CN107994602B - 多策略的光伏微电网保护方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光伏微电网发电技术领域，公开多策略的光伏微电网保护方法及其系统，该光伏微电网保护方法包括：将微电网划分成两层保护层，两层保护层包括基于全局信息的集中式保护层(1)和基于单点信息量的保护层(2)；基于全局信息的集中式保护层(1)接收到基于单点信息量的保护层(2)所采集的所有信息，并进行综合后进行保护。该多策略的光伏微电网保护方法及其系统实现了集中和分散的总体保护，综合使用了微电网的所有信息。

Description

多策略的光伏微电网保护方法及其系统

技术领域

本发明涉及光伏微电网发电技术领域，具体地，涉及多策略的光伏微电 网保护方法及其使用该方法的多策略的光伏微电网保护系统。

背景技术

微电网是由分布式能源、负荷和输配电系统构成的，可以独立运行或者 与大电网并网运行的，具有对内部电源和负荷协调优化控制功能的微型电力 系统。微电网系统是一种由各种分布式电源、储能装置、控制保护设备及负 荷共同组成的有机系统。

微电网接入配电网，会对微电网的继电保护产生影响。一是微电网中的 大量的微电网会对故障点提供故障电流，使得潮流的流动从单向变为双向； 二是在两种不同的运行方式下，由于微电网与系统电源间存在较大的差异， 导致短路容量有比较大的差异，三是微电网往往维持重要负荷的需求，因其 对电压敏感，必须采用快速动作的开关。这就对微电网内的保护提出了新的 课题。

实际电网中，几乎所有保护都是离线计算，预先确定保护方法，由现场 配置的保护装置根据本地信息判断是否动作。但是这种方法对于多变的微电 网来说往往不适合，当出力不恒定的DG启停频繁，网络实际结构也实时变 化，整定变得很困难。尤其是当微电网内因故障等原因断开某支路产生非计 划孤岛时，非计划孤岛中的发电装置产生的有功、无功总和不一定与内部负 荷相匹配，这可能导致孤岛内频率、电压波动，影响电能质量。保护装置中 测得的电压、电流可能也因此改变，导致装置的误动作。所以，微电网的中 央管理器需要综合故障前的潮流分布、微电源输出功率大小、负载情况等信 息以及网络当前实际测量的信息，进行集中决策，同时还会需要切机、减载、 调整DG出力等，加上逆变型分布式电源提供的短路电流大小有限，对微电 网孤岛运行方式下采用传统电流保护方案带来严重挑战。微电网这些复杂多 变的特点，需要研究更适合于微电网的新的保护方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种多策略的光伏微电网保护方法及其系统，该多 策略的光伏微电网保护方法及其系统实现了集中和分散的总体保护，综合使 用了微电网的所有信息。

