CN113300405B - 一种具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法及系统，涉及风力发电技术领域。所述方法包括：根据风电机组网侧实时信息，进行孤岛检测，判断风电机组是否处于孤岛状态；当判断风电机组处于孤岛状态，则进一步判断风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式；当判断风电机组应当进入孤岛故障穿越模式，则改变风电机组的控制模型，采用孤岛故障穿越控制策略，进入孤岛故障穿越模式；根据风电机组网侧实时信息，判断风电机组是否已经恢复至并网状态，确定孤岛保护是否应当动作。本发明可以使得风电机组在保障自身安全的前提下，穿越暂时性孤岛故障，可以有效平衡风机冗余功率，及时调整风机出力可以减少耗能装置散热，增加使用寿命。

Description

一种具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法及系统
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法及系统。
背景技术
目前，海上风电并网方案多采用以风电场群为单位的集中接入模式，可以降低工程成本又可以提高电网对接入风电场的控制能力，经济上和技术上优势相比于各风电场分散接入优势明显。海上风电并网采用的输电方式通常采用高压交流输电或柔性直流输电，根据风电场离岸距离的远近采用不同的输电方式。高压交流输电的优势在于技术成熟、价格低廉，但受充电功率的限制，输送距离难以超过80km，一般适用于近海风电接入电网。对于离岸距离超过80km的海上风电场集中接入，采用柔性直流输电技术几乎是唯一的选择。
从发展方向来看，投产并网的海上风电机组将具备一定的故障穿越能力、较强的电网适应能力甚至还具备一定的调频能力，风电机组的调控能力将大幅提高。随着电力技术的发展，风电机组的要求也随之越来越高，风电机组现有的保护和控制应当进行相应的调整。当风电机组由于暂时性故障或误操作进入孤岛状态后，风电机组交流侧电压会急剧升高，在满足一定的安全性要求下，风电机组应当具备高电压故障穿越能力，保障风电机组在一段时间内不脱网。
发明内容
本发明目的在于，提供一种具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法及系统，以解决现有的孤岛保护在检测到风电机组进入孤岛状态后，只能采用停机的方法来应对孤岛工况的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法，包括：
根据风电机组网侧实时信息，进行孤岛检测，判断风电机组是否处于孤岛状态；其中，所述实时信息包括电气量信息和断路器状态信息；所述电气量信息包括风电机组网侧电压、电流、频率和频率的变化率；所述断路器状态信息包括升压站或柔直换流站的断路器的状态信息；
当判断风电机组处于孤岛状态，则进一步判断风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式；
当判断风电机组应当进入孤岛故障穿越模式，则改变风电机组的控制模型，采用孤岛故障穿越控制策略，进入孤岛故障穿越模式；
根据风电机组网侧实时信息，判断风电机组是否已经恢复至并网状态，确定孤岛保护是否应当动作。
优选地，所述根据风电机组网侧实时信息，进行孤岛检测，判断风电机组是否处于孤岛状态，包括：
根据风电机组网侧实时信息中，风电机组网侧电压、电流、频率和频率的变化率是否超过对应的阈值，判断风电机组是否处于孤岛状态。
优选地，所述当判断风电机组处于孤岛状态，则进一步判断风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式，包括：
根据风电机组的实验数据或历史运行数据，构建参考模型；
将实验数据或历史运行数据作为已知数据对所述参考模型进行训练；
将风电机组网侧实时信息作为所述参考模型的输入，判断风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式。
优选地，所述当判断风电机组应当进入孤岛故障穿越模式，则改变风电机组的控制模型，采用孤岛故障穿越控制策略，进入孤岛故障穿越模式，包括：
改变风电机组网侧变流器锁相控制方法，为风电机组网侧换流器提供准确的相位信号；
启动风电机组的能量平衡模块，耗散或存储不平衡能量；
调整风电机组的控制参数，降低风电机组有功出力，并调整风电机组的发出的无功功率，进入孤岛故障穿越模式。
本发明实施例还提供一种具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护系统，包括：
