CN102721883B

CN102721883B - 一种并网光伏逆变器的低电压穿越检测装置

Info

Publication number: CN102721883B
Application number: CN201210201781.1A
Authority: CN
Inventors: 李臻; 吕宏水; 张军军; 周敏; 赵紫龙; 秦筱迪
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2032-06-15
Also published as: EP2863235A1; WO2013185455A1; CN102721883A; EP2863235B1; EP2863235A4; DK2863235T3

Abstract

本发明涉及一种并网光伏逆变器的低电压穿越检测装置。该装置包括限流电抗器、短路电抗器和接地组合开关；所述限流电抗器、中间电抗器-断路器单元、短路电抗器和接地组合开关依次串联；所述限流电抗器接入10/35kV电网；所述中间电抗器-断路器单元和接地组合开关分别接入降压变高压侧中性点；所述降压变接入并网光伏逆变器中。该检测装置在保证短路容量不变的情况下，通过若干个断路器的不同开关模式，改变限流和短路电抗器的配比，从而满足使用较少的电抗器满足不同跌落幅度低电压穿越检测的要求，从而用以光伏逆变器的低电压穿越能力检测。

Description

一种并网光伏逆变器的低电压穿越检测装置

技术领域

本发明涉及一种检测装置，具体涉及一种并网光伏逆变器的低电压穿越检测装置。

背景技术

随着我国光伏产业迅猛发展，光伏发电在电网中所占比例不断增大。如果电网发生故障导致电压跌落时，光伏发电系统解列跳闸，将对电力系统稳定性产生影响，甚至造成电网的全面瘫痪。光伏逆变器作为光伏电站的核心部件，在电网故障时能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压区域。因此，作为光伏逆变器检测实验室必须具有检测装置用于检测光伏逆变器是否具有低电压穿越能力。

在国际相关的风电和光伏标准中，规定采用无源电抗器接地短路或相间短路来模拟电网故障，采用图1所示的装置进行低电压穿越。其中阻抗Z₁为限流电抗器，是用来限制装置短路时对上级电网的影响；Z₁往往会并联有旁路开关。Z₂为短路电抗器，根据需要跌落的幅值来调节Z₂的大小。WT代表风电机组（光伏检测中用光伏发电单元替代）。通过合上开关S可以模拟电网电压跌落，开关S应能够准确地闭合和断开的时间，可用机械断路器或电力电子器件来实现。

采用图1无源电抗器形式，存在几个方面特点：第一，必须选择大功率电抗器，因此装置体积较大。第二，装置跌落点数量受到电抗器数量的限制，不可能同时满足很多跌落幅值。第三，测试时更换电抗器配置或改变主回路结构时步骤繁琐，不利于快速实现多种幅值和形态的电压跌落。

基于国际标准和国外先进标准中所述，采用图1无源电抗器形式实现低电压穿越检测，必须同时满足以下条件：

第一：检测装置短路容量必须是被测光伏逆变器容量的3倍以上，即：

S_{k} = \frac{U_{n}^{2}}{{(Z_{1} + Z_{2} + Z_{k})}^{2}} > {3 P}_{n}

其中：U_n为光伏逆变器接入点额定电压，P_n为光伏逆变器额定功率，Z₁、Z₂为检测装置配置的限流电抗器和短路电抗器，Z_k为公共连接点的等效短路电抗值。以下公式相同。

第二：检测装置跌落幅值是通过配置电抗器Z₁、Z₂的电感值来实现的，检测装置电压跌落值满足如下公式所示：

k = \frac{Z_{2}}{Z_{1} + Z_{2} + Z_{k}};

第三：低电压穿越检测必须满足五种不同幅值的跌落实验，即k要求至少具有5种不同的取值。

第四：低电压穿越检测时，装置跌落前、跌落时、跌落后电压幅值误差不得大于±5%，装置跌落时间和恢复时间不能大于20ms。

不同检测实验室公共连接点的短路阻抗不同，同一连接点的短路阻抗因负荷不同也不相同，即Z_k的值不确定。这使得装置在匹配Z₁、Z₂的电抗值时候，很难同时满足以上四个条件的要求。另外，即使配置的电抗器Z₁、Z₂能满足要求，装置在更换电抗器时步骤繁琐，不利于快速的实现多种跌落幅值、多类跌落方式低电压穿越测试。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种并网光伏逆变器的低电压穿越检测装置，该检测装置在保证短路容量不变的情况下，通过若干个断路器的不同开关模式，改变限流和短路电抗器的配比，从而满足使用较少的电抗器满足不同跌落幅度低电压穿越检测的要求，从而用以光伏逆变器的低电压穿越能力检测。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种并网光伏逆变器的低电压穿越检测装置，其改进之处在于，所述装置包括限流电抗器、短路电抗器和接地组合开关；

