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一種基於電壓差動的微電網故障探測方法和裝置

北極星輸配電網訊:北極星輸配電網今日給大家帶來的是一種基於電壓差動的微電網故障探測方法和裝置。該發明的申請為華北水利水電大學,發明人為蘇海濱、賀子芙、楊雙雙、郭鴻奇、曹一曉、曹揚、劉家豪、段剛強。


摘要


本發明公開了一種基於電壓差動的微電網故障探測方法,所述方法包括一個PARK運算模塊、一個一階抗混疊濾波差分運算模塊、一個一階低通數字濾波器、一個雙磁滯比較器、一個閾值比較模塊;應用在多逆變器微電網中能夠有效的判斷微電網中的三相短路故障、兩相短路故障和單相接地短路故障、識別故障發生的位置和區域及時做出保護動作,彌補了傳統繼電保護的不足。並且檢測精度高、接線簡單、能耗低、成本低,靈活性強,適用於微電網的故障探測和保護。

1 .一種基於電壓差動的微電網故障探測方法,其特徵在於,包括以下步驟:


步驟(1)、測量獲得逆變器的輸出三相電壓信號vU、vV、vW;


步驟(2)、對三相電壓信號vU、vV、vW利用PARK方程變換為兩相靜止坐標系下α β分量Vα、Vβ,再將Vα、Vβ變換為兩相旋轉坐標系下dq直流分量Vds、Vqs;


步驟(3)、將測量的直流分量Vds、Vqs與恆定的三相平衡標準參考電壓Vdref、Vqref進行差分運算,定義輸出差分調製信號V+q_fall為微電網電壓下跌量,V+q_fall=ΔVqr=Vqref-Vqs;

步驟(4)、對差分調製信號V+q_fall進行低通濾波及雙磁滯比較處理後輸出信號Vq_fall;


步驟(5)、將差值信號Vq_fall與預設的閾值信號進行比較,輸出用於控制斷路器開關的信號:若差值信號Vq_fall低於閾值信號,判斷微電網無故障 ,繼續監測電網 ;若差值信號Vq_fall大於閾值信號,判斷微電網發生故障,斷開斷路器開關以保護微電網。


2.根據權利要求1所述的基於電壓差動的微電網故障探測方法,其特徵在於,所述步驟(5)中,所述閾值信號為電網電壓下跌至額定電壓的45%至55%之間。


3 .根據權利要求1所述的基於電壓差動的微電網故障探測方法,其特徵在於,所述步驟(5)中,當差值信號Vq_fall大於設定的閾值信號時 ,通過檢測Vq_fall的波形判斷微電網的故障類型,具體包括:


a)當Vq_fall的波形是一個純凈的直流量時,微電網發生三相故障;

b)當Vq_fall的波形是一個趨於直線且帶有波紋的直流量時,微電網發生兩相故障;


c)當Vq_fall的波形是一個在零與最大值之間無恆定幅度振蕩的直流量時,微電網發生單相故障。


4 .一種實現權利要求1至3任一所述的方法的微電網故障探測裝置,包括PARK運算模塊、一階抗混疊濾波差分運算模塊、一階低通數字濾波器、雙磁滯比較器和閾值比較模塊;


所述PARK運算模塊,將逆變器輸出的三相電壓信號vU、vV、vW變換為兩相靜止坐標系下α β分量Vα、Vβ,再將Vα、Vβ變換為兩相旋轉坐標系下dq直流分量Vds、Vqs;


所述一階抗混疊濾波差分運算模塊,用於將直流分量Vds、Vqs與恆定的三相平衡標準參考電壓Vdref、Vqref進行差分運算;

所述一階低通數字濾波器 ,對差分調製信號V+q_fall進行低通濾波處理後輸出信號Vq_fall;


所述雙磁滯比較器,通過設置合適的上限和下限裕度來調整故障探測的靈敏度;


