一种大规模新能源接入电网连锁故障预防控制装置及方法与流程

本发明属于电力系统运行控制技术领域，具体涉及一种大规模新能源接入电网连锁故障预防控制装置及方法。

背景技术：

随着电网互联程度的加深和大规模新能源的接入，在取得较大经济效益的同时，电网的整体安全性却受到了严重的影响。大规模新能源的随机性和波动性对局部电网的某些故障可能起到推波助澜的作用，从而诱发连锁故障，导致大面积停电事故甚至是电网的崩溃。因此，如何预防连锁故障的发生成为当前国内外学者广泛关注的研究课题。

但是，目前关于连锁故障的预防控制策略的研究，大部分都基于传统电网(不含新能源)进行。然而，近年来随着节能减排和气候变化压力的增大，各国开始着力发展新能源，其中风电尤其受到青睐。由于新能源具有波动性和随机性的特点，其对连锁故障的影响机理尚不明确，对基于大规模新能源接入的复杂电网的连锁故障预防控制方法进行研究具有重要的现实意义。

连锁故障的发展过程中，潮流分布的变化是关键因素。正是某一元件的故障导致潮流大范围转移，致使其他元件的潮流发生改变，潮流分布随之改变，若元件的潮流增加至其动作区域内，则会导致这些元件的相继跳闸。研究表明，潮流分布均匀的电网发生连锁故障的风险远小于潮流分布不均匀的电网。系统在稳态运行时，常规电源的出力可基本维持恒定不变，不会引起大范围的功率波动，继而引起潮流熵的大范围波动。而大规模风电出力则可能会处于零出力与最大出力之间的任意值，大范围的出力变化必然带来潮流熵的大幅度变化。

大规模风电集中接入前，线路的负载率集中于某几个负载率区间，处于高负载率区间和低负载率区间的线路都很少。大规模风电集中接入后，由于风电的随机性和波动性，若风电出力瞬时增加，会造成接入点附近潮流较重，周围线路负载率迅速提高，为保持平均负载率不变，则水电和火电等常规电源的出力会相应减小，相邻线路负载率降低；同理，若风电出力瞬时减小，则接入点周围线路负载率会迅速减小，其他常规发电厂的出力则会相应提高，相邻线路负载率升高。也就是说，风电功率波动使处于高负载率区间和低负载率区间的线路条数大大增加，潮流分布变得很不均衡，而且风电规模越大，这种潮流分布不均匀的趋势越明显。即风电大规模集中接入电网，可能会使电网的潮流熵增大，继而发生连锁故障的风险上升。

综上所述，提出一种改善潮流分布，抑制含新能源电网连锁过载效应的出现，保证大规模新能源接入背景下的潮流均匀分布装置及方法对于电网连锁故障的预防显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的旨在针对大规模风电集中接入背景下电网潮流分布不均匀的问题，提供一种大规模新能源接入背景下的电网连锁故障预防控制装置及方法，通过及时调整风电机组传输到每条输电线路的出力，使得高危线路的负载率得到有效下降，同时保证其他线路负载率维持在重载阈值以下，改善潮流分布，起到预防连锁故障发生的作用。

为了达到上述目的，本发明预防大规模新能源接入电网连锁故障控制装置采用的技术方案是：

一种大规模新能源接入电网连锁故障预防控制装置，包括多个新能源输电线

路控制装置以及若干条独立的新能源输电线路，

每个新能源输电线路控制装置均包括电池储能单元、常开继电器、常闭继电器、降压斩波电路、升压斩波电路、端电容、变流器以及功率平滑器；其中，所述电池储能单元输出正极分成两支路，第一支路包括依次连接的第一常开继电器、第一常闭继电器以及降压斩波电路；第二支路包括依次连接的第二常开继电器、第二常闭继电器以及升压斩波电路，两路并联后输出连接端电容；端电容输出连接变流器，第一常开继电器、第一常闭继电器、第二常开继电器、第二常闭继电器构成互锁装置；所述变流器依次由三对igbt桥臂连接而成，且变流器输入连接功率平滑器；

