CN109782064B - 一种风电场输出阻抗频率特性测试分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种风电场输出阻抗频率特性测试分析方法，包括：在电力系统受到扰动信号导致风电场母线上的电压产生变化、且扰动信号的扰动源位于风电场外部时，根据设定的采样频率获取风电场母线上的电压采样信号和电流采样信号；通过快速傅里叶变换，将电压采样信号和电流采样信号分别变换成相应的电压频谱信号和电流频谱信号；再对电压频谱信号和电流频谱信号中相应的电压值与电流值求比值，获得若干连续的阻抗值；根据获得的若干所述阻抗值生成风电场的输出阻抗频谱曲线。本发明利用电网中随时可能出现的扰动信号，实时收集采样相关电气量信号，通过分析变换，得到风电场的输出阻抗频率特性，从而为研究风电场阻抗特性提供了有效工具与手段。

Description

一种风电场输出阻抗频率特性测试分析方法

技术领域

本发明属于电力系统参数测量领域，尤其涉及一种风电场输出阻抗频率特性测试分析方法。

背景技术

近些年来，我国新能源产业持续增长，在电能生产中的份额占比逐步提高，进入了大规模发展阶段。电网中存在大量非线性设备，如直流输电、电流机车、电弧炉等，在运行过程中会产生大量谐波，形成背景谐波。

背景谐波可能在风电场、光伏电站中传播放大，甚至发生谐振，造成换流器回路的过电压、过电流，对整个电力系统中的设备造成损坏；这一现象的发生，从根本上讲取决于风电场或光伏电站从电网侧看进去的等效阻抗的频率特性。这一等效阻抗不仅与主回路电气参数有关，与控制器策略与参数也密切相关。加之可再生能源出力的随机性、运行方式的变化，试图通过解析分析的方法得到该阻抗特性有很大的难度。

发明内容

为得到上述等效阻抗的频率特性，本发明提出一种风电场输出阻抗频率特性测试分析方法，从而解决现有技术中无法对风电场阻抗特性进行有效分析的问题。

在一些说明性实施例中，所述风电场输出阻抗频率特性测试分析方法，应用于风电场所在的电力系统中，包括：在所述电力系统受到自然扰动导致风电场母线上的电压水平产生一定幅度变化、且所述自然扰动的扰动源位于所述风电场外部时，根据设定的采样频率获取所述风电场母线上的电压采样信号和电流采样信号；通过快速傅里叶变换，将所述电压采样信号和电流采样信号分别变换成相应的电压频谱信号和电流频谱信号；再对所述电压频谱信号和电流频谱信号中相应的电压值与电流值求比值，获得若干连续的阻抗值；根据获得的若干所述阻抗值生成所述风电场的输出阻抗频谱曲线。

在一些可选地实施例中，在所述根据设定的采样频率获取所述风电场母线上的电压采样信号和电流采样信号之前，还包括：检测所述电力系统中出现的扰动信号；判断所述扰动信号是否由于自然扰动、无功补偿装置和负荷的投切、或是机组的开停导致产生；是则，响应所述扰动信号；否则，不响应所述扰动信号。

在一些可选地实施例中，所述检测所述电力系统中出现的扰动信号的过程，包括：通过采集所述电力系统中的电压、电流、频率和相角的瞬时值，并基于扰动识别算法筛选提取扰动电气特征量；当扰动电气特征量超出设定阈值时，判定所述电力系统中出现所述扰动信号。

在一些可选地实施例中，在所述根据设定的采样频率获取所述风电场母线上的电压采样信号和电流采样信号之前，还包括：判断所述扰动信号的扰动源是否位于所述风电场外部；是则，响应所述扰动信号；否则，不响应所述扰动信号。

在一些可选地实施例中，所述采样频率设定为5000Hz。

在一些可选地实施例中，所述输出阻抗频谱曲线为第一输出阻抗频谱曲线；当所述电力系统再次受到扰动信号导致风电场母线上的电压水平产生一定幅度变化、且该扰动信号的扰动源位于所述风电场外部时，生成第二输出阻抗频谱曲线；利用所述第二输出阻抗频谱曲线中的阻抗值分别对所述第一输出阻抗频谱曲线中相应的阻抗值进行加权修正，获得修正后的所述风电场的输出阻抗频率曲线。

