风电系统铁磁谐振分析方法及装置与流程

本发明涉及风电领域，尤其涉及一种风电系统铁磁谐振分析方法及装置。

背景技术：

本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

电力系统中包含很多电感元件和电容元件，当开关操作或发生故障时，这些电感和电容元件可能形成不同自振频率的振荡回路，在外加电源作用下产生谐振现象，引起谐振过电压。由于系统参数及外界激发条件的不同，可能引起分频、工频(也称基频)及高频谐振过电压，损坏电气设备，影响电力系统安全运行，甚至危及人身安全。

目前，现有技术主要通过判断非线性电感的工频励磁特性与谐振电路戴维南电源伏安特性是否有交点(即回路电阻是否大于临界阻尼电阻)来确定系统是否发生铁磁谐振。这种铁磁谐振分析方法只能确定是否发生工频谐振，而无法确定何种条件下会发生分频或高频谐振。

例如，图1为现有技术中提供的一种工频谐振电路示意图，如图1所示，相对于其他频率分量的等效电路，工频谐振电路中没有激励电压源。

假设电感上的工频电压为u，流过的工频电流为i，根据克希霍夫电压定律有：

其中，e为电源电势，r为电阻，zc为电容阻抗，式(1)中各项之间的几何关系可用矢量来表示，因此它们间的代数关系为：

式(2)为工频谐振电路中戴维南电源的工频伏安特性，称之为us-is曲线。将式(2)变形可得：

式(3)中第一项为主线，第二项为一个椭圆，通过分析可知，该椭圆短轴为长轴为式(2)对电流i求导并整理得：

令时，有u＝zci，即us-is曲线极值点得轨迹方程恰好为电容的伏安特性，将u＝zci代入式(2)得：

式(5)说明在us-is曲线极值点处，电压值刚好等于椭圆短轴。us-is曲线由一直线和一正椭圆叠加而成，因此是一个偏椭圆。图2示出了当zc发生变化时us-is曲线的变化情况，图3示出了当r变化时us-is曲线的变化情况。

由图2和图3可以直观判断出电路是否发生了工频谐振：如果戴维南电源伏安特性us-is曲线与非线性电感工频励磁特性up-ip曲线没有交点，则不会发生工频谐振；如果戴维南电源伏安特性us-is曲线与非线性电感工频励磁特性up-ip曲线有交点(一个或两个)，则可能发生工频谐振，并且在一定的条件下谐振可能被激发。另外，两条曲线是否有交点，取决于方程组有无实根。

其中，us-is曲线方程为：

将该式代入式(2)可得到一元二次方程，若要使得该方程没有实根，需满足：

其中，r0为工频谐振临界阻尼电阻。

当回路电阻小于临界阻尼电阻时，电路不会发生工频铁磁谐振，当回路电阻大于临界阻尼电阻时，电路会发生工频铁磁谐振，式(7)为是否发生工频谐振的判据。

综上可知，现有的铁磁谐振分析方法，只能够分析发生工频谐振的条件，并不能判断出在何种条件下会发生分频谐振和高频谐振，具有很大的局限性。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种风电系统铁磁谐振分析方法，用以解决现有的铁磁谐振分析方法只能判断出工频谐振的技术问题，该方法包括：计算风电系统的容抗比，其中，容抗比为风电系统对地电容的容抗与风电系统中汇集线电压互感器的感抗的比值；根据风电系统的容抗比，确定风电系统中动态无功补偿装置产生的铁磁谐振类型，铁磁谐振类型包括如下任意之一：分频谐振、工频谐振和高频谐振。

本发明实施例还提供一种风电系统铁磁谐振分析装置，用以解决现有的铁磁谐振分析方法只能判断出工频谐振的技术问题，该装置包括：容抗比计算单元，用于计算风电系统的容抗比，其中，容抗比为风电系统对地电容的容抗与风电系统中汇集线电压互感器的感抗的比值；铁磁谐振确定单元，用于根据风电系统的容抗比，确定风电系统中动态无功补偿装置产生的铁磁谐振类型，铁磁谐振类型包括如下任意之一：分频谐振、工频谐振和高频谐振。

本发明实施例还提供一种计算机设备，用以解决现有的铁磁谐振分析方法只能判断出工频谐振的技术问题，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的风电系统铁磁谐振分析方法。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，用以解决现有的铁磁谐振分析方法只能判断出工频谐振的技术问题，计算机可读存储介质存储有执行上述任一风电系统铁磁谐振分析方法的计算机程序。

