CN116979528B - 电力电子变流器低电压穿越快速启动方法、装置及介质 - Google Patents
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Abstract
一种电力电子变流器低电压穿越快速启动方法、装置及介质，用于解决现有故障检测时间较长威胁变流器安全运行和对电网快速支撑的问题，该方法包括：基于改进型电压梯度进行电压滑坡识别，改进型电压梯度是将n 1数据窗内前后各n 1/2的母线三相电压离散有效值数据多点累加再做差计算得到；针对n 2数据窗内的电压梯度计算滑坡期间的电压梯度能量值，n 1数据窗和n 2数据窗根据快速启动时间约束和电压梯度能量值的极值目标确定；根据电压梯度能量值构建低电压穿越快速启动判据，满足判据时启动低电压穿越控制。本发明可实现以变流器为核心并网器件的新能源机组、储能系统和柔直系统对于故障的快速检测，加快自电压跌落出现时刻的穿越控制响应。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，具体是一种电力电子变流器低电压穿越快速启动方法、装置及介质。
背景技术
随着“双碳”目标的持续推进，我国能源结构不断调整，促速风光可再生能源装机量和配套储能需求急速增长。电力电子变流器作为可再生能源发电、储能系统及柔性互联装备与电网连接的桥梁和纽带，在电能变换方面具有不可替代的作用。变流器规模化接入电网，其与电网间的关系愈发紧密，两者的交互作用日趋复杂。
电网中存在各类短路和断线故障，故障下的电力电子变流器不脱网持续运行和对电网的支撑能力是提升电力系统安全稳定运行的关键。由于电力电子半导体器件自身耐压和电流容量的限制，在电网出现故障时，通常伴随着短时的过电压或者大电流，在电力电子变流故障穿越阶段中，准确而快速识别电网故障态和正常态，缩短故障检测时间，采取快速限流的策略，可保证变流器故障过程中不脱网并按需提供电网支撑，不断有效保证器件的安全性，同时确保系统的稳定性。
如何快速识别电网故障，准确进入低电压故障穿越(Low voltage ride through,LVRT)模式是关键。通常LVRT控制的启动通常由电压阈值触发，当检测到电压低于0.9p.u.时随即切换LVRT控制。但弱网下的变流器故障暂态过程复杂，易出现高次谐波等不利条件。目前并网变流器检测故障的方法一般是利用电压采样数据或者是控制环节中的锁相环来实现。最终检测电压跌落至0.9p.u.启动阈值的时间受限于采样频率或是锁相环性能，一般需要10ms的处理时间，延缓了变流器进入LVRT模式，间接降低了变流器自电压出现时刻起的电流快速响应时间，威胁变流器安全运行和对系统的电压支撑能力。因此，故障检测时间是影响LVRT改进能力的关键参数之一，但当前检测方法难以满足LVRT快速启动的要求。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种电力电子变流器低电压穿越快速启动方法、装置及介质，其基于故障后电压有效值滑坡趋势，构建基于滑坡趋势能量判据的LVRT快速启动方案，可实现以变流器为核心并网器件的新能源机组、储能系统和柔直系统对于故障的快速检测，控制时间可由10ms缩短到5ms，提升变流器的LVRT性能。
一种电力电子变流器低电压穿越快速启动方法，其特征在于，包括如下步骤：
基于改进型电压梯度进行电压滑坡识别，所述改进型电压梯度是将n1数据窗内前后各n1/2的母线三相电压离散有效值数据多点累加再做差计算得到；
识别出电压滑坡后，针对n2数据窗内的电压梯度计算滑坡期间的电压梯度能量值，其中n1数据窗和n2数据窗根据快速启动时间约束和电压梯度能量值的极值目标确定；
根据计算的电压梯度能量值和预设的电压梯度能量定值构建低电压穿越快速启动判据，当满足低电压穿越快速启动判据时启动低电压穿越控制。
进一步的，所述改进型电压梯度是将n1数据窗内前后各n1/2的数据多点累加再做差计算得到，具体包括：
；
其中为改进型电压梯度，/>为改进型电压梯度改进电压梯度计算的窗长，表示当前采样时刻，/>，n为采样点个数。
