本公開涉及風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，更具體地，涉及用于確定風(fēng)機與電網(wǎng)諧振的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著能源與環(huán)境問題的日益突出，世界各國正在把更多目光投向可再生能源。風(fēng)能是可再生能源的重要類別，由于其蘊藏量大、可再生、分布廣、無污染的特性，成為全球普遍歡迎的清潔能源。風(fēng)力發(fā)電作為目前最具規(guī)?；_發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源發(fā)電方式，受到世界各國越來越多的重視。

我國風(fēng)能資源豐富，可開發(fā)利用的風(fēng)能儲量約十億千瓦。隨著國家不斷加大對清潔能源的開發(fā)支持力度，中國風(fēng)電行業(yè)實現(xiàn)了突飛猛進的發(fā)展，中國風(fēng)電并網(wǎng)容量迅速躍居世界第一。高速的發(fā)展帶來了大量技術(shù)問題的爆發(fā)，大容量風(fēng)電場能否安全并網(wǎng)成為主要關(guān)注問題，而風(fēng)電場的諧波與諧振問題則直接影響到并網(wǎng)的電能質(zhì)量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種用于確定風(fēng)機與電網(wǎng)諧振的方法及系統(tǒng)，能夠通過在風(fēng)機并網(wǎng)點處疊加諧波電壓來獲得風(fēng)機在各頻率諧波電壓下的阻抗。由于電網(wǎng)在各諧波頻率下的阻抗是已知的，據(jù)此可以確定風(fēng)機與電網(wǎng)在所關(guān)注的諧波頻率范圍內(nèi)是否存在諧振。

本發(fā)明的第一方面提供一種用于確定風(fēng)機與電網(wǎng)諧振的方法，包括：將不同頻率的多個諧波電壓分別疊加到風(fēng)機并網(wǎng)點處的基波電壓上；獲得風(fēng)機分別響應(yīng)于不同頻率的多個諧波電壓的多個諧波電流；基于多個諧波電壓和多個諧波電流確定風(fēng)機在各頻率處的阻抗的幅值和相位角；基于所確定的各頻率處的阻抗的幅值和相位角判斷風(fēng)機與電網(wǎng)是否存在諧振。

本發(fā)明的第二方面提供一種用于確定風(fēng)機與電網(wǎng)諧振的系統(tǒng)，包括：諧波生成模塊，將不同頻率的多個諧波電壓分別疊加到風(fēng)機并網(wǎng)點處的基波電壓上；電流獲得模塊，獲得風(fēng)機分別響應(yīng)于不同頻率的多個諧波電壓的多個諧波電流；阻抗確定模塊，基于多個諧波電壓和多個諧波電流確定風(fēng)機在各頻率處的阻抗的幅值和相位角；諧振判定模塊，基于所確定的各頻率處的阻抗的幅值和相位角判斷風(fēng)機與電網(wǎng)是否存在諧振。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，當確定風(fēng)機與電網(wǎng)在所關(guān)注的諧波頻率范圍內(nèi)存在諧振的情況下，可以通過調(diào)整風(fēng)機的參數(shù)來改變風(fēng)機的阻抗特性，從而消除風(fēng)機與電網(wǎng)的諧振。

附圖說明

圖1示出風(fēng)機與電網(wǎng)構(gòu)成的系統(tǒng)的示意架構(gòu)圖；

圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于確定風(fēng)機與電網(wǎng)諧振的方法的流程圖；

圖3a示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的風(fēng)機與電網(wǎng)的阻抗特性曲線；

圖3b示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的風(fēng)機與電網(wǎng)的阻抗特性曲線；

圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于確定風(fēng)機與電網(wǎng)諧振的系統(tǒng)的框圖；

圖5是示出能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)本發(fā)明實施例的用于確定風(fēng)機與電網(wǎng)諧振的方法和系統(tǒng)的計算設(shè)備的示例性硬件架構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