所述每个新能源输电线路控制装置分别连接于每个独立的新能源输电线路，且与新能源输电线路的输出端相连。

进一步的，所述降压斩波电路用于降低端电容电压值，使得风电线路向电池储能单元充电，降低风电线路的负载率。

进一步的，所述升压斩波电路用于提升端电容电压值，使得电池储能单元向风电线路放电，提升风电线路的负载率。

进一步的，所述功率平滑器用以连接在风电机组端，平滑风电机组输入到电池储能单元的功率。

另外，本发明提供的一种如上述所述的大规模新能源接入电网连锁故障预防控制装置的控制方法，包括下列步骤：

(1)所述多条独立的新能源风电传输线路分别设为线路1、线路2至线路n，所述n为大于2的整数，当某条新能源风电传输线路加上传统发电机组输出到电网的功率大于整个n条新能源风电传输线路输出到电网的平均值时，则该某条新能源风电传输线路中的新能源输电线路控制装置具有的第一支路的第一常开继电器闭合，第一常闭继电器任处在闭合状态，降压斩波电路导通，升压斩波电路关断；通过pwm控制降压斩波电路的开关管通断来降低输出端端电容的储能值，使得端电容两端电压值小于输电线路输出电压值，该条新能源风电输电线路向电池储能单元充电，直至该新能源风电输电线路输出到电网的功率与整个n条线路输出功率动态平衡；此时该线路装置中的变流器充当三相桥式整流器；

同理，任意一条新能源风电传输线路输出功率大于整个n条新能源风电传输线路输出到电网的平均值时，系统均重复上述过程，使得该风电输电线路向电池储能单元充电，降低该输电线路的负载率。

(2)当某条新能源风电传输线路加上传统发电机组输出到电网的功率小于整个n条线路输出到电网的平均值时，该某条新能源风电线路中的新能源输电线路控制装置具有的第二支路的第二常开继电器闭合，第二常闭继电器任处在闭合状态，升压斩波电路导通，降压斩波电路关断；通过pwm控制升压斩波电路的开关管通断来提升输出端端电容的储能值，使得端电容两端电压值大于该条输电线路输出电压值，电池储能单元向该新能源风电输电线路放电，直至该新能源风电输电线路输出到电网的功率与整个n条线路输出功率动态平衡；此时该线路装置中的变流器充当三相桥式逆变器；

同理，任意一条风电传输线路输出功率小于整条线路输出功率平均值时，系统均重复上述过程，使得电池储能单元向该输电线路放电，提升该输电线路的负载率。

步骤(1)(2)中，所述新能源风电传输线路中控制降压斩波电路和升压斩波电路开关管通断的pwm来自于一个闭环输出；具体的，将该新能源风电传输线路加上传统发电机组输出到电网的功率与整个n条线路输出到电网的平均功率作差送入一个智能pi控制器作相关计算处理，智能pi控制器输出经相关转换，转变为相应的pwm波控制该新能源风电传输线路中降压斩波电路和升压斩波电路开关管的通断，进而控制该新能源风电传输线路向电池储能单元充电和电池储能单元向输电线路放电的速率，最终使得该新能源风电传输线路加上传统发电机组输出到电网的功率与整个n条线路输出到电网的平均功率动态平衡，维持新该能源风电传输线路潮流分布的均匀性。

进一步的，所述新能源风电传输线路加上传统发电机组输出到电网的功率为风电机组输出功率、储能系统输入/输出功率与传统发电组输出功率之和。

进一步的，将pi限幅输出值随功率偏差变成阶梯状下降；当所选线路输出功率与n条线路输出功率平均值偏差过大时，p调节器参数保持不变；当功率偏差足够小时，p调节器的参数逐渐变小；所选线路输出功率与n条线路输出功率平均值偏差小于一定程度时，p调节器的参数设置为0。