实时信息分析模块，用于根据风电机组网侧实时信息，进行孤岛检测，判断风电机组是否处于孤岛状态；其中，所述实时信息包括电气量信息和断路器状态信息；所述电气量信息包括风电机组网侧电压、电流、频率和频率的变化率；所述断路器状态信息包括升压站或柔直换流站的断路器的状态信息；
故障穿越判断模块，用于在判断风电机组处于孤岛状态时，进一步判断风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式；
故障穿越控制模块，用于在判断风电机组应当进入孤岛故障穿越模式时，改变风电机组的控制模型，采用孤岛故障穿越控制策略，进入孤岛故障穿越模式；
孤岛保护动作模块，用于根据风电机组网侧实时信息，判断风电机组是否已经恢复至并网状态，确定孤岛保护是否应当动作。
优选地，所述实时信息分析模块还用于根据风电机组网侧实时信息中，风电机组网侧电压、电流、频率和频率的变化率是否超过对应的阈值，判断风电机组是否处于孤岛状态。
优选地，所述故障穿越判断模块还用于：
根据风电机组的实验数据或历史运行数据，构建参考模型；
将实验数据或历史运行数据作为已知数据对所述参考模型进行训练；
将风电机组网侧实时信息作为所述参考模型的输入，判断风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式。
优选地，所述故障穿越控制模块还用于：
改变风电机组网侧变流器锁相控制方法，为风电机组网侧换流器提供准确的相位信号；
启动风电机组的能量平衡模块，耗散或存储不平衡能量；
调整风电机组的控制参数，降低风电机组有功出力，并调整风电机组的发出的无功功率，进入孤岛故障穿越模式。
本发明实施例还提供一种计算机终端设备，包括一个或多个处理器和存储器。存储器与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述任一实施例所述的具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一实施例所述的具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法。
本发明实施例的具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法中，
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法，包括：根据风电机组网侧实时信息，进行孤岛检测，判断风电机组是否处于孤岛状态；其中，所述实时信息包括电气量信息和断路器状态信息；所述电气量信息包括风电机组网侧电压、电流、频率和频率的变化率；所述断路器状态信息包括升压站或柔直换流站的断路器的状态信息；当判断风电机组处于孤岛状态，则进一步判断风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式；当判断风电机组应当进入孤岛故障穿越模式，则改变风电机组的控制模型，采用孤岛故障穿越控制策略，进入孤岛故障穿越模式；根据风电机组网侧实时信息，判断风电机组是否已经恢复至并网状态，确定孤岛保护是否应当动作。本发明可以使得风电机组在保障自身安全的前提下，穿越暂时性孤岛故障，可以有效平衡风机冗余功率，及时调整风机出力可以减少耗能装置散热，增加使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式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方式，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。
图1是本发明某一实施例提供的具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法的流程示意图；
图2是本发明另一实施例提供的具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法的流程示意图；
图3是本发明某实施例提供的采用智能算法实现判定风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式的流程图；
图4是发明某一实施例提供的采用全功率变流器的风电机组孤岛故障穿越控制框图；
图5是本发明某一实施例提供的风电机组网侧变流器在孤岛故障穿越阶段的控制系统结构；
图6是本发明某一实施例提供的风电机组网侧变流器在孤岛故障穿越阶段的控制方法的流程示意图；
图7是本发明某一实施例提供的具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护系统的结构示意图；
