CN109100616B - 一种带有接地变压器单相断电的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有接地变压器单相断电的检测方法，由所述接地变压器组成的发电系统包括所述接地变压器、MVT、断电装置，接地变压器、并网逆变器和断电装置接入MVT的低压侧，MVT的高压侧接断电装置后并入电网。本发明解决了传统防孤岛AI算法在含接地变压器系统的电网单相断电时并网逆变器无法保护或保护后重复连接问题，完善和丰富了AI算法内容，减小了新能源并网发电运行风险，提高了系统安全运行的可靠性。可在三相并网光伏逆变系统、风力发电并网系统、储能系统等领域得到广泛应用。

Description

一种带有接地变压器单相断电的检测方法
技术领域
本发明应用于新能源并网发电技术领域，特别针对含接地变压器GT(GroundingTranformer)，中压变压器MVT(Medium Voltage Transformer)和并网逆变器组成的分布式发电系统，通过对电网电压总谐波THDv(Voltage Total Harmonic Distortion)变化识别电网是否发生单相断电。
背景技术
三相四线制配电系统广泛应用于办公大楼、大型商厦以及现代化工厂，这些建筑中存在大量计算机、办公自动化设备、变频空调、大型显示屏幕、不间断电源等非线性用电设备。大部分设备工作时都会在电网中产生大量的谐波，从而对电力系统造成污染。调查发现，这些非线性设备存在大量的零序性3次谐波电流。由于其三相电流幅值大小、初始相位均相同，在中性线上产生叠加会产生诸如中性线过载、过热甚至火灾事故，以及产生电磁干扰、影响供电电压质量、降低功率因数、降低变压器及电器设备的使用寿命等问题。
接地变压器可以很好地解决以上零序性3次谐波问题，具有成本低、高可靠性、电路简单无复杂控制、无容性器件、不会与系统产生谐振等优点。目前，在国外已有广泛应用，国内也有部分电网公司、供电公司、高校等使用和研究此类产品。但接地变压器与并网逆变器在一起工作时，当配电网(如Delta–Wye和Wye-Wye型MVT)三相中某一相断电时，并网逆变器因无别识别断电会会继续向电网输送能量(如图1所示)，增加电网检修、设备安装等相关人员触电安全事故概率以及影响配电系统上的保护开关动作程序。
如图1所示的典型的GT,MVT和并网逆变器组成的发电系统包括并网逆变器INVERTER，本地负载Local Load，接地变压器，中压变压器，并网逆变器，断电装置KK1、KK2。并网逆变器的工作原理是将太阳能、风能等产生的电转化成交流电通过接地变压器、MVT等馈送给交流电网。并网逆变器在正常情况下工作时，KK1和KK2均处于闭合状态，但并网逆变器在实际并网过程，KK1或者KK2因检修或故障等原因，可能会断开，并网逆变器馈入电网的能量会跟本地负载形成不稳定的电压和频率，如同一个孤岛，因此并网逆变器需要有防孤岛AI算法对这种状况进行识别。如果没有接地变压器，传统AI算法会立即识别出电网存在断相问题，并网逆变器停止向电网馈电。但是有了接地变压器后，在单相断电后，另外正常的两相电压会由接地变压器磁场，在故障相耦合形成一个很强的电压，因此并网逆变器并网端口的电网电压频率、幅值、相位均不发生变化，这样导致传统AI算法失灵。而且即便是识别出这种故障能够及时脱网，但脱网状态的逆变器侦测到的电网电压依旧在正常范围，逆变器会重新反复并网并会向故障电网馈入能量，因而这是不彻底的孤岛侦测算法，对电网设备和操作人员会带来严重安全风险。
传统AI算法主要由以下几种方法：
第一种方法：被动的检测公共耦合点的电压电流等电参量变化，通过检测电网电压的过欠压、过欠频实现。但是，当负载等效为RLC负载时，发生孤岛后，逆变器所采到的电网电压及频率由负载决定。电压和频率在逆变器输出有功功率和无功功率完全匹配的情况下，负载的谐振频率为50Hz。如果不施加扰动，电压和频率与电网断开前后没有发生变化，这样将不会触发过欠压、过欠频保护，检测不出是否形成了孤岛。
第二种方法：主动对并网逆变器输出的电压电流等电参量进行扰动，检测响应情况，判定是否有孤岛发生。主动对逆变器输出的电压电流等电参量进行扰动，检测响应情况，判定是否有孤岛发生。例如，对逆变器的输出电流的频率进行扰动。断开电网后，电网的频率由负载决定。通过改变逆变器输出电流的频率，负载上的电压大小和频率由逆变器输出电流叠加到负载阻抗上决定。改变输出电流的频率，也就改变了电网电压采样的频率，通过电网电压的过频保护或者欠频保护实现。
