CN110034546B - 逆变器与发电机并联供电的低压交流配电网短路保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种逆变器与发电机并联供电的低压交流配电网短路保护方法，其特征在于包括以下步骤：检测短路故障，判断短路故障是否发生以及发生短路故障位置；根据不同的短路故障切换相应的逆变器控制策略；检测短路特征电流，判断提供流经断路器的短路电流的设备；根据提供流经断路器的短路电流的设备切换相应的保护整定策略。本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种逆变器与发电机并联供电的独立电力系统短路保护方法，通过保护整定策略的在线切换，解决了因逆变器与发电机短路电流特性差异大导致由其供电的低压交流配电网保护整定难题。

Description

逆变器与发电机并联供电的低压交流配电网短路保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统安全运行领域，具体涉及一种逆变器与发电机并联供电的独立电力系统短路保护方法。

背景技术

逆变器供电的低压交流配电网是独立电力系统的一种典型电网结构形式。在军用领域，它作为舰船综合电力系统的日用负载配电网，将中压直流电能经DC/DC斩波器和DC/AC逆变器转变为三相低压交流电能，供给日用负载；在民用新能源领域，它可以接纳风能、太阳能、地热能等不同形式的新型能源，通过逆变器将这些新能源转化为电能，供所在地区负载使用。除逆变器供电配电网外，还存在逆变器与发电机并联供电的工况，一旦该类配电网发生短路故障，短路电流将由逆变器与发电机共同提供，作为供电电源的逆变器出于自身安全考虑，会以1.5～3倍额定电流恒流运行，与发电机短路输出特性差异明显，给该类配电网的保护整定带来了困难。因此，需要开拓一种新的保护方法，满足该类配电网保护要求。然而，在研究逆变器与发电机并联供电的低压交流配电网短路保护方法时，存在以下三方面的难点：

1)逆变器与发电机短路输出特性差异大。短路故障发生后，逆变器转入恒流模式运行，与发电机短路输出特性差异大，导致保护整定困难。

2)短路电流双向性。逆变器与发电机并联供电低压交流配电网中电源中心与负荷中心没有相对的物理区分开，任意时刻可能有不固定的电源与负荷的投切，导致配电网中短路电流的双向性。

3)要求故障切除时间短。与大电网相比，该类配电网容量和惯性较小，且电网内含有大量电力电子元器件，一旦发生故障，必须迅速切除故障才能保证网络不失稳，同时为了防止分布式电源在故障发生后退出运行，也需要保护元件以及采用的保护方法能够快速切除故障。

同时，负载中感应电动机短路之后馈电流的存在也使得传统保护方法不再适用，因此，有必要提出一种保护方法，有效规避感应电动机馈电流的影响，实现全系统兼顾选择性和速动性的保护。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种逆变器与发电机并联供电的独立电力系统短路保护方法，通过保护整定策略的在线切换，解决了因逆变器与发电机短路电流特性差异大导致由其供电的低压交流配电网保护整定难题。

本发明提供了一种逆变器与发电机并联供电的低压交流配电网短路保护方法，其特征在于包括以下步骤：

检测短路故障，判断短路故障是否发生以及发生短路故障位置；根据不同的短路故障切换相应的逆变器控制策略；检测短路特征电流，判断提供流经断路器的短路电流的设备；根据提供流经断路器的短路电流的设备切换相应的保护整定策略。

上述技术方案中，短路故障检测包括以下步骤：

检测流经第k个断路器的三相电流i_ak、i_bk、i_ck，计算其绝对值|i_ak|、|i_bk|、|i_ck|与变化率绝对值|di_ak/dt|、|di_bk/dt|、|di_ck/dt|；

事先根据系统拓扑与参数设定绝对值阈值I_set和电流变化率阈值di/dt_set

若：

则判断为ABC三相短路故障；

若：

则判断为AB两相短路故障；

若：

则判断为BC两相短路故障；

若：

则判断为CA两相短路故障；

其中，a、b、c表示三相；k表示第k个断路器；I_set为设定电流绝对值阈值；di/dt_set为设定电流变化率阈值。

若以上条件均不满足，则判断为短路故障未发生。

上述技术方案中，三相短路故障时逆变器控制策略切换：短路之后，将逆变器双环控制中i_d1Pref设为M，i_q1Pref设为0，同时增加三倍频电流控制，设定三倍频电流环i_d3Pref为P，i_q3Pref为0，使逆变器输出电流为M倍基频正序电流和P倍三倍频电流的合成电流；

