CN103997021A - 变频式过电流继电保护系统及其保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变频式过电流继电保护系统及其保护方法。其包括：可输出变频故障电流的逆变器电源，其将等价于旋转发电机的短路电流转化为幅值固定而频率变化的短路输出电流；变频式过电流继电保护装置，其将幅值固定但频率变化的实测电流转化为固定频率但幅值很高的虚拟短路电流。该保护系统不仅可以解决电源输出电流受限的问题，且兼容于现有的继电保护体系，该保护方法用于过电流保护，具有较高的工程实用性。

Description

变频式过电流继电保护系统及其保护方法

技术领域

本发明涉及新能源领域，尤其涉及分布式电源或者微电网在配电网中广泛应用的一种过电流继电保护系统。

背景技术

旋转发电机的承流部件是线圈绕组，短时间的过电流(20～30倍以内)不会造成损坏。当然，过流倍数越大，发热越严重，需要切除故障的时间就越短。逆变器的承流元件是半导体器件，如果预留的裕度过高，则逆变器的制造成本剧增，并且正常运行时的损耗也过大，因此一般不超过2倍额定电流的裕度。

目前，分布式电源通常需要逆变器接入配电网或者微电网，现有的技术方向均为设定逆变器电源为PQ控制、V/f控制、下垂控制和倒下垂控制等。如果短路后，逆变器的控制方式不变，即不限流，由于外部短路阻抗很小，半导体器件很容易损坏。但是，采用限流措施后，故障特性不明显了，基于正常负荷状态与外部短路状态的不同状态，电流特性不能用于常规的继电保护了。

现有的继电保护措施分为两类：第一需要由电网中其它旋转电机在发生短路故障后提供短路电流，对逆变器只考虑一些电流助增作用。其缺点是必须依赖公共电网，对一些孤网运行的情况，即不连接到大电网上的情况就不适用了。另外，对公共电网的安全产生较大影响，故障切除时间长，拒动和误动的可能性都较大；第二在发生短路后，与大电网瞬时断开，这样相互不影响。但是，由于只有逆变器电源提供故障点的短路电流，特征不明显，保护性能很差。

基于上述对现有分布式电源接入的缺陷，本发明可以解决电源输出电流受限的问题，满足继电保护要求的故障电流值，实现继电保护选择性、灵敏性、可靠性等特点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的一种或多种不足而提供一种变频式过电流继电保护系统及其保护方法。该保护系统不仅可以解决逆变器电源输出电流受限的问题，且兼容于现有的继电保护体系，该保护方法用于过电流保护，具有较高的工程实用性。

