一种海岛独立电网发电设备故障后的快速稳定控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种海岛独立电网发电设备故障后的快速稳定控制方法，根据发电设备运行特征的差异，将发电设备分为三种类型，根据故障发电设备类型预制订故障切换后的动态稳定控制模式；按照接收到的发生故障的发电设备的类型执行相应的故障切换后的动态稳定控制模式；故障消除后，根据接收到的故障切除信号取消相应的动态稳定控制模式的执行。本发明基于广域量测单元上送的广域数据，在发生发电设备故障时，计算出由于发电设备退出引起的功率缺额，在故障切换后立即或调储能、或控负荷以消除系统的功率不平衡，使系统能快速回到故障前的稳定运行状态，快速实现海岛电网故障后的功率平衡，提高脆弱的海岛电网系统稳定性。
【专利说明】一种海岛独立电网发电设备故障后的快速稳定控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种海岛独立电网发电设备故障后的快速稳定控制方法。
【背景技术】
[0002]远离大陆的海岛供电系统，是一个独立的发、配、用电一体的网络，由于没有大电网的支撑，系统相对比较脆弱。除了常规的旋转发电机，海岛电网还存在形式多样、性能各异的分布式电源及大量分散的电力电子逆变器发电设备。海岛电网中使用的柴油发电机、小型水利发电机、微燃气轮发电机、风力发电机、光伏发电设备、储能等可按照控制特征分为三类。一类为常规旋转发电设备如柴油发电机、小型水利发电机等，该类发电机为同步或异步发电机，运行时自动调节有无功输出以响应负荷波动，并能维持机端电压的稳定，这类发电设备可独立运行并稳定地为负荷供电。第二类为同时支持独立运行控制模式和并网运行模式的电力电子发电设备，如微燃气轮机、燃料电池、储能等，该类发电设备在独立运行模式(VF控制模式)下为系统提供稳定的电压和频率，是系统的PV节点，在并网运行模式(PQ控制模式)时接受设定，以设定的功率为目标输出功率，是系统的PQ节点，两种控制模式可以相互切换。第三类为通过单控制模式(PQ控制模式)的电力电子逆变设备并网的新型发电设备如风力发电机、光伏发电设备等，电力电子逆变设备无旋转元件仅能将直流逆变为交流，其功率输出常常由一次能源的大小决定，而与负荷大小无关，因此这类发电设备常常不能独立运行即不能担当系统主控电源，必须接入具有能响应负荷需求的发电设备组成的电网中方能并网运行，该类设备为系统的PQ节点。
[0003]同时，海岛电网中各分布式电源的负荷响应速度差别很大，从毫秒级(如光伏发电、燃料电池、电储能单元)、秒级(如微型燃气轮机、机械储能单元)到分钟级(如风力发电)不等。此外由于系统容量小、抗干扰能力差，发生发电设备故障后系统可能由于瞬间功率缺额过大而崩溃。所有这些特性更增加了海岛电网稳定运行的难度，因此需要更为智能、主动、高效、网络化的海岛电网控制体系，解决大扰动的动态稳定及稳态能量平衡问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种海岛独立电网发电设备故障后的快速稳定控制方法，以解决发电设备故障切除后海岛独立电网动态稳定性问题。
[0005]为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是:一种海岛独立电网发电设备故障后的快速稳定控制方法，包括如下步骤:
[0006](I)根据发电设备运行特征的差异，将发电设备分为旋转发电设备、PQ模式电力电子逆变器发电设备和PQ/VF双控制模式电力电子逆变器发电设备，并根据故障发电设备类型预制订故障切换后的动态稳定控制模式；