为了实现上述目的，本发明提供一种多策略的光伏微电网保护方法，其 特征在于，该光伏微电网保护方法包括：

将微电网划分成两层保护层，两层保护层包括基于全局信息的集中式保 护层和基于单点信息量的保护层；

基于全局信息的集中式保护层接收到基于单点信息量的保护层所采集 的所有信息，并进行综合后进行保护。

优选地，基于单点信息量的保护层的保护方法包括：

在仅有电源的线路中，以功率方向保护为主保护，并以过流保护作为后 备保护；

在含有负载的线路中，配备有过流保护。

优选地，基于单点信息量的保护层的保护方法还包括：

在逆变器支路中，根据所采集的逆变器中的功率信息和预设功率值的比 较，在逆变器中的功率信息大于预设功率值的情况下，执行反流保护。

优选地，基于单点信息量的保护层的保护方法还包括：

检测并网点三相电压，通过负序分量和正序分量的比值计算不平衡度并 进行不平衡度记录。

优选地，基于全局信息的集中式保护层的保护方法包括：

系统所有信息整合，通过限制DG出力和动态切机减载方法维持系统稳 定运行。

本发明提供一种多策略的光伏微电网保护系统，该光伏微电网保护系统 包括：

微电网划分成的两层保护层，两层保护层包括基于全局信息的集中式保 护层和基于单点信息量的保护层；

基于全局信息的集中式保护层接收到基于单点信息量的保护层所采集 的所有信息，并进行综合后进行保护。

优选地，基于单点信息量的保护层包括：

在仅有电源的线路中，以功率方向保护为主保护，并以过流保护作为后 备保护的设备；

在含有负载的线路中，配备有过流保护的设备。

优选地，基于单点信息量的保护层还包括：

在逆变器支路中，根据所采集的逆变器中的功率信息和预设功率值的比 较，在逆变器中的功率信息大于预设功率值的情况下，执行反流保护的设备。

优选地，基于单点信息量的保护层还包括：

检测并网点三相电压，通过负序分量和正序分量的比值计算不平衡度并 进行不平衡度记录的设备。

优选地，基于全局信息的集中式保护层包括：

系统所有信息整合，通过限制DG出力和动态切机减载方法维持系统稳 定运行的设备。

通过上述技术方案，多层次综合保护方法总体为两层，最底层的圆形表 示基于单点信息量的保护，即根据支路单点测量的信息量就能够做出故障判 断和动作的保护。上层的三角形表示基于微电网全局信息的集中式保护，它 是综合了微电网内所有信息和控制信息后进行的保护。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与 下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在 附图中：

图1是说明本发明的一种多策略的光伏微电网保护系统的结构图；

图2是说明本发明的一种多策略的光伏微电网保护系统的流速断保护动 作特性图；以及

图3是说明本发明的一种多策略的光伏微电网保护系统的微电网结构框 图；

图4是说明本发明的一种多策略的光伏微电网保护方法的动态切机/减 载保护方法流程图；

图5是说明本发明的一种微电网保护系统实时监视分析系统当前的电压 U、频率f、功率P的流程框图；

图6是说明本发明的一种SOC保护的流程图。

附图标记说明

1基于全局信息的集中式保护层 2基于单点信息量的保护层

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是， 此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发 明。

本发明提供一种多策略的光伏微电网保护方法，该光伏微电网保护方法 包括：

将微电网划分成两层保护层，两层保护层包括基于全局信息的集中式保 护层1和基于单点信息量的保护层2；

基于全局信息的集中式保护层1接收到基于单点信息量的保护层2所采 集的所有信息，并进行综合后进行保护。

通过上述技术方案，多层次综合保护方法总体为两层，最底层的圆形表 示基于单点信息量的保护，即根据支路单点测量的信息量就能够做出故障判 断和动作的保护。上层的三角形表示基于微电网全局信息的集中式保护，它 是综合了微电网内所有信息和控制信息后进行的保护。

在本发明的一种具体实施方式中，基于单点信息量的保护层2的保护方 法可以包括：

在仅有电源的线路中，以功率方向保护为主保护，并以过流保护作为后 备保护；

在含有负载的线路中，配备有过流保护。

通过上述的实施方式，传统配电网线路保护是只利用自身测量的信息量 就能够做出故障判断和动作的保护，总体而言需满足选择性、速动性、灵敏 性和可靠性要求，仅有电源的线路，功率方向保护作为主保护、过流保护作 为后备保护，含负载的线路，配备过流保护。

电流速断保护可以根据电流的增大而瞬间动作，对于非终端线路，一般 不能保护整条线路，从而照顾到其选择性，下图2为电流速断保护动作特性 图，曲线1表示系统为最大运行方式，流过保护的三相短路电流大小随故障 点变化的曲线，曲线2则表示最小运行方式下，流过B1的最小两相短路电 流变化曲线。

根据光伏电站并网标准规定：光伏电站需具备一定的过电流能力，在120％倍额定电流以下，光伏电站连续可靠工作时间应不小于1分钟；在 120％～150％额定电流内，光伏电站连续可靠工作时间应不小于10秒。当检 测到电网侧发生短路时，光伏电站向电网输出的短路电流应不大于额定电流 的150％。

程序中过流保护阈值设计为额定电流的120％，因为程序存在一定的延 迟，所以时间限值设计为5S。

系统中的每个支路都用可能存在过流，所以每个支路都添加了过流保 护，其中充电桩支路因为实际额定功率大于预留的功率，为保护该支路上的 器件，保护阈值设计为额定电流。

各支路均设计了过流保护，当发生故障时，过流指示灯点亮同时故障会 记录下来供用户后续查看。

在本发明的一种具体实施方式中，基于单点信息量的保护层2的保护方 法还可以包括：

在逆变器支路中，根据所采集的逆变器中的功率信息和预设功率值的比 较，在逆变器中的功率信息大于预设功率值的情况下，执行反流保护。

功率方向保护即反流保护，主要针对逆变器支路，防止电流逆流向逆变 器，在逆变器支路设置了此项保护。根据逆变器支路的功率信息，与设定的 阈值比较，当大于设定阈值，保护动作，界面反流保护指示灯点亮，故障记 录。