为了实现发明目的，本发明公开了一种逆变器电源，可输出变频故障电流，其包括：

虚拟短路电流调制模块，具有输出参考频率生成环节、相位锁定环节、输出参考电流生成环节；

变频控制模块，具有以滞环控制为核心的控制模块，所述变频控制模块用于使实际输出电流跟踪参考电流，从而产生相应的开关信号；

信号输入模块，用于实时接收电压、电流信号，并实时传输到所述变频控制模块和所述虚拟短路电流调制模块；

输出驱动模块，用于接收所述变频控制模块产生的控制脉冲，并驱动所述逆变器电源开关管；

VSC主电路，具有换流桥、电流互感器和电压互感器，其经过控制实现换流输出，通过电压互感器和电流互感器采集所述逆变器电源出口处电压电流信息。

优选地，所述虚拟短路电流调制模块包括：

所述输出参考频率生成环节，用于产生参考电流的频率信号；

所述相位锁定环节，根据短路前电压相位锁定初始电压相位；

所述输出参考电流生成环节，根据所述频率信号、所述相位和幅值，产生参考电流信号，其中，所述幅值为逆变器电源预设的最大电流越限值。

为了实现发明目的，本发明还公开了一种变频式过电流继电保护装置，其包括：

虚拟短路电流解调模块，具有鉴频环节、解调计算环节；

三段式过电流继电保护模块，用于判断虚拟短路电流解调模块输入的虚拟短路电流，通过所述三段式过电流继电保护模块进行故障定位隔离；

交流信号输入模块，用于检测被保护线路的电流信息，并传输到所述虚拟短路解调模块；

跳闸指令输出模块，用于将所述三段式过电流继电保护模块判断后输出的跳闸指令驱动断路器跳闸。

为了实现发明目的，本发明另外公开了一种变频式过电流继电保护系统，其中

所述逆变器电源和所述变频式过电流继电保护装置；

所述可输出变频故障电流的逆变器电源可以输出幅值固定而频率变化的电流；

所述变频式过电流继电保护装置将检测到的幅值固定而频率变化的电流转换为频率固定而幅值很大的电流。

为了实现发明目的，本发明又公开了一种变频式过电流继电保护系统的保护方法，

其中，所述逆变器电源中的所述虚拟短路电流调制模块，根据工频虚拟短路电流调制产生变频短路电流；

所述变频式过电流继电保护装置采集到线路上的变频短路电流后，所述虚拟短路电流解调模块将所述变频短路电流解调为工频虚拟短路电流；

所述继电保护装置继续进行保护动作的判断。

优选地，其中，还包括：

为了使逆变器电源不发生过电流，可为变频控制模块提供输出参考电流，由所述参考频率生成环节产生参考电流的频率信号，反应了外部阻抗的大小，其中，所述工频虚拟短路电流的幅值越高，参考电流的频率越低；

由所述相位锁定环节根据短路前电压相位锁定初始电压相位，参考电流的初始相位与初始电压相位相关；

输出所述参考电流生成环节根据频率、相位和幅值，产生参考电流信号，其中，所述幅值为逆变器电源预设的最大电流越限值。

优选地，其中，由所述信号输入模块传送电网实际短路电流信号后，通过所述鉴频环节获得实际短路电流的频率，所述解调计算环节根据实际频率和实际电流幅值计算出虚拟短路电流，其中，所述虚拟短路电流反应了故障点的位置信息，可进一步用传统的三段式过电流方法进行所述保护动作的判断。

本发明所带来的有益效果如下：

(1)本发明能够满足逆变器电源输出电流受限的限制条件，并能够在故障后保证电流不越限的同时，将反应线路阻抗和电源内电势的短路电流倍数调制到频率上去，使得线路可以作为传递故障信息的载线，这样线路中的保护装置就能够通过检测频率值而获得等效旋转电机电源的故障信息。且适用于同时存在旋转电机电源和逆变器电源的电网。

(2)本发明能够将逆变器调制后的频率信息，解调成大小约等于旋转电机同等线路条件下的故障电流值，保护装置根据解调出来的虚拟短路电流可以根据传统的三段式电流保护原理对电网进行保护，具有很高的兼容性，便于推广应用。

(3)本发明的调制模块不改变原有逆变器电源的控制器总体结构，只是在原有控制器结构上架设新的模块，负责调制故障后的参考电流。因此在电网正常工作时，逆变器仍遵循传统的控制方法，只需在原有逆变器基础设施在进行改造升级，工程应用方便。

综上所述，本发明在原有逆变器和保护装置基础上，分别增加调制功能和解调功能，不仅可以解决输出电流受限的问题，并且兼容于现有的继电保护体系。保护的实现更加简单可靠，具有较高的工程实用性。

附图说明

图1为变频式过电流继电保护系统示意图；

图2为图1中虚拟短路电流调制模块具体结构示意图；

图3为图1中虚拟短路电流解调模块具体结构示意图。

具体实施方案

下面对本发明的系统结构和工作原理进行详细的说明。

本发明针对含有分布式电源接入的配电网或者微电网，通过可输出变频故障电流的逆变器电源调制输出变频短路电流。随后通过变频式继电保护装置解调得到工频虚拟短路电流，保护装置进一步根据虚拟短路电流类比传统的三段式电流保护进行保护控制。

所述变频短路电流即逆变器电源实际输出的短路电流，该电流幅值固定而频率变化，幅值为逆变器电源预设的最大电流越限值，频率反应线路阻抗特性；所述虚拟短路电流是根据保护线路中采集到的变频短路电流解调生成，该电流频率为工频50Hz而幅值可以很高，理论上该电流与相同线路条件下旋转电机电源注入的故障电流值相同。该方法不仅可以解决故障后输出电流受限的问题，并且兼容于现有的继电保护体系，具有较高的工程实用性。

一种适用于逆变器电源的变频式过电流继电保护系统，包括可输出变频故障电流的逆变器电源和变频式过电流继电保护装置。电网发生短路故障后，若逆变器电源的控制方式不变，将产生很大倍数的过电流。这样大的电流，将造成逆变器电源损坏，因此是不能存在的，可称之为工频虚拟短路电流。

所述变频式过电流继电保护系统，是指当电网中发生短路故障后，由所述可输出变频故障电流的逆变器电源根据工频虚拟短路电流调制产生变频短路电流。当变频式过电流继电保护装置采集到线路上的变频短路电流后，再解调为工频虚拟短路电流，然后进一步用于继电保护装置进行保护动作判断。

