CN107465206B - 一种基于谐波阻抗矩阵的风电场防孤岛识别方法及其系统 - Google Patents

一种基于谐波阻抗矩阵的风电场防孤岛识别方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于谐波阻抗矩阵的风电场防孤岛识别方法及其系统，通过采集风电场并网点的电压和电流，分析各次谐波阻抗大小，计算谐波阻抗矩阵模值，判断风电场是否发生孤岛，从而实现风电场孤岛保护。利用并网点处电路阻抗在电网断开前后变化对孤岛进行识别。在并网条件下，系统阻抗等效为风电场阻抗与电网阻抗并联。由于主电网接近一个理想电压源，所以系统阻抗很小。孤岛发生后，主电网电路断开，系统阻抗等于电站系统阻抗，其值一般远大于并网时的阻抗，从而识别出孤岛状态。

Description

一种基于谐波阻抗矩阵的风电场防孤岛识别方法及其系统
技术领域
本发明涉及被动式防孤岛方法及系统，具体涉及一种基于谐波阻抗矩阵的风电场防孤岛识别方法及其系统。
背景技术
孤岛现象，是指包含负荷和电源的部分电网，从主网脱离后继续孤立运行的状态。孤岛可分为非计划性孤岛和计划性孤岛。计划性孤岛多应用于配电网，当配电网故障时将其转化为计划性孤岛运行方式，使配电网停电损失最小。同时，计划性孤岛运行可以有效发挥分布式电源的积极作用。因故障跳闸等偶然因素所形成的孤岛，称为非计划孤岛。非计划孤岛运行可能会对电网造成严重的危害，因此必须能够在短时间内检测到孤岛运行状态，并在规定时间内将电源切除。
目前风电场防孤岛保护功能主要依靠光伏逆变器即本地孤岛检测法来实现，并网逆变器通过检测出口电压和电流信号是否超过预定的阈值来判断系统是否发生孤岛，在判别出孤岛状态后就将逆变器退出运行，判别方法主要分为被动式防孤岛方法和主动式防孤岛方法。被动式方法是通过检测公共点的电压或者频率异常来进行孤岛检测，主要包括基于有功功率不平衡的过/欠电压孤岛检测法、基于无功功率不平衡的过/欠频率孤岛检测法、基于相位跳变孤岛检测法和基于电压谐波孤岛检测法，但是在孤岛状态下，若光伏发电和负荷功率失配量较小时，公共点参数变化小，被动检测方法失效，所以被动检测方法存在检测盲区，必须结合其他检测方法。主动式孤岛检测方法是通过向系统注入扰动信号，破坏功率平衡，使得电网参数达到触发水平，以此实现孤岛检测。一般主要有电压幅值偏移到一定数值激发孤岛保护、频率偏移到一定数值激发孤岛保护、估计电网阻抗值间接判断孤岛状态，对应的孤岛检测方法主要包括电压偏移法、频率偏移法、阻抗估算法。主动式孤岛检测方法效率高、检测盲区小，但是会对电网电能质量和暂态响应产生不利影响。
目前针对风电场的防孤岛检测方法主要包括主动式检测法(主动移频法和基于功率扰动的方法等)、被动式检测法(基于有功功率不平衡的过/欠电压法和基于无功功率不平衡的过/欠频率法等)、以及两者相结合的方法，但是实际应用中基本都是针对单台逆变器的场景。对于含多台逆变器的风电场级，由于各逆变器的运行特性不同，如输出功率、电压、电流等以及多台逆变器孤岛识别策略相互影响，此检测方法可能不能正常检测出孤岛或者在正常情况下出现误动作。很多孤岛监测方法在单台逆变器并网条件下性能良好但在多逆变器的条件下其检测效果明显下降，有可能不能正常检测出孤岛或者在正常情况下出现误动作。同时，针对单机的孤岛识别方法在多机并联运行时存在由于不同风电机组采用不同参数而导致孤岛在线识别失效。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种基于谐波阻抗矩阵的风电场防孤岛识别方法及其系统，解决了单机的孤岛识别方法在多机并联运行时存在由于不同风电机组采用不同参数而导致孤岛在线识别失效的问题。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种风电场防孤岛识别方法，其改进之处在于：