其中i_d1Pref为电流环正序基频d轴给定值；i_q1Pref为电流环正序基频q轴给定值；i_d3Pref为电流环正序三倍频d轴给定值；i_q3Pref为电流环正序三倍频q轴给定值；1.5≤M≤3,P＞0(这里三倍频电流取值P在可检测到的基础上尽量取小，降低注入谐波电流的影响。

上述技术方案中，两相短路故障时逆变器控制策略切换：短路之后，使逆变器故障相输出M倍基频正序电流和P倍三倍频电流的合成电流，非故障相输出电流为0；1.5≤M≤3，P＞0；

AB两相短路时：

令AB两相输出M倍基频正序电流和P倍三倍频电流的合成电流，即：

i_a＝MI_Nsinθ+PI_Nsin(3θ)+I_Ma

i_b＝-MI_Nsinθ-PI_Nsin(3θ)+I_Mb

i_c＝0+I_Mc

其中，I_N为基频电流幅值；I_Ma、I_Mb、I_Mc为电动机馈电流；

将i_a、i_b、i_c代入基频正负序坐标变换公式T1：

其中，I_dkP为电流d轴正序分量；I_qkP为电流q轴正序分量；I_dkN为电流d轴负序分量；I_qkN为电流q轴负序分量；θ＝ω(t-t₀)＝2πf(t-t₀)，f＝50Hz，t₀为短路故障发生时刻；

上式计算结果I_dkP、I_qkP、I_dkN、I_qkN分别对应正序基频电流d轴给定值i_{d1P_ref}、正序基频电流q轴给定值i_{q1P_ref}、负序基频电流d轴给定值i_{d1N_ref}、负序基频电流q轴给定值i_{q1N_ref}；

将i_a、i_b、i_c代入三倍频正负序坐标变换公式T2：

上式计算结果I_dkP、I_qkP、I_dkN、I_qkN分别对应正序三倍频电流d轴给定值i_{d3P_ref}、正序三倍频电流q轴给定值i_{q3P_ref}、负序三倍频电流d轴给定值i_{d3N_ref}、负序三倍频电流q轴给定值i_{q3N_ref}；

BC或CA两相短路时依照AB两相短路操作步骤分别得出正负序基频、三倍频电流d、q轴给定值，作为逆变器控制策略切换时正负序基频、三倍频电流d、q轴给定值。

上述技术方案中，三相短路故障时短路电流检测包括以下步骤：

列写三倍频坐标变换式T3：

其中，i_ak、i_bk、i_ck为流经第k个断路器的三相电流；I_dk、I_qk为计算得出的电流d、q轴分量；

将公式T3中I_dk、I_qk进行低通滤波，得出电流d、q轴直流分量式I_{dk_DC}、I_{qk_DC}；若I_{dk_DC}≠0，则判断为流经该断路器的短路电流为发电机与逆变器共同提供；若I_{dk_DC}＝0，则判断为流经该断路器的短路电流仅由发电机提供。

上述技术方案中，两相短路故障时短路电流检测包括以下步骤：

将三相电流i_ak、i_bk、i_ck代入三倍频率正负序坐标变换式T2；

将公式T2中I_dkP、I_qkP、I_dkN、I_qkN进行低通滤波，得出电流d、q轴正负序分量：i_{dkP_DC}、i_{qkP_DC}、i_{dkN_DC}、i_{qkN_DC}；若I_{dkP_DC}≠0，则判断为流经该断路器的短路电流为发电机与逆变器共同提供；若I_{dkP_DC}＝0，则判断为流经该断路器的短路电流仅由发电机提供。

上述技术方案中，若流经第k个断路器的短路电流仅由发电机提供，切换至传统时间电流原则保护方法；

发电机支路保护：

(1)瞬动保护电流整定为：

I_set11≥1.2×I_maxg

其中，I_maxg为发电机馈送的不对称短路电流最大有效值；I_g’为发电机对称短路电流初始有效值；V_Ng为发电机额定相电压；Z_d为发电机超瞬变阻抗；R_a为发电机电枢电阻；R_c为发电机至汇流排的电缆电阻；X_d为发电机超瞬变电抗；X_c为发电机至汇流排的电缆电抗；