所述的可输出变频故障电流的逆变器电源包括：虚拟短路电流调制模块、VSC变频控制模块、信号输入模块、输出驱动模块和换流主电路。所述虚拟短路电流调制模块包括：输出参考频率生成环节、相位锁定环节、输出参考电流生成环节。

其中，所述VSC变频控制模块是以滞环控制为核心的控制模块，其作用是使得实际输出电流跟踪参考电流，从而产生相应的开关信号。所述信号输入模块、输出驱动模块和换流主电路可由常规的技术所实现。换流主电路包括换流桥、电流互感器和电压互感器，能够经过控制实现换流输出，通过电压互感器和电流互感器采集逆变器出口处电压电流信息；信号输入模块能够实时接收电压、电流信息，并实时传输到VSC变频控制模块和虚拟短路电流调制模块；输出驱动模块能够接收VSC变频控制模块产生的控制脉冲，并驱动逆变器开关管。

当电网发生短路后，为了使得逆变器电源不发生过电流，可为变频控制模块提供输出参考电流。由参考频率生成环节产生参考电流的频率信号，反应了外部阻抗的大小，即工频虚拟短路电流的幅值越高，参考电流的频率越低。由相位锁定环节根据短路前电压相位锁定初始电压相位，参考电流的初始相位与初始电压相位相关。输出参考电流生成环节根据频率、相位和幅值，产生参考电流信号，其中幅值为逆变器电源预设的最大电流越限值。

所述的变频式过电流继电保护装置包括：虚拟短路电流解调模块、三段式过电流继电保护模块、交流信号输入模块和跳闸指令输出模块。所述虚拟短路电流解调模块包括：鉴频环节、解调计算环节。三段式过电流继电保护模块、交流信号输入模块和跳闸指令输出模块可由常规的技术所实现，三段式过电流继电保护模块能够通过判断虚拟短路电流解调模块输入的虚拟短路电流，通过三段式过电流保护进行故障定位隔离；交流信号输入模块，能够检测被保护线路的电流信息，并传输到虚拟短路解调模块；所述跳闸指令输出模块能够将三段式过电流继电保护模块判断后输出的跳闸指令驱动继电器跳闸。

其中，当虚拟短路电流调制模块得到由交流输入模块传送的电网实际短路电流信号后，通过鉴频环节获得实际短路电流的频率，解调计算环节根据实际频率和实际电流幅值计算出虚拟短路电流。该电流反应了故障点的位置信息，可进一步用传统的三段式过电流方法进行保护判断。

其中，所述频率生成环节也叫频率发生器，相位锁定环节也叫锁相环，输出参考电流生成环节实质上是一个数字式的波形发生器，鉴频环节也叫鉴频器，解调计算环节实际上也是一个波形发生器。

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1为变频式过电流继电保护系统结构图，如图1所示，变频式过电流继电保护系统，其包括逆变器电源，其可输出变频故障电流，以及变频式过电流继电保护装置。其中，所述可输出变频故障电流的逆变器电源包括虚拟短路电流调制模块、VSC变频控制模块、信号输入模块、输出驱动模块和换流主电路。变频式过电流继电保护装置包括虚拟短路电流解调模块、三段式过电流继电保护模块、交流信号输入模块和跳闸指令输出模块。

在具体的实行中，可输出变频故障电流的逆变器电源接在母线B1上，其换流主电路包括换流桥、电流互感器(CT1)和电压互感器(PT)，承担电流输出及检测的任务。电流通过线路L输出到母线B2，线路L上接有断路器，负荷接在母线B2上。PT和CT1检测逆变器输出端口的电压电流值通过信号输入模块传输到虚拟短路电流调制模块和VSC变频控制模块，虚拟短路电流调制模块根据调制生成幅值固定而频率变化的短路输出电流波形信号其频率反应线路阻抗特性。

其中，VSC变频控制模块是以滞环控制为核心的控制模块，其作用是使得实际输出电流跟踪参考电流，从而产生相应的开关信号，即根据和实测的电流控制产生控制脉冲，作用于VSC的开关管上，使得变频故障电流的逆变器电源输出幅值固定而频率可变的短路输出电流。

在具体的实行中，在被保护线路上装设变频式过电流继电保护装置。电流互感器(CT2)接在被保护线路上，实时采集被保护线路的频率f和电流通过交流信号输入模块传输到虚拟短路电流解调模块，解调模块解调生成频率为工频50Hz而幅值可以很大的虚拟短路电流I^*。该值传输到三段式过电流保护模块进行逻辑判断，经跳闸指令输出模块发送跳闸指令到断路器。

图2为图1中虚拟短路电流调制模块的结构图，如图2所示，虚拟短路电流调制模块，其有三个输入端口和一个输出端口，输入分别为实测的逆变器电源端口电压设定的输出电流幅值mI_N和调制系数k。输出为输出参考电流

