小于阈值(5.01％＜8％)，表明谐波水平满足要求，且升速时间小于允许值上限200秒，满足要求，结束评估。
[0040]
本实施例通过优化调整升速曲线使得浮式电站黑启动系统的谐波水平由不满足要求改善到能满足要求，既有效又经济。
[0041]
将升速曲线调整前后两次评估计算结果汇总如表1所示，表中同时给出了通过详细仿真计算得到总谐波畸变率thd，通过本发明快速评估计算得到的总谐波畸变率thd与通过仿真计算得到的总谐波畸变率thd相差不大，表明本发明所提浮式电站黑启动方式下静止变频器谐波的快速评估方法是合理和可靠的。
[0042]
表1
[0043][0044]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。