根据采集的风电场并网点的电压和电流，计算对角谐波阻抗矩阵模值；
根据对角谐波阻抗矩阵模值判断风电场是否进入孤岛状态；
当风电场进入孤岛状态，防孤岛保护动作；否则重新采集风电场并网点电压和电流，并计算对角谐波阻抗矩阵模值。
进一步地：根据采集的风电场并网点的电压和电流，计算对角谐波阻抗矩阵模值，包括：
根据预先设定的采样频率实时采集风电场并网点电压和电流；
对设定时间间隔内采集到的电压电流数据进行快速傅里叶变换，并取前两个含量高的谐波分量；
根据选取的的前两个谐波分量计算谐波阻抗；
根据谐波阻抗计算对角谐波阻抗矩阵；并根据对角谐波阻抗矩阵计算对角谐波阻抗矩阵模值。
进一步地：对设定时间间隔内采集到的电压电流数据进行快速傅里叶变换的表达式如下：
Figure BDA0001347293490000021
式中：N＝Δt×fs，x(n)为有限长离散信号，X(k)为离散信号x(n)的连续频谱；k表示第k个风电场，fs为预先设定的采样频率，Δt为设定的时间间隔。
进一步地：按照下式计算谐波阻抗：
Figure BDA0001347293490000031
其中：i,j＝1,…N；i≠j，Zi(jnω)为谐波阻抗，N为风电场数量，Ui(jnω)、Ii(jnω)分别表示第i个风电场并网点不同频率下的电压和电流，Zj(jnω)为第j个风电场的等效阻抗，ZN(jnω)为第N个风电场的等效阻抗，Zgrid(jnω)为电网等效阻抗。
进一步地：按照下式计算对角谐波阻抗矩阵：
Figure BDA0001347293490000032
式中：Zgrid为对角谐波阻抗矩阵，Z5为第5次谐波分量，Z7为第7次谐波分量，Zf为第f次谐波分量。
进一步地：按照下式计算对角谐波阻抗矩阵模值：
||Zgrid||＝||Z5||×||Z7||…×||Zf||。
进一步地：所述根据对角谐波阻抗矩阵模值判断风电场是否发生孤岛，包括：
对比当前时刻和下一时刻的对角谐波阻抗矩阵模值；
若下一时刻的对角谐波阻抗矩阵模值远远大于当前时刻的对角谐波阻抗矩阵模值，则判断风电场进入孤岛状态。
进一步地：所述下一时刻的对角谐波阻抗矩阵模值远远大于当前时刻的对角谐波阻抗矩阵模值用下式表示：
||Zgrid||t+ΔT＞＞||Zgrid||t
式中：||Zgrid||t+ΔT为t+ΔT时刻的对角谐波阻抗矩阵模值，||Zgrid||t为t时刻的对角谐波阻抗矩阵模值；t为当前时刻，ΔT为下一时刻与当前时刻之间的时刻间隔。
本发明还提供一种基于谐波阻抗矩阵的风电场孤岛识别系统，其改进之处在于：包括：
计算模块，用于根据采集的风电场并网点的电压和电流，计算对角谐波阻抗矩阵模值；
判断模块，用于根据对角谐波阻抗矩阵模值判断风电场是否发生孤岛；
孤岛保护动作模块，用于当风电场进入孤岛状态，防孤岛保护动作；否则重新采集风电场并网点电压和电流，并计算对角谐波阻抗矩阵模值。
进一步地：所述计算模块，进一步包括：
采集单元，用于根据设定的采样频率实时采集风电场并网点电压和电流；
确定单元，用于对设定时间间隔内的电压电流数据进行快速傅里叶变换，并取前两个含量高的谐波分量；
第一计算单元，用于根据选取的的前两个谐波分量计算谐波阻抗；
第二计算单元，用于根据谐波阻抗计算对角谐波阻抗矩阵；
第三计算单元，用于根据对角谐波阻抗矩阵计算对角谐波阻抗矩阵模值。
进一步地：所述判断模块，进一步包括：
对比单元，用于对比当前时刻和下一时刻对角谐波阻抗矩阵模值；
判断单元，用于若下一时刻的对角谐波阻抗矩阵模值远远大于当前时刻的对角谐波阻抗矩阵模值，则判断风电场进入孤岛状态。
