一种超级电容器储能自动切换方法及装置与流程

本发明属于电网控制，涉及一种超级电容器储能自动切换方法及装置。

背景技术：

1、风电、光伏等新能源在电网中的渗透率持续攀升，部分地区配网新能源渗透率已超过50%。高比例新能源接入深刻改变了电网故障特征，给传统备用电源自动切换（bats）技术带来了严峻挑战。

2、在孤岛检测方面，传统备用电源自动投入装置主要依赖电压幅值判据（如低于额定电压的80%），但在高比例新能源场景下，故障后新能源机组的低电压穿越特性会向母线注入无功功率，维持母线残压可达额定值的70%～90%，导致传统电压阈值判据完全失效。在功率平衡控制方面，多采用储能与耗能装置并行投入的控制策略，在功率过剩场景下，超级电容充电的容性涌流与电阻投入的感性冲击叠加，容易引发母线暂态过电压。

3、为解决上述问题，现有方案多采用强制切除新能源或切负荷的方式。例如，公开号为cn110829580a的专利申请文件提供了一种新能源电厂并网变电站备自投装置的投切方法，该方法通过建立新能源电厂并网变电站内部元件之间的因果关系矩阵、基本节点状态矩阵以及基本节点与断路器误跳/拒跳的隶属关系矩阵，进一步构建转换向量以排除断路器动作与相应信号不一致对孤岛判断的影响，并利用孤岛运行状态判断矩阵与阈值进行模糊最小运算，实现了对新能源电厂并网变电站孤岛状态的可靠识别与备自投装置的可靠投切。公开号为cn115912572a的专利申请文件提供了一种可实现储能单体自动切换的多路径均衡电路，利用串联储能单体、反激变压器、双向开关及单向开关，配合含双层mpc控制器的控制电路，实现了失效储能单体的在线切除、备用储能单体的在线切入以及任意储能单体/储能单体组间能量的直接传递。公开号为cn122000937a的专利申请文件提供了一种等容量交流耗能配置方法及投切方法、装置及设备，采用角形接线的电阻、反并联晶闸管作为交流耗能支路，通过等容量支路配置及冗余组设计，并结合不带触发角的整体投切与带触发角的移相投切两种方式，实现了模块化多电平换流器(mmc)故障穿越或闭锁后柔性直流系统盈余功率的可靠抑制。

4、综上，现有方法能够本发明重新界定所要解决而现有技术尚未解决的技术问题为：其一，如何在高比例新能源接入且母线残压仍维持在额定值70%～90%的工况下，构建不依赖单一电压幅值阈值的孤岛判据，实现快速且可靠的孤岛检测；其二，如何将耗能电阻与超级电容器储能装置作为不同时间尺度的惯量源进行分层协同投切，避免电阻投入与电容充电产生的阻性冲击与容性涌流叠加，抑制孤岛后的暂态过电压；其三，如何在毫秒级控制周期内根据系统运行状态动态调整多目标优化的侧重点，实现电压偏差大时优先保电压、电压稳定后兼顾功率平衡与经济性的自适应变权重滚动优化。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的高比例新能源接入场景下故障后母线残压偏高、超级电容器储能与耗能电阻并行投入引起的容性涌流与阻性冲击叠加所导致的暂态过电压超标的问题，本发明提供了一种超级电容器储能自动切换方法及装置。方法包括以下步骤：采集公共连接点处母线的三相电压、电流的瞬时值，并计算有效值；当持续低电压时，计算残压梯度并滤波取最大绝对值，并计算电压、电流谐波熵；基于最终残压梯度和谐波熵构建椭圆决策方程，标记可疑孤岛点并计算可疑孤岛点的孤岛置信度；结合电流谐波熵修正置信度，窗口累加后超阈值即判定孤岛；当处于孤岛状态时，并划分为功率过剩和不足场景；在功率过剩场景下，先按差值分级投入耗能电阻，再启动超级电容器充放电控制；在功率不足场景下，启动超级电容器放电。本发明通过分级功率调节及超级电容安全裕度约束实现储能平稳切换，降低功率突变对母线电压和频率稳定性的影响。

2、本发明采用如下的技术方案：

3、本发明的第一方面提供了一种超级电容器储能自动切换方法，包括以下步骤：

4、s1、采集新能源接入和电网连接的公共连接点处的母线的三相电压、电流的瞬时值，并计算电压和电流有效值；

5、s2、当预定持续时段内三相电压有效值均低于预定义的电压阈值时，计算残压梯度并进行滑动平均滤波，取所有相滤波后残压梯度的绝对值的最大值，作为最终残压梯度；对预定义的滑动窗口内采集的母线电压、电流信号进行快速傅里叶变换，计算电压谐波熵和电流谐波熵；

