技术领域
[0001] 本
发明涉及
电网电能质量评估研究技术领域，具体涉及一种双馈
风力发电机组并网的谐波分析与治理方法。
背景技术
[0002] 内蒙古自治区地域辽阔，资源丰富，是国家重要的
能源、重化工以及
冶金、建材等原材料生产和输出基地。由于能源资源禀赋和经济社会发展的独特特点，自治区正处于资源大规模开发和加工转化的快速发展期，短期内内蒙古以风电、光伏等新能源为主体的重型化产业结构难以根本改变，加之风电、光伏等新能源的快速发展，使得风电、光伏等新能源成为蒙东电网典型的非线性谐波源。
[0003] 风力发电系统是一种将
风能转换为电能的
能量转换系统。作为一种
可再生能源，风能的开发利用近年来得到了极大的关注，大量的风力发电系统已经投入运行，各种风力发电技术日臻成熟。蒙东地区作为国家规划的八个千万千瓦级风电基地之一，地区风能资源的技术可开发量约1.1亿千瓦。2015年蒙东电力供电区域内风电发电量累计已达30.16亿千瓦时，同比增长2.1％。截至2015年，蒙东地区风电装机容量达到815万千瓦，同比增长了8.6％，风电装机占地区总装机容量的33％。
[0004] 蒙东电力高度重视清洁能源发展，在
加速推进电网建设、加强电力需求侧管理、加强供
热机组运行管理、充分挖掘系统调峰潜力等常规措施上持续深挖潜力，并且推动了一系列创新举措促进风电本地消纳。
[0005] 在蒙东电网供电范围内，电网结构相对薄弱。随着特高压交直流混联电网快速建设，大量新能源(风电、光伏等)并网，使得蒙东电网的电能质量问题日益突出，因此蒙东电网以将服务新能源发展作为重要的政治责任和社会责任，积极支持风电产业发展。近几年，蒙东地区风电新能源发电发展迅速，大量的风
电场接入电网运行，目前蒙东电网已成为全国风电消纳
水平最高、发展最快的省级电网。同时，由于风电场风速动态
波动变化，新能源并网发电的输出功率存在较大随机波动，间歇性的功率波动将对电网的电能质量造成不利影响。通常新能源发电系统大部分采用电力
电子装置并网，电力电子装置产生的
电压电流谐波也是不可避免的，甚至电网不对称故障产生的负序电压以及电网自身的电压谐波，与新能源发电站变流器相互作用，将导致变流器产生附加谐波电流，新能源接入对于电网电能质量将产生较大影响。因此，如何分析风电场并网对电网电能质量影响，确定系统中谐波电压和谐波电流的分布状况，仍是待解决的技术问题。
发明内容
[0006] 为了克服上述
现有技术的不足，本发明提供了一种双馈
风力发电机组并网的谐波分析与治理方法，基于变速变桨距双馈风电机组数学模型建立了双馈风力发电机组的电磁暂态模型，基于ADPSS的风电场仿真计算和谐波分析，以及针对谐波超标情况设计的
滤波器电磁暂态模型，对评估蒙东地区大规模风电场接入电网产生的谐波影响具有重要的指导意义。
[0007] 本发明所采用的技术方案是：
[0008] 一种双馈风力发电机组并网的谐波分析与治理方法，该方法包括以下步骤：
[0009] 步骤一：基于双馈式风电机组数学模型，构建双馈式风力发电机组电磁暂态模型；
[0010] 步骤二：利用ADPSS仿真系统对风电场进行电磁暂态仿真计算，得到风电场注入电网的谐波电流和谐波电压；
[0011] 步骤三：分别将得到的风电场输入电网的谐波电流和谐波电压与限值相比，判断风电场输入电网的谐波电流或谐波电压是否超标；
[0012] 步骤四：若风电场输入电网的谐波电流超标，则设计有源滤波器，建立含有有源滤波器的风电场电磁暂态模型，并对谐波电流的治理效果进行验证。
[0013] 进一步的，所述双馈式风电机组数学模型为：
[0014]
[0016]
[0017] 发电机电磁转矩及转子运动方程为:
[0018]
[0019] TJps＝Tm-Te
[0020] 式中，p表示微分算子；下标s和r分别表示电机的定子和转子，Ls、Lr、Lm分别为定、转子自感和定转子间的互感；下标d、q分别表示dq0坐标下的d轴和q轴上的量；u、i、 R分别表示电压、电流、磁链和
电阻；ω为转子
角速度；s为转差率；Te为电磁转矩；Tm为发电机机械转矩；TJ为转子惯性时间常数。
[0021] 进一步的，所述双馈式风力发电机组电磁暂态模型包括发电机变流器模型、风力
传动轴控
制模型、浆距角控制模型和电气控制模型；