在一些可选地实施例中，所述第一输出阻抗频谱曲线为修正后的风电场的输出阻抗频率曲线。

在一些可选地实施例中，利用如下公式进行加权修正：

其中，

表示为修正后的风电场的输出阻抗频率曲线中第m频率对应的修正阻抗值，

表示第一输出阻抗频谱曲线中第m频率对应的修正阻抗值，Z_n表示为第二输出阻抗频率曲线中第m频率对应的阻抗值，P₁,P₂分别为权重系数。

在一些可选地实施例中，所述P₁,P₂分别取0.7和0.3。

与现有技术相比，本发明具有如下优势：

本发明利用电网中随时可能出现的扰动信号，实时收集采样相关电气量信号，通过分析变换，得到风电场的输出阻抗频率特性，从而为研究风电场阻抗特性提供了有效工具与手段。

附图说明

图1是本发明实施例中的测试分析方法的流程图；

图2是本发明实施例中的测试分析方法的流程图；

图3是本发明实施例中的测试分析方法的流程图；

图4是本发明实施例中的电力系统的结构示例。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

如图1，本发明提出了一种风电场输出阻抗频率特性测试分析方法，应用于风电场所在的电力系统中，在所述电力系统受到扰动信号导致风电场母线上的电压水平产生一定幅度变化、且所述扰动信号的扰动源位于所述风电场外部时，执行以下流程：

步骤S11、根据设定的采样频率获取所述风电场母线上的电压采样信号和电流采样信号；

步骤S12、通过快速傅里叶变换，将所述电压采样信号和电流采样信号分别变换成相应的电压频谱信号和电流频谱信号；

步骤S13、再对所述电压频谱信号和电流频谱信号中相应的电压值与电流值求比值，获得若干连续的阻抗值；

步骤S14、根据获得的若干所述阻抗值生成所述风电场的输出阻抗频谱曲线。

本发明利用电网中随时可能出现的扰动信号，实时收集采样相关电气量信号，通过分析变换，得到风电场的输出阻抗频率特性，从而为研究风电场阻抗特性提供了有效工具与手段。

步骤S11中对于风电场母线上的电压信号和电流信号的采样，可以利用电能质量监测装置实时监控电力系统中风电场母线上的电压信号与电流信号，从而可以在检测到扰动信号时获取到受到扰动信号所影响的电压采样信号和电流采样信号。

采样频率可以设置为5000Hz及以上，采样频率越高则一个周波内的采样点的数量越多，对于后续的分析结果的精确性的提升越大，但同时也会造成设备成本的加大，优选地，本发明实施例中的采样频率可以设定为5000Hz，即可以满足后续分析结果的可靠性和有效性，同时对于设备的要求得到了降低，极大的节省了设备成本。

目前电力系统中的频率一般为50Hz，即电力系统中的1个周波大概在0.02s，以采样频率为5000Hz时，采样间隔为0.0002s，即对于电力系统而言，1个周波中会采样100个点，每两个相邻的采样点之间的间隔为0.0002s。

步骤S12中快速傅里叶变换是利用计算机计算离散傅里叶变换(DFT)的高效、快速计算方法的统称，基于该方法可以快速的将电压采样信号和电流采样信号转换成特定的三角函数(如正弦和/或余弦函数)或者它们的积分的线性组合，即本发明中的电压频率信号和电流频率信号。

步骤S13中对所述电压频谱信号和电流频谱信号中相应的电压值与电流值求比值，获得若干连续的阻抗值的过程，具体可利用如下公式计算出所述阻抗值；

Z(jω)＝U(jω)/I(jω)；

其中，Z(jω)表示阻抗值、U(jω)表示经过步骤S12转换后的电压频谱信号、I(jω)表示经过步骤S12转换后的电流频谱信号。

其中，由于电压频谱信号和电流频谱信号的采样频率相同，两者的采样点的数量也相同，并且任意时刻两者均有对应的采样点，步骤S13中既是通过将电压频谱信号某一点的电压值与电流频谱信号中与之相应的电流值进行求比值，从而获得相应的阻抗值，获得的阻抗值的数量及间隔同样满足设定的采样频率。

