CN109830972A - 一种新能源场站振荡源快速识别系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种本发明公开了一种新能源场站振荡源快速识别系统及方法，当场站内系统发生谐振时，首先通过双谱分析分离强迫振荡信号和系统中其他随机噪声信号的频谱，并得出强迫振荡的中心频率，再利用小波变换获得振荡中心频率的相位信息，根据所获得相位信息计算系统暂态能量的流向，判断强迫振荡扰动源是否位于新能源场站内。若扰动源位于新能源场站内，测量发电基地端口电压、电流幅值、相位信息，计算母线多个发电单元的端口阻抗曲线，对比判断阻抗曲线，在振荡频率附近阻抗特性偏离同类发电装备的程度越大，其为扰动源的可能性越大。本发明使得场站内振荡发生时，能够及时发现扰动源所在位置，消除振荡，继续稳定运行。

Description

一种新能源场站振荡源快速识别系统及方法

技术领域

本发明涉及新能源场站的功率振荡领域，具体涉及一种新能源场站振荡源快速识别系统及方法。

背景技术

近年来，我国新能源资源的开发利用发展迅速，预计到2020 年，全国新能源发电装机容量可达4.1×108 kW。由于新能源电站的发电量受天气影响明显，具有随机性、间歇性和波动性的特点，功率振荡问题成为影响新能源系统安全并网运行的关键问题。强迫振荡具有明确的扰动源，起振快，表现为持续的等幅振荡，当扰动源切除后，振幅迅速衰减。因此，快速准确地定位扰动源是抑制强迫振荡首先需要考虑的问题。

实际电网发生强迫振荡时，扰动源很难及时被发现和切除，扰动源的定位受到了国内外学者越来越多的关注。振荡的检测和控制技术已经向在线计算、实时匹配、及时控制的方向发展。在线计算方法基本上都是基于固定模型参数及其相应的微分代数方程(differential algebraic equation，DAE)，该方法高度依赖于模型假设和系统参数的准确性和可信性，对设备异常或模型不准确往往无能为力。根据近年来多次电网振荡事件的统计，多数振荡往往由发电机控制系统异常或者局部电网振荡引起。因此，对电力系统振荡源识别的要求是能不依赖于模型参数进行快速识别，而且可以通过实测数据校核关键发电装备控制系统模型与参数。传统的能量函数法主要针对区域振荡模式，通过关键节点所连接支路的势能流入、流出节点情况在线判断扰动源的大致方位，但是利用能量函数法定位低频振源的不足之处是在于算法复杂不利于扰动源的快速定位，且电网频率偏移产生的相位计算误差会造成误定位。因此需要一种新的振荡源识别方法，能够对振荡源快速定位，在控制成本的基础上提高新能源场站的供电可靠性，使得新能源场站在振荡发生时能继续稳定运行。

发明内容

本申请提供的具体方案如下：

一种新能源场站振荡源快速识别系统，包括发电单元，信号单元，变电单元，所述信号单元包括采样单元和信号分析处理单元，所述信号分析处理单元包括信号分析处理单元一和信号分析处理单元二，所述变电单元包括交流电输入端、交流电输入开关、PWM整流器、PWM逆变器、滤波器、变压器、交流母线；所述交流电输入端、交流电输入开关、PWM整理器、PWM逆变器、滤波器、变压器、交流母线依次连接；所述滤波器分别接在PWM整流器输入端和PWM逆变器输出端，所述接在PWM整流器输入端和PWM逆变器输出端的滤波器的输出端通过信号传输线与信号分析处理单元二的输入端相连。

所述采样单元包含有阻抗测量设备，所述发电单元、采样单元和变电单元依次连接；所述信号分析处理单元一的输入端通过信号传输线与采样单元的输出端连接，所述信号分析处理单元二的输出端与阻抗测量设备的输入端相连接；所述PWM整流器和所述PWM逆变器均采用完全相同的电路结构，所述电路结构可以为IGBT三相半桥。