[0007](2)按照接收到的发生故障的发电设备的类型执行相应的故障切换后的动态稳定控制模式；
[0008](3)故障消除后，根据接收到的故障切除信号取消相应的动态稳定控制模式的执行。
[0009]海岛电网系统中如果有多台旋转发电设备并列运行发电，当一台旋转发电设备故障退出时，故障切换后系统的动态稳定控制过程如下:
[0010]A、计算其余并网旋转发电设备的热备用发电容量，当备用容量足够大时不需进行任何措施系统便可稳定运行；
[0011]B、当备用发电容量不足以弥补功率缺失时，检查PQ/VF双控制模式电力电子逆变器发电设备是否有能力承担剩余部分功率缺额，如果能，则增大PQ/VF双控制模式电力电子逆变器发电设备出力；
[0012]C、如果PQ/VF双控制模式电力电子逆变器发电设备不能补偿系统功率缺额，则检查系统是否存在备用旋转发电设备，如果有，则可启动容量大于故障发电设备发生故障前发电容量的备用旋转发电设备；
[0013]D、如果上述所有的控制措施执行后，系统仍存在部分功率缺额，则只能通过切除相应的负荷来实现功率平衡。
[0014]所述步骤B中，在检查PQ/VF双控制模式电力电子逆变器发电设备是否有能力承担剩余部分功率缺额时，通过检查PQ/VF双控制模式电力电子逆变器发电设备是否有能力承担剩余部分功率缺额剩余容量SOC与放电功率，当SOC小于允许的最小剩余容量或放电功率已接近最大放电功率时，说明其不再具有调节能力。
[0015]所述步骤D中，通过切除相应的负荷来实现功率平衡时，先切除非重要负荷，再切除重要负荷，并根据功率缺额大小制订负荷切除计划。
[0016]海岛电网中若仅有一台旋转发电设备作为系统主控电源并网发电，如果该旋转发电设备并网运行发生故障时，故障切换后系统的动态稳定控制过程如下:
[0017]1、当故障前该旋转发电设备出力小于能担当主控电源的PQ/VF双控制模式电力电子逆变器发电设备的备用出力时，立即切换该PQ/VF双控制模式电力电子逆变器发电设备为主控电源；
[0018]?、当故障前该旋转发电设备出力大于能担当主控电源的PQ/VF双控制模式电力电子逆变器发电设备的最大出力时，此时只能启动备用旋转发电设备。
[0019]当故障前PQ/VF双控制模式的电力电子发电设备为非主控电源时，与PQ模式电力电子逆变器发电设备故障控制模式相同，其动态稳定控制过程如下:
[0020]①当其发生故障退出时给系统带来的功率缺额小于当前主控电源的热备用容量，系统无需做任何控制，功率缺额将完全由主控电源承担；
[0021]②如果功率缺额大于当前主控电源的承受范围，并且主控电源为旋转发电设备，必须快速调节其余可控的电力电子逆变器发电设备的出力，如果没有可调的发电设备则应该立即切除多余的负荷；
[0022]③如果故障前系统主控电源为PQ/VF双控制模式的电力电子发电设备，当其发生故障后，需启动备用旋转发电设备作为系统主控电源，PQ/VF双控制模式的电力电子发电设备复位故障后以PQ模式参与功率的调节。
[0023]当故障前PQ /VF双控制模式的电力电子发电设备为主控电源时，其发生故障后，需启动备用旋转发电设备作为系统主控电源，PQ/VF双控制模式的电力电子发电设备复位故障后以PQ模式参与功率的调节。[0024]在启动备用旋转发电设备过程中，各电力电子逆变器发电设备将孤岛退出运行，系统功率缺额为所有负荷用电总量，此时先判断备用旋转发电设备额定容量是否大于该功率缺额；当备用旋转发电设备发电额定容量小于功率缺额时，先切除部分负荷，待退出运行的各电力电子发电设备恢复发电后再投入被切除负荷。