进一步的，所述基于改进型电压梯度进行电压滑坡识别，具体包括：
；
其中为滑坡识别定值。
进一步的，所述针对n2数据窗内的电压梯度计算滑坡期间的电压梯度能量值，具体包括：
；
式中，为k时刻的电压梯度能量值，/>为电压梯度能量值计算窗长，/>为能量计算次数，/>取值为2或3。
进一步的，所述n1数据窗和n2数据窗根据快速启动时间约束和电压梯度能量值的极值目标确定，具体包括：
构建快速启动时间约束：n1+n2<20；
；
遍历10次运算，比较能量值E值，选取E值最大时对应的为最优选取值。
进一步的，所述构建的低电压穿越快速启动判据为：
；
式中，E为计算的电压梯度能量值，Eset为预设的电压梯度能量定值。
一种电力电子变流器低电压穿越快速启动装置，包括：
电压滑坡识别模块，用于基于改进型电压梯度进行电压滑坡识别，所述改进型电压梯度是将n1数据窗内前后各n1/2的母线三相电压离散有效值数据多点累加再做差计算得到；
电压梯度能量值获取模块，用于识别出电压滑坡后，针对n2数据窗内的电压梯度计算滑坡期间的电压梯度能量值，其中n1数据窗和n2数据窗根据快速启动时间约束和电压梯度能量值的极值目标确定；
低电压穿越启动模块，用于根据计算的电压梯度能量值和预设的电压梯度能量定值构建低电压穿越快速启动判据，当满足低电压穿越快速启动判据时启动低电压穿越控制。
进一步的，一种电力电子变流器低电压穿越快速启动装置，其特征在于，包括：
电压滑坡识别模块，用于基于改进型电压梯度进行电压滑坡识别，所述改进型电压梯度是将n1数据窗内前后各n1/2的母线三相电压离散有效值数据多点累加再做差计算得到；
电压梯度能量值获取模块，用于识别出电压滑坡后，针对n2数据窗内的电压梯度计算滑坡期间的电压梯度能量值，其中n1数据窗和n2数据窗根据快速启动时间约束和电压梯度能量值的极值目标确定；
低电压穿越启动模块，用于根据计算的电压梯度能量值和预设的电压梯度能量定值构建低电压穿越快速启动判据，当满足低电压穿越快速启动判据时启动低电压穿越控制。
进一步的，所述改进型电压梯度是将n1数据窗内前后各n1/2的母线三相电压离散有效值数据多点累加再做差计算得到，具体包括：
；
其中为改进型电压梯度，/>为改进型电压梯度改进电压梯度计算的窗长，表示当前采样时刻，/>，n为采样点个数。
进一步的，所述电压滑坡识别模块基于改进型电压梯度进行电压滑坡识别，具体包括：
；
其中为滑坡识别定值。
进一步的，所述电压梯度能量值获取模块针对n2数据窗内的电压梯度计算滑坡期间的电压梯度能量值，具体包括：
；
式中，为k时刻的电压梯度能量值，/>为电压梯度能量值计算窗长，/>为能量计算次数，/>取值为2或3。
进一步的，所述n1数据窗和n2数据窗根据快速启动时间约束和电压梯度能量值的极值目标确定，具体包括：
构建快速启动时间约束：n1+n2<20；
取电压梯度能量值的极值为最优目标，建立目标模型如式（4）所示：
；
遍历10次运算，比较能量值E值，选取E值最大时对应的为最优选取值。
进一步的，所述低电压穿越启动模块构建的低电压穿越快速启动判据为：
；
式中，E为计算的电压梯度能量值，Eset为预设的电压梯度能量定值。
一种电力电子变流器低电压穿越快速启动系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行所述的电力电子变流器低电压穿越快速启动方法。进一步的，
一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的电力电子变流器低电压穿越快速启动方法。
本发明通过改进型电压梯度的设计，在电压出现滑坡时利用改进型电压梯度的突变对电压滑坡识别进行有效识别，同时通过对n2数据窗内的电压梯度计算滑坡期间的电压梯度能量值，通过对电压梯度能量值的放大效应，故障时电压突变更加明显，从而实现更好的故障电压识别，构建基于滑坡趋势能量判据的LVRT快速启动方案，实现以变流器为核心并网器件的新能源机组、储能系统和柔直系统对于故障的快速检测，相比现有10ms的检测延迟时间可缩短至5ms，提升变流器LVRT性能。