进一步的，步骤(1)中，新能源风电传输线路向电池储能单元充电，当当新能源风电传输线路的输出功率1min钟内波动率大于10％时，则调用功率平滑器对风电机组输出功率进行平滑处理，防止波动较大对电池储能单元造成损害以及对电网系统潮流熵造成影响；所述变流器采用基于电网电压矢量定向理论的双闭环控制；电压控制策略采用电压外环、电流内环结构，其中电流方向选取网压空间矢量方向；在电压同步旋转坐标系下设计电流内环，各交流分量均转换为直流量，便于闭环调节器的设计，同时可以很方便的与spwm或svpwm接口。

与现有技术相比，本发明的技术方案的优点和有益效果主要是：

1、本发明采用的大规模新能源接入电网连锁故障预防控制装置，结构简单，成本低，实用性强，控制方便，降压斩波电路和升压斩波电路配合使用，使得电池储能单元处在合理的充放电状态，既可以最大限度地利用好具有波动性与间歇性的风电资源，又可以维持新能源风电输电线路潮流分布的动态平衡，对预防电网连锁故障具有重要的意义。同时在风电输入口引入功率平滑器，有效避免风电输出波动性对电池储能单元造成的损害和对电网系统潮流熵的影响。

2、本发明的大规模新能源接入电网连锁故障预防控制方法，运用智能pi控制器闭环调整风电机组传输到每条输电线路的出力，使得高危线路的负载率得到有效下降，同时保证其他线路负载率维持在重载阈值以下，改善潮流分布，起到预防连锁故障发生的作用。

附图说明

图1为本发明具体实施例的大规模新能源接入电网连锁故障预防控制装置结构示意图；

图2为本发明具体实施例的大规模新能源接入电网连锁故障预防控制框图；

图3为智能pi变限幅原理图；

图4为智能pi变p参数原理图；

图5为本发明具体实施例的装置储能系统变流器控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图1至附图5对本发明的一种大规模新能源接入电网连锁故障预防控制装置及方法作进一步的详细说明。

图1为本实施例的大规模新能源接入电网连锁故障预防控制装置的结构示意图，在本实施方式中，所述新能源为风电机组提供，如图1所示，该装置系统分为线路1、线路2至线路n共n部分，其中n为大于2的整数，线路1装置依次包括电池储能单元1，第一常开继电器km11、第一常闭继电器km12、第二常开继电器km13以及第二常闭继电器km14，开关管igbt11、电感器lf11以及二极管d11构成的降压斩波器，开关管igbt12、电感器lf12以及二极管d12构成的升压斩波器，大容量储能端电容c1，igbt13～igbt18构成的变流器以及功率平滑器1。其中，所述电池储能单元1输出正极分成两支路传输，一支路依次由第一常开继电器km11、第一常闭继电器km12以及降压斩波器组成；另一支路由第二常开继电器km13、第二常闭继电器km14以及升压斩波器组成，两路并联，输出连接端电容c1，第一常开继电器km11、第一常闭继电器km12、第二常开继电器km13以及第二常闭继电器km14构成两路互锁装置，所述变流器依次由三对igbt桥臂连接而成，输入连接功率平滑器1。

线路2装置依次包括电池储能单元2，第三常开继电器km21、第三常闭继电器km22、第四常开继电器km23以及第四常闭继电器km24，开关管igbt21、电感器lf21以及二极管d21构成的降压斩波器，开关管igbt22、电感器lf22以及二极管d22构成的升压斩波器，大容量储能端电容c2，igbt23～igbt28构成的变流器以及功率平滑器2。其中，所述电池储能单元2输出正极分成两支路传输，一支路依次由第三常开继电器km21、第三常闭继电器km22以及降压斩波器组成；另一路由第四常开继电器km23、第四常闭继电器km24以及升压斩波器组成，两路并联，输出连接端电容c2，第三常开继电器km21、第三常闭继电器km22、第四常开继电器km23以及第四常闭继电器km24构成两路互锁装置，所述变流器依次由三对igbt桥臂连接而成，输入连接功率平滑器2。