一种新能源场站振荡源快速识别方法，包括以下步骤：

S1.接收强迫震荡信号，并判断强迫振荡扰动源是否位于新能源场站内；

S2.若振荡扰动源位于新能源场站内，向发电装备注入扰动信号；

S3.检测每个独立发电单元端口阻抗；

S4.将与其他发电单元的端口阻抗相差最大的发电单元作为震荡源。

步骤1所述的判断强迫振荡扰动源是否位于新能源场站内包括以下步骤：

S11.分离强迫振荡信号和系统中其他随机噪声信号的频谱，求得强迫振荡的中心频率；

S12.利用小波变换获得振荡中心频率的相位信息，根据所获得相位信息计算系统暂态能量的流向，通过流向判断强迫振荡扰动源是否位于新能源场站内。

其中步骤11所述的分离信号的方法采用双谱分析，同时获得幅值和相位信息。

步骤2所述的扰动信号为谐振频率附近的扰动信号，谐振频率通过采样单元测量注入扰动信号前的发电装备端口电压、电流幅值、相位信息，并通过信号分析处理单元一对实时波形进行DFT分析，确定谐振频率。

步骤4所述的确定阻抗相差最大的发电单元包括以下步骤：

S41.提取当前谐振频率附近各独立单元端口阻抗Z，并求取阻抗幅值和相位的平均值；

S42.利用标准差法，分别求出阻抗幅值和相位的标准差；

S43.由阻抗幅值和相位的标准差，求出总标准差，将标准差最大的发电单元确定为振荡源，并将该振荡源切除。

其中步骤41所述的求取平均值表示为：，；其中为发电单元1在频率f ₁ 处的阻抗幅值，为发电单元n在频率f ₁ 处的阻抗幅值，n为发电单元的个数，为发电单元1在频率f ₁ 处的相位，为发电单元n在频率f ₁ 处的相位，为所有发电单元在频率f ₁ 处的阻抗幅值平均值，为所有发电单元在频率f ₁ 处的相位平均值，以此类推可得在谐振频率附近的其他频率点的阻抗幅值平均值，，…和相位平均值，，…。

其中步骤42所述的利用标准差法求取标准差表示为；，；其中S ₁ 为发电单元1在谐振频率附近阻抗幅值标准差，W ₁ 为发电单元1在谐振频率附近阻抗相位标准差，N为在谐振频率附近取的频率点个数，以此类推可得在其他发电单元的阻抗幅值标准差S ₂ ，…S _n 和阻抗相位标准差W ₂ ，…W _n 。

其中步骤43所述的求取总的标准差表示为：；其中S ₁ 为发电单元1在谐振频率附近的阻抗幅值标准差，W ₁ 为发电单元1在谐振频率附近的阻抗相位标准差，G ₁ 为发电单元1在谐振频率附近的阻抗标准差。

有益效果：

1. 本发明采用分步定位方法，首先确定强迫振荡扰动源是否位于新能源场站内，可提高定位效率，首先在新能源场站层面做定位可减少一部分强迫振荡扰动源在新能源场站外的系统计算量。

2.本发明采用双谱分析分离强迫振荡信号和系统中其他随机噪声信号的频谱，不仅能反映信号的幅值信息，而且能够反映信号的相位信息。比传统的功率谱更有优势。并且双谱是处理非高斯性、非线性、非因果、非最小相位、高斯有色噪声或盲信号的有力工具，理论上完全抑制高斯噪声的干扰。

3.本发明在采样单元中设有阻抗测量设备，在检测到强迫震荡后，区别于目前在线定位的方法采用被动定位的模式通过原有的扰动基础来对震荡源进行定位，本系统是采用主动定位的模式向每一个有可能成为扰动源的发电单元注入扰动信号后对扰动源进行机理上的排查，即能够成为扰动源的发电单元必然有区别于正常发电单元的阻抗，筛选偏离最大阻抗所对应的发电单元。

4.本发明优选注入扰动信号为谐振频率附近的扰动信号，可最大限度地模拟强迫振荡扰动源对其他以及自身发电单元的影响和所在工况，从而能够提高找到最初强迫振荡扰动源的准确率。

5.本发明利用标准差法定量分析每个发电单元偏离一般端口阻抗的偏离度，求出每个发电单元在谐振频率附近总的标准差，将总标准差最大的确定为振荡源；此方法是目前最为快捷，简便，定量分析数值偏离普通标准程度的方法。