进一步地：所述孤岛保护动作模块，进一步包括：
动作单元，用于当风电场进入孤岛状态，防孤岛保护动作；
采集单元，用于当风电场未进入孤岛状态时，重新采集风电场并网点电压和电流；
第四计算单元，用于计算对角谐波阻抗矩阵模值。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：
本发明利用并网点处电路阻抗在电网断开前后变化对孤岛进行识别。在并网条件下，系统阻抗等效为风电场阻抗与电网阻抗并联。由于主电网接近一个理想电压源，所以系统阻抗很小。孤岛发生后，主电网电路断开，系统阻抗等于电站系统阻抗，其值一般远大于并网时的阻抗，从而识别出孤岛状态。通过实时采集并网点电压和电流数据，分析谐波阻抗模值大小，实现风电场防孤岛保护目的，并且降低对电网电能质量的影响。该方法不存在检测盲区，可靠性高，宜在已有风电场监控系统中扩展，具有很好的工程实际应用意义，可进行大范围推广。
附图说明
图1是本发明提供的N个风电场三相电路图；
图2是本发明提供的N个风电场三相等效电路图；
图3是本发明提供的风电场防孤岛识别方法流程详细图；
图4是本发明提供的搭建的风电场仿真系统结构图；
图5是本发明提供的全功率变频风电机组并网运行过程中风电机组出口低压侧电压示意图；
图6是本发明提供的全功率变频风电机组并网运行过程中风电机组出口低压侧电流示意图；
图7是本发明提供的风电场防孤岛识别方法流程简略图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
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，否则单独的组件和功能是可选的，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。
实施例一
本发明提供一种基于谐波阻抗矩阵的风电场防孤岛识别方法，其流程图如图3和7所示，通过采集风电场并网点的电压和电流，分析各次谐波阻抗大小，计算谐波阻抗矩阵模值，判断风电场是否发生孤岛，从而实现风电场孤岛保护。本发明主要涉及风电场并网点电压和电流采集、快速傅里叶变换、对角谐波阻抗矩阵和孤岛判据等关键技术，采用的技术方案如下：
(1)以一定采样频率fs实时采集风电场并网点电压和电流数据。N个风电场三相电路图以及等效电路图如图1和2所示。
(2)设定时间间隔ΔT，对该时间段内的电压电流数据进行快速傅里叶变换(经过仿真验证，为了提高FFT的计算精度，ΔT应大于等于0.4s)，确定占比较高的谐波分量(风电机组目前主要包含5次和7次谐波)，计算谐波阻抗Zi(jnω)。N为风电场数量，
Figure BDA0001347293490000051
Ui(jnω)、Ii(jnω)分别表示不同频率下的电压和电流，Zj(jnω)为第j个风电场的等效阻抗，ZN(jnω)为第N个风电场的等效阻抗，Zgrid(jnω)为电网等效阻抗；k表示第k个风电场。
(3)列写占比较高的对角谐波阻抗矩阵Zgrid，计算模值||Zgrid||。
Figure BDA0001347293490000061
(4)对比t和t+ΔT时刻对角谐波阻抗模值大小，若||Zgrid||t+ΔT＞＞||Zgrid||t(＞＞表示远远大于)，则风电场进入孤岛状态，防孤岛保护动作，否则转到步骤(1)。
实施例二、
根据搭建的风电场发电系统对该方法的实施方案进行说明，如图4所示。图中包含7个风电场，表1为风电场容量统计表，总容量为357MW，每个风电场通过690/35kV变压器升至35kV，7个风电场通过35kV汇集，经过升压站后接入公共电网。采样频率为5000Hz，时间间隔ΔT＝0.4s。