[0025]本发明的海岛独立电网发电设备故障后的快速稳定控制方法，基于广域量测单元上送的广域数据，在发生发电设备故障时，计算出由于发电设备退出引起的功率缺额(不平衡功率)，在故障切换后立即或调储能、或控负荷以消除系统的功率不平衡，使系统能快速回到故障前的稳定运行状态，快速实现海岛电网故障后的功率平衡，提高脆弱的海岛电网系统稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是本发明系统结构图；
[0027]图2是本发明中海岛集中保护装置与海岛电网稳定控制器的数据交互流程图；
[0028]图3是本发明中多台旋转发电机并列运行时发电设备故障动态控制流程图；
[0029]图4是本发明中单台旋转发电机运行时发电设备故障动态控制流程图；
[0030]图5是本发明中双控制模式逆变器发电设备故障动态控制流程图；
[0031]图6是本发明中电力电子逆变器发电设备故障后的动态稳定控制流程图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
[0033]如图1所示为本发明故障后暂态稳定控制的系统结构图，如图所示，该系统分为就地控制层和集中控制层，其中采集终端、储能PCS、光伏逆变器、风机逆变器等为同步相量测量单元PMU，担负采集广域量测数据，以200帧/秒频率通过快速通讯网往主站(海岛电网集中保护装置、海岛电网故障稳定控制器)传输数据。本发明中采用的智能采集终端可直接上送广域量测数据、采集断路器位置并上送本地故障信息；同样支持IEC61850-9-2+G00SE协议的储能PCS、光伏逆变器、风机逆变器能接受主站层下发的启停、功率输出等控制命令。
[0034]集中控制层包括海岛电网集中保护装置和海岛电网故障稳定控制器。海岛电网集中保护装置完成故障识别、故障发生通知、故障隔离、故障处理结束通知等，其处理流程如附图2。本发明为海岛电网故障稳定控制器中处理发电设备故障后的动态稳定控制流程，只涉及海岛电网故障稳定控制器接收集中保护装置故障发生、故障设备、故障处理结束等通知，并不对海岛电网集中保护原理进行阐述。
[0035]短路故障发生时海岛电网集中保护装置通知发生故障的设备信息，在集中保护装置隔离故障期间，海岛电网稳定控制器根据短路设备类型预制订控制策略，当接收到故障处理结束时立刻执行预制订的控制模式，如果故障由于重合闸而消失，则不进行与决策的控制执行。
[0036]由于发电设备发电原理的差异，当发生故障时对系统的影响也是不同的，因此本发明分旋转发电设备故障、PQ/VF双模式电力电子发电设备故障、PQ模式电力电子发电设备故障进行差异性分析。[0037]本发明海岛独立电网发电设备故障后的快速稳定控制方法包括如下步骤:
[0038]( I)根据发电设备运行特征的差异，将发电设备分为旋转发电设备、PQ模式电力电子逆变器发电设备和PQ/VF双控制模式电力电子逆变器发电设备，并根据故障发电设备类型预制订故障切换后的动态稳定控制模式；
[0039](2)按照接收到的发生故障的发电设备的类型执行相应的故障切换后的动态稳定控制模式；
[0040](3)故障消除后，根据接收到的故障切除信号取消相应的动态稳定控制模式的执行。
[0041]1.旋转发电设备故障后的动态稳定控制
[0042]I)多台旋转发电机并列运行
[0043]当系统中存在并网运行的旋转发电设备时，旋转发电设备为系统主控电源，维持系统频率和电压的稳定。海岛电网系统中如果有多台旋转发电设备并列运行发电，当一台旋转发电设备故障退出时，如图3所示，本实施例的PQ/VF双控制模式电力电子逆变器发电设备一般指储能PCS，旋转发电设备及备用旋转发电设备一般指发电机，其故障切换后系统的动态稳定控制过程如下:
[0044]A、计算其余并网旋转发电机的热备用发电容量，当备用容量足够大时不需进行任何措施系统便可稳定运行；