下面將詳細描述本發(fā)明的各個方面的特征和示例性實施例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節(jié)，以便提供對本發(fā)明的全面理解。但是，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說很明顯的是，本發(fā)明可以在不需要這些具體細節(jié)中的一些細節(jié)的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發(fā)明的示例來提供對本發(fā)明的更好的理解。本發(fā)明決不限于下面所提出的任何具體配置和算法，而是在不脫離本發(fā)明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和算法的任何修改、替換和改進。在附圖和下面的描述中，沒有示出公知的結(jié)構(gòu)和技術(shù)，以便避免對本發(fā)明造成不必要的模糊。

配電系統(tǒng)中具有非線性特性的電氣設(shè)備會引發(fā)諧波，使電網(wǎng)受到污染，造成電網(wǎng)功率損耗增加、線路和設(shè)備過熱等問題。更嚴重的情況是風(fēng)機與電網(wǎng)可能在某一諧波頻率附近發(fā)生諧振，這會加重諧波畸變，最終可能導(dǎo)致設(shè)備燒毀、電網(wǎng)斷電等后果。因此，消除諧振具有非常重要的意義。

圖1是風(fēng)機與電網(wǎng)構(gòu)成的系統(tǒng)的示意框圖100。如圖1中所示，系統(tǒng)100包括風(fēng)機群集101和電網(wǎng)102，其中風(fēng)機群集包括多個風(fēng)機101-1、101-2、……、101-n。在該系統(tǒng)中，電網(wǎng)的阻抗特性是已知的，通?？梢詮碾娋W(wǎng)公司獲得。而風(fēng)機群集的阻抗特性受許多因素的影響，例如，單個風(fēng)機的參數(shù)、風(fēng)機集群中風(fēng)機的數(shù)量等。

在多臺風(fēng)機集中并網(wǎng)的情況下，在公共連接點電網(wǎng)的阻抗將很大程度上影響風(fēng)機的并網(wǎng)特性。在一些地區(qū)電網(wǎng)與風(fēng)機的短路比已經(jīng)接近3左右，電網(wǎng)的阻抗可能和風(fēng)機阻抗發(fā)生諧振。隨著這一類地區(qū)風(fēng)電機組裝機容量的持續(xù)增加，短路比不斷減小，這一地區(qū)開始出現(xiàn)次同步震蕩的問題，導(dǎo)致風(fēng)電大規(guī)模脫網(wǎng)，嚴重威脅到了系統(tǒng)的安全運行。

本發(fā)明的實施例通過在電路系統(tǒng)100中的風(fēng)機并網(wǎng)點a處疊加各個頻率的諧波電壓的方法來獲得風(fēng)機在各個諧波頻率下的阻抗(即，風(fēng)機的阻抗特性)，通過對所獲得的風(fēng)機的阻抗特性與已知的電網(wǎng)的阻抗特性進行比較來確定風(fēng)機與電網(wǎng)在所關(guān)注的頻率范圍內(nèi)是否存在諧振。如果發(fā)現(xiàn)風(fēng)機在某一諧波頻率下與電網(wǎng)發(fā)生諧振，則通過調(diào)整風(fēng)機參數(shù)來消除該頻率處的諧振，從而確保系統(tǒng)的安全運行。

可以在實體的風(fēng)機上實施如下所述的本發(fā)明的方法，也可以通過電力系統(tǒng)仿真軟件來對系統(tǒng)100中的風(fēng)機和電網(wǎng)的模型進行仿真實驗。在本發(fā)明的實施例中，為確保仿真軟件輸出結(jié)果和實際風(fēng)機一致，風(fēng)機模型的控制系統(tǒng)采用真實風(fēng)機的控制系統(tǒng)中所用的代碼，并充分考慮傳輸線路的阻尼特性。

圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于確定風(fēng)機與電網(wǎng)發(fā)生諧振的方法200的流程圖。如圖2中所示，方法200包括以下步驟：S201，將不同頻率的多個諧波電壓分別疊加到風(fēng)機并網(wǎng)點處的基波電壓上；S202，獲得風(fēng)機分別響應(yīng)于該不同頻率的多個諧波電壓的多個諧波電流；S203，基于多個諧波電壓和多個諧波電流確定風(fēng)機在各頻率處的阻抗的幅值和相位角；S204，基于所確定的各頻率處的阻抗的幅值和相位角判斷風(fēng)機與電網(wǎng)是否存在諧振。

