CN106124930A - 一种基于电压差动的微电网故障探测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电压差动的微电网故障探测方法，所述方法包括一个PARK运算模块、一个一阶抗混叠滤波差分运算模块、一个一阶低通数字滤波器、一个双磁滞比较器、一个阈值比较模块；应用在多逆变器微电网中能够有效的判断微电网中的三相短路故障、两相短路故障和单相接地短路故障、识别故障发生的位置和区域及时做出保护动作，弥补了传统继电保护的不足。并且检测精度高、接线简单、能耗低、成本低，灵活性强，适用于微电网的故障探测和保护。

Description

一种基于电压差动的微电网故障探测方法和装置

技术领域

本发明涉及微电网故障探测领域，具体涉及一种基于电压差动的微电网故障探测方法和装置。

背景技术

微电网的运行分两种状态，即并网运行和孤岛运行，正常情况下微电网与大电网并网连接运行，此时微电网故障保护与传统故障保护一样，依靠大的故障电流触发过流继电保护动作；当大电网发生故障时，微电网与大电网脱离形成孤岛运行，由于逆变器具有限制输出电流的能力，最大输出电流为额定工作电流的2倍，故多逆变器的微电网系统在发生故障时不可能提供大的故障电流触发过流保护继电器工作。在现有的微电网故障探测及保护的方法中，常用的有在微电网中增加高短路电流能力单元装置、在要保护的馈线两端分别安装查分继电器、孤岛运行下基于电流的选择性保护等，这些方法投资大、维护成本高、工作效率低、局限性大，不适用于多逆变器的微电网的故障探测和保护。

发明内容

本发明要解决的技术问题是传统的微电网故障探测方法投资大、维护成本高、工作效率低、局限性大，为解决上述问题，提供一种基于电压差动的微电网故障探测方法和装置。

本发明的目的是以下述方式实现的：

一种基于电压差动的微电网故障探测方法，包括以下步骤：

步骤(1)、测量获得逆变器的输出三相电压信号v_U、v_V、v_W；

步骤(2)、对三相电压信号v_U、v_V、v_W利用PARK方程变换为两相静止坐标系下αβ分量V_α、V_β，再将V_α、V_β变换为两相旋转坐标系下dq直流分量V_ds、V_qs；

步骤(3)、将测量的直流分量V_ds、V_qs与恒定的三相平衡标准参考电压V_dref、V_qref进行差分运算，定义输出差分调制信号V⁺ _{q_fall}为微电网电压下跌量，V⁺ _{q_fall}＝ΔV_qr＝V_qref-V_qs；

步骤(4)、对差分调制信号V⁺ _{q_fall}进行低通滤波及双磁滞比较处理后输出信号V_{q_fall}；

步骤(5)、将差值信号V_{q_fall}与预设的阈值信号进行比较，输出用于控制断路器开关的信号Y、N：若差值信号V_{q_fall}低于阈值信号，判断微电网无故障，继续监测电网；若差值信号V_{q_fall}大于阈值信号，判断微电网发生故障，断开断路器开关以保护微电网。

优选地，所述步骤(5)中，所述双磁滞比较处理为双磁滞比较器通过对比较器设置合适的上限U_H和下限U_L裕度得到满足需要的门限宽度ΔU＝U_H-U_L，避免当信号V_{q_fall}在门限值ΔU附近有微小干扰引起的跳变电压值超过ΔU时输出电压产生相应抖动(起伏)，以便输出稳定的V_{q_fall}，双向磁滞比较器响应速度加快，还可免除由电路寄生耦合而产生的自激荡，提高故障探测灵敏度。

所述阈值信号为电网电压下跌至额定电压的45％至55％之间，优选地，所述阈值信号为电网电压下跌至额定电压的50％。微电网中电压下降是一种短期形式，当电网电压下跌至额定电压的50％时，其持续时间不大于200ms。

优选地，所述步骤(5)中，当差值信号V_{q_fall}大于设定的阈值信号时,通过检测V_{q_fall}的波形判断微电网的故障类型，具体包括：

a)当V_{q_fall}的波形是一个纯净的直流量时，微电网发生三相故障；

b)当V_{q_fall}的波形是一个趋于直线且带有波纹的直流量时，微电网发生两相故障；

c)当V_{q_fall}的波形是一个在零与最大值之间无恒定幅度振荡的直流量时，微电网发生单相故障。所述最大值取V_{q_fall}的波形的波峰或波谷的绝对值中较大的那个值。