第三种：主动对并网逆变器输出的电压电流相位等进行扰动，例如计算三相电网电压的每两相之间的相位差A，向并网逆变器的输出电流上注入无功电流，计算注入无功电流后的三相电网电压的每两相之间的相位差B。再通过A和B之间差值是否大于设定相位阀值，判断是否发生孤岛。
综上所说，传统AI算法主要是频率扰动改变电网电压频率，有功功率扰动改变电网电压幅值，无功功率扰动改变电网相位等方法。但在GT，MVT和并网逆变器构成的系统发生电网断相故障时，由于接地变压器的强磁场耦合原因，传统的AI算法无法实现正反馈，推动电网电压频率，幅值，相位发生变化。因此传统AI算法是无法识别电网断相。在脱网待机状态，由于逆变器不输出功率对电网电压和频率进行扰动，因此更是无法识别此类型电网故障，会导致并网逆变器频繁重连向电网馈入能量。
发明内容
本发明的目的是：减小新能源并网发电运行风险，提高系统安全运行的可靠性。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种带有接地变压器单相断电的检测方法，由所述接地变压器组成的发电系统包括所述接地变压器、MVT、断电装置，接地变压器、并网逆变器和断电装置接入MVT的低压侧，MVT的高压侧接断电装置后并入电网，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：
第一步、判断所述并网逆变器是否处于发电状态，若并网逆变器处于发电状态，则进入第二步，若并网逆变器未处于发电状态，则进入第四步；
第二步、利用检测电网电压的THDv值的方法一或利用AI算法判断是否发生孤岛，若发生孤岛现象，则进入第五步，若未发生孤岛现象，则进入第三步；
第三步、若第二步中采用的是检测电网电压的THDv值的方法一判断是否发生孤岛，则利用AI算法判断是否发生孤岛，若第二步中采用的是AI算法判断是否发生孤岛，则利用检测电网电压的THDv值的方法一判断是否发生孤岛，进入第五步；
第四步、利用检测电网电压的THDv值的方法二判断是否发生孤岛，进入第五步；
第五步、输出判断结果，结束本方法，其中，所述利用检测电网电压的THDv值的方法一判断是否发生孤岛包括以下步骤：
检测电网电压的THDv值，如果三相电网电压中的任意两相电网电压的THDv值的差值大于阀值A或某一段时间内三相电网电压中的任意一相电网电压的THDv值的最大值与最小值的差值大于阀值A则判定为发生孤岛，否则判定为未发生孤岛；
所述利用检测电网电压的THDv值的方法二判断是否发生孤岛包括以下步骤：
检测电网电压的THDv值，如果三相电网电压中的任意两相电网电压的THDv值的差值小于阀值B或某一段时间内三相电网电压中的任意一相电网电压的THDv值的最大值与最小值的差值小于阀值B则判定为发生孤岛，否则判定为未发生孤岛。
优选地，在所述利用检测电网电压的THDv值的方法一及在所述利用检测电网电压的THDv值的方法二中，检测电网电压的THDv值为检测电网电压总谐波的THDv值或检测电网电压特定次谐波的THDv值。
本发明解决了传统防孤岛AI(anti-islanding)算法在含接地变压器系统的电网单相断电时并网逆变器无法保护或保护后重复连接问题，完善和丰富了AI算法内容，减小了新能源并网发电运行风险，提高了系统安全运行的可靠性。可在三相并网光伏逆变系统、风力发电并网系统、储能系统等领域得到广泛应用。
附图说明
图1为典型的GT,MVT和并网逆变器组成的发电系统示意图；
图2为本发明的流程图；
图3a为应用本发明后并网逆变器流程图(并网发电转待机状态图)；
图3b为应用本发明后并网逆变器流程图(待机转并网发电状态图)；
图4为获取谐波示意图；
图5为北美某一现场的GT，MVT，并网逆变器组成的分布式发电系统示意图；
图6为并网逆变器侧三相电网电压及MVT低压侧三相电网电压比较图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明主要针对接地变压器的场合，Wye-Wye型MVT一次侧或二次侧断电时，Delta-Wye型MVT二次侧断电时，通过二次侧电网电压THDv识别电网断电故障以及完善断电重连问题。