图8是本发明某一实施例提供的计算机终端设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不作为对步骤执行先后顺序的限定。
应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
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。计划孤岛多应用于配电网，当配电网故障时将其转化为计划孤岛运行方式，使配电网停电损失最小。同时计划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。非计划孤岛产生的原因可能是以下一种或几种：(1)电网检测到故障并将电网侧的断路器跳开，但发电装置未能检测出故障而继续运行；(2)由于电网设备出故障致使正常供电意外中断；(3)电网维修造成了供电中断；(4)工作人员出现误操作；(5)自然灾害。
为了防止非计划孤岛对发电装置或者负荷造成影响，首先需要检测并确定系统进入孤岛状态，然后进一步调整系统的工作方式保障设备的安全。针对微网系统或者有源配网系统、集中式以及分布式新能源发电系统(风电或光伏)进入孤岛状态后的调整策略根据各自特点各不相同，本发明实施例主要讨论采用集中并网的海上风电系统的孤岛保护。海上风电送出系统的特点是海上交流系统输电部分采用的是海底电缆，由于存在电容效应，当海上交流系统因发生故障或者误操作进入孤岛状态后，极易引起系统电压的异常升高。
海上风电场送出系统有概率因为上述多种原因，如高压交流海缆末端无故障三相跳闸等故障或误操作，使得风电场进入非计划孤岛状态。大规模海上风电场处于主网的末端，依赖于并网运行，又由于海上风电场成为电力孤岛后负荷量远小于电源容量，所以一旦由于种种原因导致的电能外送通道阻断，海上风电场将无法正常运行。现有的成果中利用风电机组的孤岛保护来使得风电场中风电机组脱网以保护风电设备。现有技术中，孤岛保护策略在检测到风电机组进入孤岛状态后，只能采用停机的方法来应对孤岛工况，但是如果遇到瞬时性故障，可能故障只持续数秒或数分钟，待故障清除系统连接断路器重合后，还需要重新启动风电机组，风机的频繁启停会严重危害设备寿命。
因此，需要对风电机组现有的孤岛保护方法进行改进，在检测到风电系统进入孤岛状态后并不立即下发风机脱网指令，而是采用一定的控制策略使得风电机组“虚接”至系统，在一定时间内维持孤岛状态，采用适当的控制策略是为了控制电压、电流等电气量不超标以保障风电机组设备的安全。如果风电送出系统的交流部分发生了暂时性故障，当故障清除后，风电机组由于虚接至系统可以转换控制策略恢复至正常的运行状态从而继续发电。如果风电送出系统的交流部分发生永久性故障，风机长时间处于孤岛状态可根据实际情况选择继续虚拟连接还是退出系统。
请参阅图1-2，图1为本发明某一实施例提供的具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法的流程示意图，图2为本发明另一实施例提供的具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法的流程示意图。在本实施例中具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法，包括以下步骤：
S110，根据风电机组网侧实时信息，进行孤岛检测，判断风电机组是否处于孤岛状态；其中，所述实时信息包括电气量信息和断路器状态信息；所述电气量信息包括风电机组网侧电压、电流、频率和频率的变化率；所述断路器状态信息包括升压站或柔直换流站的断路器的状态信息；
S120，当判断风电机组处于孤岛状态，则进一步判断风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式；
S130，当判断风电机组应当进入孤岛故障穿越模式，则改变风电机组的控制模型，采用孤岛故障穿越控制策略，进入孤岛故障穿越模式；
S140，根据风电机组网侧实时信息，判断风电机组是否已经恢复至并网状态，确定孤岛保护是否应当动作。
在本发明实施例中，步骤S110，根据风电机组网侧实时信息，进行孤岛检测，判断风电机组是否处于孤岛状态。步骤S110的目的在于判断风电机组是否由正常运行状态转换至孤岛状态。
正常运行状态是指风电机组正常并网发电状态，风电机组采用最大功率跟踪策略控制有功出力，采用定变流器直流电压控制保障有功平衡，同时根据需要控制注入电网的有功功率，且风电机组的故障穿越模块未投入运行。孤岛状态是指由于故障或者误操作，海上升压站断路器跳开或者直流换流站闭锁等原因导致风电场与大电网间脱离，但风电机组的并网开关并未断开。风电机组网侧实时信息包括电气量信息以及断路器状态信息。电气量信息包括风电机组网侧电压、电流、频率和频率的变化率等；断路器状态信息包括海上升压站或柔直换流站中断路器是否动作信息。
