一种用于分布式电源的孤岛保护装置及其检测算法

摘要

本发明公开了一种用于分布式电源的孤岛保护装置，包括降压变压器、限流电抗、晶闸管和控制器单元。本发明通过在电网电压过零附近的一定区间内触发晶闸管导通，制造一个受控的短路电流和电网电压畸变；本发明还公开了此种孤岛保护装置的检测算法，检测算法包括晶闸管触发角在线优化算法和孤岛判别准则算法。基于电网支持与脱离时分布式电源接入点的短路容量的明显差异，本发明可以可靠识别出分布式电源是否处于孤岛运行。该发明的孤岛保护装置是一种可分布式安装的设备，不依赖任何通讯媒介，成本低、无信号衰减和干扰问题。

权利要求

1.一种用于分布式电源的孤岛保护装置的检测算法，其特征在于：孤岛保护装置包括降压变压器(1)、限流电抗(2)、晶闸管(3)和控制器单元(4)；降压变压器(1)的原副边绕组可以为三角形或星形连接的任意组合；限流电抗(2)可以为独立的电感，也可以为降压变压器(1)的漏感来实现；晶闸管(3)为商用开关器件，可为单一器件，也可由多个器件串并联组合得到；控制器单元(4)包括电压、电流检测部分、检测算法运行单元、晶闸管驱动信号产生部分和保护信号产生部分；

第一步计算时域指标 其中Ipeak_Bef.是连网状态下的晶闸管电流峰值、Ipeak_Aft.是孤岛状态下的晶闸管电流峰值；

第二步计算频域指标ΔTHD＝THDAft.-THDBef.，其中THDBef.是连网状态下的公共连接点电压总谐波含量(THD)值、THDAft.是孤岛状态下的公共连接点电压THD值；

孤岛检测判别准则为满足 时，孤岛发生；

晶闸管触发角的在线优化流程具体过程如下：

初始化定义预设电压损失k、最小触发角δnmin和最大触发角δnmax，然后根据孤岛保护装置跨接于线电压或相电压的不同，基于接入点的短路容量和预设电压损失k计算初始触发角δn；

对于相电压形式连接：

其中SPG_feeder是X点相电压对地短路容量，SPN_DG是分布式电源相电压对地短路容量，ST是降压变压器容量，xT是降压变压器的短路阻抗百分比；

对于线电压形式连接：

其中S3ph_feeder是X点三相对称短路容量，S3ph_DG是分布式电源三相对称短路容量；

检查初始触发角δn是否在预设范围内，若否则进行限幅；

检查晶闸管电流应力，若晶闸管应力未超限则减小触发角；

计算公共连接点的电压损失百分比，若公共连接点的电压损失小于等于一个百分点则增加触发角；

计算公共连接点的电压谐波含量，若公共连接点的电压谐波含量大于等于百分之五则减小触发角；

输出当前电网状态下的实时优化触发角。

说明书

一种用于分布式电源的孤岛保护装置及其检测算法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于分布式电源的孤岛保护装置技术，属于分布式发电保护技术领域。

背景技术

[0002] 分布式发电源，如光伏电站、风力发电场、微型涡轮发电等，大量接入中高压电网，但传输线路存在与大电网变电站断开的风险，从而有可能形成分布式电源的孤岛运行。孤岛运行的分布式电源将危及电网检测人员、被供电负载设备和分布式电源本身的安全，国际、国内并网标准要求孤岛运行的分布式电源必须在限定时间内可靠检测出孤岛状态并安全地在公共连接点与电网脱离。

[0003] 分布式电源的孤岛保护方案一般分为主动型、被动型和通讯型等。其中主动扰动型孤岛检测算法一般用于接入低压配电网的分布式电源，并基于并网逆变器实现主动扰动；被动型孤岛检测方法一般比较简单，容易实现，但存在较大的非检测区；通讯型孤岛检测方法被普遍用于接入中高压电网的分布式电源系统，但该方法需要建设连接上游变电站和分布式电源的通讯线路，对大多数建立在偏远地区分布式电源来说存在建设成本高和维护困难的难题。另外，基于专用通讯线的孤岛检测方法不能有效识别上游变电站与分布式电源之间线路断开的情景。已有参考文献提出基于电力线载波通讯的孤岛检测方法可以检测输电线路断开的情景，但存在变电站侧所发送检测信号在分布式电源的接收侧存在大幅衰减和受干扰的难题，使误动和拒动率升高。