附图说明
图1是系统故障时电压降低的滑坡效应图；
图2是本发明实施例改进电压梯度图；
图3是本发明实施例电压梯度能量图；
图4是本发明实施例不同窗长时电压梯度能量对比图；
图5是本发明实施例改进电压梯度能量与定值的关系图；
图6是本发明实施例不同场景梯度能量对比图；
图7是本发明实施例电力电子变流器低电压穿越快速启动方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。
示例性快速启动方法
请参阅图7，本发明实施例提供一种电力电子变流器低电压穿越快速启动方法，包括如下步骤：
步骤一、基于改进型电压梯度进行电压滑坡识别，所述改进型电压梯度是将n1数据窗内前后各n1/2的母线三相电压离散有效值数据多点累加再做差计算得到。
考虑到系统出现故障瞬间，风机出口电压出现降低趋势，如图1所示，在系统电压降低时，其有效值出现明显的滑坡现象。
通过监视母线三相电压，并基于半波FFT计算三相电压离散有效值序列，其中，应用差分计算/>时刻电压梯度，如/>。考虑到这种梯度计算受系统测量干扰的影响较大，本发明实施例提出改进型电压梯度，即整定n1数据窗，将n1数据窗内前后各n1/2的数据多点累加再做差，计算改进型电压梯度/>如式（1）所示：
；
其中为改进电压梯度计算的窗长；/>表示当前采样时刻。
在系统正常运行时，改进型电压梯度基本为零，在电压出现滑坡时，改进型电压梯度/>明显增大，基于突变的检测，可以构成电压滑坡识别判据，具体如式（2）所示：
其中为滑坡识别定值，考虑到系统电压下滑时的快速突变特性，基于母线电压正常时不超过10%波动以及低电压穿越0.9/>启动的要求，结合保护灵敏性，该滑坡识别定值/>按照5ms不超过0.1/>场景下电压梯度线性计算连续两点的滑坡值进行整定；基于采样率不同，基于经验值本发明实施例设定滑坡识别定值/>为0.05/>，其中/>表示系统电压额定值。
如图2所示，电压梯度在系统故障时，瞬时增大，通过滑坡识别定值设置，可以实现故障启动，但从后续波形可以看出，在考虑误差的情况下，保护存在频繁启动的可能性。
步骤二、识别出电压滑坡后，针对n2数据窗内的电压梯度计算滑坡期间的电压梯度能量值，其中n1数据窗和n2数据窗根据快速启动时间约束和电压梯度能量值的极值目标确定。
尽管系统故障时母线电压降低，但短时间内电压降低有限，特别是在一定运行方式下，电压降低较慢，仅仅采用改进电压梯度判别也难以达到灵敏度要求。本发明实施例在识别出电压滑坡现象后，采用对电压梯度值增大其能量值方法，以实现更好的故障电压识别。利用电压梯度计算电压梯度能量值如式（3）所示：
式中，为k时刻的电压梯度能量值，/>为电压梯度能量值计算窗长，/>为能量计算次数。/>的选取决定能量值大小，基于电压滑坡时存在一定量值，这里/>选取2或者3。
如图3所示，通过对改进电压梯度能量值的放大效应，故障时电压突变更加明显，同时相比较其他时刻，突变点的能量值远大于其他时刻。
较长的数据窗n1、n2对于电压梯度以及能量值计算的数据平滑降噪有积极作用，利于故障检测判据的实施；另一方面整体窗长（n1+n2）则钳制了快速启动的实现。
示例性优化时间窗长n1、n2的取值
本发明实施例结合快速启动时间约束和电压梯度能量值的极值目标优化时间窗长n1、n2的取值。如图4所示，不同的得到不同的能量值。
1）快速启动时间约束。综合当前工程对故障检测的时间要求，并参考小波变换方法、希尔伯特-黄在内的前沿研究，一般认为LVRT快速启动时间在6ms左右，围绕此目标，本发明实施例将快速启动时间约束至5ms内，而时间目标可在一定采样率的基础上转化为采样点个数约束。工程中采样率一般设置为4kHz，对应一工频周期80个采样点，构建快速启动时间约束：n1+n2<20。
2) 电压梯度能量值的极值目标。数据窗n2决定了电压梯度能量值E的计算，理论上，n2越大，E值越大，但对应n1越小，此时计算电压梯度也越小，反过来E值减小。针对具体数据序列，取电压梯度能量值的极值为最优目标，建立目标模型如式（4）所示：