线路n装置依次包括电池储能单元n，第一常开继电器kmn1、第一常闭继电器kmn2、第二常开继电器kmn3以及第二常闭继电器kmn4，开关管igbtn1、电感器lfn1以及二极管dn1构成的降压斩波器，开关管igbtn2、电感器lfn2以及二极管dn2构成的升压斩波器，大容量储能端电容cn，igbtn3～igbtn8构成的变流器以及功率平滑器n。其中，所述电池储能单元n输出正极分成两支路传输，一支路依次由第一常开继电器kmn1、第一常闭继电器kmn2以及降压斩波器组成；另一支路由第二常开继电器kmn3、第二常闭继电器kmn4以及升压斩波器组成，两路并联，输出连接端电容cn，第一常开继电器kmn1、第一常闭继电器kmn2、第二常开继电器kmn3以及第二常闭继电器kmn4构成两路互锁装置，所述变流器依次由三对igbt桥臂连接而成，输入连接功率平滑器n。

本实施例的大规模新能源接入电网连锁故障预防控制方法，运用智能pi控制器闭环调整风电机组传输到每条输电线路的出力，使得高危线路的负载率得到有效下降，同时保证其他线路负载率维持在重载阈值以下，改善潮流分布，维持潮流分布的均匀，起到预防连锁故障发生的作用，下面结合图1至图5对线路n风电传输线路加上传统发电机组输出到电网的功率大于整个n条线路输出到电网的平均值和线路n风电传输线路加上传统发电机组输出到电网的功率小于整个n条线路输出到电网的平均值两种情况来叙述本发明的大规模新能源接入电网连锁故障预防控制方法。具体控制方法如下：

一、线路n风电传输线路加上传统发电机组输出到电网的功率大于整个n条线路输出到电网的平均值，所述控制方法包括下列步骤：

(1)当线路n风电传输线路(pwindn)加上传统发电机组(pinn)输出到电网的功率总和poutn大于整个n条线路输出到电网的平均值pavg时，线路n装置中第一支路的第一常开继电器kmn1闭合，第一常闭继电器kmn2任处在闭合状态，降压斩波电路导通，升压斩波电路关断。通过pwmn1控制降压斩波电路的开关管通断来降低输出端端电容cn的储能值vdcn，使得端电容cn两端电压值vdcn小于风电机组输出电压值，输电线路n风电机组向电池储能单元n充电。此时线路n装置中的变流器充当三相桥式整流器。

(2)进一步的，步骤(1)中，线路n装置中控制降压斩波电路开关管通断的pwmn1来自于一个闭环输出。具体的，将线路n风电传输线路(pwindn)加上传统发电机组(pinn)输出到电网的功率总和poutn与整个n条线路输出到电网的平均值pavg作差送入一个智能pin控制器作相关计算处理，智能pin控制器输出经相关转换，转变为相应的pwm波控制线路n装置中降压斩波电路开关管通断，进而控制线路n风电输电线路向电池储能单元n充电(pbessn)的速率，最终使得线路n输出到电网的功率总和poutn与整个n条线路输出到电网的平均值pavg达到动态平衡，维持传输线路潮流分布的均匀性。

(3)进一步的，步骤(2)中，所述智能pin控制器结合两种方法，既可以维持每条传输线路潮流分布的均匀性，又可以防止该线路输出功率总和poutn与n条线路输出到电网功率的平均值pavg偏差过大对电池储能单元的过充放电，降低电池储能单元n的寿命。具体的，将pi限幅输出值随功率偏差变成阶梯状下降，调节比较简单，速度响应较快，如图3所示；另外，当功率偏差过大时(1区域和5区域)，p调节器参数保持不变；当功率偏差足够小时(2区域和4区域)，p调节器的参数逐渐变小；当偏差小于一定程度时(3区域)，p调节器的参数设置为0，如图4所示。这样能够在最大收敛速度的同时又保证了收敛精度，采用这种方法响应速度快，超调小，同时有效地避免该线路输出功率总和poutn动态平衡时上下抖动现象。