[0045]B、当备用发电容量不足以弥补功率缺失时，检查储能PCS是否有能力承担剩余部分功率缺额(同时检查储能剩余容量SOC与放电功率，当SOC小于允许的最小剩余容量或放电功率已接近最大放电功率时，说明储能不再具有调节能力)，如果能，则增大储能PCS出力；
[0046]C、如果储能PCS不能补偿系统功率缺额，则检查系统是否存在备用旋转发电机，如果有，则可启动容量大于故障发电机发生故障前发电容量的备用旋转发电机；
[0047]D、如果上述所有的控制措施执行后，系统仍存在部分功率缺额，则只能通过切除相应的负荷来实现功率平衡。计算需切除的最少负荷时先切除非重要负荷，再切除重要负荷，并根据功率缺额大小制订负荷切除计划。
[0048]系统通过以上控制措施后，由于系统仍然由旋转发电机维持系统的稳定，此时系统并未进行主控电源切换。
[0049]2)单台旋转发电机并网运行
[0050]当旋转发电机发生故障退出时，不仅系统瞬间将存在与该发电机故障前出力大小相同的功率缺额，系统还有可能失去主控电源的支撑。如果旋转发电设备故障后不存在其他主控电源则需要进行主控电源的切换，即或启动备用旋转发电机或切换PQ/VF双模式电力电子发电设备的控制模式，实现系统的快速黑启动。
[0051]海岛电网中若仅有一台旋转发电设备作为系统主控电源并网发电，即仅该旋转发电机为主发电设备，如果该发电机故障，则在故障切除后系统将短时停电。通常系统中接入的风力发电、光伏发电等逆变发电设备具备低电压穿越能力，当系统失电时间不超过低电压穿越时限625ms时，逆变器可持续运行，否则逆变器将孤岛退出。在主控电源切换中，储能PCS控制模式切换(此时需要储能PCS由PQ控制模式切换为VF控制模式)时间非常快，约为20ms，而启动备用旋转发电机较慢，需花费15s及以上时间。因此旋转主控电源故障后如果通过切换储能PCS控制模式实现电网供电，则发电逆变器持续运行，否则发电逆变器退出运行将带来更大的功率缺额。
[0052]因此，如附图4所示单台旋转发电机并网运行发生故障时，需根据能否直接切换储能控制模式恢复系统供电，来制订电网稳定控制流程，具体过程如下:
[0053]1、当故障前该发电机出力小于能担当主控电源的储能的备用出力(此时储能PCS有能力担当系统主控电源)，稳定控制器立即切换储能PCS为主控电源模式，该过程切换时间短，各逆变发电设备经过低电压穿越持续供电，系统将在毫秒时间内恢复系统供电。
[0054]U、当故障前该发电机出力大于能担当主控电源的储能的最大出力时，此时只能启动备用旋转发电机。由于旋转发电机启动较慢，在此期间各电力电子逆变器发电设备将孤岛退出运行，系统功率缺额为所有负荷用电总量，此时先判断备用旋转发电机额定容量是否大于该功率缺额。当备用旋转发电机额定容量小于功率缺额时，为了快速恢复系统供电必须先切除部分负荷，待退出运行的发电设备恢复发电后再投入被切除负荷。
[0055]2.PQ/VF双控制模式的电力电子发电设备故障后的动态稳定控制
[0056]双控制模式的电力电子发电设备主要是指可支持VF控制模式和PQ控制模式的电力电子逆变器发电设备，主要包括储能PCS、微燃气轮发电设备、燃料电池等，其中以储能应用最为普遍(在考虑储能PCS的出力能力时，需同时考虑储能的剩余容量限制)。该类发电设备在VF控制模式下独自维持系统频率与电压的稳定，为系统主控电源，在PQ控制模式时按指定功率输出，其输出不响应负荷的波动。因此在制定双控制模式的电力电子发电设备故障后的动态稳定控制策略时，需区分该储能设备在故障前的控制模式，即是系统主控制设备(VF控制模式)还是非主控制设备(PQ控制模式)。
[0057]I)故障前为非主控制电源时的动态稳定控制