遍历10次运算，比较能量值E值，选取E值最大时对应的为最优选取值。
步骤三、根据计算的电压梯度能量值和预设的电压梯度能量定值构建低电压穿越快速启动判据，当满足低电压穿越快速启动判据时启动低电压穿越控制。
基于系统故障时，电压滑坡，电压梯度增大，此时改进电压梯度能量值也发生明显增大，利用电压梯度能量值与预设的电压梯度能量定值的比较可实现故障电压的快速检测，如式（5）：
式中，Eset为预设的电压梯度能量定值。
如图5所示，将计算的电压梯度能量值与计算的电压梯度能量值比较，可以判断系统故障，电压降低；但为了提高检测的可靠性，本发明按能量值连续三个点满足式（5），则判定为故障电压降低，同时启动低电压穿越控制。
考虑到不同故障合闸角、不同故障滑坡速率所致的电压有效值滑坡趋势不尽相同，短窗内电压滑坡趋势能量E表现趋势也不尽不同。不同场景下能量值E的差别如图6所示。
由图6可知，不同场景下，E值差别较大，按照保护启动可靠性要求，本发明实施例将故障合闸角设定从0°至180°，将电压滑坡在0.1s内分别设定电压从1.0p.u.降至0，通过大量仿真，并融合一定程度的干扰，选择Eset整定值，以满足快速启动的要求。
示例性快速启动装置
本发明实施例还提供一种电力电子变流器低电压穿越快速启动装置，包括：
电压滑坡识别模块，用于基于改进型电压梯度进行电压滑坡识别，所述改进型电压梯度是将n1数据窗内前后各n1/2的母线三相电压离散有效值数据多点累加再做差计算得到；
电压梯度能量值获取模块，用于识别出电压滑坡后，针对n2数据窗内的电压梯度计算滑坡期间的电压梯度能量值，其中n1数据窗和n2数据窗根据快速启动时间约束和电压梯度能量值的极值目标确定；
低电压穿越启动模块，用于根据计算的电压梯度能量值和预设的电压梯度能量定值构建低电压穿越快速启动判据，当满足低电压穿越快速启动判据时启动低电压穿越控制。
其中，所述电压滑坡识别模块，具体用于：将n1数据窗内前后各n1/2的母线三相电压离散有效值数据多点累加再做差计算得到改进型电压梯度：
其中为改进型电压梯度，/>为改进型电压梯度改进电压梯度计算的窗长，表示当前采样时刻，/>，n为采样点个数。
基于改进型电压梯度进行电压滑坡识别，具体包括：
其中为滑坡识别定值。基于经验值本发明实施例设定滑坡识别定值/>为0.05/>，其中/>表示系统电压额定值。
所述电压梯度能量值获取模块针对n2数据窗内的电压梯度计算滑坡期间的电压梯度能量值，具体包括：
式中，为k时刻的电压梯度能量值，/>为电压梯度能量值计算窗长，/>为能量计算次数，/>取值为2或3。
其中，所述n1数据窗和n2数据窗根据快速启动时间约束和电压梯度能量值的极值目标确定，具体包括：
构建快速启动时间约束：n1+n2<20；
取电压梯度能量值的极值为最优目标，建立目标模型如式（4）所示：
遍历10次运算，比较能量值E值，选取E值最大时对应的为最优选取值。
所述低电压穿越启动模块构建的低电压穿越快速启动判据为：
式中，E为计算的电压梯度能量值，Eset为预设的电压梯度能量定值。
本发明另一实施例提供了一种电力电子变流器低电压穿越快速启动系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行第一方面所述的电力电子变流器低电压穿越快速启动方法。
本发明另一方面提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述的电力电子变流器低电压穿越快速启动方法。
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。
最后应当说明的是：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应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种电力电子变流器低电压穿越快速启动方法，其特征在于，包括如下步骤：
基于改进型电压梯度进行电压滑坡识别，所述改进型电压梯度是将n1数据窗内前后各n1/2的母线三相电压离散有效值数据多点累加再做差计算得到；
