本發(fā)明涉及變電站自動控制領(lǐng)域，具體涉及新能源廣泛接入下的變電站備用電源快速投入方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著分布式新能源的廣泛接入，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)慣量水平低、抗擾能力弱等特征，特別是新能源發(fā)電機組受頻率和電壓擾動易發(fā)生脫網(wǎng)，電力系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運行面臨諸多新的問題與挑戰(zhàn)。

2、為提高電力系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性，備自投裝置在電力系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的備自投策略的動作邏輯需滿足母線無壓的條件才會動作，但隨著大量新能源電源的接入，電力系統(tǒng)的供電模式向逆變型電源和旋轉(zhuǎn)電源共存的多端供電模式轉(zhuǎn)變，結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，主斷路器因系統(tǒng)故障跳閘后，新能源電源和負荷形成孤島，傳統(tǒng)備自投母線無壓動作條件不滿足，無法正確動作。

3、隨著新能源接入比例的不斷提高，為應(yīng)對備自投無法及時、正確動作的問題，傳統(tǒng)方案一般考慮先解列全部新能源，以滿足母線無壓動作條件，再投入備用電源，待系統(tǒng)恢復(fù)供電后再重新接入新能源。傳統(tǒng)方案雖然能保證備自投正確動作，但會導(dǎo)致一段時間內(nèi)負荷無供電，同時影響新能源利用率。文獻“含風(fēng)電場電網(wǎng)的備用電源快速投切方式及其整定方法，姜惠蘭，高電壓技術(shù)”提出了以快速投切方式為主保護，捕捉同期投切方式為后備保護備自投方案。該方法以備用電源電壓和殘壓間的差拍電壓來整定投切條件，不僅有更充分的時間動作，而且合閘后產(chǎn)生的沖擊更小。但上述方法在孤島系統(tǒng)源荷之間功率缺額較大，孤島頻率變化較快時，可能無法實現(xiàn)快速合閘并網(wǎng)。為此文獻“一種適用于大型光伏電站的新型備自投方案，蔡乾，電力工程技術(shù)”提出了基于耗能電阻的新型備自投方案，根據(jù)功率不平衡度投入耗能電阻，在源荷之間功率缺額較大時依舊可以有效抑制沖擊電流。但投入并聯(lián)電阻會極大地限制聯(lián)絡(luò)線的傳輸容量。

4、從上述分析可知，對于高滲透率新能源接入的變電站，其備自投仍存在并網(wǎng)時間長、正確動作率低，合閘場景受限的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于如何在考慮大量新能源接入的情況下，實現(xiàn)快速、有效的投切。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)手段實現(xiàn)解決上述技術(shù)問題的：

3、基于頻率跟蹤的含新能源變電站備自投的控制方法，包括以下步驟：

4、當主線路出現(xiàn)跳閘情況，獲取母線電壓u；當u小于設(shè)定值時，判定母線為無壓狀態(tài)，執(zhí)行備自投無壓合閘邏輯，當u大于或等于設(shè)定值時，則進行孤島側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的壓差、頻差、相角差計算，當壓差、頻差、相角差均滿足條件，即執(zhí)行快速準同期合閘，若不滿足條件，則進入功率匹配同期合閘階段；實現(xiàn)功率供求關(guān)系的近似匹配，再進行合閘并網(wǎng)操作。

5、本發(fā)明針對高滲透率新能源接入下變電站備自投策略進行優(yōu)化，提出了快速準同期合閘和源荷功率近似匹配后合閘相結(jié)合的備自投方案。該方法根據(jù)不同情況匹配對應(yīng)備自投控制策略，快速有效，保證了供電的可靠性。

6、進一步的，所述相角差δδ計算過程為：

7、

8、式中δδt為當前時刻的相角差、δft為當前時刻的頻差、為頻率變化率、tdz為合閘動作時間。

9、進一步的，采用擴展卡爾曼濾波的頻率快速跟蹤算法計算孤島系統(tǒng)頻率，用于計算頻差和相角差時，孤島系統(tǒng)頻率具體計算步驟如下：

10、step1:預(yù)測模型建立

11、孤島系統(tǒng)中電壓、電流基波信號的采樣值可以表示為：

12、

13、其中，yk為k時刻的信號真值，a為幅值；ts為采樣間隔；為相位；ωk是k時刻的頻率；zk是k時刻的信號測量值，vk為當前的量測噪聲，服從高斯分布，均值為0、方差為σv2；

