确定海上风电场内部谐振的类型及主要参与区域的方法技术

本发明专利技术涉及一种确定海上风电场内部谐振的类型及主要参与区域的方法。本发明专利技术的目的是以为谐振模式的抑制提供更为精确的参考，提高谐振抑制的准确性。本发明专利技术的技术方案是：S01、分析海上风电场的结构，确定N个关键节点，关键节点选取的是海上风电场内部主要元件的安装节点，N≥3；S02、采用频率扫描法计算关键节点的输入谐波阻抗；S03、分析谐波阻抗的频率特性，确定各个关键节点的谐振频率；S04、确定的谐振频率，构建对应该谐振频率的节点导纳矩阵，并计算其特征值；S05、选取步骤S04计算得到的特征值中的最小特征值，计算该最小特征值的左、右特征向量；S06、根据振型向量和相互作用矩阵，确定谐振模式的类型及主要参与区域。

Method for Determining the Types of Internal Resonance of Offshore Wind Farm and the Main Participating Areas

The invention relates to a method for determining the type of internal resonance of offshore wind farms and the main participating areas. The aim of the present invention is to provide more accurate reference for the suppression of resonance mode and to improve the accuracy of resonance suppression. The technical scheme of the invention is: S01, analyzing the structure of offshore wind farm, determining N key nodes, selecting the installation nodes of the main components in the offshore wind farm, N (> 3); S02, calculating the input harmonic impedance of key nodes by frequency scanning method; S03, analyzing the frequency characteristics of harmonic impedance, and determining each key node. The resonance frequencies of the key nodes; S04, the determined resonance frequencies, the node admittance matrix corresponding to the resonance frequencies is constructed and the eigenvalues are calculated; S05, the minimum eigenvalues of the eigenvalues calculated by S04 are selected to calculate the left and right eigenvectors of the minimum eigenvalues; S06, according to the mode vector and interaction. Matrix to determine the type of resonance mode and the main area of participation.

【技术实现步骤摘要】
确定海上风电场内部谐振的类型及主要参与区域的方法
本专利技术涉及一种确定海上风电场内部谐振的类型及主要参与区域的方法。适用于电力系统新能源并网