表1
风电场 风电机组数量 总容量(MW)
1 24 36
2 28 42
3 24 36
4 28 42
5 28 42
6 48 72
7 58 87
(1)分析全功率变频风电机组并网运行过程中风电机组出口低压侧电流和电压谐波成分，电压和电流频谱图如图5和图6所示。其中，电流信号中含有较高的250Hz和350Hz的谐波成分，250Hz谐波占比为2.83％，350Hz谐波占比为2％。电压信号中同样含有较高的250和350Hz谐波成分，250Hz谐波占比为0.56％，350Hz谐波占比为0.2％。
(2)计算孤岛前后5次和7次谐波电压、电流值，如表2所示。
表2
频率 电压(V) 电流(A)
250Hz(孤岛前) 95.12 1.71
250Hz(孤岛后) 196.32 1.16
350Hz(孤岛前) 36.83 1.58
350Hz(孤岛后) 210.68 1.42
(3)计算孤岛前后5次和7次谐波阻抗值，列写对角谐波阻抗矩阵，并计算阻抗模值，比较孤岛前后对角谐波阻抗模值大小。
Figure BDA0001347293490000071
孤岛前Z250Hz＝55.63Ω，Z350Hz＝23.31Ω；孤岛后Z250Hz＝169.24Ω，Z350Hz＝148.37Ω。孤岛前后阻抗矩阵模值||Zgrid||＝1296.74Ω，||Zislanding||＝25110.14Ω。孤岛后的阻抗矩阵模值远大于孤岛前，则风电场进入孤岛状态，防孤岛保护动作。
实施例三、
基于同样的发明构思，本发明还提供一种基于谐波阻抗矩阵的风电场孤岛识别系统，包括：
计算模块，用于根据采集的风电场并网点的电压和电流，计算对角谐波阻抗矩阵模值；
判断模块，用于根据对角谐波阻抗矩阵模值判断风电场是否发生孤岛；
孤岛保护动作模块，用于当风电场进入孤岛状态，防孤岛保护动作；否则重新采集风电场并网点电压和电流，并计算对角谐波阻抗矩阵模值。
进一步地：所述计算模块，进一步包括：
采集单元，用于根据设定的采样频率实时采集风电场并网点电压和电流；
确定单元，用于对设定时间间隔内的电压电流数据进行快速傅里叶变换，并取前两个含量高的谐波分量；
第一计算单元，用于根据选取的的前两个谐波分量计算谐波阻抗；
第二计算单元，用于根据谐波阻抗计算对角谐波阻抗矩阵；
第三计算单元，用于根据对角谐波阻抗矩阵计算对角谐波阻抗矩阵模值。
进一步地：所述判断模块，进一步包括：
对比单元，用于对比当前时刻和下一时刻对角谐波阻抗矩阵模值；
判断单元，用于若下一时刻的对角谐波阻抗矩阵模值远远大于当前时刻的对角谐波阻抗矩阵模值，则判断风电场进入孤岛状态。
进一步地：所述孤岛保护动作模块，进一步包括：
动作单元，用于当风电场进入孤岛状态，防孤岛保护动作；
采集单元，用于当风电场未进入孤岛状态时，重新采集风电场并网点电压和电流；
第四计算单元，用于计算对角谐波阻抗矩阵模值。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风电场防孤岛识别方法，其特征在于：
根据采集的风电场并网点的电压和电流，计算对角谐波阻抗矩阵模值；
根据对角谐波阻抗矩阵模值判断风电场是否进入孤岛状态；
当风电场进入孤岛状态，防孤岛保护动作；否则重新采集风电场并网点电压和电流，并计算对角谐波阻抗矩阵模值；
根据采集的风电场并网点的电压和电流，计算对角谐波阻抗矩阵模值，包括：
根据预先设定的采样频率实时采集风电场并网点电压和电流；
对设定时间间隔内采集到的电压电流数据进行快速傅里叶变换，并取前两个含量高的谐波分量；
根据选取的前两个谐波分量计算谐波阻抗；
根据谐波阻抗计算对角谐波阻抗矩阵；并根据对角谐波阻抗矩阵计算对角谐波阻抗矩阵模值。