识别出电压滑坡后，针对n2数据窗内的电压梯度计算滑坡期间的电压梯度能量值，其中n1数据窗和n2数据窗根据快速启动时间约束和电压梯度能量值的极值目标确定；
根据计算的电压梯度能量值和预设的电压梯度能量定值构建低电压穿越快速启动判据，当满足低电压穿越快速启动判据时启动低电压穿越控制；
所述针对n2数据窗内的电压梯度计算滑坡期间的电压梯度能量值，具体包括：
；
式中，为k时刻的电压梯度能量值，/>为电压梯度能量值计算窗长，/>为能量计算次数，/>取值为2或3；
所述n1数据窗和n2数据窗根据快速启动时间约束和电压梯度能量值的极值目标确定，具体包括：
构建快速启动时间约束：n1+n2<20；
取电压梯度能量值的极值为最优目标，建立目标模型如式（4）所示：
；
遍历10次运算，比较能量值E值，选取E值最大时对应的为最优选取值。
2.如权利要求1所述的电力电子变流器低电压穿越快速启动方法，其特征在于：所述基于改进型电压梯度进行电压滑坡识别，具体包括：
；
其中为滑坡识别定值。
3.如权利要求1所述的电力电子变流器低电压穿越快速启动方法，其特征在于：所述构建的低电压穿越快速启动判据为：
；
式中，E为计算的电压梯度能量值，Eset为预设的电压梯度能量定值。
4.一种电力电子变流器低电压穿越快速启动装置，其特征在于，包括：
电压滑坡识别模块，用于基于改进型电压梯度进行电压滑坡识别，所述改进型电压梯度是将n1数据窗内前后各n1/2的母线三相电压离散有效值数据多点累加再做差计算得到；
电压梯度能量值获取模块，用于识别出电压滑坡后，针对n2数据窗内的电压梯度计算滑坡期间的电压梯度能量值，其中n1数据窗和n2数据窗根据快速启动时间约束和电压梯度能量值的极值目标确定；
低电压穿越启动模块，用于根据计算的电压梯度能量值和预设的电压梯度能量定值构建低电压穿越快速启动判据，当满足低电压穿越快速启动判据时启动低电压穿越控制；
所述电压梯度能量值获取模块针对n2数据窗内的电压梯度计算滑坡期间的电压梯度能量值，具体包括：
；
式中，为k时刻的电压梯度能量值，/>为电压梯度能量值计算窗长，/>为能量计算次数，/>取值为2或3；
所述n1数据窗和n2数据窗根据快速启动时间约束和电压梯度能量值的极值目标确定，具体包括：
构建快速启动时间约束：n1+n2<20；
取电压梯度能量值的极值为最优目标，建立目标模型如式（4）所示：
；
遍历10次运算，比较能量值E值，选取E值最大时对应的为最优选取值。
5.如权利要求4所述的电力电子变流器低电压穿越快速启动装置，其特征在于：所述电压滑坡识别模块基于改进型电压梯度进行电压滑坡识别，具体包括：
；
其中为滑坡识别定值。
6.如权利要求4所述的电力电子变流器低电压穿越快速启动装置，其特征在于：所述低电压穿越启动模块构建的低电压穿越快速启动判据为：
；
式中，E为计算的电压梯度能量值，Eset为预设的电压梯度能量定值。
7.一种电力电子变流器低电压穿越快速启动系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1-3中任一项所述的电力电子变流器低电压穿越快速启动方法。
8.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-3中任一项所述的电力电子变流器低电压穿越快速启动方法。
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| CN116979528A CN116979528A (zh) | 2023-10-31 |
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2023
- 2023-09-22 CN CN202311230880.7A patent/CN116979528B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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