在本发明的一种具体实施方式中，基于单点信息量的保护层2的保护方 法还可以包括：

检测并网点三相电压，通过负序分量和正序分量的比值计算不平衡度并 进行不平衡度记录。

三相电压不平衡度是指三相系统中三相电压的不平衡程度，大部分用户 在使用过程中发生的三相电力不平衡主要原因如下：

1)太偏重于单相负载使各相之间发生不平衡；

2)系统的无效电力，高次谐波电流使各相之间发生不平衡；

3)机器接触端子及电缆接触不良导致另外的不平衡；

4)外部环境的人力，电力导致不平衡的发生；

三相不平衡对的影响：

1)电压不平衡的发生导致达到数倍的电流不平衡的发生；

2)诱导电动机中逆扭矩增加使温度上升，效率降低，损失增加，发生 震动，输出节减等影响；

3)各相之间不平衡的发生带来缩短机器寿命和加快机器及部品交替周 期和增加了设备维持补修的费用；

4)断路器容许电流的余量减少，负载变更时或负载交替时发生超载、 短路；

5)中性线中流入过大的不平衡电流所以中性线增粗；

6)当三相负荷不平衡时，不论何种负荷分配情况，电流不平衡度越大， 线损增量也越大。

保护系统中不平衡记录监测并网点三相电压，不平衡度的计算方法有很 多，程序中通过负序分量与正序分量的比值进行计算：

通过对称分量法计算正序与负序分量：

其中：

光伏电站接入电网后，公共连接点的三相电压不平衡度应不超过 GB/T15543-2008《电能质量三相电压不平衡》规定的限值，公共连接点的负 序电压不平衡度应不超过2％，短时不得超过4％；所以程序中设计不平衡度 限值为2％。序分量保护，是在负载三相不平衡度超出允许范围起作用。

由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成 分都可以称之为谐波。由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变 产生谐波。

谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使 电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生 故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放 大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使 电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生 严重干扰。

光伏电站接入电网后，公共连接点的谐波电压应满足GB/T 14549-1993 《电能质量公用电网谐波》的规定，380V标称电压，谐波总畸变率不能超 过5％。

在本发明的一种具体实施方式中，基于全局信息的集中式保护层1的保 护方法可以包括：

系统所有信息整合，通过限制DG出力和动态切机减载方法维持系统稳 定运行。

如图3所示，微电网一般可以分为四个部分，配电网、DG发电单元、 负载单元、储能单元。基于全局信息的保护就是将系统全部信息整合，通过 限制DG出力，动态切机减载等方法维持系统稳定运行；可有效防止欠压欠 频、过压过频；防止储能充放电功率过大；保证SOC处于合理范围。

在电网发生故障时及时检测到故障信息，并传递消息至服务器，系统及 时断开与电网的连接，切换至离网运行状态。检测孤岛的方法有很多，本文 采用被动检测法中根据并网点相位差与设定阈值比较，判断是否发生孤岛效 应。

在动态切机/减载保护中，

要建立一套太阳能发电设备组成的微电网，为保证微电网的稳定运行， 独立微电网采用多种模式控制，动态切机减载控制则为控制模式之一。

系统频率、电压是电能质量的重要参数，当系统频率、电压偏移正常范 围过大时，发电设备和用电设备都会受到不良影响，甚至引起系统崩溃。系 统受到负荷变化造成的的动态扰动后，系统应具备进入新的稳态并重新保持 稳定运行的能力。因此采用动态切机减载控制，由动态稳定控制装置实现微 电网系统动态稳定控制。

离网运行时，微电网系统不受大电网控制，电压和频率可能会产生波动， 当波动过大，超出储能系统可调节范围时，需要通过切机/切负荷维持系统稳 定。

在进行减载保护时，保证重要负载不会随意切除，需要对负载进行分级， 对可控负载进行分级的目的和意义在于根据不同的负荷级别确定用电单位 及用电设备供电要求和供电措施，以保证供电系统的安全性、可靠性、理性 及先进性。

储能系统电压、频率可调节范围是电压为190V～260V，频率为45～55Hz。 保护动作时，界面有报警，同时会有保护动作相关记录，以便查看。

微电网保护系统实时监视分析系统当前的电压U、频率f、功率P，若U、 f、P超出正常范围内，检查各DG发电状况，对储能、DG、负荷设备联合 控制。其流程框图如下图5所示。

1)f在BL区域，储能放电，补充功率缺额，若扰动小于30min，依靠 储能补充功率缺额，若扰动大于30min，为保护储能，切除不重要负荷；f 在CL区，频率波动较大，直接切除不重要负荷。U在BL区，增加无功， 补充缺额；U在CL区，切除不重要负荷。

