基于虚拟谐波阻抗法的海上风电并网侧有源谐波抑制系统的制作方法

1.本发明涉及电网谐波抑制领域，尤其涉及基于虚拟谐波阻抗法的海上风电并网侧有源谐波抑制系统。


背景技术：

2.海上风电场具有发电利用小时高、不影响居民环境等优点在我国沿海得到大力发展。目前我国绝大多数的海上风电场均通过交流海底电缆连接到陆上交流大电网。随着海上风电场数量的增加，海缆的总长度也相应地增加。由于海缆阻抗的容性特征以及电网系统阻抗的感性特征造成系统背景谐波被放大的问题，严重情况下造成谐波谐振过电压而损坏电网输变电设备。
3.针对上述问题通常的解决方案之一是加装lc型无源滤波装置，而为了抵消lc型无源滤波装置在基波频率下的容性无功功率，又需要加装额外的高压并联电抗器，从而增加成本并且更加增大了占地面积。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供基于虚拟谐波阻抗法的海上风电并网侧有源谐波抑制系统，以达到低成本实现有源谐波抑制的目的。为此，本发明采取以下技术方案。
5.基于虚拟谐波阻抗法的海上风电并网侧有源谐波抑制系统，所述的有源谐波抑制系统与电网系统相连，所述的电网系统包括有海上风电场、海上风电场并网高压海缆、和陆上大电网；所述的有源谐波抑制系统包括有源谐波抑制主电路、及有源谐波抑制控制器，所述的有源谐波抑制主电路包括中压全桥mmc变流器、全桥mmc变流器升压变压器；所述的中压全桥mmc变流器采用星型接线方式，其三相输出连接到所述的全桥mmc变流器升压变压器的中压侧，其中性点和所述的全桥mmc变流器升压变压器的中性点连接；所述的全桥mmc变流器升压变压器采用yn/y
n-12接线组别方式；所述的中压全桥mmc变流器的每相均由若干个全桥功率子模块单元串联而成；所述的全桥mmc变流器升压变压器的高压侧和海上风电场并网点高压母线相连接；所述的海上风电场通过所述的海上风电场并网高压海缆和海上风电场并网点高压母线相连接；所述的陆上大电网和海上风电场并网点高压母线相连接；所述的有源谐波抑制控制器采样高压母线的三相电压u
pcc
、升压变压器的高压侧电流i
ahs
、中压全桥mmc变流器的三相电流i
measure
和电压u
mmc
、海上风电场电流i
windfarm
，通过反馈信号光纤接收所有中压全桥mmc变流器所有功率子模块的直流电容器电压，并通过控制信号光纤将pwm驱动信号传输给中压全桥mmc变流器的所有功率子模块；有源谐波抑制控制器将有源谐波抑制主电路模拟为一个等效的谐波阻抗从而对海上风电并网点的谐波电压和谐波电流进行抑制，有源谐波抑制控制器根据电网系统的谐波等效电路中的背景谐波电压、并网高压海缆谐波容抗、陆上高压电缆谐波容抗、系统等效谐波感抗计算出海上风电并网侧有源谐波抑制主电路的各次谐波电流值；根据计算得到的谐波电流值和升压变压器的百分比
阻抗值计算升压变压器中压侧的谐波电压值；计算有源谐波抑制主电路投入运行后并网高压海缆的各次谐波电流，以生成对应的pwm驱动信号，控制有源谐波抑制器的输出电流,跟踪参考值，从而将所述的有源谐波抑制系统等效为一个虚拟谐波阻抗。由于装置并联在pcc点上，其谐波等效阻抗等于pcc点的谐波电压除以流过装置的谐波电流。本技术方案将有源谐波抑制主电路模拟为一个等效的谐波阻抗，采用虚拟谐波阻抗法进行有源谐波抑制的抑制，不需要增加高压并联电抗器，无需增大占地面，成本低，更方便实施。
6.作为优选技术手段：控制有源谐波抑制控制器通过虚拟谐波阻抗法计算各次谐波分量；控制有源谐波抑制控制器对采样到的三相电压u
pcc
(t)进行实时傅立叶分解，得到其各次谐波分量：u
pcc,n
(t)；对采样得到的海上风电场电流i
windfarm
(t)进行实时傅立叶分解，得到其各次谐波分量：i
windfarm,n
(t)；并控制有源谐波抑制器的输出电流i
ahs
(t)，其中输出电流i
ahs
(t)满足：
[0007][0008]
n为谐波次数，h为最高谐波次数；kn的取值满足如下公式：kn＝1+x
c1,n
/x
c2,n
；5x
c1,n
《rn《10x
c1,n
；x
c1,n
和x
c2,n
分别为海缆的等效n次谐波容抗和连接到pcc点的所有陆上电缆的等效n次谐波容抗。控制策略概念清晰、实现便捷；参数计算公式简单明了，有效提高计算速度，满足实际工作需要。