所述閾值比較模塊,用於差值信號Vq_fall與預設的閾值信號進行比較,輸出用於控制斷路器開關的信號。


技術領域

本發明涉及微電網故障探測領域,具體涉及一種基於電壓差動的微電網故障探測方法和裝置。


背景技術


微電網的運行分兩種狀態,即併網運行和孤島運行,正常情況下微電網與大電網併網連接運行,此時微電網故障保護與傳統故障保護一樣,依靠大的故障電流觸發過流繼電保護動作;當大電網發生故障時,微電網與大電網脫離形成孤島運行,由於逆變器具有限制輸出電流的能力,最大輸出電流為額定工作電流的2倍,故多逆變器的微電網系統在發生故障時不可能提供大的故障電流觸發過流保護繼電器工作。在現有的微電網故障探測及保護的方法中,常用的有在微電網中增加高短路電流能力單元裝置、在要保護的饋線兩端分別安裝查分繼電器、孤島運行下基於電流的選擇性保護等,這些方法投資大、維護成本高、工作效率低、局限性大,不適用於多逆變器的微電網的故障探測和保護。


發明內容


本發明要解決的技術問題是傳統的微電網故障探測方法投資大、維護成本高、工作效率低、局限性大,為解決上述問題,提供一種基於電壓差動的微電網故障探測方法和裝置。


本發明的目的是以下述方式實現的:


一種基於電壓差動的微電網故障探測方法,包括以下步驟:


步驟(3)、將測量的直流分量Vds、Vqs與恆定的三相平衡標準參考電壓Vdref、Vqref進行差分運算,定義輸出差分調製信號V+q_fall為微電網電壓下跌量,V+q_fall=ΔVqr=VqrefVqs;


步驟(5)、將差值信號Vq_fall與預設的閾值信號進行比較,輸出用於控制斷路器開關的信號Y、N:若差值信號Vq_fall低於閾值信號,判斷微電網無故障,繼續監測電網;若差值信號Vq_fall大於閾值信號,判斷微電網發生故障,斷開斷路器開關以保護微電網。


優選地,所述步驟(5)中,所述雙磁滯比較處理為雙磁滯比較器通過對比較器設置合適的上限UH和下限UL裕度得到滿足需要的門限寬度ΔU=UH-UL,避免當信號Vq_fall在門限值ΔU附近有微小干擾引起的跳變電壓值超過ΔU時輸出電壓產生相應抖動(起伏),以便輸出穩定的Vq_fall,雙向磁滯比較器響應速度加快,還可免除由電路寄生耦合而產生的自激蕩,提高故障探測靈敏度。


所述閾值信號為電網電壓下跌至額定電壓的45%至55%之間,優選地,所述閾值信號為電網電壓下跌至額定電壓的50%。微電網中電壓下降是一種短期形式,當電網電壓下跌至額定電壓的50%時,其持續時間不大於200ms。


優選地,所述步驟(5)中,當差值信號Vq_fall大於設定的閾值信號時 ,通過檢測


Vq_fall的波形判斷微電網的故障類型,具體包括:


c)當Vq_fall的波形是一個在零與最大值之間無恆定幅度振蕩的直流量時,微電網發生單相故障。所述最大值取Vq_fall的波形的波峰或波谷的絕對值中較大的那個值。


一種基於電壓差動的微電網故障探測裝置,包括PARK運算模塊、一階抗混疊濾波差分運算模塊、一階低通數字濾波器、雙磁滯比較器和閾值比較模塊;


所述一階低通數字濾波器,對差分調製信號V+q_fall進行低通濾波處理後輸出信號Vq_fall;


相對於現有技術,本發明具有以下明顯優點:


本發明應用在多逆變器微電網的故障與保護,能夠有效彌補傳統繼電保護方法的不足,通過設定合適的閾值能夠判斷三相短路故障、兩相短路故障和單相接地短路故障,能夠識別故障發生位置和區域;並且檢測精度高、接線簡單、能耗低、成本低,靈活性強,適用於微電網的故障探測和保護。