判断风电机组是否处于孤岛状态的方法有很多，包括利用电气量信息判断是否超过对应阈值来判断是否进入孤岛状态等。若电气量信息中的风电机组网侧电压、电流、频率或频率的变化率，超过其相应的阈值则进入孤岛，否则认为是正常运行过程中受到的扰动。如果风电机组由正常并网状态进入孤岛状态则进入步骤S120，否则按照正常控制策略继续运行。
在本发明实施例中，步骤S120，当判断风电机组处于孤岛状态，则进一步判断风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式。步骤S120的目的在于判断风电机组当前的电气量信息是否超出风电机组的调控能力，以权衡风电机组是否应当进入孤岛穿越状态。如果风电机组应当进入孤岛状态则进入步骤S130，否则立即下发停机指令。
判断风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式的方法，包括：采用离线仿真确定的电气量阈值上限判断方法和采用智能算法模型的判断方法。采用离线仿真确定的电气量阈值上限判断方法，可以是设定特定电气量的上限阈值，如最高交流侧电压和(或)最大电压畸变率和(或)最大电压变化率等；当电气量超过其设定的上限阈值时，即可认为当前故障较为严重，风电机组继续长时间并网可能会损害设备，或者风电机组在此较为恶劣的环境下其控制性能较差，强制进入故障穿越状态可能会穿越失败，此时判定风电机组不应当进入孤岛故障穿越状态，应当立即下发脱网信号。对于不同容量、不同类型的风电机组，由各自的调控能力和耐受能力不同，提前设定的上限阈值应当各不相同。相应的判定阈值可由生产厂家提供或通过离线仿真确定。
本发明实施例还提供一种判断风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式的方法，包括：根据风电机组的实验数据或历史运行数据，构建参考模型；将实验数据或历史运行数据作为已知数据对所述参考模型进行训练；将风电机组网侧实时信息作为所述参考模型的输入，判断风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式。
本实施例利用神经网络、层次分析法、机器学习等智能算法参考模型进行判定，所述参考模型的输入量为风电机组各个电气量信息，输出为逻辑变量表征是否应当进入孤岛故障穿越模式。利用大量实测试验数据对所述模型进行训练，利用训练好的模型即可根据风电机组网侧电气量信息判定出风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式。采用智能算法实现判定风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式的流程图如图3所示，包括以下步骤：
步骤S121，收集风电机组实验或历史运行数据。所需收集的数据为风电机组故障穿越失败时对应的网侧电压、电流、频率等电气量及其变化率，必要时可以收集故障前风机转速、风速、桨距角、传输功率、风机的运行状态数据。收集的实验数据包括风电机组仿真数据或现场实验实测数据，历史运行数据是指风机在运行过程中收集到的数据。
步骤S122，构建基于智能算法的数学模型，并将参数初始化。所述的智能算法为可以实现机器学习的智能算法，比如BP神经网络、层析分析法、专家系统法等。构建数学模型的输入变量为风电场的状态变量包括风电机组网侧电气量等，输出变量为逻辑变量表征风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式。不同智能算法的建模方法不尽相同，在此不再赘述。建立模型后其中的参数，如神经网络中的层数、每层神经元的个数、层与层间的传递函数等参数，需要先设置初值。
步骤S123，利用已有数据对模型进行训练，确定参数的最优值并对模型的合理性进行检验。不同智能算法确定其中相应参数的方法及检验模型方法不尽相同，在此不再赘述。
步骤S124，检测风机实际网侧信息作为模型输入。风电机组在实际并网运行过程中通过实时检测网侧点信息，作为训练好的模型的输入参数。
步骤S125，利用模型计算，得到判定结果。利用训练好的模型计算得到当前风机网侧信息对应的逻辑以判断风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式。
在本发明实施例中，步骤S130，当判断风电机组应当进入孤岛故障穿越模式，则改变风电机组的控制模型，采用孤岛故障穿越控制策略，进入孤岛故障穿越模式。