[0004] 若能发明一种分布式孤岛保护装置，其设备产权能独立于分布式电源商，最重要的是避免上述技术和成本缺陷，将大幅提高分布式电源的安全、低运行成本和低维护成本运行。

发明内容

[0005] 技术问题：本发明用于解决分布式电源接入中高压电网时的孤岛保护，以解决目前基于通讯方式实现孤岛保护存在的建设周期长、成本高、可靠性低等难题。

[0006] 技术方案：本发明采用以下技术方案：

[0007] 一种用于分布式电源的孤岛保护装置，包括降压变压器(1)、限流电抗(2)、晶闸管(3)和控制器单元(4)；降压变压器(1)的原副边绕组可以为三角形或星形连接的任意组合；限流电抗(2)可以为独立的电感，也可以为降压变压器(1)的漏感来实现；晶闸管(3)为商用开关器件，可为单一器件，也可由多个器件串并联组合得到；控制器单元(4)包括电压、电流检测部分、检测算法运行单元、晶闸管驱动信号产生部分和保护信号产生部分。

[0008] 进一步地，所述降压变压器的高压侧X连接于分布式电源馈入线路断路器的下游，低压侧连接限流电抗的一端。

[0009] 进一步地，所述限流电抗的另一端连接晶闸管的阳极、晶闸管的阴极返回降压变压器的低压侧、晶闸管的门极连接控制器的触发角信号端。

[0010] 进一步地，所述控制器连接X点电压测量信号和T点电流测量信号。

[0011] 进一步地，所述控制器的保护信号端连接至电路断路器，以便执行孤岛保护跳闸操作。

[0012] 一种用于分布式电源的孤岛保护装置的检测算法，具体过程如下：

[0013] 第一步计算时域指标 其中Ipeak_Bef.是连网状态下的晶闸管电流峰值、Ipeak_Aft.是孤岛状态下的晶闸管电流峰值；

[0014] 第二部计算频域指标ΔTHD＝THDAft.-THDBef.，其中THDBef.是连网状态下的公共连接点电压总谐波含量(THD)值、THDAft.是孤岛状态下的公共连接点电压THD值；

[0015] 孤岛检测判别准则为满足 时，孤岛发生。

[0016] 进一步地，晶闸管触发角的在线优化流程具体过程如下：

[0017] 初始化定义预设电压损失k、最小触发角δnmin和最大触发角δnmax，然后根据孤岛保护装置跨接于线电压或相电压的不同，基于接入点的短路容量和预设电压损失k计算初始触发角δn；

[0018] 对于相电压形式连接：

[0019] 对于线电压形式连接：

[0020] 检查初始触发角δn是否在预设范围内，若否则进行限幅；

[0021] 检查晶闸管电流应力，并调整触发角；

[0022] 计算公共连接点的电压损失百分比，并调整触发角；

[0023] 计算公共连接点的电压谐波含量，并调整触发角；

[0024] 输出当前电网状态下的实时优化触发角。

[0025] 有益效果：本发明与现有技术相比：

[0026] 本发明通过在分布式电源的公共接入点并入降压变压器、限流电感和晶闸管组成的可控短路电路，在电网电压过零时接入电网。从而借助公共连接点在连网和脱网状态下短路容量的不同将产生不同的短路电流大小和电网电压谐波水平，本发明基于时域和频域指标可可靠判定孤岛是否发生。本发明实现了孤岛检测的本地激励本地检测，大幅降低了系统成本和提高了检测的可靠性。