(2)短延时保护电流整定为：

I_set12≤0.8×I_k

其中，I_kf为发电机短路时的励磁电流；I_af为发电机空载额定电压时的励磁电流；S·C·R为短路比；I_Ng为发电机额定电流；X_c为发电机至汇流排的电缆电抗；X_d’为发电机直轴电抗

短延时保护延时时间整定为：

t₁₁≥t₂₁+t_2分

其中，t₁₁为发电机支路短延时保护延时时间；t₂₁为下一级断路器短延时；t_2分为分断时间；

(3)长延时保护电流整定为：

I_set13≥1.1～1.5×I_Ng

其中，I_Ng为发电机额定电流；

母线间传输线路保护：

(1)瞬动保护电流整定为：

I_set21≥I_b

其中，I_b为断路器本身最大标准整定值；

(2)短延时保护电流整定为：

单台发电机：I_set22≤0.8×I_set12

多台发电机：I_set22≥1.5×I_b

其中，I_set12为主发电机断路器短延时脱扣始动电流整定值；

短延时保护延时时间整定为：

t₃₁+t_2分≤t₂₁≤t₁₁

其中，t₃₁为下一级断路器短延时时间；t₂₁为传输线路短延时时间；t₁₁为主发电机断路器短延时脱扣延时时间；

(3)长延时保护电流整定为：

单台发电机：

多台发电机：不作要求

其中，I_set33为下一级母线断路器以及馈线断路器最大长延时脱扣始动电流；I_set23为传输线路断路器长延时脱扣始动电流；I_set13为主发电机断路器长延时脱扣始动电流；I_d为流经该断路器的总负载电流；

负载支路保护：

(1)瞬动保护电流整定为：

其中，I_Nm为直接启动电动机的额定电流；I_jc’为流经该断路器过电流脱扣器的电流；I_set31为负载支路断路器瞬动保护脱扣始动电流；I_min为最小短路电流；

(2)负载支路短路故障对短延时保护和长延时保护均不作要求

上述技术方案中，若流经第k个断路器的短路电流为逆变器与发电机共同提供，切换至改进的方向闭锁过电流保护方法；

短路电流方向判断：若判断为三相短路故障，将流经第k个断路器的三相电流i_ak、i_bk、i_ck代入公式T3，并进行低通滤波，得出电流d轴直流分量，若I_{dk_DC}≥NI_Nim，则判断短路电流方向为正向；若I_{dk_DC}≤-NI_Nim，则判断短路电流方向为反向；

其中NI_Nim为容量最小逆变器提供的三倍频特征电流，根据实际系统中逆变器容量确定；

若判断为两相短路故障，将流经第k个断路器的三相电流代入公式T2，得出结果进行低通滤波环节，得到电流d、q轴正负序直流分量：I_{dkP_DC}、I_{qkP_DC}、I_{dkN_DC}、I_{qkN_DC}；AB两相短路时，若I_{qkP_DC}≤K₁i_{qkP_ref}，则判断短路电流为正向；若I_{qkP_DC}≥-K₁i_{qkP_ref}则判断短路电流为正向；BC两相短路时，若I_{dkP_DC}≥K₁i_{dkP_ref}，则判断短路电流为正向；若I_{dkP_DC}≤-K₁i_{dkP_ref}则判断短路电流为正向；CA两相短路时，若I_{qkP_DC}≥K₁i_{qkP_ref}，则判断短路电流为正向；若I_{qkP_DC}≤-K₁i_{qkP_ref}则判断短路电流为正向；

其中，K₁＜1；

闭锁信号传递原则：母线闭锁信号发送给相邻母线，同时接收来自相邻母线的闭锁信号；配电线路、电源和负载支路发送闭锁信号给相邻线路不相邻断路器，同时配电线路断路器接收来自相邻线路不相邻断路器的闭锁信号，电源、负载支路断路器不接收闭锁信号；

线路主保护：判断流经线路端口断路器短路电流的方向，若短路电流方向为正，则发送闭锁信号，同时延时t₁(闭锁信号传递最低速率为75km/ms，若线路长1000m，最长传递时间为0.013ms，低压交流配电网系统线路通常小于1000m，故t₁≥1ms完全可以满足要求)接收闭锁信号，如果未接收到任何闭锁信号，则形成分闸指令；