2)f在BH区，储能充电，多余电力存储起来，若扰动小于30min，依 靠储能调节功率盈余，若扰动大于30min，限制DG出力；f在CH区，直接 限制DG出力。U在BH区，减少无功，调节电压；U在CH区，直接限制 DG出力。

以上通过对储能充放电控制、DG发电控制、负荷控制，达到平滑扰动， 实现微电网电压频率动态平衡，独立微电网稳定运行。

SOC，全称是State of Charge，荷电状态，也叫剩余电量，代表的是电 池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的 比值，常用百分数表示。其取值范围为0～1，当SOC＝0时表示电池放电完 全，当SOC＝1时表示电池完全充满。

SOC保护是为防止离网状态下，锂电池过充或过放而设计的保护。SOC 正常范围为20％～80％，程序中设计上限位85％，下限为15％；通过Li-PCS 支路功率正负来判断充放电状态。保护动作时，界面有报警，同时会有保护 动作相关记录，以便查看。

相应的，本发明还提供一种多策略的光伏微电网保护系统，该光伏微电 网保护系统可以包括：

微电网划分成的两层保护层，两层保护层包括基于全局信息的集中式保 护层1和基于单点信息量的保护层2；

基于全局信息的集中式保护层1接收到基于单点信息量的保护层2所采 集的所有信息，并进行综合后进行保护。

在该种实施方式中，基于单点信息量的保护层2可以包括：

在仅有电源的线路中，以功率方向保护为主保护，并以过流保护作为后 备保护的设备；

在含有负载的线路中，配备有过流保护的设备。

在该种实施方式中，基于单点信息量的保护层2还可以包括：

在逆变器支路中，根据所采集的逆变器中的功率信息和预设功率值的比 较，在逆变器中的功率信息大于预设功率值的情况下，执行反流保护的设备。

在该种实施方式中，基于单点信息量的保护层2还可以包括：

检测并网点三相电压，通过负序分量和正序分量的比值计算不平衡度并 进行不平衡度记录的设备。

在该种实施方式中，基于全局信息的集中式保护层1可以包括：

系统所有信息整合，通过限制DG出力和动态切机减载方法维持系统稳 定运行的设备。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，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简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

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。

Claims (4)

1.一种多策略的光伏微电网保护方法，其特征在于，该光伏微电网保护方法包括：

将微电网划分成两层保护层，两层保护层包括基于全局信息的集中式保护层(1)和基于单点信息量的保护层(2)；

基于全局信息的集中式保护层(1)接收到基于单点信息量的保护层(2)所采集的所有信息，并进行综合后进行保护；

基于单点信息量的保护层(2)的保护方法包括：在仅有电源的线路中，以功率方向保护为主保护，并以过流保护作为后备保护；

在含有负载的线路中，配备有过流保护；

在逆变器支路中，根据所采集的逆变器中的功率信息和预设功率值的比较，在逆变器中的功率信息大于预设功率值的情况下，执行反流保护；

检测并网点三相电压，通过负序分量和正序分量的比值计算不平衡度并进行不平衡度记录。

2.根据权利要求1所述的多策略的光伏微电网保护方法，其特征在于，基于全局信息的集中式保护层(1)的保护方法包括：

系统所有信息整合，通过限制DG出力和动态切机减载方法维持系统稳定运行。

3.一种多策略的光伏微电网保护系统，其特征在于，该光伏微电网保护系统包括：

微电网划分成的两层保护层，两层保护层包括基于全局信息的集中式保护层(1)和基于单点信息量的保护层(2)；

基于全局信息的集中式保护层(1)接收到基于单点信息量的保护层(2)所采集的所有信息，并进行综合后进行保护；

基于单点信息量的保护层(2)包括：

在仅有电源的线路中，以功率方向保护为主保护，并以过流保护作为后备保护的设备；

在含有负载的线路中，配备有过流保护的设备；

在逆变器支路中，根据所采集的逆变器中的功率信息和预设功率值的比较，在逆变器中的功率信息大于预设功率值的情况下，执行反流保护的设备；

检测并网点三相电压，通过负序分量和正序分量的比值计算不平衡度并进行不平衡度记录的设备。

4.根据权利要求3所述的多策略的光伏微电网保护系统，其特征在于，基于全局信息的集中式保护层(1)包括：

系统所有信息整合，通过限制DG出力和动态切机减载方法维持系统稳定运行的设备。

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