本发明实施例中，根据风电系统的对地电容的容抗与汇集线电压互感器的感抗计算风电系统的容抗比，进而根据容抗比的取值范围，确定风电系统是否发生分频谐振、工频谐振或高频谐振；由于风电系统中汇集线的电压互感器饱和引起谐振过电压后，会通过汇集线将干扰引入风电系统中动态无功补偿发生装置svg的控制中，从而引起风电系统发生铁磁谐振，因而，本发明实施例采用风电系统的对地电容的容抗与汇集线电压互感器的感抗来计算风电系统的容抗比，可以确定风电系统中动态无功补偿装置产生的铁磁谐振的类型。

通过本发明实施例，可以分析出大规模风电场采用动态无功补偿装置时可能产生的分频谐振、工频谐振以及高频谐振，以便采取相应消谐措施来预防各种铁磁谐振的发生，保证风电系统可以正常安全地运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为现有技术中提供的一种工频谐振电路示意图；

图2为现有技术中提供的一种工频谐振电路中戴维南电源伏安特性曲线随电容阻抗变化的示意图；

图3为现有技术中提供的一种工频谐振电路中戴维南电源伏安特性曲线随电阻变化的示意图；

图4为本发明实施例中提供的一种带动态无功补偿装置的风电系统接线示意图；

图5为本发明实施例中提供的一种带动态无功补偿装置的风电系统等效电路图；

图6为本发明实施例中提供的一种中性点电压发生位移后的等效电路图；

图7为本发明实施例中提供的一种中性点电压发生位移后的电压电流向量图；

图8为本发明实施例中提供的一种风电系统动svg控制策略示意图；

图9为本发明实施例中提供的一种风电系统铁磁谐振分析方法流程图；

图10为本发明实施例中提供的一种风电场电网示意图；

图11为本发明实施例中提供的一种风电系统铁磁谐振分析装置示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

随着新能源装机容量不断增加，新能源电站运行过程中暴露的问题也越来越突出。近年来，出现了多起风电场的铁磁谐振过电压事故，导致过电压保护跳闸，严重的甚至造成母线电压互感器保险熔断、爆炸、母线短路、断路器击穿、电缆头短路、主变压器低压侧套管击穿漏油等事故，严重影响电网的安全运行。常规中低压变电站或配电网的铁磁谐振是由于电磁式电压互感器的非线性饱和特性与站内对地电容形成特殊的三相或单相共振回路，激发起持续的、较高幅值的过电压引起。而相比常规变电站，风电场中采用了大量的电力电子设备(例如，动态无功补偿装置等)，当电磁式电压互感器饱和引起谐振过电压后，动态无功补偿装置会进一步加剧铁磁谐振过电压等不利影响。然而，现有技术中，并没有一套有效的评估方法，以确定大规模风电场中动态无功补偿装置在何种情况下会产生铁磁谐振。

本发明实施例对风电场动态无功补偿装置产生的铁磁谐振进行了分析，经研究发现风电机组产生铁磁谐振的原因是当汇集线的电磁式电压互感器(potentialtransformer，pt)饱和引起谐振过电压后，铁磁谐振过电压会通过汇集线pt电压采样将干扰引入svg的控制中，从而引起svg输出较大谐波电流或控制异常，进一步加剧铁磁谐振。

图4为本发明实施例中提供的一种带动态无功补偿装置的风电系统接线示意图，图5为图4的等效电路示意图，如图4和图5所示，pt为电磁式电压互感器，其一次绕组为星型连接、中性点接地，la、lb、lc为pt的各相励磁电感、c0为各相导线及母线的对地电容，ea、eb、ec为为三相对称电源。

铁磁谐振的谐振激发回路主要由电磁式电压互感器的非线性电感和电网的对地电容构成。pt励磁电感和母线对地电容的并联导纳为：

电源中性点电压为：

正常运行时，电磁式电压互感器的参数基本对称，在pt铁芯不饱和时xl＞＞xc，故并联阻抗为容性阻抗，且ya＝yb＝yc＝y，三相基本平衡，电网中性点电位e0也基本为0，不会产生过电压。

当系统发生接地故障、倒闸操作等外界干扰时，可能会出现较大的冲击电压，使得电压互感器励磁电流突然增大，导致pt铁芯饱和，线圈的励磁电感l值迅速减小。由于三相铁芯发生饱和的程度不同，pt的la、lb、lc不再相等，从而并联导纳ya≠yb≠yc，系统原来的平衡状态被打破，电网中性点产生位移电压，并通过与各相电源电压叠加后产生严重的过电压，且维持pt饱和，形成持续的pt铁磁谐振。

以某次扰动导致pt的b、c相饱和，而a相不饱和为例，饱和的b、c两相xl＜xc，导致并联导纳呈感性，而未饱和的a相并联后呈容性，中性点发生偏移后的等效电路如图6所示，对应的电压电流向量如图7所示。可知，饱和相b、c对地电压升高，不饱和相a对地电压降低，且升高后的电压数值甚至可能高于线电压。这种“虚幻接地”现象将引起接地指示装置误动作，发出接地信号，造成工作人员误判。