技术介绍
近年来，随着全球性的能源短缺和对环境保护的要求，各种形式的可再生能源产业发展十分迅速，尤其是风电产业，以其独有的自然优势(清洁性、广泛性等)，倍受各国政府和企业推崇。我国从80年代开始从国外引进风力发电设备，由于我国地域宽广，风力资源丰富，加上政府对新能源建设的重视，风电产业在我国发展迅猛，截至2017年6月底全国风电已累计装机1.54亿千瓦，为世界第一。随着风电的规模化开发，考虑到海上风力资源丰富、风速相对稳定、发电利用小时数高、且不存在占地问题、对生态环境影响小，海上风电的开发逐渐引起政府和企业的重视，发展势头迅猛。但随着风电场的大规模建设，大量的风电设备接入电网，风电在电网中的占比增加，由此也带来了不少问题，如系统的无功和电压稳定性问题、有功功率波动和频率稳定性问题、风电机组暂态过程对系统造成的冲击、开关器件引起的谐波谐振等等。其中，由电缆分布电容、无功补偿装置、风力发电机组中开关器件等引起的风电场谐波谐振问题受到了诸多专家和学者的格外关注，而且实际运行中也发现了诸多风电场谐波谐振威胁电网正常运行的现象，如2008年2月内蒙古某风电场由于谐波问题导致运行机组大面积脱网；2008年底河南某风电场由于电气化铁路影响导致系统不平衡、谐波增加，出现多台风电机组故障脱网；2013年4月广东某风电场由于14次谐波谐振导致某些工况下风电机组无法正常运行。由于海上风电多采用长距离海底电缆传输，存在较大的对地分布电容，而电网一般呈电感性，这更容易引起风电场与电网的谐振问题，加之开关器件产生的谐波和风电场中的非线性元件的影响，这将对海上风电的正常运行产生极其严重的威胁。目前针对海上风电场谐波谐振问题的研究大多集中于谐振模式的确定，频率扫描法是最常用的方法，但大多研究仅对风机并网点的输入阻抗进行扫描，由于单一节点的频率扫描法具有固有的局限性，并不能完全扫描成系统所有存在的谐振模式，所以该方法存在一定的局限性。另外，还有部分研究提出谐振模式的敏感度分析或灵敏度分析针对元件参数、对谐振模式的影响开展研究，从而对风电场内部的谐振模式进行抑制，但该方法仅对小系统成立，对于节点数很多的系统，元件参数众多，对所有参数的灵敏度进行分析，计算量大，效率较低，所以有必要对谐振模式的类型及主要参与区域展开研究，进而为谐振模式的抑制提供参考依据。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种更加全面、更加高效的确定海上风电场内部谐振的类型及主要参与区域的方法，以为谐振模式的抑制提供更为精确的参考，提高谐振抑制的准确性。本专利技术所采用的技术方案是：一种确定海上风电场内部谐振的类型及主要参与区域的方法，其特征在于步骤如下：S01、分析海上风电场的结构，确定N个关键节点，关键节点选取的是海上风电场内部主要元件的安装节点，N≥3；对海上风电场内部的主要元件进行谐波阻抗建模，建立主要元件的谐波阻抗模型；根据主要元件的谐波阻抗模型，建立海上风电场的节点导纳矩阵；S02、采用频率扫描法计算关键节点的输入谐波阻抗；S03、分析谐波阻抗的频率特性，确定各个关键节点的谐振频率；取N个关键节点扫描出的谐振频率的并集作为该海上风电场内部总谐振频率；S04、根据海上风电场内部总谐振频率确定一个附近存在谐振模式的谐振频率，针对该确定的谐振频率，构建对应该谐振频率的节点导纳矩阵，并计算其特征值；S05、选取步骤S04计算得到的特征值中的最小特征值，计算该最小特征值的左、右特征向量，并根据左、右特征向量计算该谐振频率下各个关键节点电压的振型向量和相互作用矩阵；S06、根据振型向量和相互作用矩阵，确定谐振模式的类型及主要参与区域。步骤S05中所述振型向量为所述右特征向量，所述相互作用矩阵为右特征向量与左特征向量的乘积矩阵。步骤S06包括：若振型向量各元素的相位均接近于同一相位，则该谐振模式为节点对地谐振模式；若振型向量存在两个相位完全相反的两个元素或两组元素，则该谐振模式为节点对节点的谐振模式；根据相互作用矩阵中元素大于预定值α％的元素，确定出谐振模式的主要参与区域。预定值α％取10％。步骤S03包括取谐波阻抗峰值点对应频率为谐振频率点。所述关键节点主要有海上风电机组出口节点、海上风电机组的中压集电线路汇集节点、动态无功补偿设备的安装节点、海上升压站出线节点、陆上变电站接入点。所述主要元件包括双馈风机、电缆、主变压器、电网；所述谐波阻抗模型包括：1)双馈风机的谐波阻抗模型：其中，Sh表示谐波转差率，ωs为定子基波角频率，ωr为转子转速角频率，h为谐波次数；Zrsc(h)＝Hr(j(h-1)ωs)-jKdr其中，Zrsc(h)表示转子侧变流器的谐波阻抗，Hr(s)为转子侧变流器内环控制器的传递函数，Kdr为转子侧变流器的耦合补偿系数；Zgsc(h)＝Hg(j(h-1)ωs)-jKdg其中，Zgsc(h)表示网侧变流器的谐波阻抗，Hg(s)为网侧变流器内环控制器的传递函数，Kdg为网侧变流器的耦合补偿系数；2)电缆的的谐波阻抗模型：其中，ZSeries,h表示电缆的串联谐波阻抗，YShunt,h表示电缆的并联谐波导纳，Rf0表示单位长度电缆的基波电阻，Xf0表示单位长度电缆的基波电抗，Bf0表示单位长度电缆的基波电纳；l表示电缆的长度；3)主变压器的谐波阻抗模型：主变压器谐波阻抗采用π型等值电路模型；4)电网的谐波阻抗模型：电网谐波阻抗用电抗进行模拟，其电抗值等于电网短路容量的折算值。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过多个关键节点的频率扫描汇总海上风电场内部存在的谐振模式，较单一节点的频率扫描，扫描出的谐振模式更加完备，同时避免了全网节点频率扫描的耗时，提高了扫描效率。本专利技术通过特征值分析计算出谐振模式下各节点的振型向量和相互作用矩阵，确定出谐振模式的类型及主要参与区域，从而为谐振模式的抑制提供了更为精确的参考，避免了抑制措施的盲目性，提高了谐振抑制的准确性及工作效率。附图说明图1为实施例的流程示意图。图2为实施例中海上风电场的简化6节点系统的示意图。图3为实施例中双馈风电机组谐波阻抗等效电路图。图4为实施例中中压电缆谐波阻抗等效电路图。图5为实施例中主变压器谐波阻抗等效电路图。图6为实施例中1号节点输入阻抗频率扫描结果图。图7为实施例中2号节点输入阻抗频率扫描结果图。图8为实施例中3号节点输入阻抗频率扫描结果图。图9为实施例中6号节点输入阻抗频率扫描结果图。具体实施方式如图1所示，本实施例为一种确定海上风电场内部谐振的类型及主要参与区域的方法，包括如下步骤：S01、分析海上风电场的结构，确定N个关键节点，关键节点选取的是海上风电场内部主要元件的安装节点，N≥3；主要有海上风电机组出口节点、海上风电机组的中压集电线路汇集节点、动态无功补偿设备的安装节点、海上升压站出口节点、陆上变电站(集控中心)接入点。对海上风电场内部的主要元件进行谐波阻抗建模，建立主要元件的谐波阻抗模型，包括风电机组的谐波阻抗模型Zwtg(h)、中压集电线路电缆的谐波阻抗模型Zcable(h)、主变压器的谐波阻抗模型Ztr本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种确定海上风电场内部谐振的类型及主要参与区域的方法，其特征在于步骤如下：S01、分析海上风电场的结构，确定N个关键节点，关键节点选取的是海上风电场内部主要元件的安装节点，N≥3；对海上风电场内部的主要元件进行谐波阻抗建模，建立主要元件的谐波阻抗模型；根据主要元件的谐波阻抗模型，建立海上风电场的节点导纳矩阵；S02、采用频率扫描法计算关键节点的输入谐波阻抗；S03、分析谐波阻抗的频率特性，确定各个关键节点的谐振频率；取N个关键节点扫描出的谐振频率的并集作为该海上风电场内部总谐振频率；S04、根据海上风电场内部总谐振频率确定一个附近存在谐振模式的谐振频率，针对该确定的谐振频率，构建对应该谐振频率的节点导纳矩阵，并计算其特征值；S05、选取步骤S04计算得到的特征值中的最小特征值，计算该最小特征值的左、右特征向量，并根据左、右特征向量计算该谐振频率下各个关键节点电压的振型向量和相互作用矩阵；S06、根据振型向量和相互作用矩阵，确定谐振模式的类型及主要参与区域。

