本发明涉及接地线收纳设备领域，更具体地，涉及一种风电场谐波在电网中的耦合规律分析方法。
背景技术：
风电场并网系统中，由于风电出力的波动性与随机性、风电场中电力电子设备的大量使用、变流装置以及电网故障运行对风电机组产生的影响等都可能使风电场输出的电流电压产生谐波，对电网电能质量造成谐振、过负荷、闪变等影响，使电网运行控制风险及难度进一步增加。国家针对并网点的谐波情况，制定了电网对风电场并网的谐波门槛值，但幅值小于门槛值的谐波会注入电网，在并网后会在各个节点间传播与耦合，增加了谐波成分的复杂性，耦合后的谐波也会影响电力系统电能质量。
公开号为“cn108054781b”，公开日为2019年08月30日的中国专利公开了一种基于db6离散小波变换的风电集群功率汇聚效应的时频分析方法，该方法，以db6小波的特性及其离散变换原理为基础，综合考虑系统的典型调峰、调频时间尺度，确立了面向电网运行的风电频段划分，建立时频分析指标，以此在各个频段内对风电功率的汇聚效应进行时频特性分析。本发明方法通过分析风电汇聚效应时频特性，对于大规模风电集群并网的规划、安全运行及电网调度具有重要的指导意义。
在上述的方案中，仅仅针对db6小波对对风电功率的汇聚效应进行时频特性分析，没有对只要是风电场所产生的谐波对在电网在耦合情况进行分析。
技术实现要素：
本发明为克服上述现有技术中不能掌握谐波在电网中耦合规律的问题，提供一种风电场谐波在电网中的耦合规律分析方法，能够分析不同类型风电场谐波在电网中的耦合规律。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种风电场谐波在电网中的耦合规律分析方法，包括如下步骤：
步骤一：基于加窗插值fft算法对风电场谐波的参数进行检测，获取谐波的图像和波形；将电流信号的谐波分量以数字或图像的形式显示出来，需要对信号参数进行检测。也就是，通过参数的检测，我们才能看到谐波的波形。
步骤二：设电网某节点有n个谐波耦合时，构建谐波耦合表达式；分析谐波在电网传播的影响因素；其中谐波耦合表达式具体为：
其中，im0、f0分别代表基频分量的幅值、频率和初始相角；im1、f1、
步骤三：建立含风电场的电力系统谐波耦合仿真模型并进行仿真，对步骤二中的谐波耦合表达式进行波形显示，并通过步骤二中的影响因素对仿真结果进行分析。
优选的，在所述步骤一中，采用频域特性良好的blackman窗和4项3阶nuttall窗构建二阶混合窗函数，再利用曲线拟合函数推导出建二阶混合窗函的三谱线插值修正公式，最后对谐波进行参数分析。
优选的，blackman窗分别与4项3阶nuttall(b-n1)窗进行卷积运算，为克服栅栏现象，根据三谱线插值原理，求b-n1二阶hcw的三谱线插值公式，得到：
a≈n-1(y1 2y2 y3)u(α)
式中，α为频率偏移量；kl为理论频点k0附近最大峰值谱线，kl-1，kl 1为理论频点k0左右两侧次最大谱线；y1、y2、y3为三根谱线的幅值。
优选的，令β＝(y3-y1)/y2，通过polyfit(β,α,7)和polyfit(α,u(α),6)函数进行拟合，得到频率偏移量的拟合公式为：
α＝1.4928327α-0.6583529α3 0.1344424α5-0.0238991α7
u(α)＝0.6669605 0.1251785δ2 0.0514434δ4 0.0277775δ6
其中，β为辅线修正参数；δ为另一频率偏移量，与α的用处不同，因此两者用不同的字母表示。
谐波耦合表达式的推导过程如下：
动态的电力系统条件下，含有基频分量和一个谐波分量的电流信号可以表示为：
式中，im0、f0、
实际电力系统中，所有分量均可用以2πf0的速度同步旋转的同步旋转坐标表示，因此.将式(9)用同步旋转坐标系表达时，基频分量
式中，imc1、
因为基频分量是相对静止的，为了简化推导过程，令
电力系统往往同时存在多个谐波源，下文以两个谐波信号为例进行耦合机理分析。假设另外一个谐波源产生的电流信号如下：
当ic1(t)、
根据余弦公式可以求出
当变量超前于
电网某节点有n个谐波耦合时，根据公式(14)可以写出表达式：
优选的，在所述步骤二中，谐波在电网传播中，将在同一电压等级的电网不同节点之间传播列为横向传播，将在两个电压等级不相同的电网节点之间传播的过程属于纵向传播。通过谐波的传播推导谐波在电网的影响因素。
优选的，谐波电流为
其中，
优选的，定义谐波横向传播系数为：
由横向传播系数th可知，谐波在电网横向传播时主要来自于输电线路的长度、谐波的传播位置以及上级系统的系统阻抗等的影响。
优选的，风电场谐波在电网纵向传播时，只考虑风电场谐波源
式中，