本发明提供的一种带有接地变压器单相断电的检测方法可以应用在如图1所示的典型的GT,MVT和并网逆变器组成的发电系统中，该发电系统具体包括并网逆变器(注：并网逆变器包括但不限于三相光伏并网逆变系统、风力发电并网系统、储能系统)，接地变压器(Wye-delta型)，MVT(WYE-WYE型)，断电装置KK1、KK2。接地变压器，并网逆变器INVERTER和断电装置KK1接入MVT的低压侧，MVT高压侧接断电装置后并入电网。当断电装置KK1或KK2断开时，由于A相电流经接地变压器，MVT后流回并网逆变器，B、C相经MVT，接地变压器后流回并网逆变器，逆变器端口电压频率，幅值和相位均不发生明显变化，故并网逆变器可以正常。本检发明提供的测方法是在传统AI算法增加电网电压谐波THDv方法，需要和传统孤岛算法一起使用，才能达到完美的效果。
本实施例中所示的接地变压器为Wye-delta(Yg-D)型，但不局限于此，接地变压器可以为Wye-Wye(Yg-Yg)，the Zig-Zag型等其他不影响效果的形式代替，接地变压器可以灵活调整。本发明中MVT包括但不限于WYE-WYE(Yg-Yg)型MVT，WYE-DELTA(Yg-D)型MVT。
具体而言，结合图2，本发明提供的一种带有接地变压器单相断电的检测方法包括以下步骤：
第一步、判断所述并网逆变器是否处于发电状态，若并网逆变器处于发电状态，则进入第二步，若并网逆变器未处于发电状态，则进入第四步；
第二步、利用检测电网电压的THDv值的方法一或利用AI算法判断是否发生孤岛，若发生孤岛现象，则进入第五步，若未发生孤岛现象，则进入第三步；
第三步、若第二步中采用的是检测电网电压的THDv值的方法一判断是否发生孤岛，则利用AI算法判断是否发生孤岛，若第二步中采用的是AI算法判断是否发生孤岛，则利用检测电网电压的THDv值的方法一判断是否发生孤岛，进入第五步；
第四步、利用检测电网电压的THDv值的方法二判断是否发生孤岛，进入第五步；
第五步、输出判断结果，结束本方法，其中，所述利用检测电网电压的THDv值的方法一判断是否发生孤岛包括以下步骤：
检测电网电压的THDv值，如果三相电网电压(可以是相电压，也可以是线电压，下同)中的任意两相电网电压的THDv值的差值大于阀值A或某一段时间内三相电网电压中的任意一相电网电压的THDv值的最大值与最小值的差值大于阀值A则判定为发生孤岛，否则判定为未发生孤岛；
所述利用检测电网电压的THDv值的方法二判断是否发生孤岛包括以下步骤：
检测电网电压的THDv值，如果三相电网电压中的任意两相电网电压的THDv值的差值小于阀值B或某一段时间内三相电网电压中的任意一相电网电压的THDv值的最大值与最小值的差值小于阀值B则判定为发生孤岛，否则判定为未发生孤岛。
为了进一步说明本发明，图3a及图3b为应用本发明的流程图，其包含并网逆变器的两种状态转化：并网逆变器由运行发电状态切换成待机状态和由待机状态切换成并网发电状态。
当并网逆变器处于运行发电状态，图1中断电装置KK1或者KK2突然断开，AI算法通过电网电压幅值或频率或相位扰动等方法判定是否发生孤岛。当未发生孤岛现象时，AI算法开始检测电网电压总谐波THDv值或特定次谐波THDv值，计算三相电网电压总谐波THDv值或特定次谐波THDv值中最大值和最小值之间的差值，当此差值大于规定报警阀值时，如2％，则判定发生电网断电，并网逆变器立即停止发电，并网逆变器切换成待机模式，如图3a所示。其中，三相总谐波或特定次谐波的THDv值比较，可以是实时值，也可以是平均值或一定时间窗口的滑动平均值。
当并网逆变器因孤岛处于待机状态，图1中断电装置KK1和KK2处于吸合状态。AI算法是无法在待机状态扰动电网电压幅值、频率和相位，则AI算法直接采用检测THDv的方法，计算三相电网电压每相电压谐波THDv值或特定次谐波THDv值，计算三相电网电压总谐波或特定次谐波中THDv值最大值和最小值之间的差值，当此差值小于规定安全阀值时，如1.5％，则判定发生电网电压正常，并网逆变器自检并重新并网，并网逆变器切换成并网发电模式，如图3b所示。实际断电装置KK1、KK2可以在三相MVT的一次侧的任意一相亦可以在二次侧的任意一相。