附图说明

[0027] 图1是用于单一分布式电源情景时本发明孤岛保护装置的电路连接方式示意图；

[0028] 图2是本发明孤岛保护电路关键工作波形和控制时序示意图；

[0029] 图3是本发明在单一分布式电源情景下孤岛保护装置跨接于相电压通道时孤岛前后的关键工作波形图；

[0030] 图4是本发明在单一分布式电源情景下孤岛保护装置跨接于线电压通道时孤岛前后的关键工作波形图；

[0031] 图5描述了本发明用于单馈线多分布式电源情景的电路连接方式示意图；

[0032] 图6是本发明在单馈线多分布式电源实施例2情景下孤岛保护装置1跨接于相电压通道时孤岛前后的关键工作波形图；

[0033] 图7是本发明在单馈线多分布式电源实施例2情景下孤岛保护装置跨接于相电压通道时孤岛前后的关键工作波形图；

[0034] 图8是本发明在单馈线多分布式电源实施例2情景下孤岛保护装置2跨接于相电压通道时孤岛前公共连接点电压波形和低次谐波分布图；

[0035] 图9是本发明在单馈线多分布式电源实施例2情景下孤岛保护装置2跨接于相电压通道时孤岛后公共连接点电压波形和低次谐波分布图；

[0036] 图10是本发明的在线触发角优化流程图。

具体实施方式

[0037] 如图1所示，通过在分布式电源的公共点接入出安装本发明的孤岛保护装置，通过实时检测电网电压过零点和实时在线优化晶闸管触发角，并周期性地、间断性地和轮转地触发短路回路来获得时域和频域检测指标，并通过孤岛判别准则进行孤岛状态识别。

[0038] 实施例1：

[0039] 图1描述了本发明实施例1用于单一分布式电源情景的电路连接方式，降压变压器的高压侧X连接于分布式电源馈入线路断路器的下游，低压侧连接限流电抗的一端；限流电抗的另一端连接晶闸管的阳极、晶闸管的阴极返回降压变压器的低压侧中性点、晶闸管的门极连接控制器的触发角信号端；控制器连接X点电压测量信号和T点电流测量信号；控制器的保护信号端连接电路断路器执行孤岛保护跳闸操作。

[0040] 图2是本发明实施例1的孤岛保护电路关键工作波形和控制时序。孤岛保护装置控制器在电网电压过零点前δ角度触发晶闸管形成对限流电感的短路，使得电感电流快速上升至电网电压零点时达到峰值Ipeak，随后电感电流在电网电压作用下快速下降直至为零，整个检测动作完成。从检测点X电压波形可以看出，检测动作引起了公共连接点电压的部分损失。

[0041] 图3是本发明实施例1情景下孤岛保护装置跨接于相电压通道时孤岛前后的关键工作波形图；图4是本发明实施例1情景下孤岛保护装置跨接于线电压通道时孤岛前后的关键工作波形图。两种连接方式下，短路电流峰值在孤岛前后表现出了明显的差异，仅依靠时域指标ΔIpeak就可以辨别出孤岛状态。

[0042] 实施例2：

[0043] 图5描述了本发明实施例2用于单馈线多分布式电源情景的电路连接方式，在线路M1的节点②分布式电源1接入，本发明的孤岛保护装置1并接于接入线路断路器和分布式电源1之间；孤岛保护装置2并接于接入线路断路器和分布式电源2之间。

[0044] 图6是本发明实施例2情景下孤岛保护装置1跨接于相电压通道时孤岛前后的关键工作波形图；图7是本发明实施例2情景下孤岛保护装置跨接于相电压通道时孤岛前后的关键工作波形图。孤岛发生后，孤岛保护装置1的短路电流峰值有降低，但孤岛保护装置2的短路电流峰值降低不明显，直到分布式电源1脱开后，孤岛保护装置2的短路电流发生了明显变化。因此，单时域指标ΔIpeak判别多分布式电源场景下的孤岛状态存在延时。

[0045] 图8是本发明实施例2情景下孤岛保护装置2跨接于相电压通道时孤岛前公共连接点电压波形和低次谐波分布图；图9是本发明实施例2情景下孤岛保护装置2跨接于相电压通道时孤岛后公共连接点电压波形和低次谐波分布图。孤岛前后频域指标ΔTHD明确指示孤岛状态的发生，因此，基于时域频域组合指标在多分布式电源场景是一种及时、高效、准备的孤岛判别方法。

[0046] 以上详细描述了本发明的两种实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

[0047] 另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。