[0022] 所述发电机及变流器模型包括有功控制通道和无功控制通道，有功控制通道以电气控制模型计算得到的励磁电压控制
信号为
输入信号，输出有功电流信号；无功控制通道以电气控制模型计算得到的有功电流
控制信号为输入信号，输出
无功电流信号；
[0023] 所述风力传动轴控制模型包括
叶轮转动惯量和发电机转动惯量两部分，叶轮和发电机之间用一个
弹簧连接，通过来自叶轮的
气动功率和来自发电机的电磁功率作为两个输入，并在来自浆距角的调节下，得出叶轮和发电机转子的速度偏差；所述浆距角控制模型包括前半部分和后半部分，前半部分以发电机转速ωg作为输入信号，经过PI控制环节，给出浆距控制信号，还以发电机的功率Pord为输入信号，经过补偿环节，给出浆距补偿信号；后半部分将浆距控制信号和浆距补偿信号的和作为输入，经过PI控制积分环节，最后输出浆距角β；
[0024] 所述浆距角控制模型中，当传送给发电机的功率Pord大于PMX或发电机转速ωg大于转速参考值时，风力发电机组采用快速变桨的方式增大桨距角，以减少发电机转速；
[0025] 所述电气控制模型包括WPMS模型、励磁
控制器和功率因数控制器，其中，WPMS模型模拟风电场电压无功控制，励磁控制器模拟变流器/励磁系统，功率因数控制器监视风机并网点的功率因数。
[0026] 进一步的，所述风电场输入电网的谐波电流的计算方法为：
[0027] 计算风电场接入后允许注入电网的谐波电流限值；
[0028] 根据建立的双馈式风力发电机组电磁暂态模型，采用ADPSS仿真平台进行仿真计算，得到线路上风电场流向并网点的电流
波形；
[0029] 对仿真得到的电流波形进行离散傅里叶变换变换，得到风电场注入电网的谐波电流值；
[0030] 将风电场注入电网的谐波电流值与谐波电流限值相比较，若前者小于后者，则表示合格，否则视为超标。
[0031] 进一步的，所述风电场输入电网的谐波电压的计算方法为：
[0032] 根据电能质量-公用电网谐波规定标准，计算风电场注入电网的谐波电流在并网点产生的电网各次谐波电压含有率和电压总谐波畸变率；其中：
[0033] 电网各次谐波电压含有率为：
[0034]
[0035] 式中，UN为电网的标称电压；Sk为公共连接点的三相
短路容量；Ih为第h次谐波电流；
[0036] 电压总谐波畸变率为：
[0037]
[0038] 式中，HRUh为第h次谐波电压含有率。
[0039] 将风电场注入电网的谐波电流在公共点引起的电网各次谐波电压含有率与电网各次谐波电压含有率限值相比较，若前者小于后者，则表示合格，否则视为超标；
[0040] 将风电场输入电网的谐波电压在公共点引起的电压总谐波畸变率与电压总谐波畸变率限值相比较，若前者小于后者，则表示合格，否则视为超标。
[0041] 进一步的，所述设计有源滤波器，建立含有有源滤波器的风电场电磁暂态模型的方法为：
[0042] 滤除风电机组产生的超标次数谐波电流，基于风电机组产生的谐波电流设计有源滤波器，并将该滤波器加装在风电场升压站侧，建立加装了有源滤波器的风电场电磁暂态模型。
[0043] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0044] (1)本发明基于变速变桨距双馈风电机组数学模型建立了双馈风力发电机组的电磁暂态模型，基于ADPSS的风电场仿真计算和谐波分析，以及针对谐波超标情况设计的滤波器电磁暂态模型，对评估蒙东地区大规模风电场接入电网产生的谐波影响具有重要的指导意义；
[0045] (2)本发明通过建立有源滤波器电磁暂态模型，对风电场产生的谐波电流进行抑制，以消除或减小谐波源在公共连接点的引起的谐波电压畸变，从而改善电能质量。
附图说明
[0046] 构成本
申请的一部分的
说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性
实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
[0047] 图1是双馈风力发电机组并网的谐波分析与治理方法
流程图；
[0048] 图2是双馈式风力发电机组电磁暂态模型整体
框图；
[0049] 图3是发电机变流器模型控制框图；