在步驟S201中，值得注意的是，本發(fā)明中涉及的電壓(包括基波電壓、諧波電壓等)和電流(包括基波電流、諧波電流等)均是三相的。諧波電壓的幅值可以是基波電壓的幅值的5％-10％，因為小于5％時會導(dǎo)致FFT變換得出的結(jié)果與實際結(jié)果的誤差較大，而大于10％會導(dǎo)致風(fēng)機不能運行。例如，諧波電壓的幅值可以是基波電壓幅值的8％。

在一些實施例中，上述不同頻率是從第一閾值頻率到第二閾值頻率的步長為預(yù)定值的多個頻率，其中，第一閾值頻率和第二閾值頻率限定所需要的風(fēng)機阻抗特性的頻率范圍?？紤]到風(fēng)電機組裝機容量較大的地區(qū)在23Hz和77Hz發(fā)生過電網(wǎng)波動，本發(fā)明主要關(guān)注5-200Hz范圍內(nèi)的諧波。當然，本發(fā)明所采用的方法200可以用于獲得任意諧波頻率范圍內(nèi)風(fēng)機的阻抗特性。

為了獲得需要頻率范圍內(nèi)的諧波阻抗，需要分別疊加不同頻率的多個諧波電壓并進行多次重復(fù)測量?？筛鶕?jù)需要設(shè)定諧波電壓的頻率步長。一般地，較大的測量步長可以縮短測量時間，但測量精度相對較低；較小的測量步長會導(dǎo)致測量時間較長，但會得到較為準確的測量結(jié)果。選定頻率步長后，則從低到高，按照步長依次疊加諧波電壓。通過測量和記錄相關(guān)實驗數(shù)據(jù)來計算風(fēng)機阻抗，這將在下文進一步描述。

在步驟S202中，在一些實施例中，獲得風(fēng)機分別響應(yīng)于不同頻率的多個諧波電壓的多個諧波電流包括：針對每個頻率的諧波電壓，對風(fēng)機的電流進行采樣，其中該電流是響應(yīng)于基波電壓的基波電流和響應(yīng)于該頻率的諧波電壓的諧波電流之和；將所采樣的電流進行快速傅里葉變換(FFT)以得到風(fēng)機響應(yīng)于該頻率的諧波電壓的諧波電流。應(yīng)理解，對采樣的電流進行FFT是用于把響應(yīng)于基波電壓的基波電流和響應(yīng)于該頻率的諧波電壓的諧波電流在頻率上分開，從而確定響應(yīng)于諧波電壓的諧波電流。

在一些實施例中，采樣可以在電流進入穩(wěn)態(tài)后進行，并且所采樣的電流為預(yù)定時間段內(nèi)采樣的電流。進行采樣的預(yù)定時間段的長短以及采樣頻率可根據(jù)FFT變換的精度要求來確定。一般來說，采樣時間越長、采樣頻率越高，F(xiàn)FT變換的精度越高。當然，考慮到樣本分析和FFT計算的成本，一般將采樣時間和采樣頻率設(shè)置為能夠滿足誤差要求即可。例如，在一個示例中，可以將采樣時間設(shè)置為1s，將采樣頻率設(shè)置為5KHz。

在步驟S203中，在獲得風(fēng)機響應(yīng)于該頻率的諧波電壓的諧波電流之后，根據(jù)歐姆定律，用該頻率的諧波電壓除以相應(yīng)的諧波電流即可得到該頻率的風(fēng)機阻抗。

在步驟S204中，如上所述，電網(wǎng)的阻抗是已知的，一般可以從風(fēng)機電廠或電網(wǎng)公司獲得，因此在得到風(fēng)機在各頻率的阻抗的幅值和相位角的情況下，可以直接根據(jù)數(shù)值與電網(wǎng)的阻抗值的比較來判斷風(fēng)機與電網(wǎng)是否發(fā)生諧振。在風(fēng)機阻抗與電網(wǎng)阻抗幅值相等，且相位角相差180°的情況下，確定風(fēng)機與電網(wǎng)是否發(fā)生諧振。在實踐中，可以將所得到的風(fēng)機在各頻率的阻抗的幅值和相位角繪制成幅值和相位曲線，此時可直觀地通過判斷風(fēng)機幅值曲線與電網(wǎng)幅值曲線的交點處風(fēng)機阻抗相位角與電網(wǎng)阻抗相位角是否相差180°來判斷風(fēng)機與電網(wǎng)是否發(fā)生諧振。