现在参照图2，图2示出了本发明中风电场输出阻抗频率特性测试分析方法的另一个实施例，该实施例可应用于图1的步骤S11之前，包括：

步骤S21、通过采集所述电力系统中的电压、电流、频率和相角的瞬时值，并基于扰动识别算法筛选提取扰动电气特征量；当扰动电气特征量超出设定阈值时，判定所述电力系统中出现所述扰动信号。

步骤S22、判断所述扰动信号是否由于自然扰动、无功补偿装置和负荷的投切、或是机组的开停导致产生；是则，响应所述扰动信号；否则，不响应所述扰动信号。

步骤S23、判断所述扰动信号的扰动源是否位于所述风电场外部；是，则满足本发明的测试分析条件；否则，不响应该扰动信号。

该实施例中，步骤S22中对于扰动类型的分析和步骤S23中对于扰动位置的分析的执行顺序可以相互颠倒、亦可以同时进行。

步骤S21中对于扰动信号的识别检测，具体参照采用专利申请号201610207361.2–基于WAMS的电网大扰动识别方法、以及现有技术中的其它检测识别方式、方法、手段实现。

为了保证得到的风电场的输出阻抗频率曲线的可靠性，可通过以下方式得到修正后的输出阻抗频率曲线。

当获得的风电场输出阻抗频率曲线为首次获得时，其可利用如下公式进行加权修正，应用于首次获得的风电场输出阻抗频率曲线，即n＝1：

其中，

表示为修正后的风电场的输出阻抗频率曲线中第m频率对应的修正阻抗值，Z_n表示为未修正(原始)的输出阻抗频率曲线中第m频率对应的阻抗值，P₂为权重系数。其中，m仅用于表示相同位置(两个输出阻抗频率曲线中相应)的阻抗值，优选地，P₂可为0.3。

当获得的风电场输出阻抗频率曲线为非首次获得时，其可利用如下公式进行加权修正，应用于第2次及第2次以后获得的风电场输出阻抗频率曲线，即n≥2，n取正整数：

其中，在先获得风电场的输出阻抗频谱曲线为第一输出阻抗频谱曲线，在后获得风电场的输出阻抗频谱曲线为第二输出阻抗频谱曲线；

其中，

表示为修正后的风电场的输出阻抗频率曲线中第m频率对应的修正阻抗值，

表示第一输出阻抗频谱曲线中第m频率对应的修正阻抗值，Z_n表示为第二输出阻抗频率曲线中第m频率对应的阻抗值，P₁,P₂分别为权重系数。其中，m仅用于表示相同位置(两个输出阻抗频率曲线中相应)的阻抗值；优选地，所述P₁,P₂分别取0.7和0.3。

其中，第一输出阻抗频谱曲线和第二输出阻抗频谱曲线可以为先后相邻获取到的输出阻抗频谱曲线，亦可以是指以一定的间隔先后获取到的输出阻抗频谱曲线。

图2为基于电网自然扰动的风电场输出阻抗频率特性分析流程图。在电力系统受到自然扰动或电网运行方式改变时，通过设置于变电站的数字式电能质量监测装置进行实时数据采集和波形记录，采集到的信息包括扰动发生时的电压，电流，频率和相角瞬时值。用基于扰动识别的算法筛选提取扰动电气特征量，再经过电能质量管理平台进行数据分析处理，完成扰动类型判断和精确定位，从而判断扰动是否来自于风电场外部自然扰动或人为施加扰动，如无功补偿装置或负荷的投切，使风电场输出母线上的电压水平产生一定幅度变化。

图3为本发明电力系统的结构示意图。在变电站母线处发生扰动，导致风电场母线2上电压和电流波形发生一定幅度变化，通过电能质量监测装置记录电压电流信号波形数据。

电网工频为50Hz且每周波采样100个点，由香农采样定理可将采样频率设置为5000Hz，利用matlab工具箱中的fft函数对得到的原始信号进行离散fourier变换。将原函数信号u(n)和i(n)代入式