[0009]
作为优选技术手段：x
c1,n
和x
c2,n
通过实时参数估计方法计算得到；或x
c1,n
根据海缆总长度计算得到，或x
c2,n
根据连接到pcc点的所有陆上电缆的总长度计算得到，对应的近似计算公式如下：x
c1,n
＝1/(ω*c1*l1*n)；x
c2,n
＝1/(ω*c2*l2*n)；其中c1为海缆的单位长度电容值；l1为海缆总长度；c2陆上电缆的单位长度电容值；l2为连接到pcc点的所有陆上电缆的总长度；ω为电网角频率。
[0010]
作为优选技术手段：有源谐波抑制系统获取测量得到海上风电并网点的开路电压波形u
pcco
；对u
pcco
进行傅立叶变换得到其各次谐波分量u
pcco，n
；根据各次谐波分量u
pcco，n
值和系统等效谐波感抗x
s,n
以及陆上电缆等效谐波容抗值x
c2,n
计算系统背景谐波电压值u
h,n
；计算公式如下：
[0011]uh,n
＝(1-x
s,n
/x
c2,n
)u
pcco,n
[0012]
。
[0013]
作为优选技术手段：流过有源谐波抑制主电路的n次谐波电流计算公式如下：
[0014]
。
[0015]
作为优选技术手段：所述的有源谐波抑制系统中的全桥mmc变流器升压变的中压侧谐波电压的计算如下：根据全桥mmc变流器升压变压器的百分比阻抗x,和n次谐波电流值i
ahs,n
计算对应全桥mmc变流器升压变压器中压侧的n次谐波电压：un＝a*n*x*i
ahs，n
；式中，a为全桥mmc变流器升压变压器的变比；n为谐波次数。
[0016]
作为优选技术手段：海上风电并网高压海缆的n次谐波电流按u
h,n
/x
c1,n
进行计算。
[0017]
有益效果：本技术方案通过将有源谐波抑制主电路控制模拟为一个等效的谐波阻
抗，采用虚拟谐波阻抗法对风电接入点的谐波进行抑制。所带来的技术效益如下：和无源谐波滤波技术比较具有下述优点：不需要增加高压并联电抗器，无需增大占地面，成本低，对电网的适应能力强，更方便实施；且控制方便、实现便捷；参数计算公式简单明了，有效提高计算速度，满足实际工作需要。
附图说明
[0018]
图1是本发明的电路示意图。
[0019]
图2是本发明海上风电未并网时(开路时)的n次谐波系统等效电路图。
[0020]
图3是海上风电并网后且有源谐波抑制系统投入运行后的系统在n次谐波的等效电路图。
[0021]
图4是本发明的工作流程图。
具体实施方式
[0022]
以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
[0023]
如图1所示，电网系统包括有海上风电场、海上风电场并网高压海缆、和陆上大电网；有源谐波抑制系统包括有源谐波抑制主电路、及有源谐波抑制控制器，有源谐波抑制主电路包括中压全桥mmc变流器、全桥mmc变流器升压变压器；中压全桥mmc变流器采用星型接线方式，其三相输出连接到升压变压器的中压侧、其中性点和升压变压器的中性点连接。全桥mmc变流器升压变压器采用yn/y
n-12接线方式。中压全桥mmc变流器的每一相均由若干个全桥功率子模块单元串联而成。全桥mmc变流器升压变压器的高压侧和海上风电场并网点高压母线相连接。海上风电场通过海上风电场并网高压海缆和海上风电场并网点高压母线相连接。陆上大电网也和海上风电场并网点高压母线相连接。有源谐波抑制控制器采样高压母线的三相电压(u
pcc
)、全桥mmc变流器升压变压器的高压侧电流(i
ahs
)、中压全桥mmc变流器的三相电流(i
measure
)和电压(u
mmc
)、海上风电场电流(i
windfarm
)、并通过反馈信号光纤接收所有中压全桥mmc变流器所有功率子模块的直流电容器电压。有源谐波抑制控制器通过控制信号光纤将pwm驱动信号传输给中压全桥mmc变流器的所有功率子模块。
[0024]
根据图2和图3，本发明的有源谐波抑制系统如下：
[0025]
有源谐波抑制控制器对采样到的u
pcc
(t)进行实时傅立叶分解，得到其各次谐波分量：u
pcc,n
(t)；对采样得到的i
windfarm
(t)进行实时傅立叶分解，得到其各次谐波分量：i
windfarm,n
(t)。并控制有源谐波抑制主电路的输出电流i
ahs