由以上分析可知，铁磁谐振产生的根本原因是由于电磁式电压互感器铁芯的非线性饱和特性造成的。

图8为本发明实施例中提供的一种风电系统动svg控制策略示意图，如图8所示，svg为双闭环控制，其中电压外环控制直流侧电压的稳定，直流侧电压给定值udcref与实际直流电压反馈值udc做差，经pi调节后作为有功电流参考值idref，再经过d轴电流内环pi调节后得到d轴电压指令值；无功外环控制svg输出无功跟踪无功指令值，经无功环pi调节后作为无功电流参考值iqref，再经过q轴电流内环pi调节后得到q轴电压指令值，最终得到pwm输出波形，完成svg的控制。

由图8可以看出，风电场的svg采样电压一般都通过场站内汇集线pt得到。由svg的控制策略可知，当风电场由于接地故障、倒闸操作等外界干扰导致发生铁磁谐振过电压时，会通过汇集线pt电压采样将干扰引入svg的控制中，从而引起svg输出较大谐波电流或控制异常，进一步加剧铁磁谐振。具体体现在如下两个方面：

(1)svg控制的基准同步信号是通过汇集线pt采样电压经过锁相环后得到。当发生铁磁谐振时，汇集线pt采样电压会出现三相不平衡(出现相位差)、存在大量电压谐波等情况，影响了id、iq等控制量的准确性。

(2)发生铁磁谐振时，汇集线pt采样电压的干扰信号会通过电压前馈量ugd、ugq引入到控制环中，导致输出电流中出现异常谐波或控制异常。

可见，发生铁磁谐振后，svg可通过汇集线pt电压采样将干扰引入控制中，从而引起svg输出电流中出现较大谐波电流或控制异常，导致进一步加剧铁磁谐振过电压。

综上分析可知，风电系统动态无功补偿装置产生的铁磁谐振是由汇集线电压互感器铁芯的非线性饱和特性造成的，并且根据不同的回路参数、外界激发条件，可能会造成分频、工频或高频铁磁谐振过电压。根据h.a.peterson谐振分布曲线，铁磁谐振过电压的频率由系统对地电容的容抗和电压互感器的额定励磁感抗的比值决定。

因而，为了分析风电系统中动态无功补偿装置产生的铁磁谐振类型，本发明实施例中提供了一种风电系统铁磁谐振分析方法，图9为本发明实施例中提供的一种风电系统铁磁谐振分析方法流程图，如图9所示，该方法包括如下步骤：

s901，计算风电系统的容抗比，其中，容抗比为风电系统对地电容的容抗与风电系统中汇集线电压互感器的感抗的比值；

s902，根据风电系统的容抗比，确定风电系统中动态无功补偿装置产生的铁磁谐振类型，铁磁谐振类型包括如下任意之一：分频谐振、工频谐振和高频谐振。

需要说明的是，由于动态无功补偿装置产生的铁磁谐振是由汇集线电压互感器引起的，因而，本发明实施例在分析风电系统中动态无功补偿装置产生的铁磁谐振类型的时候，是根据风电系统对地电容的容抗与风电系统中汇集线电压互感器的感抗的比值来确定的。

作为一种可选的实施方式，根据风电系统的容抗比，确定风电系统中动态无功补偿装置产生的铁磁谐振类型，可以包括如下任意之一：

当风电系统的容抗比位于0.01～0.08的范围时，确定风电系统中动态无功补偿装置产生的铁磁谐振类型为分频谐振。此时频率低、互感器感抗小，导致pt励磁电流大大增加，严重时可达额定励磁电流值的数百倍，导致pt高压熔丝、严重过热甚至冒油爆炸等危害。

当风电系统的容抗比位于0.08～0.6的范围时，确定风电系统中动态无功补偿装置产生的铁磁谐振类型为工频谐振。此时会出现两相电压升高、一相电压降低的现象，由于与系统发生单相接地故障类似，所以会导致接地报警信号，也称“虚幻接地”。

当风电系统的容抗比位于0.6～3.0的范围时，确定风电系统中动态无功补偿装置产生的铁磁谐振类型为高频谐振。此时系统三相对地电压同时升高或一相升高另两相降低，且系统中性点有较高幅值的零序电压。

此处需要注意的是，风电系统的对地电容为风电场母线、主变压器及其他设备的对地电容之和。因而，在上述s801之前，本发明实施例提供的风电系统铁磁谐振分析方法还包括：获取风电系统的对地电容；根据风电系统的对地电容，计算风电系统对地电容的容抗。