母线主保护：判断流经母线上所有断路器的短路电流方向，若判断结果为短路电流反向或逆变器未向该支路提供短路电流，则发送闭锁信号，同时延时t₁接收闭锁信号，如果未接收到任何闭锁信号，则形成母线继电器控制断路器的分闸指令；

线路后备保护：短路故障发生t₂(后备保护起动时间应当大于主保护动作时间(考虑断路器固有动作时间一般为20～40ms)以及返回时间，t₂可取50ms)时间后，检测到短路故障仍然存在，这时根据线路闭锁信号信息，断开相邻母线继电器控制的断路器；

母线后备保护：短路故障发生t₂时间后，检测到短路故障仍然存在，这时根据母线闭锁信号信息，断开相邻线路断路器；

从而得到一套完整的应对三相、两相短路故障的保护方案，可应用于逆变器与发电机并联供电的低压交流配电网。

本发明提出了一种逆变器与发电机并联的独立电力系统短路保护方法，有效解决了因逆变器与发电机短路输出特性差异大导致的保护整定困难问题，实现了全系统兼顾选择性和速动性的保护，具备后备保护能力；改进了逆变器的控制策略，注入三倍频特征电流，规避了感应电动机馈电流的影响；最终初步构建了一套相对完整的短路保护方法体系，为配电网的安全运行提供较为完善的保护技术支撑。

附图说明

图1是本发明流程示意图；

图2a-d是逆变器与发电机并联供电低压交流配电网的三相短路保护方法框图，其中图2a是电网短路检测，图2b是保护整定策略切换，图2c是传统时间电流原则，图2d是改进的方向闭锁过电流保护；

图3是逆变器与发电机并联供电低压交流配电网短路故障图；

图4a-b是3台逆变器与1台发电机并联供电低压交流配电网F1短路故障仿真验证图，其中图4a是流经断路器BK12的电流，图4b是流经断路器BK21的电流；

图5是3台逆变器与1台发电机并联供电低压交流配电网F1短路故障后备保护仿真验证图，其中图5a是流经断路器BK12的电流，图5b是流经断路器BKL2的电流，图5c是流经断路器BK21的电流，图5d是流经断路器BK23的电流。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明包括短路故障检测步骤、逆变器控制策略切换步骤、短路特征电流检测步骤、保护整定策略切换步骤。

根据上述建模步骤，可得到图2所示的逆变器与发电机并联供电低压交流配电网的短路保护方案框图。

逆变器的参数为：逆变器额定容量S_N＝562.5千伏安、逆变器的额定输出电压U_N＝400伏、逆变器的额定输出电流I_N＝811.93安、逆变器交流侧滤波电感L₁＝190微亨、逆变器的交流侧滤波电感L₂＝55微亨、逆变器的交流侧滤波电容C＝650微法；逆变器控制器基频电压环比例参数K_p＝1.048、逆变器控制器电压环积分参数K_i＝17.6；

三相短路故障时逆变器控制器参数：基频电流环比例参数K_p1＝3、基频电流环积分参数K_i1＝100、三倍频电流环积分参数K_p3＝3、电流环积分参数K_i3＝100；基频电流d轴给定值i_d1Pref＝2、基频电流q轴给定值i_q1Pref＝0、三倍频电流d轴给定值i_d3Pref＝0.2、三倍频电流q轴给定值i_q3Pref＝0；

两相短路故障时逆变器控制器参数：基频正序电流环比例参数K_pP1＝0.4、基频正序电流环积分参数K_iP1＝70、基频负序电流环比例参数K_pN1＝0.4、基频负序电流环积分参数K_iN1＝70、三倍频正序电流环比例参数K_pP3＝0.2、三倍频正序电流环积分参数K_iP3＝40、三倍频负序电流环比例参数K_pN3＝0.2、三倍频负序电流环积分参数K_iN3＝40；

算例系统参数：线路L_S1、L_S2、L_S3、L_S4长度为50米、线路阻抗为0.00296+j0.0041欧姆；线路L₁₂、L₂₃、L₃₄长度为100米、线路阻抗为0.0015+j0.00085欧姆；负载L₁为功率因数0.8的290千瓦阻感负载、负载L₂为45千瓦感应电动机和功率因数0.8的147千瓦阻感负载、负载L₃为50千瓦感应电动机和功率因数0.8的200千瓦阻感负载、负载L₄为功率因数0.8的245千瓦阻感负载；