附图说明

图1是本发明新能源场站电力系统结构及运行模式图；

图2是本发明振荡源识别运行模式方法流程图；

图3是本发明判断强迫振荡扰动源是否位于新能源场站内的流程图；

图4是本发明确定阻抗相差最大的发电单元的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

如图1所示，一种新能源场站振荡源快速识别系统，包括发电单元，信号单元，变电单元；所述信号单元包括采样单元和信号分析处理单元，所述采样单元包含有阻抗测量设备，所述发电单元、采样单元和变电单元依次连接；所述信号分析处理单元包括信号分析处理单元一和信号分析处理单元二，所述信号分析处理单元一的输入端通过信号传输线与采样单元的输出端连接，所述信号分析处理单元二的输出端与阻抗测量设备的输入端相连接；所述变电单元包括交流电输入端、交流电输入开关、PWM整流器、PWM逆变器、滤波器、变压器、交流母线；所述交流电输入端、交流电输入开关、PWM整理器、PWM逆变器、滤波器、变压器、交流母线依次连接；所述滤波器分别接在PWM整流器输入端和PWM逆变器输出端，所述接在PWM整流器输入端和PWM逆变器输出端的滤波器的输出端通过信号传输线与信号分析处理单元二的输入端相连；所述PWM整流器和所述PWM逆变器均采用完全相同的电路结构，所述电路结构可以为IGBT三相半桥。

根据图2，本发明新能源场站振荡源快速识别方法包括以下步骤：

步骤S1：当场站内系统发生谐振时，通过信号分析处理单元二判断强迫振荡扰动源是否位于新能源场站内。具体方法可如图3所示，首先分离强迫振荡信号和系统中其他随机噪声信号的频谱，其分离方法可以为双谱分析，同时求得强迫振荡的中心频率，再利用小波变换获得振荡中心频率的相位信息，根据所获得相位信息计算系统暂态能量的流向，通过流向判断强迫振荡扰动源是否位于新能源场站内；

步骤S2：若振荡扰动源位于新能源场站内，通过信号分析处理单元二将此信息传送给采样单元，由采样单元中的阻抗测量设备向发电装备注入扰动信号，所述扰动信号可以为谐振频率附近的扰动信号，谐振频率通过采样单元测量注入扰动信号前的发电装备端口电压、电流幅值、相位信息，并通过信号分析处理单元一对实时波形进行DFT分析，确定谐振频率；

步骤S3：通过采样单元检测多个同类发电单元中每个独立发电单元端口电压、电流信息，计算当前稳态点单个独立发电单元端口阻抗，绘制宽频域阻抗特性曲线，对比确定多个同类发电单元中与其他发电单元的端口阻抗相差最大的该发电单元作为震荡源；

可以使用图4所示的方法，在多个同类发电单元中识别偏离一般端口阻抗最大的发电单元：

步骤S4：选取一个数值作为一般端口阻抗；具体选取过程如下：

提取当前谐振频率附近f ₁ 处各独立单元端口阻抗Z，并求取阻抗幅值和相位的平均值：

，

为发电单元1在频率f ₁ 处的阻抗幅值，为发电单元n在频率f ₁ 处的阻抗幅值，n为发电单元的个数，为发电单元1在频率f ₁ 处的相位，为发电单元n在频率f ₁ 处的相位，为所有发电单元在频率f ₁ 处的阻抗幅值平均值，为所有发电单元在频率f ₁ 处的相位平均值，以此类推可得在谐振频率附近的其他频率点的阻抗幅值平均值，，…和相位平均值，，…。

步骤S5：利用标准差法定量分析每个发电单元偏离一般端口阻抗的偏离度；具体为分别求出各发电单元阻抗幅值和相位的标准差；

，

S ₁ 为发电单元1在谐振频率附近阻抗幅值标准差，W ₁ 为发电单元1在谐振频率附近阻抗相位标准差，N为在谐振频率附近取的频率点个数，以此类推可得在其他发电单元的阻抗幅值标准差S ₂ ，…S _n 和阻抗相位标准差W ₂ ，…W _n ，最后求出每个发电单元在谐振频率附近总的标准差，将标准差最大的确定为振荡源。

求出每个发电单元在谐振频率附近总的标准差，将总标准差最大的确定为振荡源。

S ₁ 为发电单元1在谐振频率附近的阻抗幅值标准差，W ₁ 为发电单元1在谐振频率附近的阻抗相位标准差，G ₁ 为发电单元1在谐振频率附近的阻抗标准差。以此类推可得G ₂ ，G ₃ ，…G _n 。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (11)