在某一实施例中，步骤S130，可以细化为：改变风电机组网侧变流器锁相控制方法，为风电机组网侧换流器提供准确的相位信号；启动风电机组的能量平衡模块，耗散或存储不平衡能量；调整风电机组的控制参数，降低风电机组有功出力，并调整风电机组的发出的无功功率，进入孤岛故障穿越模式。
请参阅图4，图4为本发明某一实施例提供的采用全功率变流器的风电机组孤岛故障穿越控制框图。风电场由于故障或误操作进入孤岛状态时，由于集电系统的电容效应极易引起风电机组网侧电压的异常升高，同时暂态过程中电压波形会发生畸变，风电机组由于不能及时调整出力，风机转速会快速升高。提出的孤岛故障穿越控制方法需要应对上述三种问题，风电机组在孤岛故障下仍旧可控，并在一段时间内保持联网状态。本实施例提供的采用全功率变流器的风电机组孤岛故障穿越控制，在判定应当执行孤岛穿越模式后，风电机组网侧变流器的相角θ由锁相环给定，转换为由式θ＝θ0+w0t给定，其中，θ为相角；θ0为进入孤岛状态后的初相角；w0为额定角频率；t为时间，确认孤岛穿越时t对应为0。然后，在直流电压超限时，投入风电机组能量平衡模块，耗散或存储不平衡能量。进一步修改风电机组机侧换流器中有功参考值、风机桨距角参考值，将风电机组网侧换流器的控制策略改为内环限有功电流控制，并修改无功参考值。
本发明实施例提出的风电机组孤岛故障穿越控制方法主要包括改变网侧变流器锁相控制方式、投入耗能回路、减小风机出力三个方面。由于风电机组机型、硬件配置的差异，各自采用的故障穿越控制策略不尽相同，可以为其中一种或多种的组合。本发明实施例提出的孤岛故障穿越控制策略与现有方法的不同之处在于，采用高电压故障穿越方法耗散冗余功率的同时及时降低风电机组出力，可有效降低耗能回路的散热问题，提高硬件设备的使用寿命。
1)改变网侧变流器锁相控制方式
风电机组网侧换流器在正常并网时采用的控制方法是基于海上交流电网是电压平衡且无畸变的理想情况下设计的。但由于故障或误操作是的风电场孤岛运行时，风电机组的网侧电压会发生畸变和不平衡。风电机组网侧换流器中采用的锁相环同步技术的目的是使得锁相环的输出跟踪电网电压矢量的相位，但故障后的控制效果较差，需要调整原有的锁相方式。可选的锁相技术包括：基于解耦单同步参考系下的锁相环(SRF-PLL)技术、基于解耦双同步参考系下的锁相环(DDSRF-PLL)技术。
适用于电网电压波动的锁相环技术，引入自抗扰动算法、状态观测器等非线性控制算法代替传统的PI环节，改变锁相环的相环结构以提高锁相环的动态性能，使得其能在非理想的工况下为网侧换流器提供准确信号。此外，还可用基于“虚拟同步机”概念的功率同步控制代替锁相环，类似的可以利用双同步参考系解耦方法、引入非线性控制算法代替PI环节等方法提高功率同步环的动态性能。对于全功率换流器型的风电机组，其网侧变流器可取消锁相环，其相角按照类似柔直系统向无源网络供电时的设计方法，由公式：θ＝θ0+w0t给定，其中，θ为相角；θ0为进入孤岛状态后的初相角；w0为额定角频率；t为时间，确认孤岛穿越时t对应为0。
2)启动风电机组能量平衡模块，耗散或存储不平衡能量
由于发生故障后，风电机组的有功输出通道阻塞，风机发出的有功与送出的之间存在差额，会造成风电机组内部电压电流超标，会对设备造成损害。现有的风电机组为了实现低电压穿越、高电压穿越配置有能量平衡模块，如卸荷电路或储能装置，以耗散或存储风电机组产生的不平衡能量。卸荷电路的拓扑结构有斩波电路、MMC模块化结构等等，本质上是利用耗能电阻将冗余的电能转化为热能消耗掉；储能装置的类型有超级电容、蓄电池等等，用于临时存储不平衡能量。相应的控制方式基本类似，当风电机组某些电气量如直流母线电压、转子电流等超过设定上限时，认为进入故障穿越状态，投入对应的能量平衡模块。
3)调整风电机组控制参数，降低风电机组有功出力，合理调节发出的无功
风电机组如果不及时降低其有功出力，即便启动了能量平衡模块，也会造成：卸荷电路长时间发热降低使用寿命、储能装置达到能量存储上限影响故障穿越效果、风机转速超过额定值触发超速保护等；或者出现风电机组间相互传送功率的情况。因此，需要减小风机换流器有功参考值、风机桨距角等风电机组的控制参数，降低风电机组的有功出力。但由于孤岛故障发生后系统频率变化特别剧烈，采用公式方法确定功率参考值会出现功率参考值偏大的可能，达不到减出力的目的。因此，采用预设功率曲线、桨距角预设曲线的方法给定风电机组有功参考值、桨距角参考值，以达到从根本上降低风机出力的目的。相应的预设自定义曲线可由线下仿真确定。
风电机组在处于故障穿越阶段时，由于风电机组能力平衡模块的投入，其网侧换流器的定直流电压控制已经失效，可将网侧换流器的有功类控制转化为内环限有功电流控制，内环有功电流上限可调整至1.1到1.2倍的额定值，防止换流器电流超限。