所述限流电抗器、中间电抗器-断路器单元、短路电抗器和接地组合开关依次串联；

所述限流电抗器接入10kV电网；所述中间电抗器-断路器单元和接地组合开关分别接入变压器高压侧中性点；

所述变压器接入并网光伏逆变器中。

优选的，所述限流电抗器L_x为参数可调的限流电抗器；所述短路电抗器L_d为参数可调的短路电抗器。

优选的，所述中间电抗器包括中间电抗器（L₁~L₄）；所述断路器包括断路器（S₁~S₅）；

在所述中间电抗器L₁的输入端连接有断路器S₁；

在所述中间电抗器L₁的输出端和中间电抗器L₂的输入端连接有断路器S₂；

在所述中间电抗器L₂的输出端和中间电抗器L₃的输入端连接有断路器S₃；

在所述中间电抗器L₃的输出端和中间电抗器L₄的输入端连接有断路器S₄；

在所述中间电抗器L₄的输出端连接有断路器S₅。

较优选的，所述中间电抗器（L₁~L₄）为固定参数的等值电抗器。

较优选的，所述断路器（S₁~S₅）用于改变所述中间电抗器（L₁~L₄）的组合方式，使不同的中间电抗器分别起着限流和短路的作用。

优选的，所述接地组合开关S_d为断路器的开关组合方式；所述接地组合开关S_d包括：

断路器（QS₁~QS₃）：分别采用三相断路器连接所述检测装置的一相，分别控制A、B、C每一相的分合形成故障类型；

断路器QS₄：控制所述检测装置是否进行接地短路；

断路器QF₁：用于实现所述检测装置电压第一次跌落；

断路器QF₂：用于实现所述检测装置电压第二次跌落。

较优选的，所述断路器QF₁和断路器QF₂并联后分别与所述断路器QS₁、QS₂和QS₃分别连接；所述断路器QS₁、QS₂和QS₃分别与断路器QS₄连接。

较优选的，所述断路器（QS₁~QS₄、QF₁和QF₂）均为三相断路器。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明提供的并网光伏逆变器的低电压穿越检测装置构造简单：传统的无源电抗器检测装置需要单独配置限流电抗器和短路电抗器，每类电抗器都需配置多个电抗器进行排列组合。本发明的低电压穿越检测装置中每一个中间电抗器都可以作为限流电抗器和短路电抗器使用，减少了电抗器的数量，因此减少了低电压穿越检测装置的成本、体积和维护量。

2、本发明提供的并网光伏逆变器的低电压穿越检测装置构造简单操作方便：传统的无源电抗器形式的检测方法中更换阻抗步骤繁琐，不利于快速实现多种形态和幅值的电压跌落。本发明提供的低电压穿越检测装置利用不同断路器的分合，快速实现多种形态和幅值的电压跌落，减少了检测的时间和工作量。

3、本发明提供的并网光伏逆变器的低电压穿越检测装置构造简单功能多样：传统的无源电抗器检测装置因为只配置了一台断路器进行故障模拟，断路器受到自身条件的限制无法在短时间内快速进行分合闸。本发明提供的低电压穿越检测装置利用两台断路器的依次分合，快速实现电压的二次跌落，从而真实模拟电网故障后重合闸失败后再切除的工况，对光伏逆变器低电压穿越实现更真实的工况。

附图说明

图1是现有技术的低电压穿越检测装置示意图；

图2是本发明提供的并网光伏逆变器的低电压穿越检测装置的示意图；

图3是本发明提供的并网光伏逆变器的低电压穿越检测装置中的接地组合开关示意图；

图4是本发明提供的具体实施例的并网光伏逆变器的低电压穿越检测装置主回路拓扑结构示意图；

图5是本发明提供的并网光伏逆变器的低电压穿越检测装置电压跌落点的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

如图2所示，图2是本发明提供的并网光伏逆变器的低电压穿越检测装置的示意图，该装置包括限流电抗器、短路电抗器和接地组合开关；所述限流电抗器、中间电抗器-断路器单元、短路电抗器和接地组合开关依次串联；所述限流电抗器接入10kV电网；所述中间电抗器-断路器单元和接地组合开关分别接入降压变高压侧中性点；所述降压变接入并网光伏逆变器中。所述限流电抗器L_x为参数可调的限流电抗器；所述短路电抗器L_d为参数可调的短路电抗器。