14、孤島系統(tǒng)基波信號的采樣值滿足如下關(guān)系式：

15、yk＝2cos(ωkts)yk-1-yk-2

16、即根據(jù)前兩個時刻信號的采樣值，可以實現(xiàn)對當前時刻采樣值的計算；

17、孤島系統(tǒng)的狀態(tài)方程可表示為：

18、

19、其中，xk-1表示k-1時刻的狀態(tài)向量，xk表示k時刻的狀態(tài)向量，f(·)表示孤島系統(tǒng)的狀態(tài)方程，ηk為服從高斯分布的過程噪聲，均值為0、方差為ση2；

20、孤島系統(tǒng)的量測方程可表示為：

21、

22、其中，xk表示k時刻的狀態(tài)向量，zk是k時刻的信號測量值，h(·)表示孤島系統(tǒng)的量測方程；

23、step2:狀態(tài)值預(yù)測

24、系統(tǒng)的預(yù)測方程可表示為：

25、

26、其中，xk-為k時刻由狀態(tài)方程得到的狀態(tài)預(yù)測值；

27、step3:協(xié)方差矩陣計算

28、預(yù)測狀態(tài)的協(xié)方差矩陣可表示為：

29、

30、其中，pk-為k時刻預(yù)測值的協(xié)方差矩陣，pk-1為k-1時刻狀態(tài)向量的協(xié)方差矩陣，fk為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，由系統(tǒng)狀態(tài)方程求偏導(dǎo)得到，fkt為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的轉(zhuǎn)置，q為過程噪聲協(xié)方差矩陣；

31、step4:卡爾曼增益計算

32、卡爾曼增益可表示為：

33、

34、其中，kk為k時刻的卡爾曼增益，hk為量測矩陣，由系統(tǒng)量測方程求偏導(dǎo)得到，r為量測噪聲協(xié)方差矩陣；

35、step5:狀態(tài)值修正

36、狀態(tài)值修正可表示為：

37、

38、其中，xk為k時刻的狀態(tài)更新值；

39、step6:協(xié)方差矩陣修正

40、修正后的協(xié)方差矩陣可表示為：

41、

42、其中，pk為k時刻的協(xié)方差矩陣修正值，i為單位矩陣；

43、不斷重復(fù)step2-step6預(yù)測階段和修正階段的步驟即可。

44、進一步的，當壓差δum≤20％un、頻差δf≤0.5hz、相角差δδ≤20°時，立刻執(zhí)行快速準同期合閘。

45、進一步的，所述功率匹配按照下述公式計算：

46、

47、其中，δp為孤島測向電網(wǎng)側(cè)傳輸?shù)墓β?，un為正常運行時的額定電壓；rm為功率匹配電阻阻值。

48、與上述方法對應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種基于頻率跟蹤的含新能源變電站備自投的控制系統(tǒng)，包括：

49、母線電壓獲取模塊：當主線路出現(xiàn)跳閘情況，獲取母線電壓u；

50、控制模塊：當u小于設(shè)定值時，判定母線為無壓狀態(tài)，執(zhí)行備自投無壓合閘邏輯，當u大于或等于設(shè)定值時，則進行孤島側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的壓差、頻差、相角差計算，當壓差、頻差、相角差均滿足條件，即執(zhí)行快速準同期合閘，若不滿足條件，則進入功率匹配同期合閘階段；實現(xiàn)功率供求關(guān)系的近似匹配，再進行合閘并網(wǎng)操作。

51、進一步的，所述相角差δδ計算過程為：

52、

53、式中δδt為當前時刻的相角差、δft為當前時刻的頻差、為頻率變化率、tdz為合閘動作時間。

54、進一步的，采用擴展卡爾曼濾波的頻率快速跟蹤算法計算孤島系統(tǒng)頻率，用于計算頻差和相角差時，孤島系統(tǒng)頻率具體計算步驟如下：

55、step1:預(yù)測模型建立

56、孤島系統(tǒng)中電壓、電流基波信號的采樣值可以表示為：

57、

58、其中，yk為k時刻的信號真值，a為幅值；ts為采樣間隔；為相位；ωk是k時刻的頻率；zk是k時刻的信號測量值，vk為當前的量測噪聲，服從高斯分布，均值為0、方差為σv2；