附圖說明


圖1是本發明的系統原理圖。

一種基於電壓差動的微電網故障探測方法和裝置



圖2是本發明的一個具體實施方式圖。

一種基於電壓差動的微電網故障探測方法和裝置



具體實施方式


以下結合具體實例,對本發明進行詳細說明。


參考圖1,一種基於電壓差動的微電網故障探測方法,包括一個PARK運算模塊、一個一階抗混疊濾波差分運算模塊、一個一階低通數字濾波器、一個雙磁滯比較器、一個閾值比較模塊。


故障探測信號來源是逆變器的三相電壓,測量獲得逆變器的輸出三相電壓信號vU、vV、vW。


所述PARK運算模塊,對電壓信號vU、vV、vW利用PARK方程變換為兩相靜止坐標系下αβ分量Vα、Vβ,為消除所有交流分量,再將Vα、Vβ變換為兩相旋轉坐標系下dq直流分量Vds、Vqs。


所述一階抗混疊濾波差分運算模塊,用於將測量的直流分量Vds、Vqs與恆定的三相平衡標準參考電壓Vdref、Vqref進行差分運算,把一個輸出差分調製信號V+q_fall(V+q_fall=ΔVqr=Vqref-Vqs)定義為微電網電壓下跌量。


所述一階低通數字濾波器,對差分調製信號V+q_fall進行低通濾波處理後輸出信號Vq_fall。


所述雙磁滯比較器,通過設置合適的上限和下限裕度來調整故障探測的靈敏度;所述雙磁滯比較處理為雙磁滯比較器通過對比較器設置合適的上限UH和下限UL裕度得到滿足需要的門限寬度ΔU=UH-UL,避免當信號Vq_fall在門限值ΔU附近有微小干擾引起的跳變電壓值超過ΔU時輸出電壓產生相應抖動(起伏),以便輸出穩定的Vq_fall,雙向磁滯比較器響應速度加快,還可免除由電路寄生耦合而產生的自激蕩,提高故障探測靈敏度;所述閾值信號為電網電壓下跌至額定電壓的45%至55%之間,優選地,所述閾值信號為電網電壓下跌至額定電壓的50%。微電網中電壓下降是一種短期形式,當電網電壓下跌至額定電壓的50%時,其持續時間不大於200ms。


所述閾值比較模塊,用於差值信號Vq_fall與設置的閾值信號進行比較,輸出用於控制斷路器開關的信號Y、N。


所述基於電壓差動的微電網故障探測方法,Vq_fall與閾值比較,若不大於閾值,輸出信號N,繼續監測電網,若大於閾值,輸出信號Y,該信號用於斷路器控制,切斷故障區域,保護微電網;電網正常運行時,經過一階低通數字濾波器及雙磁滯比較器處理的Vq_fall等於零;Vq_fall的波形是一個純凈的直流量時,微電網發生三相故障;Vq_fall是一個帶有波紋的直流量時,微電網發生兩相故障;Vq_fall是一個零到最大值之間振蕩的直流量時,微電網發生單相故障(所述最大值取Vq_fall的波形的波峰或波谷的絕對值中較大的那個值。)。


本實例實施將是以這種故障檢測保護方法應用於與公共電網相連接的多逆變器微電網為例。微電網的結構模型如圖2所示,微電網和公共電網之間通過變壓器相連。


故障發生在微電網內部,如圖2中F1處,F1發生點位於與逆變器1連接的母線1區域,故障探測輸出Vq_fall,Vq_fall輸出波形與故障發生區域是對應的,根據波形可以識別判斷故障發生的區域位置和類型。當Vq_fall輸出超過給定閾值,該信號可用於斷路器控制,以切斷故障區域保護微電網,且與逆變器2連接的母線2上測量到的Vq_fall信號小於閾值,故母線區域2內保護繼電器不動作;當Vq_fall輸出小於給定閾值,則繼續檢測電網。故障發生在微電網外部,如圖2中F2處,由於參考信號值總是等於測量信號值,故Vq_fall總是等於零,微電網內的繼電保護不會因為主電網短路電流而動作。


應當理解的是,對本領域普通技術人員來說,可以根據上述說明加以改進或變換,而所有這些改進和變換應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。


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