风电场谐波源单独作用于节点y的谐波电压
流向负荷的电流为：
式中，
优选的，在所述步骤三中，基于三机九节点模型，在matlab环境下建立含风电场的电力系统谐波耦合仿真模型。三机九节点模型包含了电力系统的耦合节点、环网，足够用来分析谐波的耦合情况，为了简化仿真计算，所以基于三机九节点模型建立本发明需要的仿真模型。
优选的，改变含风电场的电力系统谐波耦合仿真模型的风电节点中的风电场类型。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过模型仿真对不同的风电场所产生的谐波在电网耦合，得到不同的风电场谐波在电网耦合的具体规律，最终能够为电网调度提供指导。
附图说明
图1是本发明的一种风电场谐波在电网中的耦合规律分析方法的流程图；
图2是谐波耦合结果示意图的其中一种变化情况；
图3是谐波耦合结果示意图的其中一种变化情况；
图4是谐波耦合结果示意图的其中一种变化情况；
图5是谐波耦合结果示意图的其中一种变化情况；
图6是谐波耦合结果示意图的其中一种变化情况；
图7是谐波耦合结果示意图的其中一种变化情况；
图8是谐波横向传播的t型等值电路；
图9是谐波纵向传播的等值电路；
图10是含风电场的电力系统谐波耦合仿真模型示意图；
图11是直驱风电场间的谐波在电网中耦合结果图；
图12是双馈风电场间的谐波在电网中耦合结果图；
图13是直驱与双馈风电场间谐波在电网中耦合结果图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
实施例
如图1所示为一种风电场谐波在电网中的耦合规律分析方法的实施例，包括如下步骤：
步骤一：基于加窗插值fft算法对风电场谐波的参数进行检测；获取谐波的图像和波形；
采用频域特性良好的blackman窗和4项3阶nuttall窗构建二阶混合窗函数，再利用曲线拟合函数推导出建二阶混合窗函的三谱线插值修正公式，最后对谐波进行参数分析。
具体的，blackman窗分别与4项3阶nuttall(b-n1)窗进行卷积运算，为克服栅栏现象，根据三谱线插值原理，求b-n1二阶hcw的三谱线插值公式，得到：
a≈n-1(y1 2y2 y3)u(α)
式中，α为频率偏移量；kl为理论频点k0附近最大峰值谱线，kl-1，kl 1为理论频点k0左右两侧次最大谱线；y1、y2、y3为三根谱线的幅值。
令β＝(y3-y1)/y2，通过polyfit(β,α,7)和polyfit(α,u(α),6)函数进行拟合，得到频率偏移量的拟合公式为：
α＝1.4928327α-0.6583529α3 0.1344424α5-0.0238991α7
u(α)＝0.6669605 0.1251785δ2 0.0514434δ4 0.0277775δ6
其中，β为辅线修正参数；δ为另一频率偏移量，与α的用处不同，因此两者用不同的字母表示。
步骤二：设电网某节点有n个谐波耦合时，构建谐波耦合表达式；分析谐波在电网传播的影响因素；其中谐波耦合表达式具体为：
其中，im0、f0分别代表基频分量的幅值、频率和初始相角；im1、f1、
谐波耦合表达式具体推导为：
动态的电力系统条件下，含有基频分量和一个谐波分量的电流信号可以表示为：
式中，im0、f0、
实际电力系统中，所有分量均可用以2πf0的速度同步旋转的同步旋转坐标表示，因此.将式(9)用同步旋转坐标系表达时，基频分量
式中，imc1、
因为基频分量是相对静止的，为了简化推导过程，令
电力系统往往同时存在多个谐波源，下文以两个谐波信号为例进行耦合机理分析。假设另外一个谐波源产生的电流信号如下：
当ic1(t)、
在同步旋转坐标轴中表示，
图2和图5中
根据余弦公式可以求出
当变量超前于
电网某节点有n个谐波耦合时，根据公式(14)可以写出表达式：
在步骤二中，谐波在电网传播中，将在同一电压等级的电网不同节点之间传播列为横向传播，其分布参数电路可以用8所示的t型等值电路进行表示，zs为系统阻抗；
图8中，
式中γ是输电线路传输系数；z0为线路特征阻抗。
离上级系统l处的谐波电流为
其中，
根据式(19)定义谐波横向传播系数为：
由横向传播系数th可知，谐波在电网横向传播时主要来自于输电线路的长度、谐波的传播位置以及上级系统的系统阻抗等的影响。
其中，风电场谐波在电网纵向传播时，只考虑风电场谐波源
式中，
风电场谐波源单独作用于节点y的谐波电压
流向负荷的电流为：
式中，
步骤三：建立含风电场的电力系统谐波耦合仿真模型并进行仿真，对步骤二中的谐波耦合表达式进行波形显示，并通过步骤二中的影响因素对仿真结果进行分析。基于三机九节点模型，在matlab环境下建立如图10所示的含风电场的电力系统谐波耦合仿真模型。其中，风电场节点为bus1与bus2，风电由35kv母线汇流后经升压后并入220kv电网；部分风电经220kv电网被风电近区负荷消耗，部分经220/750kv升压变压器升压后接入750kv远距离交流输电系统。