一种基于电压差动的微电网故障探测装置，包括PARK运算模块、一阶抗混叠滤波差分运算模块、一阶低通数字滤波器、双磁滞比较器和阈值比较模块；

所述PARK运算模块，将逆变器输出的三相电压信号v_U、v_V、v_W变换为两相静止坐标系下αβ分量V_α、V_β，再将V_α、V_β变换为两相旋转坐标系下dq直流分量V_ds、V_qs；

所述一阶抗混叠滤波差分运算模块，用于将直流分量V_ds、V_qs与恒定的三相平衡标准参考电压V_dref、V_qref进行差分运算；

所述一阶低通数字滤波器，对差分调制信号V⁺ _{q_fall}进行低通滤波处理后输出信号V_{q_fall}；

所述双磁滞比较器，通过设置合适的上限和下限裕度来调整故障探测的灵敏度；

所述阈值比较模块，用于差值信号V_{q_fall}与预设的阈值信号进行比较，输出用于控制断路器开关的信号。

相对于现有技术，本发明具有以下明显优点：

本发明应用在多逆变器微电网的故障与保护，能够有效弥补传统继电保护方法的不足，通过设定合适的阈值能够判断三相短路故障、两相短路故障和单相接地短路故障，能够识别故障发生位置和区域；并且检测精度高、接线简单、能耗低、成本低，灵活性强，适用于微电网的故障探测和保护。

附图说明

图1是本发明的系统原理图。

图2是本发明的一个具体实施方式图。

具体实施方式

以下结合具体实例，对本发明进行详细说明。

参考图1，一种基于电压差动的微电网故障探测方法，包括一个PARK运算模块、一个一阶抗混叠滤波差分运算模块、一个一阶低通数字滤波器、一个双磁滞比较器、一个阈值比较模块。

故障探测信号来源是逆变器的三相电压，测量获得逆变器的输出三相电压信号v_U、v_V、v_W。

所述PARK运算模块，对电压信号v_U、v_V、v_W利用PARK方程变换为两相静止坐标系下αβ分量V_α、V_β，为消除所有交流分量，再将V_α、V_β变换为两相旋转坐标系下dq直流分量V_ds、V_qs。

所述一阶抗混叠滤波差分运算模块，用于将测量的直流分量V_ds、V_qs与恒定的三相平衡标准参考电压V_dref、V_qref进行差分运算，把一个输出差分调制信号V⁺ _{q_fall}(V⁺ _{q_fall}＝ΔV_qr＝V_qref-V_qs)定义为微电网电压下跌量。

所述一阶低通数字滤波器，对差分调制信号V⁺ _{q_fall}进行低通滤波处理后输出信号V_{q_fall}。

所述双磁滞比较器，通过设置合适的上限和下限裕度来调整故障探测的灵敏度；所述双磁滞比较处理为双磁滞比较器通过对比较器设置合适的上限U_H和下限U_L裕度得到满足需要的门限宽度ΔU＝U_H-U_L，避免当信号V_{q_fall}在门限值ΔU附近有微小干扰引起的跳变电压值超过ΔU时输出电压产生相应抖动(起伏)，以便输出稳定的V_{q_fall}，双向磁滞比较器响应 速度加快，还可免除由电路寄生耦合而产生的自激荡，提高故障探测灵敏度；所述阈值信号为电网电压下跌至额定电压的45％至55％之间，优选地，所述阈值信号为电网电压下跌至额定电压的50％。微电网中电压下降是一种短期形式，当电网电压下跌至额定电压的50％时，其持续时间不大于200ms。

所述阈值比较模块，用于差值信号V_{q_fall}与设置的阈值信号进行比较，输出用于控制断路器开关的信号Y、N。

所述基于电压差动的微电网故障探测方法，V_{q_fall}与阈值比较，若不大于阈值，输出信号N，继续监测电网，若大于阈值，输出信号Y，该信号用于断路器控制，切断故障区域，保护微电网；电网正常运行时，经过一阶低通数字滤波器及双磁滞比较器处理的V_{q_fall}等于零；V_{q_fall}的波形是一个纯净的直流量时，微电网发生三相故障；V_{q_fall}是一个带有波纹的直流量时，微电网发生两相故障；V_{q_fall}是一个零到最大值之间振荡的直流量时，微电网发生单相故障(所述最大值取V_{q_fall}的波形的波峰或波谷的绝对值中较大的那个值。)。