6、s3、基于最终残压梯度和谐波熵，构建椭圆决策方程并标记可疑孤岛点；计算可疑孤岛点的孤岛置信度，结合电流谐波熵，当满足预定判定条件时对孤岛置信度进行修正；将对应采样时刻前累积窗口长度内每个采样时刻的孤岛置信度乘以时间间隔后累加，得到置信度累积值；当置信度累积值超过设定阈值时，当前采样时刻新能源接入区域处于孤岛状态；

7、s4、当处于孤岛状态时，计算新能源总出力与负荷功率的差值，并划分为功率过剩场景和功率不足场景；在功率过剩场景下，基于预定投切条件，划分粗调和细调阶段；在粗调阶段中，基于差值进行等级划分，并投入对应等级的耗能电阻；在细调阶段中，基于超级电容的实时状态，计算切换安全裕度，当不小于预定义的安全裕度阈值时启动超级电容器充放电控制，并根据超级电容启动时长对超级电容充电功率进行非线性切换；在功率不足场景下，启动超级电容器放电。

8、优选地，s3中构建椭圆决策方程的过程为：

9、采集并网稳态数据样本，计算并网稳态数据样本的最终残压梯度均值、标准差，作为并网稳态残压梯度均值和标准差；计算并网稳态数据样本的电压谐波熵均值和标准差，作为并网稳定电压谐波熵均值和标准差；将3倍的并网稳态残压梯度标准差作为椭圆决策边界的长轴参数，将3倍的并网稳态残压梯度标准差作为椭圆决策边界的短轴参数；

10、基于并网稳态残压梯度均值、电压谐波熵均值、长轴和短轴参数，构建椭圆决策方程。

11、优选地，s3中计算可疑孤岛点的孤岛置信度的过程为：

12、将实时计算每个采样时刻下最终残压梯度以及电压谐波熵代入椭圆决策方程的等式左侧，当等式左侧结果不大于1时，判定为并网状态正常，不触发孤岛动作；

13、当等式左侧结果大于1时，标记为可疑孤岛状态；对于任意采样时刻，取0、等式左侧取值减去1之间的最大值，作为对应时刻的孤岛置信度。

14、优选地，s3中对孤岛置信度进行修正的过程为：

15、将实时计算每个采样时刻下最终残压梯度以及电压谐波熵代入椭圆决策边界方程的等式左侧；对于任意采样时刻，当对应时刻下等式左侧结果大于1且当前时刻电流谐波熵较并网稳态电流谐波熵均值的下降幅度超过预定义的下降阈值时，将预定义的增强系数与对应采样时刻的孤岛置信度的乘积更新为对应采样时刻的孤岛置信度；其中，并网稳态电流谐波熵均值为并网稳态数据样本中所有样本的电流谐波熵的均值。

16、优选地，s4中，计算对应时刻下新能源总出力与负荷功率的差值大于0，属于功率过剩场景；否则，属于功率不足场景；

17、预定投切条件为：实时计算当前时刻每一相的电压有效值相对于额定电压的偏差占比，当任意一相的偏差占比均大于预定电压波动率时，则认为处于粗调阶段；否则，处于细调阶段。

18、优选地，s4中基于差值进行等级划分并投入耗能电阻的过程为：

19、当差值小于预定第一等级阈值时，投入预定义的第一组电阻；当差值不小于预定第一等级阈值且小于预定第二等级阈值时，投入预定义的第一和二组电阻；当差值不小于预定第二等级阈值时，全部三组电阻同时投入。

20、优选地，s4中计算切换安全裕度的过程为：

21、实时获取超级电容的储能剩余容量soc、模组温度、端电压和实测容量值，并分别对储能剩余容量和端电压归一化，得到容量可用度和电压可用度；将当前采样时刻下模组温度与参考温度之间的差的绝对值除以预定义的最大允许温度偏离量后取相反数并加上1，得到温度偏离因子；将超级电容当前的实测容量值占额定容量值的比值，得到容量保持率；

22、将当前时刻下的容量可用度、温度偏离因子、电压可用度和容量保持率相乘，得到对应的切换安全裕度。

23、优选地，s4中对超级电容充电功率进行非线性切换的过程为：

24、以最小化电压偏差、频率偏差、功率偏差与功率损耗为目标，在预定义的超级电容功率的可行域内求解当前超级电容启动时长下的稳态功率参考值；以超级电容启动时长占储能响应时间常数的比值的相反数为指数，计算预定义的指数函数的取值；取该取值的相反数后加上1并乘以稳态功率参考值，得到当前超级电容启动时长下的充电功率参考值。