[0050] 图4是风力传动轴控制模型框图；
[0051] 图5是桨距角控制模型框图；
[0052] 图6是电气控制模型框图；
[0053] 图7是未加装滤波器的风电场电磁暂态模型示意图；
[0054] 图8是乌套海风电场公共连接点(PCC)的电流波形示意图；
[0055] 图9是加装滤波器的风电场电磁暂态模型示意图。
具体实施方式
[0056] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0057] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0058] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0059] 正如背景技术所介绍的，现有针对风力发电机组对电网的谐波影响，全面地进行建模、仿真、评估和治理的系统性分析和验证的研究较少，为掌握蒙东地区双馈式风力发电机组对电网的谐波影响，进行系统性地建模、仿真、评估和治理验证的研究，本申请提出了一种双馈风力发电机组并网的谐波分析与治理方法。
[0060] 如图1所示，本发明实施例提供了一种双馈风力发电机组并网的谐波分析与治理方法，该方法包括以下步骤：
[0061] 步骤一：基于双馈式风电机组数学模型，构建双馈式风力发电机组电磁暂态模型。
[0062] 所述双馈式风电机组数学模型为：
[0063]
[0064] 其中，定子、转子磁链表示为：
[0065]
[0066] 发电机电磁转矩及转子运动方程为:
[0067]
[0068] TJps＝Tm-Te
[0069] 式中，p表示微分算子；下标s和r分别表示电机的定子和转子，Ls、Lr、Lm分别为定、转子自感和定转子间的互感；下标d、q分别表示dq0坐标下的d轴和q轴上的量；u、i、 R分别表示电压、电流、磁链和电阻；ω为转子角速度；s为转差率；Te为电磁转矩；Tm为发电机机械转矩；TJ为转子惯性时间常数。
[0070] 采用ADPSS平台对所述双馈式风力发电机组进行电磁暂态建模步骤为：工程数据录入、网络划分、任务分配和提交、计算执行和结果输出几部分。电磁暂态建模采用图形方式创建系统模型
电路图和控制系统图形，对话框方式录入参数。元件可用单线图显示，也可用多线图显示；元件显示样式可由用户定制。电路图可分层次显示并具有“多层嵌套”的结构，结构清晰。
[0071] 如图2所示，所述双馈式风力发电机组电磁暂态模型包括发电机变流器模型、风力传动轴控制模型、浆距角控制模型和电气控制模型；其中，
[0072] 如图3所示，所述发电机变流器模型包括有功控制通道和无功控制通道，有功控制通道以电气控制模型计算得到的有功电流控制信号为输入信号，输出有功信号；无功控制通道以电气控制模型计算得到的励磁电压控制信号为输入信号，输出无功信号。
[0073] 如图4所示，所述风力传动轴控制模型包括叶轮转动惯量和发电机转动惯量两部分，叶轮和发电机之间用一个弹簧连接，通过来自叶轮的气动功率和来自发电机的电磁功率作为两个输入，并在来自浆距角的调节下，得出叶轮和发电机转子的速度偏差。
[0074] 如图5所示，所述浆距角控制模型包括前半部分和后半部分，前半部分以发电机转速ωg作为输入信号，经过PI控制环节，给出浆距控制信号，还以发电机的功率Pord为输入信号，经过补偿环节，给出浆距补偿信号；后半部分将浆距控制信号和浆距补偿信号的和作为输入，经过PI控制积分环节，最后输出浆距角β。
[0075] 所述浆距角控制模型中，当传送给发电机的功率Pord大于PMX或发电机转速ωg大于转速参考值时，风力发电机组采用快速变桨的方式增大桨距角，以减少发电机转速。
[0076] 如图6所示，所述电气控制模型包括WPMS模型、励磁控制器和功率因数控制，其中，WPMS模型模拟风电场电压无功控制，励磁控制器模拟变流器/励磁系统，功率因数控制监视风机并网点的功率因数。
[0077] 步骤二：利用ADPSS仿真系统对风电场进行电磁暂态仿真计算，得到风电场注入电网的谐波电流，以及产生的谐波电压。
[0078] 所述风电场注入电网的谐波电流的计算方法为：