2.如权利要求1所述的风电场防孤岛识别方法，其特征在于：对设定时间间隔内采集到的电压电流数据进行快速傅里叶变换的表达式如下：
Figure FDA0003001195750000011
式中：N＝Δt×fs，x(n)为有限长离散信号，X(k)为离散信号x(n)的连续频谱；k表示第k个风电场，fs为预先设定的采样频率，Δt为设定的时间间隔。
3.如权利要求1所述的风电场防孤岛识别方法，其特征在于：按照下式计算谐波阻抗：
Figure FDA0003001195750000012
其中：i,j＝1,…N；i≠j，Zi(jnω)为谐波阻抗，N为风电场数量，Ui(jnω)、Ii(jnω)分别表示第i个风电场并网点不同频率下的电压和电流，Zj(jnω)为第j个风电场的等效阻抗，ZN(jnω)为第N个风电场的等效阻抗，Zgrid(jnω)为电网等效阻抗。
4.如权利要求1所述的风电场防孤岛识别方法，其特征在于：按照下式计算对角谐波阻抗矩阵：
Figure FDA0003001195750000021
式中：Zgrid为对角谐波阻抗矩阵，Z5为第5次谐波分量，Z7为第7次谐波分量，Zf为第f次谐波分量。
5.如权利要求4所述的风电场防孤岛识别方法，其特征在于：按照下式计算对角谐波阻抗矩阵模值：
||Zgrid||＝||Z5||×||Z7||…×||Zf||。
6.如权利要求5所述的风电场防孤岛识别方法，其特征在于：所述根据对角谐波阻抗矩阵模值判断风电场是否发生孤岛，包括：
对比当前时刻和下一时刻的对角谐波阻抗矩阵模值；
若下一时刻的对角谐波阻抗矩阵模值远远大于当前时刻的对角谐波阻抗矩阵模值，则判断风电场进入孤岛状态。
7.如权利要求6所述的风电场防孤岛识别方法，其特征在于：所述下一时刻的对角谐波阻抗矩阵模值远远大于当前时刻的对角谐波阻抗矩阵模值用下式表示：||Zgrid||t+ΔT＞＞||Zgrid||t
式中：||Zgrid||t+ΔT为t+ΔT时刻的对角谐波阻抗矩阵模值，||Zgrid||t为t时刻的对角谐波阻抗矩阵模值；t为当前时刻，ΔT为下一时刻与当前时刻之间的时刻间隔。
8.一种基于谐波阻抗矩阵的风电场防孤岛识别系统，其特征在于：包括：
计算模块，用于根据采集的风电场并网点的电压和电流，计算对角谐波阻抗矩阵模值；
判断模块，用于根据对角谐波阻抗矩阵模值判断风电场是否发生孤岛；
孤岛保护动作模块，用于当风电场进入孤岛状态，防孤岛保护动作；否则重新采集风电场并网点电压和电流，并计算对角谐波阻抗矩阵模值；
所述计算模块，进一步包括：
采集单元，用于根据设定的采样频率实时采集风电场并网点电压和电流；
确定单元，用于对设定时间间隔内的电压电流数据进行快速傅里叶变换，并取前两个含量高的谐波分量；
第一计算单元，用于根据选取的前两个谐波分量计算谐波阻抗；
第二计算单元，用于根据谐波阻抗计算对角谐波阻抗矩阵；
第三计算单元，用于根据对角谐波阻抗矩阵计算对角谐波阻抗矩阵模值。
9.如权利要求8所述的风电场防孤岛识别系统，其特征在于：所述判断模块，进一步包括：
对比单元，用于对比当前时刻和下一时刻对角谐波阻抗矩阵模值；
判断单元，用于若下一时刻的对角谐波阻抗矩阵模值远远大于当前时刻的对角谐波阻抗矩阵模值，则判断风电场进入孤岛状态。
10.如权利要求8所述的风电场防孤岛识别系统，其特征在于：所述孤岛保护动作模块，进一步包括：
动作单元，用于当风电场进入孤岛状态，防孤岛保护动作；
采集单元，用于当风电场未进入孤岛状态时，重新采集风电场并网点电压和电流；
第四计算单元，用于计算对角谐波阻抗矩阵模值。
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