优选地，本发明实施例在计算风电系统的容抗比时，采用的汇集线电压互感器的感抗为汇集线电压互感器在额定线电压下的励磁感抗。

由上可知，本发明实施例中，根据风电系统的对地电容的容抗与汇集线电压互感器的感抗计算风电系统的容抗比，进而根据容抗比的取值范围，确定风电系统是否发生分频谐振、工频谐振或高频谐振；由于风电系统中汇集线的电压互感器饱和引起谐振过电压后，会通过汇集线将干扰引入风电系统中动态无功补偿发生装置svg的控制中，从而引起风电系统发生铁磁谐振，因而，本发明实施例采用风电系统的对地电容的容抗与汇集线电压互感器的感抗来计算风电系统的容抗比，可以确定风电系统中动态无功补偿装置产生的铁磁谐振的类型。通过分析风电系统分别在何种条件下分别产生分频谐振、基频谐振以及高频谐振，可以采用相应的消谐措施，以保证风电系统可以正常安全地运行。

图10为本发明实施例中提供的一种风电场电网示意图，该电网装机容量96mw，安装48台2mw双馈风电机组，并且安装有1套15mvar无功补偿装置(svg)、2组7.5mvar电容器组，35kv母线和220kv母线上各安装1套电磁式电压互感器，其中35kv侧的电磁式电压互感器参数如表1所示，风机汇集线路的参数如表2所示。风电场35kv母线、主变压器及其他设备的对地电容共为0.0027μf。

表135kv电磁式电压互感器电气参数

表2风电场线路电气参数

假设某次在对风电场站内35kv#5母线故障进行消缺处理后，将#1风机主变压器由冷备用转运行，使得35kv#5母线带电，35kvpt投入运行，35kvsvg的031开关由冷备用转运行，35kvh3电容器、35kvh5电容器在热备用状态。但是在合上35kv#2风电机组集电线路313开关后，#1风机主变压器220kv侧2201开关，#1风机主变压器35kv侧311开关，35kvsvg031开关相继跳闸，通过分析故障发生时刻风电场的35kvpt采样电压以及svg电流录波波形可知，在投入#2风机汇集线后，35kvpt采样电压波形很快出现畸变，随后svg输出电流也随之出现畸变，进一步加剧了35kvpt采样电压畸变程度。

在投入#2风电机组集电线路前，对地电容为风电场35kv母线、主变压器及其他设备的对地电容，为0.0027μf，其容抗为：

由表1可知35kvpt的额定线电压励磁感抗xl0为2.042mω。故系统容抗与感抗的比值为：

由本发明实施例提供的风电系统的铁磁谐振分析方法可知，该系统发生了工频铁磁谐振。

本发明实施例中还提供了一种风电系统铁磁谐振分析装置，如下面的实施例所述。由于这些装置实施例解决问题的原理与风电系统铁磁谐振分析方法相似，因此这些装置实施例的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

图11为本发明实施例中提供的一种风电系统铁磁谐振分析装置示意图，如图11所示，该装置包括：容抗比计算单元111和铁磁谐振确定单元112。

其中，容抗比计算单元111，用于计算风电系统的容抗比，其中，容抗比为风电系统对地电容的容抗与风电系统中汇集线电压互感器的感抗的比值；

铁磁谐振确定单元112，用于根据风电系统的容抗比，确定风电系统中动态无功补偿装置产生的铁磁谐振类型，铁磁谐振类型包括如下任意之一：分频谐振、工频谐振和高频谐振。

可选地，上述铁磁谐振确定单元具体可以包括：第一子确定单元1121，用于当风电系统的容抗比位于0.01～0.08的范围时，确定风电系统中动态无功补偿装置产生的铁磁谐振类型为分频谐振；第二子确定单元1122，用于当风电系统的容抗比位于0.08～0.6的范围时，确定风电系统中动态无功补偿装置产生的铁磁谐振类型为工频谐振；第三子确定单元1123，用于当风电系统的容抗比位于0.6～3.0的范围时，确定风电系统中动态无功补偿装置产生的铁磁谐振类型为高频谐振。

本发明实施例中提供的风电系统铁磁谐振分析装置还可以包括：对地电容获取单元113，用于获取风电系统的对地电容；容抗计算单元114，用于根据风电系统的对地电容，计算风电系统对地电容的容抗。

基于上述任意一种可选的装置实施例，在计算风电系统容抗比的时候，风电系统中汇集线电压互感器的感抗为风电系统中汇集线电压互感器在额定线电压下的励磁感抗。

本发明实施例中还提供了一种计算机设备，用以解决现有的铁磁谐振分析方法只能判断出工频谐振的技术问题，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任意一种可选的或优选的风电系统铁磁谐振分析方法。

本发明实施例中还提供了一种计算机可读存储介质，用以解决现有的铁磁谐振分析方法只能判断出工频谐振的技术问题，计算机可读存储介质存储有执行上述任意一种可选的或优选的风电系统铁磁谐振分析方法的计算机程序。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。