[0079] 根据国标GB/T14549-93《电能质量 公用电网谐波》,关于公共连接点PCC处谐波电流的分配原则，同一公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配，计算出风电场接入后允许注入电网的谐波电流限值；
[0080] 根据建立的双馈式风力发电机组电磁暂态模型，采用ADPSS仿真平台进行计算，得到线路上风电场流向并网点的电流波形；
[0081] 对仿真得到的电流波形进行离散傅里叶变换变换(DFT)变换，得到风电场注入电网的谐波电流值；对于N点序列，它的离散傅里叶变换(DFT)为
[0082]
[0083] 所述风电场接入电网后产生谐波电压的计算方法为：
[0084] 根据国标GB/T14549-1993《电能质量-公用电网谐波》，计算风电场注入电网的谐波电流在并网点产生的电网各次谐波电压含有率为：
[0085]
[0086] 式中，UN为电网的标称电压；Sk为公共连接点的三相短路容量；Ih为第h次谐波电流。
[0087] 电压总谐波畸变率为：
[0088]
[0089] 步骤三：分别将得到的谐波电流和谐波电压与限值相比，判断风电场输入电网的谐波电流或谐波电压是否超标；
[0090] 将得到的谐波电流与限值相比的步骤包括：
[0091] 将风电场注入电网的谐波电流值与谐波电流限值比较，若前者小于后者，则表示合格，否则视为超标。
[0092] 将得到的谐波电压与限值相比的步骤包括：
[0093] 将风电场注入电网的谐波电流在并网点产生的电网各次谐波电压含有率与各次谐波电压含有率限值比较，若前者小于后者，则表示合格，否则视为超标；
[0094] 将风电场输入电网的谐波电压在公共点引起的电压总谐波畸变率与电压总谐波畸变率限值相比，若前者小于后者，则表示合格，否则视为超标。
[0095] 步骤四：若风电场输入电网的谐波电流超标，则设计有源滤波器，建立含有有源滤波器的风电场电磁暂态模型，并对谐波电流的治理效果进行验证。
[0096] 滤除风电机组产生的超标次数谐波电流，基于风电机组产生的谐波电流设计有源滤波器，并将该滤波器加装在风电场升压站侧，建立加装了有源滤波器的风电场电磁暂态模型，并再次进行仿真计算，得到加装滤波器后风电场注入电网的谐波电流，将加装滤波器前后风电场注入电网的谐波电流进行比较，验证加装了有源滤波器的风电场电磁暂态模型的有效性。
[0097] 现有针对风力发电机组对电网的谐波影响，全面地进行建模、仿真、评估和治理的系统性分析和验证的研究较少。而本发明双馈风力发电机组并网的谐波分析与治理方法基于变速变桨距双馈风电机组数学模型建立了双馈风力发电机组的电磁暂态模型，基于ADPSS的风电场仿真计算和谐波分析，以及针对谐波超标情况设计的滤波器电磁暂态模型，对评估蒙东地区大规模风电场接入电网产生的谐波影响具有重要的指导意义。
[0098] 为了使本领域技术人员更好的了解本发明，下面列举一个具体实施例，以内蒙古华电克旗乌套海风电场为例进行建模分析，蒙古华电克旗乌套海风电场规划装机容量为350MW，分两期建设，一期装机容量为49.5MW，二期在一期场址的南侧，装机容量为300MW。内蒙古华电克旗乌套海风电场二期工程占地面积为98km3，安装1500kW风力发电机组200台，装机容量300MW。
[0099] 在ADPSS程序中搭建的电磁暂态模型如图7所示。
[0100] 1、谐波计算分析
[0101] (1)谐波电流计算及结论
[0102] 风电场选用了234台1500kW双馈异步电机，以220kV电压等级接入系统。
[0103] 短路容量为Sk1时第h次谐波电流允许值为：
[0104]
[0105] 式中，Sk1为公共连接点的最小短路容量；Sk2为基准短路容量；Ihp为根据GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》规定的第h次谐波电流允许值，A；Ih为短路容量为Sk1时第h次谐波电流允许值。
[0106] 根据国标GB/T14549-1993《电能质量-公用电网谐波》关于公共连接点PCC处谐波电流的分配原则，同一公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配。在公共连接点处第i个用户的第h次谐波电流允许值为：
[0107]