(t)，满足下式：
[0026]
上述公式中的kn的取值满足如下公式：kn＝1+x
c1,n
/x
c2,n
。rn满足下式：
[0027]
5x
c1,n
《rn《10x
c1,n
。上述两式中x
c1,n
和x
c2,n
分别为海缆的等效n次谐波容抗和连接到pcc点的所有陆上电缆的等效n次谐波容抗，其值可以通过实时参数估计方法计算得到。也可以根据海缆总长度计算得到(x
c1,n
)；以及连接到pcc点的所有陆上电缆的总长度计算得到(x
c2,n
)。它们的近似计算公式如下：x
c1,n
＝1/(ω*c1*l1*n)；x
c2,n
＝1/(ω*c2*l2*n)；其中c1为海缆的单位长度电容值；l1为海缆总长度；c2陆上电缆的单位长度电容值；l2为连接到pcc点的所有陆上电缆的总长度。
[0028]
根据图2和图3，本发明的关键参数计算描述如下：测量得到海上风电并网点的开路电压波形u
pcco
；对u
pcco
进行傅立叶变换得到其各次谐波分量u
pcco，n
(n为谐波次数)；根据各次谐波分量u
pcco，n
值和系统等效谐波感抗x
s,n
以及陆上电缆等效谐波容抗值x
c2,n
计算系统背景谐波电压值u
h,n
。计算公式如下：
[0029]uh,n
＝(1-x
s,n
/x
c2,n
)u
pcco,n
[0030]
流过有源谐波抑制主电路的n次谐波电流计算公式如下：
[0031]
根据升压变压器的百分比阻抗x,和该装置的n次谐波电流值i
ahs,n
计算该升压变压器中压侧的n次谐波电压：un＝a*n*x*i
ahs，n
。式中，a为全桥mmc变流器升压变压器的变比；n为谐波次数。
[0032]
计算海上风电并网高压海缆的n次谐波电流＝u
h,n
/x
c1,n
。
[0033]
如图4所示，本技术方案通过控制策略将有源谐波抑制主电路模拟为一个等效的谐波阻抗从而对海上风电并网点的谐波电压和谐波电流进行抑制。根据整个系统的谐波等效电路中的背景谐波电压、并网高压海缆谐波容抗、陆上高压电缆谐波容抗、系统等效谐波感抗计算出海上风电并网侧有源谐波抑制主电路的各次谐波电流值；根据计算得到的这组谐波电流值和装置中的升压变压器的百分比阻抗值计算该升压变压器中压侧的谐波电压值；计算装置投入运行后并网高压海缆的各次谐波电流。通过采用虚拟谐波阻抗法进行有源谐波抑制的抑制，不需要增加高压并联电抗器，无需增大占地面，成本低，更方便实施。
[0034]
以上所示的基于虚拟谐波阻抗法的海上风电并网侧有源谐波抑制系统是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

技术特征：
1.基于虚拟谐波阻抗法的海上风电并网侧有源谐波抑制系统，其特征在于：所述的有源谐波抑制系统与电网系统相连，所述的电网系统包括有海上风电场、海上风电场并网高压海缆、和陆上大电网；所述的有源谐波抑制系统包括有源谐波抑制主电路、及有源谐波抑制控制器，所述的有源谐波抑制主电路包括中压全桥mmc变流器、全桥mmc变流器升压变压器；所述的中压全桥mmc变流器采用星型接线方式，其三相输出连接到所述的全桥mmc变流器升压变压器的中压侧，其中性点和所述的全桥mmc变流器升压变压器的中性点连接；所述的全桥mmc变流器升压变压器采用y
n
/y
n-12接线方式；所述的中压全桥mmc变流器的每相均由若干个全桥功率子模块单元串联而成；所述的全桥mmc变流器升压变压器的高压侧和海上风电场并网点高压母线相连接；所述的海上风电场通过所述的海上风电场并网高压海缆和海上风电场并网点高压母线相连接；所述的陆上大电网和海上风电场并网点高压母线相连接；所述的有源谐波抑制控制器采样高压母线的三相电压u
pcc
、升压变压器的高压侧电流i
ahs
、中压全桥mmc变流器的三相电流i
measure
和电压u
mmc
、海上风电场电流i
windfarm