进行离散fourier变换，分别得到U(jω)和I(jω)，令阻抗值Z(jω)＝U(jω)/I(jω)，可作出基于扰动下以频率为自变量，幅度为因变量的阻抗频率特性曲线。

电网受到各种扰动信号下时刻保持着动态平衡，对风电场输出阻抗频率特性的测量需要大量的数据统计来进行模型修正。因此，将电网出现新的扰动信号对应求得阻抗值与之前所得阻抗值按下式加权平均计算来修正输出阻抗频率特性曲线，即

其中，

表示为基于新扰动信号下第一阻抗频率曲线中每个频率对应的修正阻抗频谱值，

表示为原第一阻抗频率曲线中的修正阻抗频谱值，Z_n表示为第二阻抗频率曲线中的阻抗频谱值，P₁,P₂分别为权重系数。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (5)

1.一种风电场输出阻抗频率特性测试分析方法，其特征在于，应用于风电场所在的电力系统中，包括：

在所述电力系统受到扰动信号导致风电场母线上的电压水平产生一定幅度变化、且所述扰动信号的扰动源位于所述风电场外部时，

判断所述扰动信号是否由于自然扰动、无功补偿装置和负荷的投切、或是机组的开停导致产生；是则根据设定的采样频率获取所述风电场母线上的电压采样信号和电流采样信号；

通过快速傅里叶变换，将所述电压采样信号和电流采样信号分别变换成相应的电压频谱信号和电流频谱信号；

再对所述电压频谱信号和电流频谱信号中相应的电压值与电流值求比值，获得若干连续的阻抗值；

根据获得的若干所述阻抗值生成所述风电场的输出阻抗频谱曲线；

所述输出阻抗频谱曲线为修正前的第一输出阻抗频谱曲线；

当所述电力系统再次受到扰动信号导致风电场母线上的电压水平产生一定幅度变化、且该扰动信号的扰动源位于所述风电场外部时，生成第二输出阻抗频谱曲线；

利用所述第二输出阻抗频谱曲线中的阻抗值分别对所述修正前的第一输出阻抗频谱曲线中相应的阻抗值进行加权修正，获得修正后的所述风电场的输出阻抗频率曲线，为修正后的所述第一输出阻抗频谱曲线，利用如下公式进行加权修正：

其中，

表示为修正后的风电场的输出阻抗频率曲线中第m频率对应的修正阻抗值，

表示所述修正前的第一输出阻抗频谱曲线中第m频率对应的修正阻抗值，Z_n表示为第二输出阻抗频率曲线中第m频率对应的阻抗值，P₁,P₂分别为权重系数，所述P₁,P₂分别取0.7和0.3。

2.根据权利要求1所述的风电场输出阻抗频率特性测试分析方法，其特征在于，

在所述根据设定的采样频率获取所述风电场母线上的电压采样信号和电流采样信号之前，还包括：

检测所述电力系统中出现的扰动信号；

判断所述扰动信号是否由于自然扰动、无功补偿装置和负荷的投切、或是机组的开停导致产生；

是则，响应所述扰动信号；

否则，不响应所述扰动信号。

3.根据权利要求2所述的风电场输出阻抗频率特性测试分析方法，其特征在于，所述检测所述电力系统中出现的扰动信号的过程，包括：

通过采集所述电力系统中的电压、电流、频率和相角的瞬时值，并基于扰动识别算法筛选提取扰动电气特征量；

当扰动电气特征量超出设定阈值时，判定所述电力系统中出现所述扰动信号。

4.根据权利要求1所述的风电场输出阻抗频率特性测试分析方法，其特征在于，

在所述根据设定的采样频率获取所述风电场母线上的电压采样信号和电流采样信号之前，还包括：

判断所述扰动信号的扰动源是否位于所述风电场外部；

是则，响应所述扰动信号；

否则，不响应所述扰动信号。

5.根据权利要求1所述的风电场输出阻抗频率特性测试分析方法，其特征在于，所述采样频率设定为5000Hz。

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