CN102916392A - 一种含逆变型分布式电源的并网系统失步保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统中的含逆变型分布式电源的并网系统及继电保护领域，涉及一种含逆变型分布式电源的并网系统失步保护方法，包括下列步骤：（1）保护装置通过公共耦合节点处的电流互感器、电压互感器，采集逆变器侧的电压、电流；（2）计算逆变器侧的有功功率和无功功率；（3）计算逆变器侧的视在阻抗角，并求得视在阻抗角的变化量；（4）如果视在阻抗角的变化量的绝对值在持续时间段内均大于预设值，则再计算视在阻抗角加速度，如果视在阻抗角加速度在持续的时间段内均大于小正数，则判定分布式电源与系统失去同步运行，保护动作；反之保护闭锁。本发明不受三相短路的影响，动作可靠，且易于实现。

Description

一种含逆变型分布式电源的并网系统失步保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统中的含逆变型分布式电源的并网系统及继电保护领域，具体涉及一种应用于逆变型分布式电源并网系统的失步保护判据。

背景技术

失步解列是防止电网崩溃的最后一道防线，在我国电网中得到广泛应用^1、。现有的失步解列原理主要有：测量阻抗变化轨迹、

轨迹^2、、两端电势相角差、视在阻抗角^3、4、、利用和

的相位差、基于有功和无功特性等^[5-9]。文献10、对国内外目前应用的电力系统失步解列装置的原理进行了分析总结。文献11、针对1000kV交流特高压线路一次时间常数较大，在某些三相短路故障情况下易造成基于相位角原理的失步解列装置误动的问题，通过增加电流满足的凸函数判据来区分三相短路和失步。文献12、提出了一种利用无功功率捕捉失步解列断面、利用有功周期性过零判断振荡周期的方法。文献13、通过分析失步振荡时，有功功率、无功功率出现最大值时的变化规律，总结得到检测失步振荡临界特征点的方法，并据此提出一种可快速判断失步振荡的判据。文献14、和文献15、采用等面积法判断失步状态。

但是，上述的所有失步解列判据都是基于常规电源并网系统考虑的。随着智能电网的建设，可再生能源的分布式发电(distributed generation，DG)得到广泛的应用和发展。分布式电源系统有两种运行方式：并网运行和微网运行。当DG并网系统中的系统那一侧发生故障时，DG电源可能会与系统电源产生频率差而失步。快速检测到DG失步状态，在公共耦合节点(point of common coupling，PCC)实现解列，才能保证DG的稳定运行和本地负载的不间断供电，从而提高DG的价值和效益。目前，对DG并网系统失步保护的分析和研究还少见报道，文献16、对微网失步解列保护进行了研究，采用了模糊数学理论综合考虑了电压、频率、视在阻抗角、

的幅值及其变化率特征，提出了微网的综合失步解列方案。总体上还是基于大系统的失步解列判据进行研究的，未考虑逆变型分布式电源(inverter-based distributedgeneration，IBDG)并网系统和传统旋转电源电网失步的区别。

因此，有必要提出一种新的保护判据，适用于含逆变型分布式电源的并网系统中，提高电网的运行安全。

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发明内容

本发明的目的是提供一种适用于含逆变型分布式电源的并网系统的含逆变型分布式电源并网系统的失步保护方法，该方法不受三相短路的影响，动作可靠，且易于实现。本发明的技术方案如下

一种含逆变型分布式电源的并网系统失步保护方法，具体包括下列步骤：

（1）保护装置通过公共耦合节点处的电流互感器、电压互感器，采集逆变器侧的电压、电流

利用全波傅立叶算法分别计算该侧的电压和电流的幅值及相角以及电压超前电流的角度α；

（2）计算逆变器侧的有功功率P_M，无功功率Q_M；

（3）计算逆变器侧的视在阻抗角

并求得视在阻抗角的变化量

（4）如果

的绝对值在持续的一定时间段内均大于预设值

则再计算视在阻抗角加速度

如果视在阻抗角加速度在持续的时间段

内均大于小正数ε，则判定分布式电源与系统失去同步运行，保护动作；反之保护闭锁。

作为优选实施方式，步骤（4）如果

的绝对值在持续40ms的时间段内均大于预设值

则再计算视在阻抗角加速度

时间段

为1s；

本发明有益效果如下：

1、本发明基于视在阻抗角偏移算法判断含IBDG并网系统的失步，能快速、可靠做出判断结果，有利于快速实现解列。

2、本发明不受三相短路故障的影响。

3、本发明动作原理简单明确，易于在微机保护中实现。

附图说明

图1IBDG并网系统简化图；

图2失步时电压和电流的关系图；

图3（a）稳定振荡和失步时角速度和角加速度；(b)失步振荡时候角速度和角加速度。

具体实施方式

并网大系统的常规发电机失步需要区分是正方向还是反方向失步，以尽快采取相应控制措施使得失步的发电机尽快回到额定频率。而含DG并网系统中的DG电源失步后，微网的运行需要切换控制策略，由原来的并网控制转换至恒压恒频控制。因此，只要将失步后的DG电源解列即可，不需要区分是正方向还是反方向的失步。