1.一种新能源场站振荡源快速识别系统，包括发电单元，信号单元，变电单元，其特征在于所述信号单元包括采样单元和信号分析处理单元，所述信号分析处理单元包括信号分析处理单元一和信号分析处理单元二，所述变电单元包括交流电输入端、交流电输入开关、PWM整流器、PWM逆变器、滤波器、变压器、交流母线；所述交流电输入端、交流电输入开关、PWM整理器、PWM逆变器、滤波器、变压器、交流母线依次连接；所述滤波器分别接在PWM整流器输入端和PWM逆变器输出端，所述接在PWM整流器输入端和PWM逆变器输出端的滤波器的输出端通过信号传输线与信号分析处理单元二的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的新能源场站振荡源快速识别系统，其特征在于：所述采样单元包含有阻抗测量设备，所述发电单元、采样单元和变电单元依次连接；所述信号分析处理单元一的输入端通过信号传输线与采样单元的输出端连接，所述信号分析处理单元二的输出端与阻抗测量设备的输入端相连接；所述PWM整流器和所述PWM逆变器均采用完全相同的电路结构。

3.根据权利要求2所述的新能源场站振荡源快速识别系统，其特征在于所述电路结构为IGBT三相半桥。

4.一种新能源场站振荡源快速识别方法，其特征在于包括以下步骤：

S1.接收强迫震荡信号，并判断强迫振荡扰动源是否位于新能源场站内；

S2.若振荡扰动源位于新能源场站内，向发电装备注入扰动信号；

S3.检测每个独立发电单元端口阻抗；

S4.将与其他发电单元的端口阻抗相差最大的发电单元作为震荡源。

5.根据权利要求4所述的新能源场站振荡源快速识别方法，其特征在于步骤1所述的判断强迫振荡扰动源是否位于新能源场站内包括以下步骤：

S11.分离强迫振荡信号和系统中其他随机噪声信号的频谱，求得强迫振荡的中心频率；

S12.利用小波变换获得振荡中心频率的相位信息，根据所获得相位信息计算系统暂态能量的流向，通过流向判断强迫振荡扰动源是否位于新能源场站内。

6.根据权利要求5所述的新能源场站振荡源快速识别方法，其特征在于步骤11所述的分离信号的方法采用双谱分析，同时获得幅值和相位信息。

7.根据权利要求4所述的新能源场站振荡源快速识别方法，其特征在于步骤2所述的扰动信号为谐振频率附近的扰动信号，谐振频率通过采样单元测量注入扰动信号前的发电装备端口电压、电流幅值、相位信息，并通过信号分析处理单元一对实时波形进行DFT分析，确定谐振频率。

8.根据权利要求4所述的新能源场站振荡源快速识别方法，其特征在于步骤4所述的确定阻抗相差最大的发电单元包括以下步骤：

S41.提取当前谐振频率附近各独立单元端口阻抗Z，并求取阻抗幅值和相位的平均值；

S42.利用标准差法，分别求出阻抗幅值和相位的标准差；

S43.由阻抗幅值和相位的标准差，求出总标准差，将标准差最大的发电单元确定为振荡源，并将该振荡源切除。

9.根据权利要求8所述的新能源场站振荡源快速识别方法，其特征在于步骤41所述的求取平均值表示为：，；其中为发电单元1在频率f ₁ 处的阻抗幅值，为发电单元n在频率f ₁ 处的阻抗幅值，n为发电单元的个数，为发电单元1在频率f ₁ 处的相位，为发电单元n在频率f ₁ 处的相位，为所有发电单元在频率f ₁ 处的阻抗幅值平均值，为所有发电单元在频率f ₁ 处的相位平均值，以此类推可得在谐振频率附近的其他频率点的阻抗幅值平均值，，…和相位平均值，，…。

10.根据权利要求8所述的新能源场站振荡源快速识别方法，其特征在于步骤42所述的利用标准差法求取标准差表示为；，；其中S ₁ 为发电单元1在谐振频率附近阻抗幅值标准差，W ₁ 为发电单元1在谐振频率附近阻抗相位标准差，N为在谐振频率附近取的频率点个数，以此类推可得在其他发电单元的阻抗幅值标准差S ₂ ，…S _n 和阻抗相位标准差W ₂ ，…W _n 。

11.根据权利要求8所述的新能源场站振荡源快速识别方法，其特征在于步骤43所述的求取总的标准差表示为：；其中S ₁ 为发电单元1在谐振频率附近的阻抗幅值标准差，W ₁ 为发电单元1在谐振频率附近的阻抗相位标准差，G ₁ 为发电单元1在谐振频率附近的阻抗标准差。