基于坐标变换和聚类分析的光伏并网系统故障分析方法与流程

本发明涉及故障诊断，具体为基于坐标变换和聚类分析的光伏并网系统故障分析方法。

背景技术：

1、近年来随着光伏发电的普及以及所涉及到的各项技术的发展和进步，如储能技术，氮化镓材料功率器件等，光伏并网系统的发电成本也被进一步被控制缩减，利用光伏太阳能发电将成为或者说已经成为取代火力发电的新能源产业在电力行业应用的重要形式。

2、为了使整个系统能在受监控的环境下保持正常运行状态，并在故障发生时及时脱网，尤其当光伏并网系统在某些关键领域应用时，如医疗或者军事方面，可能一个故障就会导致不可估计和预料的经济，人身安全损失；因此就需要监控模块对包括光伏组申，汇流箱，逆变器输入输出等进行监测，确保运行的可靠性与安全性。

3、根据目前的研究现状，一个复杂系统一定会存在多方面的故障发生可能性，由于这些故障的复杂度和突发性较高，很难提前预知故障是否即将发生，往往都只能在故障发生后要求其立刻停机，并希望尽快找到故障发生的原因，以便系统能更快的投入运行中，这样才能更好的降低太阳能发电的成本；由于光伏并网逆变系统故障种类繁多，且故障导致的监控模块所获取的参数之间往往较为类似，如果仅仅考虑单一故障，往往会导致误诊，即故障原因未被排除，使再次并网的光伏系统重复报警，增加检测时间和运维成本；因此要有针对性的分析多种故障并找出它们之间的共同之处，利用在多种故障下变化有所不同的参数对故障进行分类，并诊断出其主要故障，这可以降低运维难度，也降低了故障发生后带来的安全隐患。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

3、本发明实施例的第一方面，提供基于坐标变换和聚类分析的光伏并网系统故障分析方法，包括：利用matlab仿真平台模拟可能出现的故障并搭建光伏并网逆变器系统仿真模型，通过所述光伏并网逆变器系统仿真模型获取三类故障的故障数据；根据所述故障数据对各种故障下的并网电流进行坐标变换，得到不同种类故障下的时域特征值；将所述时域特征值转变为交直轴电流幅值，所述交直轴电流幅值与故障类型相对应后作为故障特征值；基于聚类分析通过聚类中心点与所述故障特征值间的欧氏距离实现故障的分类。

4、作为本发明所述的基于坐标变换和聚类分析的光伏并网系统故障分析方法的一种优选方案，其中：所述故障数据的获取包括，

5、利用matlab仿真平台模拟可能出现的故障，包括己知故障种类的数据以及将逆变器系统当作黑箱，调整概率使所述逆变器系统随机产生未知故障种类的数据；

6、搭建光伏并网逆变器系统仿真模型，并通过所述光伏并网逆变器系统仿真模型获取三类故障的故障数据；

7、其中，所述三类故障包括开关管的故障、直流母线欠压故障以及随机故障，所述光伏并网逆变器系统仿真模型包括pv光伏阵列、两电平逆变电路、交流侧电网模型、控制器、电压电流采样模块。

8、作为本发明所述的基于坐标变换和聚类分析的光伏并网系统故障分析方法的一种优选方案，其中：所述并网电流的坐标变换包括，

9、通过对所述光伏并网逆变器系统的机理分析，设定正常状态下三相电流为：

10、ia＝imcos(ωt+θi)