【技术特征摘要】
1.一种确定海上风电场内部谐振的类型及主要参与区域的方法，其特征在于步骤如下：S01、分析海上风电场的结构，确定N个关键节点，关键节点选取的是海上风电场内部主要元件的安装节点，N≥3；对海上风电场内部的主要元件进行谐波阻抗建模，建立主要元件的谐波阻抗模型；根据主要元件的谐波阻抗模型，建立海上风电场的节点导纳矩阵；S02、采用频率扫描法计算关键节点的输入谐波阻抗；S03、分析谐波阻抗的频率特性，确定各个关键节点的谐振频率；取N个关键节点扫描出的谐振频率的并集作为该海上风电场内部总谐振频率；S04、根据海上风电场内部总谐振频率确定一个附近存在谐振模式的谐振频率，针对该确定的谐振频率，构建对应该谐振频率的节点导纳矩阵，并计算其特征值；S05、选取步骤S04计算得到的特征值中的最小特征值，计算该最小特征值的左、右特征向量，并根据左、右特征向量计算该谐振频率下各个关键节点电压的振型向量和相互作用矩阵；S06、根据振型向量和相互作用矩阵，确定谐振模式的类型及主要参与区域。2.根据权利要求1所述的确定海上风电场内部谐振的类型及主要参与区域的方法，其特征在于：步骤S05中所述振型向量为所述右特征向量，所述相互作用矩阵为右特征向量与左特征向量的乘积矩阵。3.根据权利要求1或2所述的确定海上风电场内部谐振的类型及主要参与区域的方法，其特征在于：步骤S06包括：若振型向量各元素的相位均接近于同一相位，则该谐振模式为节点对地谐振模式；若振型向量存在两个相位完全相反的两个元素或两组元素，则该谐振模式为节点对节点的谐振模式；根据相互作用矩阵中元素大于预定值α％的元素，确定出谐振模式的主要参与区域。4.根据权利要求3所述的确定海上风电场内部谐...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙长江，杨文斌，赵生校，杨建军，李华，张磊，
申请(专利权)人：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33