其中，所述虚拟短路电流调制模块包括：输出参考频率生成环节、相位锁定环节、输出参考电流生成环节。由参考频率生成环节根据mI_N和k产生参考电流的频率信号f_ref，反应了外部阻抗的大小，即工频虚拟短路电流的幅值越高，参考电流的频率越低。由相位锁定环节根据短路前电压相位锁定初始电压相位参考电流的初始相位与初始电压相位相关。输出参考电流生成环节根据f_ref、和I_refm，产生参考电流信号，其中I_refm为逆变器电源预设的最大电流越限值mI_N。

参考频率生成环节的计算公式为：

$f_{\mathrm{ref}}=f_N-\frac{\frac{E_m\×{\mathrm{mI}}_N}{U_{\mathrm{sm}}}-{\mathrm{mI}}_N}{k}$

其中E_m为虚拟旋转电机额定输出相电压的最大瞬时值，f_N为工频50Hz。

输出参考电流生成环节的计算公式为：

图3为图1中虚拟短路电流解调模块的结构图，如图3所示，虚拟短路电流解调模块，其有两个输入端口和一个输入端口，输入分别为实测的电网实际短路电流和调制系数k。虚拟短路电流解调模块包括：鉴频环节、解调计算环节。当虚拟短路电流调制模块得到由交流输入模块输入的后，通过鉴频环节获得实际短路电流的频率f，解调计算环节根据f、实际电流幅值I_m和调制系数k计算出虚拟短路电流I^*。该电流反应了故障点的位置信息，可进一步用传统的三段式过电流方法进行保护判断。

解调计算环节的计算公式为：

I^*＝I_m+k(f_N-f)

旋转电机电源由于具有较大的机械惯性，输出的短路电流频率不能改变。但是逆变器电源几乎没有等效惯性，因此可以迅速地改变输出频率。

鉴于逆变器电源的输出电流受限了，本发明能够在满足逆变器电源输出限制的条件下，将传统反应在电流大小故障信息调制到频率中去，让逆变器电源能够在保持恒幅的同时变频输出。而保护装置则能够解调该电流信息，重新将频率信息调制到电流大小上去。这样就能够按照电流大小来判断故障的方式进行传统的继电保护。

本发明可以在原有的继电保护原理基础上，解决逆变器电源输出电流受限的问题，兼容一种新的电源设备，且具有较高的工程实用性。

变频调制过电流继电保护方法如下：变频调制是为了获得虚拟的短路电流，该值接近于同线路条件下旋转电机电源向故障点注入的故障电流值。例如，旋转电机电源能够始终保持相电压为的输出；逆变器电源输出最大值为m倍的额定电流，m根据逆变器电源硬件条件进行取值，一般为1.5～2。

(1)虚拟短路电流调制过程

当线路发生故障时，接入电网的逆变器电源将受两倍额定电流的输出限制，为了满足这一条件本发明限定参考输出电流的幅值为I_refm＝mI_N。而故障后线路阻抗必然降低，为了保持低电流的输出，必然会导致逆变器输出端口的电压降低，且输出端口的电压反应线路阻抗的大小。线路阻抗为：

$X=X_s+X_{\mathrm{\Σ}}=X_s+\frac{{\stackrel{\·}{U}}_s}{m{\stackrel{\·}{I}}_N}\≈X_s+\frac{U_{\mathrm{sm}}}{{\mathrm{mI}}_N}---\left(1\right)$

其中U_sm为在输出端口检测到的电压幅值，X_s为电源内阻抗，X_Σ为线路阻抗。

那么归算出的虚拟短路电流为：

$I^{*}=\frac{\stackrel{\·}{E}}{{\stackrel{\·}{X}}_s+{\stackrel{\·}{X}}_{\mathrm{\Σ}}}\≈\frac{E}{X_s+X_{\mathrm{\Σ}}}=\frac{E}{X_s+\frac{U_{\mathrm{sm}}}{m{I}_N}}---\left(2\right)$

其中为旋转电机额定输出相电压。

虚拟短路电流与参考频率的的调制关系如式(3)所示

I^*＝mI_N+k(f_N-f_ref)            (3)

其中I^*为归算出的虚拟短路电流，f_N为工频，k为调制系数。通过关系式2即可以调制出输出电流的参考频率f_ref。

根据参考频率和残开输出电流f_ref和参考输出电流幅值I_refm可以参考电流：

逆变器控制的控制原则就是使得输出端口的实际输出电流能够跟踪这样故障后的阻抗信息就能附加到频率的变化量上。

(2)虚拟短路电流解调过程

通过调制后的逆变器电源接入电网，则当电网发生故障时，就能在被保护线路中检测到幅值固定而频率为非工频量的电流。如检测到的频率为f，电流幅值为I_m。那么根据公式(3)的调制公式可以得到相应的解调公式：