[0108] 其中，Si为第i个用户的用电协议容量；St为公共连接点的供电设备容量，α为
相位叠加系数，Si＝350MVA(二期风电发电容量)，St＝1524MVA。
[0109] 根据所建立的风电场电磁暂态模型，并与乌套海风电场实际相结合，用ADPSS程序进行谐波分析仿真计算，得到乌套海风电场公共连接点(PCC)的电流波形如图8所示。
[0110] 对仿真得到的时域波形进行DFT变换，得到乌套海风电场输入电网的谐波电流值。根据国标计算出公共点允许乌套海风电场注入的谐波电流限值，将根据风电场电磁暂态模型计算的风电场输出的谐波电流值与限值进行比较，如果小于限值则表示合格，否则视为超标，具体对比结果如表1所示。
[0111] 表1在220kV公共点注入谐波电流与限值比较结果
[0112]
[0113]
[0114] 根据计算结果，本次计算的风电场注入公共点的各次谐波电流以3、5、7次较大，超过了谐波电流限值，需安装相应滤波器。
[0115] (2)谐波电压计算及结论
[0116] 电网各次谐波电压含有率为：
[0117]
[0118] 式中，UN为电网的标称电压，UN＝220kV；Sk为公共连接点的三相短路容量，Sk＝1987MVA；Ih为第h次谐波电流。
[0119] 电压总谐波畸变率为：
[0120]
[0121] 式中，HRUh为第h次谐波电压含有率。
[0122] 将以上计算风电场输出的谐波电流在公共点引起的电网各次谐波含有率和电压总谐波畸变率与国标规定的220kV公用电网各次谐波电压含有率和电压总谐波畸变率限值进行比较，如果小于限值则表示合格，否则视为超标，具体对比结果如表2所示。
[0123] 表2在220kV公共点注入谐波电压与限制比较结果
[0124]
[0125]
[0126] 将风电场注入电网谐波电流在公共点处引起的电压总谐波畸变率与国标规定220kV公用电网电压总谐波畸变率限值对比结果如下表所示：
[0127] 表3风电场在PCC点电压总谐波畸变率与限值比较结果
[0128]
[0129] 根据计算结果，乌套海风电场在公共点引起电网的各次谐波电压含有率均合格，未超标；220kV电压总谐波畸变率也合格，满足国标要求。
[0130] 2、风电场谐波治理
[0131] (1)风电场滤波器设计及其模型
[0132] 乌套海风电场在公共连接点存在一定的谐波分量，较大的谐波分量是3、5、7次，其中最大的谐波电流是3次谐波。当接入电网时，各等级
母线发生一定的电压畸变，但在允许范围内。
[0133] 乌套海风电场注入公共连接点(杨树沟
门站、220kV母线)的3、5、7次谐波电流较大，均超过了允许值，其中3次谐波电流最大。根据需要，设计以滤除3、5、7次谐波电流为目标的有源滤波器，加装在风电场升压站35kV侧，并建立加装了有源滤波器的风电场电磁暂态模型，如图9所示，其中红色框内有源滤波器。利用该加装了有源滤波器的风电场电磁暂态模型对风电场产生的谐波电流进行补偿，来消除或减小谐波源对公共连接点的谐波电流注入及引起的谐波电压畸变，从而改善电能质量。
[0134] (2)加装滤波器后谐波分析
[0135] 加装有源滤波器后，再次进行乌套海风电场的谐波分析计算。加装滤波器后，通过仿真计算乌套海风电场注入公共连接点(杨树沟门、220kV母线)的各次谐波电流，将其与限值进行比较，比较结果如表4所示。
[0136] 表4在220kV公共连接点注入谐波电流与限值比较结果(加滤波器)
[0137]
[0138] 比较加装滤波器后乌套海风电场注入公共连接点(杨树沟门、220kV母线)的各次谐波电流，比加装滤波器前均有所降低，均在允许范围之内。其中，3次谐波电流由原来的5.7A降低到了1.7A。
[0139] 通过上述仿真计算分析可以看出，本发明设计的有源滤波器有效降低了乌套海风电场注入电网的谐波电流分量，降低了各次谐波电压含有率和总的谐波电压畸变率，使风电场接入系统造成的谐波影响符合谐波国家标准。
[0140] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的
基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种
修改或
变形仍在本发明的保护范围以内。