由于网侧交流电压有异常升高的可能，需要风电机组提供感性无功，风电机组网侧换流器的无功参考值应当与电压偏差成正比。比例系数根据风机容量有关。如果由于网侧电压畸变过于严重，风电机组的网侧换流器的控制效果不理想，可直接将风电机组网侧换流器闭锁，防止错误地发出无功，反而助增网侧电压的升高。此外，对于正常情况下采用定交流电压控制的网侧变流器，在检测至孤岛故障后，应转化为定无功功率控制，无功功率的参考值q0 *应适当配置。
请参阅图5，图5为本发明某一实施例提供的风电机组网侧变流器在孤岛故障穿越阶段的控制系统结构。本实施例采用的同步控制方式为基于解耦双同步参考系下的功率同步控制(DDSRF-PSL)方式。本实施例在判定应当执行孤岛穿越模式后，风电机组换流器采用基于解耦双同步坐标系下的功率同步控制方式给定相角并控制功率，在直流电压超限时，投入风电机组能量平衡模块，耗散或存储不平衡能量，按照预设去线确定风电机组机侧换流器中有功参考值、风机桨距角参考值，到设定时间后，风电机组机侧换流器转换为定直流电压控制。
其中：usabc、ivabc分别表示检测到的网侧三相电压和网侧三相电流。DDSRF模块表示为基于解耦双同步坐标系的正负序解耦模块，可将阀侧三相电流或三相电压分解为正序分量和负序分量，并且分别将其转化为正向和反向旋转坐标系下的d轴和q轴分量。三相电压、电流经DDSRF模块解耦变换分别得到通过正向旋转坐标变换得到的dq坐标系中的d轴、q轴电压分量u+ sd、u+ sq和电流分量i+ vd、i+ vq，通过反向旋转坐标变换得到的d-1q-1坐标系中的d轴、q轴电压分量u- sd、u- sq和电流分量i- vd、i- vq。
瞬时功率计算模块可根据解耦得到的u+ sd、u+ sq、i+ vd、i+ vq、u- sd、u- sq、i- vd、i- vq计算瞬时功率。本实施例中p0表示风电机组网侧变流器发出的瞬时有功功率的平均值，其计算公式如下：
Figure BDA0003130646570000131
瞬时有功功率平均值p0用于作为功率同步环PSL的反馈量。
功率同步环的原理是将变流器模拟为一个同步发电机，并将所模拟的同步发电机的转子角度作为功率同步环的输出。在本实施例中，功率同步环对应的数学模型如下：
Figure BDA0003130646570000132
Figure BDA0003130646570000133
其中，H为惯性时间常数，Δω＝ω-ω0为角频率偏差，ω为实际角频率标幺值，ω0为额定角频率标幺值，t为时间，
Figure BDA0003130646570000134
为有功参考值，p0为瞬时有功功率平均值，θ为电角度。
在本实施例中，风电机组的功率同步环PSL在实现锁相环功能的同时实现了定有功控制。采用的同步控制方式为基于解耦双同步参考系下的功率同步控制方式可以使得传统的PSL在故障情况下可以保持较好的控制效果。得到的电角度θ用于DDSRF模块解耦变换和脉冲生成。此外，由于在故障穿越阶段卸荷短路的投入使得直流电压不可控，所以风电机组网侧变流器选用定有功控制。在风电机组故障穿越过度过程中，由于投入故障穿越模块，机侧换流器采用的是降低有功参考值的定有功控制，同时调整风机桨距角减小至设定值。在进入故障穿越状态一段时间t1后，风电机组机侧换流器转换为定直流电压控制，定有功控制由具有功率同步控制的网侧换流器来完成。风电机组机侧换流器控制策略转换时间t1的目的是为风机桨距角控制调整预留一段时间，在此时间内风机网侧与机侧的能量平衡主要依靠卸荷电路模块来实现。时间t1可预先设定，可取1至10秒之间；或者由有功出力减小至设定值的时间决定。对于网侧变流器的有功参考值
Figure BDA0003130646570000141
可直接选取为设定的有功定值或者采用预先设定的功率曲线。
电流内环控制的正负序d轴、q轴电流参考值i+ vd *、i- vd *、i+ vq *、i- vq *，由电流参考值计算模块计算得到。
在电网不平衡时，三相换流器网侧瞬时有功功率p(t)和瞬时无功功率q(t)均会含有2次谐波分量:
Figure BDA0003130646570000142
式中，p0表示瞬时有功功率平均值；q0表示瞬时无功功率平均值；pc2表示二次有功余弦项谐波峰值；ps2表示二次有功正弦项谐波峰值；qc2表示二次无功余弦项谐波峰值；qs2表示二次无功正弦项谐波峰值。
根据电网电动势、电流、复功率矢量关系得到以下公式：
Figure BDA0003130646570000151