在一些實施例中，在風(fēng)機與電網(wǎng)存在諧振的情況下，可以通過調(diào)整風(fēng)機的參數(shù)來改變所述風(fēng)機的阻抗，從而消除風(fēng)機與電網(wǎng)的諧振。其中，風(fēng)機的參數(shù)包括風(fēng)機的控制參數(shù)(例如，電壓控制比例/積分參數(shù)、電流控制比例/積分參數(shù)、鎖相控制比例/積分參數(shù)等)或運行參數(shù)(例如，電機轉(zhuǎn)速、變槳角度、塔架受力等)。

通過本發(fā)明的方法可以獲得風(fēng)機在各個諧波頻率下的阻抗，據(jù)此可以判定風(fēng)機與電網(wǎng)在所關(guān)注的諧波頻率范圍內(nèi)是否存在諧振，并可通過調(diào)整風(fēng)機參數(shù)來消除的諧振，從而確保系統(tǒng)的安全運行。

應(yīng)理解的是，雖然上文以單臺風(fēng)機為例示出根據(jù)本發(fā)明的方法，該方法也可以適用于多臺風(fēng)機。

下面結(jié)合具體實例示出方法200。

在一個實施例中，電網(wǎng)阻抗的幅值和相位曲線如圖3b中以虛線示出的曲線所示。在風(fēng)機并網(wǎng)點處疊加頻率為f₀＝10Hz、相位分別相差120°的三相諧波電壓。對疊加諧波電壓后風(fēng)機上的電流和電壓進行采樣，采樣頻率為5KHz。對采樣得到的樣本進行FFT變換，得到在諧波頻率f₀處風(fēng)機上的三相諧波電壓和三相諧波電流。基于所得到的該頻率處的三相諧波電壓和三相諧波電流，通過歐姆定律可以計算風(fēng)機在諧波頻率為f₀時的阻抗Z₀。

將頻率步長設(shè)置為Δf＝1Hz，接下來按照上述流程分別獲得風(fēng)機在f₁＝f₀+Δf、f₂＝f₀+2Δf、……、f_n＝f₀+nΔf＝200Hz處的阻抗。之后，將所獲得的各頻率的阻抗繪制成阻抗的幅值和相位曲線，如圖3a中實線所示。

從圖3a中可直觀地看出，在f_x＝95Hz處風(fēng)機阻抗與電網(wǎng)阻抗幅值相等、相位角相差180°，即當諧波頻率為95Hz時風(fēng)機與電網(wǎng)發(fā)生諧振。

在確定風(fēng)機與電網(wǎng)存在諧振的情況下，為消除諧振，可以對風(fēng)機的參數(shù)進行調(diào)整，例如，對風(fēng)機的控制參數(shù)(例如，電壓控制比例/積分參數(shù)、電流控制比例/積分參數(shù)、鎖相控制比例/積分參數(shù)等)或運行參數(shù)(例如，電機轉(zhuǎn)速、變槳角度、塔架受力等)中的一者或多者進行調(diào)整。圖3b示出了對風(fēng)機參數(shù)進行調(diào)整后風(fēng)機與電網(wǎng)的阻抗特性曲線，其中實線示出的曲線表示風(fēng)機阻抗特性曲線，虛線示出的曲線表示電網(wǎng)阻抗的幅值和相位角。從圖3b中可直觀地看出，經(jīng)過參數(shù)調(diào)整后，風(fēng)機的阻抗特性曲線與電網(wǎng)的阻抗特性曲線不存在幅值相近、相位角相差180°的交點，即，在各諧波頻率處風(fēng)機與電網(wǎng)都不會發(fā)生諧振。

圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于確定風(fēng)機與電網(wǎng)諧振的系統(tǒng)400的框圖。如圖4所示，系統(tǒng)400包括：諧波生成模塊401，將不同頻率的多個諧波電壓分別疊加到風(fēng)機并網(wǎng)點處的基波電壓上；電流獲得模塊402，獲得風(fēng)機分別響應(yīng)于不同頻率的多個諧波電壓的多個諧波電流；阻抗確定模塊403，基于多個諧波電壓和多個諧波電流確定風(fēng)機在各頻率處的阻抗的幅值和相位角；諧振判定模塊404，基于所確定的各頻率處的阻抗的幅值和相位角判定風(fēng)機與電網(wǎng)是否存在諧振。

系統(tǒng)400中的電流獲得模塊403還包括：采樣模塊4031，對風(fēng)機的電流進行采樣；以及FFT模塊4032，根據(jù)所采樣的電流進行FFT變換以得到風(fēng)機響應(yīng)于該頻率的諧波電壓的諧波電流。在一些實施例中，系統(tǒng)400可選地包括參數(shù)調(diào)整模塊，用于在存在諧振的情況下，通過調(diào)整所述風(fēng)機的參數(shù)來改變所述風(fēng)機的阻抗，從而消除風(fēng)機與電網(wǎng)的諧振。

結(jié)合圖2至圖4描述的用于確定風(fēng)機與電網(wǎng)諧振的方法和系統(tǒng)可以由計算設(shè)備實現(xiàn)。圖5是示出能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)本發(fā)明實施例的用于確定風(fēng)機與電網(wǎng)諧振的方法和系統(tǒng)的計算設(shè)備的示例性硬件架構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。如圖5所示，計算設(shè)備500包括輸入設(shè)備501、輸入接口502、中央處理器503、存儲器504、輸出接口505、以及輸出設(shè)備506。其中，輸入接口502、中央處理器503、存儲器504、以及輸出接口505通過總線510相互連接，輸入設(shè)備501和輸出設(shè)備506分別通過輸入接口502和輸出接口505與總線510連接，進而與計算設(shè)備500的其他組件連接。具體地，輸入設(shè)備501接收輸入信息(例如，采樣信息)，并通過輸入接口502將輸入信息傳送到中央處理器503；中央處理器503基于存儲器504中存儲的計算機可執(zhí)行指令對輸入信息進行處理以生成輸出信息，將輸出信息臨時或者永久地存儲在存儲器504中，然后通過輸出接口505將輸出信息傳送到輸出設(shè)備506；輸出設(shè)備506將輸出信息輸出到計算設(shè)備500的外部供用戶使用。

也就是說，圖4所示的用于確定風(fēng)機與電網(wǎng)諧振的系統(tǒng)也可以被實現(xiàn)為包括：存儲有計算機可執(zhí)行指令的存儲器；以及處理器，該處理器在執(zhí)行計算機可執(zhí)行指令時可以實現(xiàn)結(jié)合圖2描述的用于確定風(fēng)機與電網(wǎng)諧振的方法和系統(tǒng)。這里，處理器可以基于輸入信息執(zhí)行計算機可執(zhí)行指令，從而實現(xiàn)結(jié)合圖2描述的用于確定風(fēng)機與電網(wǎng)諧振的方法和系統(tǒng)。

以上所述的結(jié)構(gòu)框圖中所示的功能塊可以實現(xiàn)為硬件、軟件、固件或者它們的組合。當以硬件方式實現(xiàn)時，其可以例如是電子電路、專用集成電路(ASIC)、適當?shù)墓碳?、插件、功能卡等等。當以軟件方式實現(xiàn)時，本發(fā)明的元素是被用于執(zhí)行所需任務(wù)的程序或者代碼段。程序或者代碼段可以存儲在機器可讀介質(zhì)中，或者通過載波中攜帶的數(shù)據(jù)信號在傳輸介質(zhì)或者通信鏈路上傳送。

本發(fā)明可以以其他的具體形式實現(xiàn)，而不脫離其精神和本質(zhì)特征。例如，特定實施例中所描述的算法可以被修改，而系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)并不脫離本發(fā)明的基本精神。因此，當前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而非上述描述定義，并且，落入權(quán)利要求的含義和等同物的范圍內(nèi)的全部改變從而都被包括在本發(fā)明的范圍之中。