I^*＝I_m+k(f_N-f)               (5)

当线路正常时，采集到的频率为f＝f_N,那么虚拟电流即可输出正常的线路电流I^*＝I_m；当线路故障时，通过解调的归算得到的I^*大小根据前节分析与相同线路条件下旋转发电机额定电压下得到的故障电流值相同。

继电保护实现只需在原有继电保护装置的基础上加设一个解调模块，其通过检测被保护线路的电流频率和幅值，并将它们按照公式(5)的方式归算出虚拟短路电流，保护装置就可以根据该虚拟短路电流进行传统的三段式保护。这时逆变器电源等效成旋转电机电源，且能够满足逆变器电源电流输出限制的条件。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡事按照本发明提出的技术思想，在技术方案的基础上所做的任何改动，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种逆变器电源，可输出变频故障电流，其包括：

虚拟短路电流调制模块，具有输出参考频率生成环节、相位锁定环节、输出参考电流生成环节；

变频控制模块，具有以滞环控制为核心的控制模块，所述变频控制模块用于使实际输出电流跟踪参考电流，从而产生相应的开关信号；

信号输入模块，用于实时接收电压、电流信号，并实时传输到所述变频控制模块和所述虚拟短路电流调制模块；

输出驱动模块，用于接收所述变频控制模块产生的控制脉冲，并驱动所述逆变器电源开关管；

VSC主电路，具有换流桥、电流互感器和电压互感器，其经过控制实现换流输出，通过电压互感器和电流互感器采集所述逆变器电源出口处电压电流信息。

2.根据权利要求1所述的逆变器电源，其中，所述虚拟短路电流调制模块包括：

所述输出参考频率生成环节，用于产生参考电流的频率信号；

所述相位锁定环节，根据短路前电压相位锁定初始电压相位；

所述输出参考电流生成环节，根据所述频率信号、所述相位和幅值，产生参考电流信号，其中，所述幅值为逆变器电源预设的最大电流越限值。

3.一种变频式过电流继电保护装置，其包括：

虚拟短路电流解调模块，具有鉴频环节、解调计算环节；

三段式过电流继电保护模块，用于判断从虚拟短路电流解调模块输入的虚拟短路电流，通过所述三段式过电流继电保护模块进行故障定位隔离；

交流信号输入模块，用于检测被保护线路的电流信息，并传输到所述虚拟短路解调模块；

跳闸指令输出模块，用于将所述三段式过电流继电保护模块判断后输出的跳闸指令驱动断路器跳闸。

4.一种变频式过电流继电保护系统，其包括：

如权利要求1所述的逆变器电源和如权利要求3所述的变频式过电流继电保护装置；

所述可输出变频故障电流的逆变器电源可输出幅值固定而频率变化的电流；

所述变频式过电流继电保护装置将检测到的幅值固定而频率变化的电流转换为频率固定而幅值很大的电流。

5.一种如权利要求4所述的变频式过电流继电保护系统的保护方法，其包括：

所述逆变器电源中的所述虚拟短路电流调制模块，根据工频虚拟短路电流调制产生变频短路电流；

所述变频式过电流继电保护装置采集到线路上的变频短路电流后，所述虚拟短路电流解调模块将所述变频短路电流解调为工频虚拟短路电流；

所述继电保护装置继续进行保护动作的判断。

6.根据权利要求5所述的保护方法，其中，还包括：

为了使逆变器电源不发生过电流，可为变频控制模块提供输出参考电流，由所述参考频率生成环节产生参考电流的频率信号，反应了外部阻抗的大小，其中，所述工频虚拟短路电流的幅值越高，参考电流的频率越低；

由所述相位锁定环节根据短路前电压相位锁定初始电压相位，参考电流的初始相位与初始电压相位相关；

所述输出参考电流生成环节根据频率、相位和幅值，产生参考电流信号，其中，所述幅值为逆变器电源预设的最大电流越限值。

7.根据权利要求5所述的保护方法，其中，由所述信号输入模块传送电网实际短路电流信号后，通过所述鉴频环节获得实际短路电流的频率，所述解调计算环节根据实际频率和实际电流幅值计算出虚拟短路电流，其中，所述虚拟短路电流反应了故障点的位置信息，可进一步用传统的三段式过电流方法进行所述保护动作的判断。