为计算电流内环控制的正负序d轴、q轴电流参考值i+ vd *、i- vd *、i+ vq *、i- vq *，需要利用公式(5)中选择6个方程中的4个进行计算。在本实施例中，瞬时有功功率平均值p0对应的公式(5)中的第一个方程已经被用于功率同步控制，同时控制系统需要保障瞬时无功功率平均值q0为参考值q0 *，所以进一步需要从pc2、ps2、qc2、qs2四个变量中选取三个控制变量将其抑制为0，从而来计算流内环控制的正负序d轴、q轴电流参考值i+ vd *、i- vd *、i+ vq *、i- vq *。理论上可选的计算方法有四种，下面以控制q0＝q0 *、pc2＝0、ps2＝0、qc2＝0为例进行详细说明。
若采用满足q0＝q0 *、pc2＝0、ps2＝0、qc2＝0的控制要求，电流指令计算公式则为公式(5)内的第2、3、4、5个方程，将其写作矩阵形式如下：
Figure BDA0003130646570000152
代入控制条件即可求解得到电流参考值如下：
Figure BDA0003130646570000153
图5中电流参考值计算模块对应的表达式即为上式(7)。图5中的正负序电流内环控制策略采用了典型的前馈解耦策略，电流调节器采用了PI调节器，对应的数学模型在此不再赘述。
由于本实例中功率参考值可为设定曲线，同时网侧电压正负序分量是时变的，因而由式(7)计算得到的电流参考值为时变的，此时传统PI调节器的控制效果会不理想。因此，可以利用模糊PID、自抗扰动算法等智能控制算法替代PI调节器。
在本发明实施例中，步骤S140，根据风电机组网侧实时信息，判断风电机组是否已经恢复至并网状态，确定孤岛保护是否应当动作。
考虑孤岛故障穿越的目的是在海上风电送出系统由于暂时性故障或误操作导致进入孤岛状态后，在风电机组控制能力之内，海上风电能够穿越孤岛故障，在恢复并网状态后能迅速调整至正常发电状态。所以，处于孤岛故障穿越状态的风电机组需要检测风电机组是否恢复至并网状态，如果风电机组恢复至并网状态，则风电机组需要调整其控制策略，直至恢复至正常发电状态。
其中，检测风电机组是否恢复至并网状态的方法与检测孤岛状态方法类似，最直接的方式是检测跳开断路器的开关状态或合闸信号。此外，风电机组恢复至并网状态即跳开的断路器的合闸信号是人为下发的，风电机组可利用通信直接获取，不需要检测。
若风电机组未恢复至并网状态，则将继续处于孤岛故障穿越阶段。如果海上风电送出系统发生了永久性故障，系统恢复需要较长时间，没有必要使得风电机组长时间的处于孤岛故障穿越阶段，需要确定孤岛保护是否应当动作以跳开风电机组。判断孤岛保护是否动作的可实现的方法有：
设置风电机组进入孤岛故障穿越时长上限，当风电机组进入孤岛故障穿越模式时间达到设定上限时，孤岛保护可以动作；另一种实现方式是由远程调度人员下发动作指令，调度人员判断故障短时间内难以修复，风电机组长时间孤岛故障穿越意义不大，孤岛保护可以动作。特殊的，如果海上风电送出系统由于长时间故障进入孤岛状态，海上升压站等平台仍保留一部分较小负荷，必要时可保留部分风电机组为其供电。
如果确定孤岛保护不应动作，需要返回步骤S120，及时判断风电机组是否应当继续保持孤岛故障穿越状态，防止控制策略失效导致电气量超标损害风电机组。
请参阅图6，图6为本发明某一实施例提供的风电机组网侧变流器在孤岛故障穿越阶段的控制方法的流程示意图。在本发明某一实施例中，将步骤S140中，确定孤岛保护是否应当动作，在步骤S120中判断，如图6所示，可以达到类似的效果。
现有的的孤岛保护方法在检测到风电机组进入孤岛状态后，只采用停机的方法来应对孤岛工况，但是如果遇到瞬时性故障，可能故障只持续数秒或数分钟，待故障清除系统连接断路器重合后，还需要重新启动风电机组，风机的频繁启停会严重危害设备寿命。采用本发明提出的保护方法和故障穿越控制策略，可以使得风电机组在保障自身安全的前提下，穿越暂时性孤岛故障。采用的故障穿越控制策略可以有效平衡风机冗余功率，及时调整风机出力可以减少耗能装置散热，增加使用寿命。
请参阅图7，图7为本发明某一实施例提供的具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护系统的结构示意图。在本实施例中，具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护系统，包括：
实时信息分析模块210，用于根据风电机组网侧实时信息，进行孤岛检测，判断风电机组是否处于孤岛状态；其中，所述实时信息包括电气量信息和断路器状态信息；所述电气量信息包括风电机组网侧电压、电流、频率和频率的变化率；所述断路器状态信息包括升压站或柔直换流站的断路器的状态信息。
在某一实施例中，实时信息分析模块210还用于根据风电机组网侧实时信息中，风电机组网侧电压、电流、频率和频率的变化率是否超过对应的阈值，判断风电机组是否处于孤岛状态。
故障穿越判断模块220，用于在判断风电机组处于孤岛状态时，进一步判断风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式.