图1为含逆变型分布式电源IBDG的并网系统简化图，设失步解列装置安装在并网节点PCC处，即母线M处。f₁和f₂分别为两侧系统的频率。

正常运行时，设母线M的电压超前于母线N的电压

的角度为θ，系统侧电势

初始相位为0，则逆变器出口电压为

二者同步运行。发生失步时，

角速度ω_S相对于

角速度ω_R发生变化，变化量为Δω＝ω_S-ω_R，则二者之间夹角δ＝Δωt+θ反映在向量图上就是

相对于

转动，如图2所示。

实际中，

和

的幅值相等，可表达为

${\stackrel{\·}{U}}_S={\stackrel{\·}{E}}_R{e}^{\mathrm{j\δ}}---\left(1\right)$

IBDG出口电压与系统电势之间的压差为：

${\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{\δ}}={\stackrel{\·}{U}}_S-{\stackrel{\·}{E}}_R={\stackrel{\·}{E}}_R(e^{\mathrm{j\δ}}-1)---\left(2\right)$

假设全系统阻抗角相同，则系统总阻抗为

则流过M侧母线处的电流为：

母线M、N处的电压表达式为：

当全系统阻抗角

接近于90°时，有功和无功功率可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_M=U_M{I}_M\cos \mathrm{\α}\≈\frac{{2E}_R^2\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2}}{Z}\cos \left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right),P_N=-P_M\\ Q_M=U_M{I}_M\sin \mathrm{\α}\≈\frac{2E_R^2{\sin }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2}}{Z}-\frac{{4Z}_S{E}_R^2{\sin }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2}}{Z^2},Q_M=Q_N\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，α为电压超前于电流的角度。上式表明，失步过程中，并网系统的有功和无功都发生着变化。

视在阻抗角

根据功率计算得到

由式(5)可以看出，视在阻抗角

本质上反映了

相对于

的摆开角δ。理论上，

在0°~180°范围内每变化一次，就形成一次穿越振荡。

对视在阻抗角求导，得失步时视在阻抗角速度为

对式(6)再求导可得失步时视在阻抗角加速度为

上式中的a代表视在阻抗角的加速度。

失步后，视在阻抗角的加速度a的变化情况示于图3中。图3(a)为稳定振荡情况，a点时ω＞0，a＝0；由点a到b时，ω＞0，a＜0；由点c到d时，ω＜0，a>0；由于系统阻尼的影响，振荡幅值逐渐减小，最后稳定在零点附近。图3(b)中，由点a到b时，ω＞0，a＜0；由点b到c时，ω＞0，a＞0；在此过程中，角速度不断增加，形成失步。

因此，含逆变型分布式电源并的并网系统的失步解列可以采用如下方法：

①求视在阻抗角的变化量

T_S为计算间隔，取工频的半个周期10ms。当式（8）满足时，启动失步保护。

的时间持续40ms    (8)

②判断视在阻抗角加速度是否满足失步判据式(9)。若满足，则说明IBDG与系统失去同步运行，保护动作；反之保护闭锁。

的时间持续1s    (9)

下面讨论

和

如何取值。互联大系统的振荡周期一般为0.2~3s，而逆变型DG并网系统由于有IBDG控制环节的调节作用，使得失步速度较慢，很难形成完整的失步振荡穿越。因此，可取振荡周期为10s，通过下式可得最小启动阈值

当IBDG与电源失步，即使产生不了穿越振荡，角加速度也持续大于0。因此，判据中取

为小正数即可。

对于含有多个IBDG的微电网，该失步判据仍然适用。因为，多个IBDG均通过PCC与主网相联结，失步判据是通过检测PCC处视在阻抗角变化情况判断失步的。判定步骤可概括如下：

1、保护装置通过PCC节点的电流互感器、电压互感器采集M侧的电流、电压，利用全波傅立叶算法分别计算该侧的电流和电压的幅值及相角，以及电压电流的相角差α；

2、由（4）式计算出M侧的有功功率P_M，无功功率Q_M，根据（5）式计算出视在阻抗角

进而求得视在阻抗角的变化量

T_S为计算间隔，取工频的半个周期10ms；

3、若满足失步保护启动判据式（8），则进入4；

计算视在阻抗角加速度

判断其是否满足失步判据式（9）。若满足，则说明DG与系统失去同步运行，保护动作；反之保护闭锁。

Claims (4)

1.一种含逆变型分布式电源的并网系统失步保护方法，具体包括下列步骤：

（1）保护装置通过公共耦合节点处的电流互感器、电压互感器，采集逆变器侧的电压、电流 

利用全波傅立叶算法分别计算该侧的电压和电流的幅值及相角以及电压超前电流的角度α；

（2）计算逆变器侧的有功功率P_M，无功功率Q_M；

（3）计算逆变器侧的视在阻抗角 

并求得视在阻抗角的变化量 

（4）如果 

的绝对值在持续的一定时间段内均大于预设值 

则再计算视在阻抗角加速度 

如果视在阻抗角加速度在持续的时间段 

内均大于小正数ε，则判定分布式电源与系统失去同步运行，保护动作；反之保护闭锁。

2.根据权利要求1所述的含逆变型分布式电源的并网系统失步保护方法，其特征在于，步骤（4）如果 的绝对值在持续40ms的时间段内均大于预设值 则再计算视在阻抗角加速度 

。

3.根据权利要求1所述的含逆变型分布式电源的并网系统失步保护方法，其特征在于，时间段 

为1s。

4.根据权利要求1所述的含逆变型分布式电源的并网系统失步保护方法，其特征在于， 

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