本实例实施将是以这种故障检测保护方法应用于与公共电网相连接的多逆变器微电网为例。微电网的结构模型如图2所示，微电网和公共电网之间通过变压器相连。

故障发生在微电网内部，如图2中F1处，F1发生点位于与逆变器1连接的母线1区域，故障探测输出V_{q_fall}，V_{q_fall}输出波形与故障发生区域是对应的，根据波形可以识别判断故障发生的区域位置和类型。当V_{q_fall}输出超过给定阈值，该信号可用于断路器控制，以切断故障区域保护微电网，且与逆变器2连接的母线2上测量到的V_{q_fall}信号小于阈值，故母线区域2内保护继电器不动作；当V_{q_fall}输出小于给定阈值，则继续检测电网。故障发生在微电网外部，如图2中F2处，由于参考信号值总是等于测量信号值，故V_{q_fall}总是等于零，微电网内的继电保护不会因为主电网短路电流而动作。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换应属于本发明所附权利要求的保护范围 。

Claims (4)

1.一种基于电压差动的微电网故障探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)、测量获得逆变器的输出三相电压信号v_U、v_V、v_W；

步骤(2)、对三相电压信号v_U、v_V、v_W利用PARK方程变换为两相静止坐标系下αβ分量V_α、V_β，再将V_α、V_β变换为两相旋转坐标系下dq直流分量V_ds、V_qs；

步骤(3)、将测量的直流分量V_ds、V_qs与恒定的三相平衡标准参考电压V_dref、V_qref进行差分运算，定义输出差分调制信号V⁺ _{q_fall}为微电网电压下跌量，V⁺ _{q_fall}＝ΔV_qr＝V_qref-V_qs；

步骤(4)、对差分调制信号V⁺ _{q_fall}进行低通滤波及双磁滞比较处理后输出信号V_{q_fall}；

步骤(5)、将差值信号V_{q_fall}与预设的阈值信号进行比较，输出用于控制断路器开关的信号：若差值信号V_{q_fall}低于阈值信号，判断微电网无故障，继续监测电网；若差值信号V_{q_fall}大于阈值信号，判断微电网发生故障，断开断路器开关以保护微电网。

2.根据权利要求1所述的基于电压差动的微电网故障探测方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述阈值信号为电网电压下跌至额定电压的45％至55％之间。

3.根据权利要求1所述的基于电压差动的微电网故障探测方法，其特征在于，所述步骤(5)中，当差值信号V_{q_fall}大于设定的阈值信号时,通过检测V_{q_fall}的波形判断微电网的故障类型，具体包括：

a)当V_{q_fall}的波形是一个纯净的直流量时，微电网发生三相故障；

b)当V_{q_fall}的波形是一个趋于直线且带有波纹的直流量时，微电网发生两相故障；

c)当V_{q_fall}的波形是一个在零与最大值之间无恒定幅度振荡的直流量时，微电网发生单相故障。

4.一种实现权利要求1至3任一所述的方法的微电网故障探测装置，包括PARK运算模块、一阶抗混叠滤波差分运算模块、一阶低通数字滤波器、双磁滞比较器和阈值比较模块；所述PARK运算模块，将逆变器输出的三相电压信号v_U、v_V、v_W变换为两相静止坐标系下αβ分量V_α、V_β，再将V_α、V_β变换为两相旋转坐标系下dq直流分量V_ds、V_qs；

所述一阶抗混叠滤波差分运算模块，用于将直流分量V_ds、V_qs与恒定的三相平衡标准参考电压V_dref、V_qref进行差分运算；

所述一阶低通数字滤波器，对差分调制信号V⁺ _{q_fall}进行低通滤波处理后输出信号V_{q_fall}；

所述双磁滞比较器，通过设置合适的上限和下限裕度来调整故障探测的灵敏度；

所述阈值比较模块，用于差值信号V_{q_fall}与预设的阈值信号进行比较，输出用于控制断路器开关的信号。