具体的，改变含风电场的电力系统谐波耦合仿真模型的风电节点中的风电场类型。在本实施例中，包括三个方案：(1)直驱风电场间的谐波在电网中耦合，其耦合结果图如图11所示；(2)双馈风电场间的谐波在电网中耦合，其耦合结果图如图12所示；(3)直驱与双馈风电场之间的谐波在电网中耦合，其耦合结果图如图13所示。
在本实施例中，根据仿真得到的耦合结果，总结风电场谐波在电网中的耦合规律：
(1)风电场谐波注入到电网时，若相邻风电场为相同风电类型时，其谐波相互耦合影响较小，谐波特性几乎不改变。若相邻风电场为不同风电类型时，受谐波相互耦合作用的影响，谐波幅值有不同程度的增大，同时间谐波成分也增加，不同风电类型的相邻风电场之间的谐波特性影响较大。(2)当谐波在电网横向传播至风电近区节点时，受耦合作用的影响，小部分谐波含量被抑制，但次/超同步间谐波及大部分高频率谐波含量均被进一步放大，甚至产生次同步间谐波引起的次同步振荡现象。虽然在长输电线路传播过程中谐波幅值会大幅地衰减，但耦合放大作用使得次/超同步间谐波对远离风电的节点同样具有威胁。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
1.一种风电场谐波在电网中的耦合规律分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：基于加窗插值fft算法对风电场谐波的参数进行检测，获取谐波的图像和波形；
步骤二：设电网某节点有n个谐波耦合时，构建谐波耦合表达式；分析谐波在电网传播的影响因素；其中谐波耦合表达式具体为：
其中，im0、f0分别代表基频分量的幅值、频率和初始相角；im1、f1、
步骤三：建立含风电场的电力系统谐波耦合仿真模型并进行仿真，对步骤二中的谐波耦合表达式进行波形显示，并通过步骤二中的影响因素对仿真结果进行分析。
2.根据权利要求1所述的一种风电场谐波在电网中的耦合规律分析方法，其特征在于，在所述步骤一中，采用频域特性良好的blackman窗和4项3阶nuttall窗构建二阶混合窗函数，再利用曲线拟合函数推导出建二阶混合窗函的三谱线插值修正公式，最后对谐波进行参数检测分析。
3.根据权利要求2所述的一种风电场谐波在电网中的耦合规律分析方法，其特征在于，blackman窗分别与4项3阶nuttall(b-n1)窗进行卷积运算，为克服栅栏现象，根据三谱线插值原理，求b-n1二阶hcw的三谱线插值公式，得到：
a≈n-1(y1 2y2 y3)u(α)
式中，α为频率偏移量；kl为理论频点k0附近最大峰值谱线，kl-1，kl 1为理论频点k0左右两侧次最大谱线；y1、y2、y3为三根谱线的幅值。
4.根据权利要求3所述的一种风电场谐波在电网中的耦合规律分析方法，其特征在于，令β＝(y3-y1)/y2，通过polyfit(β,α,7)和polyfit(α,u(α),6)函数进行拟合，得到频率偏移量的拟合公式为：
α＝1.4928327α-0.6583529α3 0.1344424α5-0.0238991α7
u(α)＝0.6669605 0.1251785δ2 0.0514434δ4 0.0277775δ6
其中，β为辅线修正参数；δ为另一频率偏移量。
5.根据权利要求1所述的一种风电场谐波在电网中的耦合规律分析方法，其特征在于，在所述步骤二中，谐波在电网传播中，将在同一电压等级的电网不同节点之间传播列为横向传播，将在两个电压等级不相同的电网节点之间传播的过程属于纵向传播；通过谐波的传播推导谐波在电网的影响因素。
6.根据权利要求5所述的一种风电场谐波在电网中的耦合规律分析方法，其特征在于，谐波电流为
其中，
7.根据权利要求6所述的一种风电场谐波在电网中的耦合规律分析方法，其特征在于，根据谐波电流定义谐波横向传播系数为：
8.根据权利要求1所述的一种风电场谐波在电网中的耦合规律分析方法，其特征在于，风电场谐波在电网纵向传播时，只考虑风电场谐波源
式中，
风电场谐波源单独作用于节点y的谐波电压
流向负荷的电流为：
式中，
9.根据权利要求1所述的一种风电场谐波在电网中的耦合规律分析方法，其特征在于，在所述步骤三中，基于三机九节点模型，在matlab环境下建立含风电场的电力系统谐波耦合仿真模型。
10.根据权利要求9所述的一种风电场谐波在电网中的耦合规律分析方法，其特征在于，改变含风电场的电力系统谐波耦合仿真模型的风电节点中的风电场类型。
技术总结