在某一实施例中，故障穿越判断模块220还用于：根据风电机组的实验数据或历史运行数据，构建参考模型；将实验数据或历史运行数据作为已知数据对所述参考模型进行训练；将风电机组网侧实时信息作为所述参考模型的输入，判断风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式。
故障穿越控制模块230，用于在判断风电机组应当进入孤岛故障穿越模式时，改变风电机组的控制模型，采用孤岛故障穿越控制策略，进入孤岛故障穿越模式。
在某一实施例中，故障穿越控制模块230还用于：改变风电机组网侧变流器锁相控制方法，为风电机组网侧换流器提供准确的相位信号；启动风电机组的能量平衡模块，耗散或存储不平衡能量；调整风电机组的控制参数，降低风电机组有功出力，并调整风电机组的发出的无功功率，进入孤岛故障穿越模式。
孤岛保护动作模块240，用于根据风电机组网侧实时信息，判断风电机组是否已经恢复至并网状态，确定孤岛保护是否应当动作。
关于具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护系统的具体限定可以参见上文中对于具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法的限定，在此不再赘述。上述具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
请参阅图8，本发明实施例提供一种计算机终端设备，包括一个或多个处理器和存储器。存储器与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述任意一个实施例中的具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法。
处理器用于控制该计算机终端设备的整体操作，以完成上述的具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法的全部或部分步骤。存储器用于存储各种类型的数据以支持在该计算机终端设备的操作，这些数据例如可以包括用于在该计算机终端设备上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据。该存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(Static Random AccessMemory，简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable ProgrammableRead-Only Memory，简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable ProgrammableRead-Only Memory，简称EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，简称PROM)，只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
在一示例性实施例中，计算机终端设备可以被一个或多个应用专用集成电路(Application Specific 1ntegrated Circuit，简称AS1C)、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，简称DSP)、数字信号处理设备(Digital Signal Processing Device,简称DSPD)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，简称PLD)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述的具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
在另一示例性实施例中，还提供了一种包括程序指令的计算机可读存储介质，该程序指令被处理器执行时实现上述任意一个实施例中的具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括程序指令的存储器，上述程序指令可由计算机终端设备的处理器执行以完成上述的具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法，其特征在于，包括：
根据风电机组网侧实时信息，进行孤岛检测，判断风电机组是否处于孤岛状态；其中，所述实时信息包括电气量信息和断路器状态信息；所述电气量信息包括风电机组网侧电压、电流、频率和频率的变化率；所述断路器状态信息包括升压站或柔直换流站的断路器的状态信息；
当判断风电机组处于孤岛状态，则进一步判断风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式；
当判断风电机组应当进入孤岛故障穿越模式，则改变风电机组的控制模型，采用孤岛故障穿越控制策略，进入孤岛故障穿越模式，包括：改变风电机组网侧变流器锁相控制方法，为风电机组网侧换流器提供准确的相位信号；启动风电机组的能量平衡模块，耗散或存储不平衡能量；调整风电机组的控制参数，降低风电机组有功出力，并调整风电机组的发出的无功功率，进入孤岛故障穿越模式；
根据风电机组网侧实时信息，判断风电机组是否已经恢复至并网状态，确定孤岛保护是否应当动作。
2.根据权利要求1所述的具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法，其特征在于，所述根据风电机组网侧实时信息，进行孤岛检测，判断风电机组是否处于孤岛状态，包括：
根据风电机组网侧实时信息中，风电机组网侧电压、电流、频率和频率的变化率是否超过对应的阈值，判断风电机组是否处于孤岛状态。
3.根据权利要求1所述的具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法，其特征在于，所述当判断风电机组处于孤岛状态，则进一步判断风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式，包括：
根据风电机组的实验数据或历史运行数据，构建参考模型；
将实验数据或历史运行数据作为已知数据对所述参考模型进行训练；
将风电机组网侧实时信息作为所述参考模型的输入，判断风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式。
4.一种具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护系统，其特征在于，包括：
实时信息分析模块，用于根据风电机组网侧实时信息，进行孤岛检测，判断风电机组是否处于孤岛状态；其中，所述实时信息包括电气量信息和断路器状态信息；所述电气量信息包括风电机组网侧电压、电流、频率和频率的变化率；所述断路器状态信息包括升压站或柔直换流站的断路器的状态信息；
故障穿越判断模块，用于在判断风电机组处于孤岛状态时，进一步判断风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式；
故障穿越控制模块，用于在判断风电机组应当进入孤岛故障穿越模式时，改变风电机组的控制模型，采用孤岛故障穿越控制策略，进入孤岛故障穿越模式；所述故障穿越控制模块还用于：改变风电机组网侧变流器锁相控制方法，为风电机组网侧换流器提供准确的相位信号；启动风电机组的能量平衡模块，耗散或存储不平衡能量；调整风电机组的控制参数，降低风电机组有功出力，并调整风电机组发出的无功功率，进入孤岛故障穿越模式；
孤岛保护动作模块，用于根据风电机组网侧实时信息，判断风电机组是否已经恢复至并网状态，确定孤岛保护是否应当动作。
5.根据权利要求4所述的具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护系统，其特征在于，所述实时信息分析模块还用于根据风电机组网侧实时信息中，风电机组网侧电压、电流、频率和频率的变化率是否超过对应的阈值，判断风电机组是否处于孤岛状态。
6.根据权利要求4所述的具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护系统，其特征在于，所述故障穿越判断模块还用于：
根据风电机组的实验数据或历史运行数据，构建参考模型；
将实验数据或历史运行数据作为已知数据对所述参考模型进行训练；
将风电机组网侧实时信息作为所述参考模型的输入，判断风电机组是否应当进入孤岛故障穿越模式。
7.一种计算机终端设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1至3任一项所述的具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至3任一项所述的具有孤岛故障穿越能力的孤岛保护方法。
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