在本发明中，检测THDv值的方法包括但不限于带通滤波器、快速傅里叶分解FFT(Fast fourier transition)、小波算法等THDv检测方法。以如快速傅里叶分解FFT(Fastfourier transition)计算总谐波THDv值为例，包括以下步骤：根据电网频率设定计算参数，使fn＝fgrid，式中，fn表示谐波频率，fgrid表示电网频率。经FFT算法计算后可以获取基波电压瞬时值，将电网电压瞬时值减去基波电压瞬时值则可以获取谐波电压瞬时值，进而求取谐波电压有效值，谐波电压有效值除以基波电压有效值即为THDv值，如图4所示。
本实施例中规定报警阀值和规定安全阀值均可通过LCD屏，手机APP等形式设置，可根据不同使用环境灵活设置参数。规定报警阀值和规定安全阀值不易设置过大或者过小，否则会引起失灵或者误报。
图5为北美某一现场的GT，MVT，并网逆变器组成的分布式发电系统示意图，现场MVT是Yg-Yg型，GT类型为Yg-D。图6虚线处发生断相即短路装置KK2断开时，MVT低压侧A、B、C三相电压幅值、相位、频率均未发生变化。A相电流由38A下降到0A，根据能量守恒原理，B、C相电流由38A上升到60A左右。并网逆变器端口侧A、B、C相电压，电流变化较小，由此可以看出接地变压器为并网逆变器电流提供一条回路。只断A相仿真实验数据，断相之前，A、B、C三相总谐波THDv分别是1.95％、1.96％、1.48％。断相之后，A、B、C三相总谐波THDv分别是5.23％、1.59％、1.54％，可以看出A相THDv变化非常明显，其他两相(B、C相)基本断相前后变化很小。实验数据和理论仿真均验证了THDv检测方法的有效性，完善和充实了AI算法。
本发明的技术方案通过THDv识别并网逆变器所在的电网是否存在断电故障以及断相重连问题，无需采用电流传感器采样后发送给并网逆变器或者人为断开并网逆变器等复杂方式，大大简化了现场运行维护过程并且有效防止因断电并网逆变器继续运行对系统本身和维护人员造成的损害。

Claims (2)

1.一种带有接地变压器单相断电的检测方法，由所述接地变压器组成的发电系统包括所述接地变压器、MVT、断电装置，接地变压器、并网逆变器和断电装置接入MVT的低压侧，MVT的高压侧接断电装置后并入电网，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：
第一步、判断所述并网逆变器是否处于发电状态，若并网逆变器处于发电状态，则进入第二步，若并网逆变器未处于发电状态，则进入第四步；
第二步、利用检测电网电压的THDv值的方法一或利用AI算法判断是否发生孤岛，若发生孤岛现象，则进入第五步，若未发生孤岛现象，则进入第三步；
第三步、若第二步中采用的是检测电网电压的THDv值的方法一判断是否发生孤岛，则利用AI算法判断是否发生孤岛，若第二步中采用的是AI算法判断是否发生孤岛，则利用检测电网电压的THDv值的方法一判断是否发生孤岛，进入第五步；
第四步、利用检测电网电压的THDv值的方法二判断是否发生孤岛，进入第五步；
第五步、输出判断结果，结束本方法；其中，所述利用检测电网电压的THDv值的方法一判断是否发生孤岛包括以下步骤：
检测电网电压的THDv值，如果三相电网电压中的任意两相电网电压的THDv值的差值大于阀值A或某一段时间内三相电网电压中的任意一相电网电压的THDv值的最大值与最小值的差值大于阀值A则判定为发生孤岛，否则判定为未发生孤岛；
所述利用检测电网电压的THDv值的方法二判断是否发生孤岛包括以下步骤：
检测电网电压的THDv值，如果三相电网电压中的任意两相电网电压的THDv值的差值小于阀值B或某一段时间内三相电网电压中的任意一相电网电压的THDv值的最大值与最小值的差值小于阀值B则判定为未发生孤岛，否则判定为发生孤岛。
2.如权利要求1所述的一种带有接地变压器单相断电的检测方法，其特征在于，在所述利用检测电网电压的THDv值的方法一及在所述利用检测电网电压的THDv值的方法二中，检测电网电压的THDv值为检测电网电压总谐波的THDv值或检测电网电压特定次谐波的THDv值。
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一种用于并网光伏逆变器的孤岛检测新方法;高淑萍 等;《太阳能学报》;20161031;第37卷(第10期);第2526-2532页 *

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