所述中间电抗器包括中间电抗器（L₁~L₄）；所述断路器包括断路器（S₁~S₅）；在所述中间电抗器L₁的输入端连接有断路器S₁；在所述中间电抗器L₁的输出端和中间电抗器L₂的输入端连接有断路器S₂；在所述中间电抗器L₂的输出端和中间电抗器L₃的输入端连接有断路器S₃；在所述中间电抗器L₃的输出端和中间电抗器L₄的输入端连接有断路器S₄；在所述中间电抗器L₄的输出端连接有断路器S₅。所述中间电抗器L₁、L₂、L₃和L₄为固定参数的等值电抗器。所述断路器S₁、S₂、S₃、S₄和S₅用于改变所述中间电抗器（L₁~L₄）的分合组合方式。所述断路器S₁、S₂、S₃、S₄和S₅用于改变所述中间电抗器L₁、L₂、L₃和L₄的组合方式，使得不同的中间电抗器分别起着限流和短路的作用。本发明断路器S₁、S₂、S₃、S₄和S₅开关模式形成的跌落幅值表如下表1所示：

表1本发明断路器S₁、S₂、S₃、S₄和S₅开关模式形成的跌落幅值表

注：Z_x、Z_d分别代表电抗器L_x和L_d的电感值，电抗器L₁~L₄为等值电抗器，其电感值为Z。

从上表中可以看出，组合1~5的跌落幅值表达式：分母相同，分子不同；组合6~9跌落幅值表达式：分母相同，分子不同。这就保证了低电压穿越检测装置短路容量相同的情况下，具有不同的跌落幅值。

如图3所示，图3是本发明提供的并网光伏逆变器的低电压穿越检测装置中的接地组合开关示意图，接地组合开关S_d为断路器的开关组合方式；接地组合开关S_d包括：

断路器QS₁、QS₂和QS₃：断路器（QS₁~QS₃）：分别采用三相断路器连接所述检测装置的一相，分别控制A、B、C每一相的分合形成故障类型；断路器QS₄：控制所述检测装置是否进行接地短路；断路器QF₁：用于实现所述检测装置电压第一次跌落；断路器QF₂：用于实现所述检测装置电压第二次跌落。

断路器QF₁和断路器QF₂并联后分别与所述断路器QS₁、QS₂和QS₃分别连接；所述断路器QS₁、QS₂和QS₃分别与断路器QS₄连接。断路器QS₁、QS₂、QS₃和QS₄，以及QF₁和QF₂均为三相断路器。接地组合开关中各个断路器的组合方式形成的故障类型如下表2所示：

表2接地组合开关中各个断路器的组合方式形成的故障类型

组合方式	QS₁	QS₂	QS₃	QS₄	跌落方式
						1	闭合	断开	断开	闭合	A相接地短路
2	断开	闭合	断开	闭合	B相接地短路

3	断开	断开	闭合	闭合	C相接地短路
						4	闭合	闭合	断开	断开	AB相间短路
5	断开	闭合	闭合	断开	BC相间短路
						6	闭合	断开	闭合	断开	CA相间短路
7	闭合	闭合	断开	闭合	AB两相接地短路
						8	断开	闭合	闭合	闭合	BC两相接地短路
9	闭合	断开	闭合	闭合	CA两相接地短路
						10	闭合	闭合	闭合	断路	ABC三相短路

在断路器QS₁、QS₂、QS₃和QS₄分合状态确定后，检测装置通过操作QF₁和QF₂两个并联的三相断路器来实现电压跌落。首先闭合断路器QF₁，实现电压第一次跌落，然后断开断路器QF₁，电压恢复到正常，然后闭合断路器QF₂，实现电压二次跌落。

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

针对通过升压变压器接入10kV电压等级最大500kW的光伏逆变器，本发明装置根据要求，设计出如下方案的低电压穿越检测装置：

限流电抗器和短路电抗器L301、L302分别采用市面上常见的多抽头电抗器，分别带有0、10mH、30mH的3个抽头，此时等值电抗器L401~L404均为40mH。X₁~X₄的不同分合状态可以将限流电抗器分为0mH、10mH、15mH、30mH四种取值（注：10mH、30mH两个抽头之间的电感约为15mH），如下表3所示，短路电抗器切换原理同上，由普通三相断路器X₅~X₈进行操作。如图4所示，图4是本发明提供的具体实施例的并网光伏逆变器的低电压穿越检测装置的主回路拓扑结构示意图。