，通过反馈信号光纤接收所有中压全桥mmc变流器所有功率子模块的直流电容器电压，并通过控制信号光纤将pwm驱动信号传输给中压全桥mmc变流器的所有功率子模块；有源谐波抑制控制器将有源谐波抑制主电路模拟为一个等效的谐波阻抗从而对海上风电并网点的谐波电压和谐波电流进行抑制，有源谐波抑制控制器根据电网系统的谐波等效电路中的背景谐波电压、并网高压海缆谐波容抗、陆上高压电缆谐波容抗、系统等效谐波感抗计算出海上风电并网侧有源谐波抑制主电路的各次谐波电流的参考值，并控制有源谐波抑制系统的输出电流,跟踪参考值，从而将所述的有源谐波抑制系统等效为一个虚拟谐波阻抗。2.根据权利要求1所述的基于虚拟谐波阻抗法的海上风电并网侧有源谐波抑制系统，其特征在于：控制有源谐波抑制控制器通过虚拟谐波阻抗法计算各次谐波分量；具体为：控制有源谐波抑制控制器对采样到的三相电压u
pcc
(t)进行实时傅立叶分解，得到其各次谐波分量：u
pcc,n
(t)；对采样得到的海上风电场电流i
windfarm
(t)进行实时傅立叶分解，得到其各次谐波分量：i
windfarm,n
(t)；并控制有源谐波抑制器的输出电流i
ahs
(t)，其中输出电流i
ahs
(t)满足：n为谐波次数，h为最高谐波次数；k
n
的取值满足如下公式：k
n
＝1+x
c1,n
/x
c2,n
；5x
c1,n
<r
n
<10x
c1,n
；x
c1,n
和x
c2,n
分别为海缆的等效n次谐波容抗和连接到pcc点的所有陆上电缆的等效n次谐波容抗。3.根据权利要求2所述的基于虚拟谐波阻抗法的海上风电并网侧有源谐波抑制系统，其特征在于：x
c1,n
和x
c2,n
通过实时参数估计方法计算得到；或x
c1,n
根据海缆总长度计算得到，或x
c2,n
根据连接到pcc点的所有陆上电缆的总长度计算得到，对应的近似计算公式如下：x
c1,n
＝1/(ω*c1*l1*n)；x
c2,n
＝1/(ω*c2*l2*n)；其中c1为海缆的单位长度电容值；l1为海缆总长度；c2陆上电缆的单位长度电容值；l2为连接到pcc点的所有陆上电缆的总长度；ω为电网角频率。4.根据权利要求3所述的基于虚拟谐波阻抗法的海上风电并网侧有源谐波抑制系统，其特征在于：有源谐波抑制系统获取测量得到海上风电并网点的开路电压波形u
pcco
；对u
pcco
进行傅立叶变换得到其各次谐波分量u
pcco，n
；根据各次谐波分量u
pcco，n
值和系统等效谐波感抗x
s,n
以及陆上电缆等效谐波容抗值x
c2,n
计算系统背景谐波电压值u
h,n
；计算公式如下：u
h,n
＝(1-x
s,n
/x
c2,n
)u
pcco,n
。5.根据权利要求4所述的基于虚拟谐波阻抗法的海上风电并网侧有源谐波抑制系统，其特征在于：流过有源谐波抑制主电路的n次谐波电流计算公式如下：征在于：流过有源谐波抑制主电路的n次谐波电流计算公式如下：6.根据权利要求1所述的基于虚拟谐波阻抗法的海上风电并网侧有源谐波抑制系统，其特征在于：所述的有源谐波抑制系统中的全桥mmc变流器升压变的中压侧谐波电压的计算如下：根据全桥mmc变流器升压变压器的百分比阻抗x,和n次谐波电流值i
ahs,n
计算对应全桥mmc变流器升压变压器中压侧的n次谐波电压：u
n
＝a*n*x*i
ahs，n
；式中，a为全桥mmc变流器升压变压器的变比；n为谐波次数。7.根据权利要求1所述的基于虚拟谐波阻抗法的海上风电并网侧有源谐波抑制系统，其特征在于：海上风电并网高压海缆的n次谐波电流按u
h,n
/x
c1,n
进行计算。

技术总结
本发明公开了基于虚拟谐波阻抗法的海上风电并网侧有源谐波抑制系统，涉及电网谐波抑制领域。目前通过加装LC型无源滤波装置实现谐波抑制成本高且增大占地面积。本技术方案的有源谐波抑制系统包括有源谐波抑制主电路、及有源谐波抑制控制器，有源谐波抑制主电路包括中压全桥MMC变流器、全桥MMC变流器升压变压器；有源谐波抑制控制器计算出海上风电并网侧有源谐波抑制主电路的各次谐波电流的参考值，并控制有源谐波抑制系统的输出电流,跟踪参考值，从而将有源谐波抑制系统等效为一个虚拟谐波阻抗。本技术方案不需要增加高压并联电抗器，无需增大占地面，成本低，适应能力强，方便实施；且控制方便、实现便捷；有效提高计算速度，满足实际工作需要。满足实际工作需要。满足实际工作需要。


技术研发人员：张平 刘周斌 刘华 孙维真 马智泉 包善军 叶军 王勇 冯仰光 陈科正 邬明亮 石博隆 罗华峰 沈绍斐 邓业 李赢
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司双创中心
技术研发日：2022.10.23
技术公布日：2023/1/6