[0058]如图5所示，当双控制模式逆变器为系统主控电源时，系统中所有的旋转发电机均退出运行，且考虑经济因素，旋转发电机均处于冷备用状态，该逆变器将独自承担系统的所有波动。当系统发生较大波动时由于逆变器过流能力较弱，如果流经逆变器的冲击电流超过电力电子元器件的最大耐电流时，逆变器保护将立即关闭功率输出，此时系统失电。在绝大多数情况下双控制逆变器本体故障均为该类瞬间过流故障，因此在没有明确解决这种较大波动前，再启动其他的双控制模式逆变器作为主控制设备仍然可能导致新的主控逆变器也发生过流保护。因此为了保证系统的相对供电稳定性，主控电源逆变器发生过流保护故障后需启动备用旋转发电设备，让备用旋转发电设备成为系统主控发电设备，逆变器复位故障后以PQ模式参与功率的调节。
[0059]由于旋转发电机启动时间较长，在其切换过程中，电力电子发电设备将退出运行，此时所有的电源均退出系统，如果最大一台旋转发电机启动后依然不能承担所有负荷，则需要根据故障前负荷的大小先切除一部分非重要负荷，待旋转发电机启动后，随着退出运行的电力电子发电设备的陆续并网发电，逐步恢复被切除的负荷。
[0060]2)故障前为非主控制电源时的动态稳定控制
[0061]当双控制模式逆变器运行在PQ控制模式时，该逆变器为系统非主控发电设备，当该设备发生故障时，如果该发电设备故障前发电功率不为零，则其退出将给系统带来一定的功率缺额。其控制模式的制订方法与PQ电力电子逆变器发电设备故障处理方法一样。
[0062]3.PQ控制模式电力电子逆变器发电设备故障后的动态稳定控制[0063]这类通过电力电子逆变器(如风力发电设备、光伏发电设备)接入系统的新型发电设备发生故障退出时将给系统带来一定的功率缺额，如图6所示，其动态稳定控制过程如下:
[0064]①当功率缺额小于当前主发电设备的热备用容量，系统无需做任何控制，功率缺额将完全由主控电源承担；
[0065]②如果功率缺额大于当前主控电源的承受范围，并且主发电设备是旋转发电机，此时系统频率、电压都将急剧上升，必须快速调节其余出力可控的电力电子发电设备的出力，如果没有可调的发电设备则应该立即切除多余的负荷；
[0066]③如果故障前系统主控制设备为双控制模式的电力电子逆变器，故障发电设备的退出可能导致主控制逆变器由于出力过大而立即过流保护，其后续控制同双控制模式发电设备故障后的动态稳定控制。
[0067]以上实施例仅用于帮助理解本发明的核心思想，不能以此限制本发明，对于本领域的技术人员，凡是依据本发明的思想，对本发明进行修改或者等同替换，在【具体实施方式】及应用范围上所做的任何改动，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种海岛独立电网发电设备故障后的快速稳定控制方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)根据发电设备运行特征的差异，将发电设备分为旋转发电设备、PQ模式电力电子逆变器发电设备和PQ/VF双控制模式电力电子逆变器发电设备，并根据故障发电设备类型预制订故障切换后的动态稳定控制模式； (2)按照接收到的发生故障的发电设备的类型执行相应的故障切换后的动态稳定控制模式； (3)故障消除后，根据接收到的故障切除信号取消相应的动态稳定控制模式的执行。
2.根据权利要求1所述的海岛独立电网发电设备故障后的快速稳定控制方法，其特征在于:海岛电网系统中如果有多台旋转发电设备并列运行发电，当一台旋转发电设备故障退出时，故障切换后系统的动态稳定控制过程如下: A、计算其余并网旋转发电设备的热备用发电容量，当备用容量足够大时不需进行任何措施系统便可稳定运行； B、当备用发电容量不足以弥补功率缺失时，检查PQ/VF双控制模式电力电子逆变器发电设备是否有能力承担剩余部分功率缺额，如果能，则增大PQ/VF双控制模式电力电子逆变器发电设备出力； C、如果PQ/VF双控制模式电力电子逆变器发电设备不能补偿系统功率缺额，则检查系统是否存在备用旋转发电设备，如果有，则可启动容量大于故障发电设备发生故障前发电容量的备用旋转发电设备； D、如果上述所有的控制措施执行后，系统仍存在部分功率缺额，则只能通过切除相应的负荷来实现功率平衡。