表3X₁~X₄的不同分合状态将限流电抗器分为0mH、10mH、15mH、30mH四种取值表

形成的开关组合模式入下：

A、QS1合上，QS2-QS5断开：所有等值中间电抗器起短路作用。

B、QS2合上，QS1、QS3-QS5断开：L401起限流作用，L402-L304起短路作用。

C、QS3合上，QS1、QS2、QS4、QS5断开：L401、L402起限流作用，L403、L404起短路作用。

D、QS4合上，QS1-QS3、QS5断开：L401-L403起限流作用，L404起短路作用。

E、QS5合上，QS1-QS4断开：所有中间电抗器起限流作用。

F、QS1-QS2合上，QS3-QS5断开：L402-L404起短路作用。

G、QS2-QS3合上，QS1、QS4、QS5断开：L401起限流作用，L403、L404起短路作用。

H、QS3-QS4合上，QS1、QS2、QS5断开：L401、L402起限流作用，L404起短路作用。

I、QS3-QS5合上，QS3-QS5断开：L401-L403起限流作用。

以上9种组合方式，加上限流电抗器和短路电抗器不同的取值，共能产生144种电压跌落幅值，1440种跌落点。范围覆盖0%、4.85%-96.90%，短路容量范围为1.71-2.54MVA。本发明提供的并网光伏逆变器的低电压穿越检测装置电压跌落点的示意图如图5所示。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种并网光伏逆变器的低电压穿越检测装置，其特征在于，所述装置包括限流电抗器L_x、中间电抗器-断路器单元、短路电抗器L_d和接地组合开关S_d；

所述限流电抗器L_x、中间电抗器-断路器单元、短路电抗器L_d和接地组合开关S_d依次串联；

所述限流电抗器L_x接入10kV电网；所述中间电抗器-断路器单元和接地组合开关S_d分别接入变压器高压侧中性点；

所述变压器接入并网光伏逆变器中；

所述限流电抗器L_x为参数可调的限流电抗器L_x；所述短路电抗器L_d为参数可调的短路电抗器L_d；

所述中间电抗器包括中间电抗器L₁～L₄；所述断路器包括断路器S₁～S₅；

在所述中间电抗器L₁的输入端连接有断路器S₁；

在所述中间电抗器L₄的输出端连接有断路器S₅；

所述中间电抗器L₁～L₄为固定参数的等值电抗器；

所述断路器S₁～S₅用于改变所述中间电抗器L₁～L₄的组合方式，使不同的中间电抗器分别起着限流和短路的作用；

所述接地组合开关S_d为断路器的开关组合方式；所述接地组合开关S_d包括：

断路器QS₁～QS₃：分别采用三相断路器连接所述检测装置的一相，分别控制A、B、C每一相的分合形成故障类型；

断路器QS₄：控制所述检测装置是否进行接地短路；

断路器QF₁：用于实现所述检测装置电压第一次跌落；

断路器QF₂：用于实现所述检测装置电压第二次跌落；

所述断路器QF₁和断路器QF₂并联后分别与所述断路器QS₁、QS₂和QS₃分别连接；所述断路器QS₁、QS₂和QS₃分别与断路器QS₄连接；

所述断路器QS₁～QS₄、QF₁和QF₂均为三相断路器；

针对通过升压变压器接入10kV电压等级最大500kW的光伏逆变器，设计出如下方案的低电压穿越检测装置：

限流电抗器L_x和短路电抗器L_d分别采用多抽头电抗器，分别带有0、10mH、30mH的3个抽头，中间电抗器L₁～L₄均为40mH；中间电抗器L₁～L₄的不同分合状态可以将限流电抗器L_x分为0mH、10mH、15mH、30mH四种取值；形成的开关组合模式如下：

A、S₁合上，S₂-S₅断开：所有中间电抗器L₁～L₄起短路作用；

B、S₂合上，S₁、S₃-S₅断开：L₁起限流作用，L₂-L₄起短路作用；

C、S₃合上，S₁、S₂、S₄、S₅断开：L₁、L₂起限流作用，L₃、L₄起短路作用；

D、S₄合上，S₁-S₃、S₅断开：L₁-L₃起限流作用，L₄起短路作用；

E、S₅合上，S₁-S₄断开：所有中间电抗器起限流作用；

F、S₁-S₂合上，S₃-S₅断开：L₂-L₄起短路作用；

G、S₂-S₃合上，S₁、S₄、S₅断开：L₁起限流作用，L₃、L₄起短路作用；

H、S₃-S₄合上，S₁、S₂、S₅断开：L₁、L₂起限流作用，L₄起短路作用；

I、S₄-S₅合上，S₁-S₃断开：L₁-L₃起限流作用；

以上9种组合方式，加上限流电抗器L_x和短路电抗器L_d不同的取值，共能产生144种电压跌落幅值，1440种跌落点；范围覆盖0％、4.85％-96.90％，短路容量范围为1.71-2.54MVA。