11、

12、

13、其中，ia表示a相的电流，ib表示b相的电流，ic表示c相的电流，im表示并网电流幅值，ω表示角速度，θi表示电流初相角；

14、通过坐标变换获取所述并网电流在dq坐标系下的数学模型，具体的计算包括：

15、

16、其中，id和iq分别表示dq变换后的电流，θ表示锁相环输出角；

17、根据所述并网电流在dq坐标系下的数学模型得出在正常工作的状态下，dq变换之后的电流值，具体的计算包括：

18、id＝im

19、iq＝0。

20、作为本发明所述的基于坐标变换和聚类分析的光伏并网系统故障分析方法的一种优选方案，其中：所述直流母线欠压故障下的并网电流的坐标变换包括，

21、在直流母线过压故障下，所述并网电流与母线电压的参数变换和开关函数有关，其中，所述开关函数与控制环节输出有关；

22、经过分析计算得到母线过压会使d轴电流参考值上升，使得svpwm环节输入dq变换后的电压增加，随后系统失稳，并网电流将滞后于电网电压一个角度α；

23、通过坐标变换得到交直流电流，当直流母线欠电压或是交流测过电压时，系统电流将反向；

24、所述直流母线欠压故障下的并网电流的坐标变换的计算包括，

25、

26、

27、其中，i表示交流侧正常电流。

28、作为本发明所述的基于坐标变换和聚类分析的光伏并网系统故障分析方法的一种优选方案，其中：所述开关管的故障下的并网电流的坐标变换包括，

29、当开关管发生开路故障后，以vt1故障为例，在故障发生的正半周期内，并网电流对应a相幅值为零，bc两相电流之和为零，即所述正半周期内，非故障相电感储能多于正常状态下电感储能，b相电流出现一个滞后的相移，使得非故障相一个周期均值不为零，在故障发生的负半周期内，电流保持正常工作状态不变，仅有幅值层面上的增加；

30、所述开关管的故障下的并网电流的坐标变换的计算包括，

31、

32、

33、其中，β表示故障下b相电流出现的一个滞后的相移。

34、作为本发明所述的基于坐标变换和聚类分析的光伏并网系统故障分析方法的一种优选方案，其中：所述聚类分析的步骤包括，

35、所述聚类分析前对故障特征值数据集进行预处理，将经过一次派克变换后取n个点作为训练输入数据，所述dq轴电流采样数据点构成输入向量，并对数据进行归一化处理；

36、通过k均值聚类算法选择聚类中心对样本作初始分类，再采用误差平方和函数作为聚类准则判断聚类是否合理，若所述聚类不合理，则修改所述聚类直到合理；

37、根据初始聚类中心计算样本总体的算术均值，寻找所有样本到所述算术均值的最大距离和最小距离，将所述最大距离和最小距离平均分成c等份，据此把样本分成c类,每一类的算术均值作为初始聚类中心。

38、作为本发明所述的基于坐标变换和聚类分析的光伏并网系统故障分析方法的一种优选方案，其中：还包括，

39、对不同聚类数目的聚类结果的密集性和邻近性进行评价，得出最优的聚类数目，其中数据集簇内方差的计算包括，

40、

41、其中，var表示数据集簇内方差，n表示数据集中总样本个数，表示矢量xi与之间的距离；

42、所述密集性cmp的计算包括，

43、

44、其中，c表示聚类数目的个数，ci表示聚类中心；

45、所述邻近性prox的计算包括，

46、

47、其中，表示聚类ci中心与cj中心之间的距离，σ表示高斯常数；

48、将聚类密集性与聚类邻近性组合为聚类综合质量，保证聚类综合质量越大，则分类效果越好；

49、所述聚类综合质量的计算包括，

50、ocq(ξ)＝1-[ξ*cmp+(1-ξ)*prox]

51、其中，ξ表示平衡聚类密集性与聚类邻近性的权值。

52、本发明实施例的第二方面，提供基于坐标变换和聚类分析的光伏并网系统故障分析系统，包括：

53、数据采集单元，用于利用matlab仿真平台模拟可能出现的故障并搭建光伏并网逆变器系统仿真模型，通过所述光伏并网逆变器系统仿真模型获取三类故障的故障数据；

54、特征值获取单元，用于根据所述故障数据对各种故障下的并网电流进行坐标变换，得到不同种类故障下的时域特征值，将所述时域特征值转变为交直轴电流幅值，所述交直轴电流幅值与故障类型相对应后作为故障特征值；

55、故障分类单元，用于基于聚类分析通过聚类中心点与所述故障特征值间的欧氏距离实现故障的分类。

56、本发明实施例的第三方面，提供一种设备，所述设备包括，

57、处理器；

58、用于存储处理器可执行指令的存储器；

59、所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行本发明任一实施例所述的方法。

60、本发明实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，包括：

61、所述计算机程序指令被处理器执行时实现如本发明任一实施例所述的方法。

62、本发明的有益效果：本发明提供基于坐标变换和聚类分析的光伏并网系统故障分析方法，分别使用了坐标变换和聚类分析，坐标变换解决了故障特征难以提取的困难，直接利用并网电流所含的特征信息不能很好的完成故障的分析，同时坐标变换也避免了使用多传感器分析而引起的信息量过于复杂，信息之间存在耦合，以及浪费了计算空间等问题；聚类分析则旨在解决故障特征难以辨识的难点，利用聚类分析进行故障的分类及检测，准确度很高。