25、优选地，求解稳态功率参考值的过程为：

26、将当前超级电容启动时长下的母线电压与额定参考电压的差异占额定参考电压的比值，作为电压偏差程度；将当前超级电容启动时长下的频率与额定参考频率的差异占额定参考频率的比值，作为频率偏差程度；将当前超级电容启动时长下的充电功率与设定参考功率的差异占功率基准值的比值，作为功率跟踪偏差程度；将对应充电功率下充电电流的平方乘以超级电容的等效串联电阻后除以功率基准值，作为充放电损耗程度；通过预定义的权重系数，将电压偏差程度、频率偏差程度、功率跟踪偏差程度和充放电损耗程度进行加权，得到优化目标函数；其中，预定义的权重系数根据实时电压偏差程度进行动态调整；

27、在求解过程中，在超级电容功率的可行域内取两个黄金分割点，并代入优化目标函计算函数值；将两个黄金分割点对应函数值进行比较，当第一黄金分割点函数值小于第二黄金分割点函数值，将第二黄金分割点对应功率值作为上限更新可行域区间；否则，将第一黄金分割点对应功率值作为下限更新可行域区间；重复迭代直到区间长度小于预定义的功率幅度阈值，取区间中点作为稳态功率参考值。

28、优选地，当前超级电容启动时长下的母线电压和频率的计算过程为：

29、在当前超级电容启动时长下，将充电功率与上一滚动优化周期的稳态功率参考值的差乘以预定义的电压-功率灵敏度系数后加上上一滚动优化周期的母线电压稳态值，得到对应的母线电压；将充电功率与上一滚动优化周期的稳态功率参考值的差乘以预定义的频率-功率灵敏度后加上上一滚动优化周期的频率电压稳态值，得到对应的频率。

30、本发明的第二方面提供了一种超级电容器储能自动切换装置，执行一种超级电容器储能自动切换方法，包括：

31、数据采集模块，采集新能源接入和电网连接的公共连接点处的母线的三相电压、电流的瞬时值，并计算电压和电流有效值；

32、特征提取模块，当预定持续时段内三相电压有效值均低于预定义的电压阈值时，计算残压梯度并进行滑动平均滤波，取所有相滤波后残压梯度的绝对值的最大值，作为最终残压梯度；对预定义的滑动窗口内采集的母线电压、电流信号进行快速傅里叶变换，计算电压谐波熵和电流谐波熵；

33、孤岛状态判定模块，基于最终残压梯度和谐波熵，构建椭圆决策方程并标记可疑孤岛点；计算可疑孤岛点的孤岛置信度，结合电流谐波熵，当满足预定判定条件时对孤岛置信度进行修正；将对应采样时刻前累积窗口长度内每个采样时刻的孤岛置信度乘以时间间隔后累加，得到置信度累积值；当置信度累积值超过设定阈值时，当前采样时刻新能源接入区域处于孤岛状态；

34、储能自动切换模块，当处于孤岛状态时，计算新能源总出力与负荷功率的差值，并划分为功率过剩场景和功率不足场景；在功率过剩场景下，基于预定投切条件，划分粗调和细调阶段；在粗调阶段中，基于差值进行等级划分，并投入对应等级的耗能电阻；在细调阶段中，基于超级电容的实时状态，计算切换安全裕度，当不小于预定义的安全裕度阈值时启动超级电容器充放电控制，并根据超级电容启动时长对超级电容充电功率进行非线性切换；在功率不足场景下，启动超级电容器放电。

35、本发明的第三方面提供了一种终端，包括处理器及存储介质；

36、所述存储介质用于存储指令；

37、所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行一种超级电容器储能自动切换方法的步骤。

38、本发明的第四方面提供了计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现一种超级电容器储能自动切换方法的步骤。

39、与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

40、1、本发明通过结合残压梯度、电压谐波熵和电流谐波熵构建多特征孤岛判定机制，并利用椭圆决策边界对异常运行点进行筛选，再通过孤岛置信度累积以及电流谐波熵变化对置信度进行修正，能够降低单一电气特征波动造成的误判和漏判，提高新能源并网区域孤岛状态识别的可靠性和连续判别能力。

41、2、本发明针对新能源总出力与负荷功率之间的差异，将功率过剩状态进一步划分为粗调和细调阶段，并通过分级投入耗能电阻快速消纳较大的功率过剩量，再利用超级电容进行精细功率调节；同时综合超级电容soc、端电压、模组温度及容量保持率计算切换安全裕度，在满足安全条件时才启动超级电容，从而降低储能状态异常或运行条件不适宜时强制切换所造成的运行风险。

42、3、本发明通过同时考虑母线电压偏差、频率偏差、功率跟踪偏差以及超级电容充放电损耗确定稳态功率参考值，并采用黄金分割搜索在功率可行域内进行优化；进一步根据超级电容启动时长采用非线性功率切换，使充电功率随启动过程逐步趋近于稳态功率参考值，避免功率突变引起母线电压、频率及储能装置的剧烈波动，提高自动切换过程中的动态稳定性。