(4)进一步的，步骤(1)中，线路n风电输电线路向电池储能单元n充电，当风电机组的输出功率pwindn1min钟内波动率大于10％时，系统及时调用功率平滑器n对风电机组n输出功率pwindn进行平滑处理，防止波动较大对电池储能单元n造成损害，增加储能电池的寿命。

(5)进一步的，步骤(1)中，线路n装置中所述变流器(此时充当整流器)采用基于电网电压矢量定向理论的双闭环控制，如图5所示。电压控制策略采用电压外环、电流内环结构，其中电流方向选取网压空间矢量方向。在电压同步旋转坐标系下设计电流内环，各交流分量均转换为直流量，便于闭环调节器的设计，同时可以很方便的与spwm或svpwm接口。

二、线路n风电传输线路加上传统发电机组输出到电网的功率小于整个n条线路输出到电网的平均值，所述控制方法包括下列步骤：

(1)当线路n风电传输线路(pwindn)加上传统发电机组(pinn)输出到电网的功率总和poutn小于整个n条线路输出到电网的平均值pavg时，第一区域中第二支路的第二常开继电器kmn3闭合，第二常闭继电器kmn4任处在闭合状态，升压斩波电路导通，降压斩波电路关断。通过pwmn2控制升压斩波电路的开关管通断来提升输出端端电容cn的储能值vdcn，使得端电容cn两端电压值vdcn大于风电机组输出电压值，电池储能单元n向输电线路n放电。此时线路n装置中的变流器充当三相桥式逆变器。

(2)进一步的，步骤(1)中，线路n装置中控制升压斩波电路开关管通断的pwmn2来自于一个闭环输出。具体的，将整个n条线路输出到电网的平均值pavg与线路n风电传输线路(pwindn)加上传统发电机组(pinn)输出到电网的功率总和poutn作差送入一个智能pin控制器作相关计算处理，智能pin控制器输出经相关转换，转变为相应的pwm波控制该区域中升压斩波电路开关管通断，进而控制该线路装置中电池储能单元n向输电线路n放电(pbessn)的速率，最终使得线路n输出到电网的功率总和poutn与整个n条线路输出到电网的平均值pavg达到动态平衡，维持传输线路潮流分布的均匀性。

(3)进一步的，步骤(2)中，所述智能pin控制器结合两种方法，既可以维持每条传输线路潮流分布的均匀性，又可以防止该线路输出功率总和poutn与n条线路输出到电网功率的平均值pavg偏差过大对电池储能单元的过充放电，降低电池储能单元n的寿命。具体的，将pi限幅输出值随功率偏差变成阶梯状下降，调节比较简单，速度响应较快，如图3所示；另外，当功率偏差过大时(1区域和5区域)，p调节器参数保持不变；当功率偏差足够小时(2区域和4区域)，p调节器的参数逐渐变小；当偏差小于一定程度时(3区域)，p调节器的参数设置为0，如图4所示。这样能够在最大收敛速度的同时又保证了收敛精度，采用这种方法响应速度快，超调小，同时有效地避免该线路输出功率总和poutn动态平衡时上下抖动现象。

(4)进一步的，步骤(1)中，所述变流器(此时充当整流器)采用基于电网电压矢量定向理论的双闭环控制，如图5所示。电压控制策略采用电压外环、电流内环结构，其中电流方向选取网压空间矢量方向。在电压同步旋转坐标系下设计电流内环，各交流分量均转换为直流量，便于闭环调节器的设计，同时可以很方便的与spwm或svpwm接口。