3.根据权利要求2所述的海岛独立电网发电设备故障后的快速稳定控制方法，其特征在于:所述步骤B中，在检查PQ/VF双控制模式电力电子逆变器发电设备是否有能力承担剩余部分功率缺额时，通过检查PQ/VF双控制模式电力电子逆变器发电设备是否有能力承担剩余部分功率缺额剩余容量SOC与放电功率，当SOC小于允许的最小剩余容量或放电功率已接近最大放电功率时，说明其不再具有调节能力。
4.根据权利要求2所述的海岛独立电网发电设备故障后的快速稳定控制方法，其特征在于:所述步骤D中，通过切除相应的负荷来实现功率平衡时，先切除非重要负荷，再切除重要负荷，并根据功率缺额大小制订负荷切除计划。
5.根据权利要求1所述的海岛独立电网发电设备故障后的快速稳定控制方法，其特征在于:海岛电网中若仅有一台旋转发电设备作为系统主控电源并网发电，如果该旋转发电设备并网运行发生故障时，故障切换后系统的动态稳定控制过程如下: 1、当故障前该旋转发电设备出力小于能担当主控电源的PQ/VF双控制模式电力电子逆变器发电设备的备用出力时，立即切换该PQ/VF双控制模式电力电子逆变器发电设备为主控电源； ii、当故障前该旋转发电设备出力大于能担当主控电源的PQ/VF双控制模式电力电子逆变器发电设备的最大出力时，此时只能启动备用旋转发电设备。
6.根据权利要求1所述的海岛独立电网发电设备故障后的快速稳定控制方法，其特征在于:当故障前PQ/VF双控制模式的电力电子发电设备为非主控电源时，与PQ模式电力电子逆变器发电设备故障控制模式相同，其动态稳定控制过程如下: ①当其发生故障退出时给系统带来的功率缺额小于当前主控电源的热备用容量，系统无需做任何控制，功率缺额将完全由主控电源承担； ②如果功率缺额大于当前主控电源的承受范围，并且主控电源为旋转发电设备，必须快速调节其余可控的电力电子逆变器发电设备的出力，如果没有可调的发电设备则应该立即切除多余的负荷； ③如果故障前系统主控电源为PQ/VF双控制模式的电力电子发电设备，当其发生故障后，需启动备用旋转发电设备作为系统主控电源，PQ/VF双控制模式的电力电子发电设备复位故障后以PQ模式参与功率的调节。
7.根据权利要求1所述的海岛独立电网发电设备故障后的快速稳定控制方法，其特征在于:当故障前PQ/VF双控制模式的电力电子发电设备为主控电源时，其发生故障后，需启动备用旋转发电设备作为系统主控电源，PQ/VF双控制模式的电力电子发电设备复位故障后以PQ模式参与功率的调节。
8.根据权利要求5~7任意一项所述的海岛独立电网发电设备故障后的快速稳定控制方法，其特征在于:在启动备用旋转发电设备过程中，各电力电子逆变器发电设备将孤岛退出运行，系统功率缺额为所有负荷用电总量，此时先判断备用旋转发电设备额定容量是否大于该功率缺额；当备用旋转发电设备发电额定容量小于功率缺额时，先切除部分负荷，待退出运行的各电力电子发电设备恢复发电后再投入被切除负荷。
【文档编号】H02J3/14GK103904667SQ201410108732
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月21日 优先权日:2014年3月21日
【发明者】张新昌, 张项安, 毛建容, 马红伟, 周逢权, 李瑞生 申请人:许继电气股份有限公司, 许昌许继软件技术有限公司