59、孤島系統(tǒng)基波信號的采樣值滿足如下關(guān)系式：

60、yk＝2cos(ωkts)yk-1-yk-2

61、即根據(jù)前兩個時刻信號的采樣值，可以實現(xiàn)對當前時刻采樣值的計算；

62、孤島系統(tǒng)的狀態(tài)方程可表示為：

63、

64、其中，xk-1表示k-1時刻的狀態(tài)向量，xk表示k時刻的狀態(tài)向量，f(·)表示孤島系統(tǒng)的狀態(tài)方程，ηk為服從高斯分布的過程噪聲，均值為0、方差為ση2；

65、孤島系統(tǒng)的量測方程可表示為：

66、

67、其中，xk表示k時刻的狀態(tài)向量，zk是k時刻的信號測量值，h(·)表示孤島系統(tǒng)的量測方程；

68、step2:狀態(tài)值預(yù)測

69、系統(tǒng)的預(yù)測方程可表示為：

70、

71、其中，xk-為k時刻由狀態(tài)方程得到的狀態(tài)預(yù)測值；

72、step3:協(xié)方差矩陣計算

73、預(yù)測狀態(tài)的協(xié)方差矩陣可表示為：

74、

75、其中，pk-為k時刻預(yù)測值的協(xié)方差矩陣，pk-1為k-1時刻狀態(tài)向量的協(xié)方差矩陣，fk為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，由系統(tǒng)狀態(tài)方程求偏導(dǎo)得到，fkt為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的轉(zhuǎn)置，q為過程噪聲協(xié)方差矩陣；

76、step4:卡爾曼增益計算

77、卡爾曼增益可表示為：

78、

79、其中，kk為k時刻的卡爾曼增益，hk為量測矩陣，由系統(tǒng)量測方程求偏導(dǎo)得到，r為量測噪聲協(xié)方差矩陣；

80、step5:狀態(tài)值修正

81、狀態(tài)值修正可表示為：

82、

83、其中，xk為k時刻的狀態(tài)更新值；

84、step6:協(xié)方差矩陣修正

85、修正后的協(xié)方差矩陣可表示為：

86、

87、其中，pk為k時刻的協(xié)方差矩陣修正值，i為單位矩陣；

88、不斷重復(fù)step2-step6預(yù)測階段和修正階段的步驟即可。

89、進一步的，當壓差δum≤20％un、頻差δf≤0.5hz、相角差δδ≤20°時，立刻執(zhí)行快速準同期合閘。

90、進一步的，所述功率匹配按照下述公式計算：

91、

92、其中，δp為孤島測向電網(wǎng)側(cè)傳輸?shù)墓β?，un為正常運行時的額定電壓；rm為功率匹配電阻阻值。

93、本發(fā)明的優(yōu)點在于：

94、本發(fā)明針對高滲透率新能源接入下變電站備自投策略進行優(yōu)化，提出了快速準同期合閘和源荷功率近似匹配后合閘相結(jié)合的備自投方案。

95、1)在形成孤島初期，其頻率和相角與主網(wǎng)相差不大，當源荷功率差額不大時，系統(tǒng)頻率變化率也相對較小，可采取快速準同期合閘。利用擴展卡爾曼濾波進行頻率快速跟蹤，在孤網(wǎng)運行初期完成備用電源的并網(wǎng)，保證了供電的可靠性。

96、2)當源荷功率差額較大時，本發(fā)明提出了源荷功率近似匹配后合閘的方案。“源大于荷”場景下投入耗能電阻，“源小于荷”場景下采取切除部分負荷方式以實現(xiàn)源荷近似匹配。其本質(zhì)為消納孤島系統(tǒng)中的冗余功率，減少在并網(wǎng)合閘瞬間產(chǎn)生的功率交換，從而抑制合閘沖擊電流。

97、本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。