短路保护设定阈值参数：电流变化率阈值di/dt_set＝500安/毫秒、电流绝对值阈值I_set＝1000安、三相短路时短电流方向判断阈值NI_Nim＝229.6安、AB两相短路时短路电流方向判断阈值K₁i_{qkP_ref}＝-114.8安、BC两相短路时短路电流方向判断阈值K₁i_{dkP_ref}＝132.6安、CA两相短路时短路电流方向判断阈值K₁i_{qkP_ref}＝114.8安；断路器分断时间t_2分＝20ms、闭锁信号传递延时t₁＝1毫秒、后备保护启动时间t₂＝50毫秒；

以下给出本发明的具体实施例：

实施例1.3台逆变器与1台发电机并联供电的低压交流配电网短路保护方案

以继电器R2控制断路器为例，该短路保护方案的具体步骤如下：

发生三相短路故障F1时：

1.短路故障发生判断步骤

1.1检测流经算例系统中所有断路器的三相电流i_ak、i_bk、i_ck，计算其绝对值|i_ak、bk、ck|与变化率绝对值|di_ak、bk、ck/dt|；

1.2设定绝对值阈值和电流变化率阈值：

I_set＝1000A，di/dt_set＝5000A/ms；

经比较，流经断路器的电流绝对值和电流变化率绝对值均超过设定阈值，判断为三相短路故障发生；

2.逆变器控制策略切换步骤

短路之后，逆变器双环控制中，令i_d1Pref＝2，i_q1Pref＝0，i_d3Pref＝0.2，i_q3Pref＝0；

3.短路特征电流检测步骤

计算流经各个断路器电流经过三倍频率坐标变换的d轴直流分量，经判断得出流经断路器BK21、BKS2、BK23、BK32、BKS3、BK34、BK43、BKS4的短路电流为发电机与逆变器共同提供；流经断路器BK12、BKS1的短路电流仅由发电机提供；

4.保护整定策略切换步骤

4.1断路器BK12、BKS1切换至传统时间电流保护方法

(1)BKS1为发电机支路断路器；

1)瞬动保护电流整定为：

Z_d＝0.0202Ω

I_set11≥1.2×I_maxg＝18.823kA

故瞬动保护电流整定值为18.823kA；

2)短延时保护电流整定为：

I_set12≤0.8×I_k＝1843.2A

故短延时保护电流整定值为1843.2A；

其短延时延时时间整定为：

t₁₁≥t₂₁+t_2分＝44ms

故短延时保护延时时间为44ms；

3)长延时保护电流整定为：

I_set13≥1.1～1.5×I_Ng＝792～1080A

故长延时保护电流整定值为792～1080A；

(2)断路器BK12为母线与母线跨接传输线路断路器；1)瞬动保护电流整定为：

I_set21≥I_b＝4000A

故瞬动保护电流整定值为4000A；

2)短延时保护电流整定为：

单台发电机：I_set22≤0.8×I_set12＝1747.56A

故短延时保护电流整定值为1747.56A；

其短延时保护延时时间整定为：

20ms＝t₃₁+t_2分≤t₂₁≤t₁₁＝24ms

故短延时延时时间整定为20ms～24ms；

3)长延时保护电流整定为：

单台发电机：I_set23≤0.8×I_set13＝633.6～864A

故长延时保护电流整定值为633.6～864A；

4.2断路器BK21、BKS2、BKL2、BK23、BK32、BKS3、BKL3、BK34、BK43、BKS4、BKL4切换至改进的方向闭锁过电流保护方法；

4.2.1短路电流方向判断：列写三倍频率坐标变换公式T2并进行低通滤波，得出电流d、q轴直流分量式S1：

计算流经各个断路器短路电流的d轴直流分量，判断出流经断路器BK21、BK32、BK43的短路电流方向为正向；流经断路器BK23、BKS2、BK34、BKS3、BKS4的短路电流方向为反向；

4.2.2闭锁信号传递原则：断路器BK21发送闭锁信号BS21给断路器BK32和BK43；

4.2.3线路主保护：流经断路器BK21短路电流的方向为正，发送闭锁信号，同时1ms未接收到任何闭锁信号，则形成BK21分闸指令；

若断路器BK21发生拒动：

4.2.5线路后备保护：短路故障发生50ms后，检测到短路故障仍然存在，这时断开相邻母线B2的继电器控制的断路器BKS2、BKL2、BK23；

图4和图5分别给出了3台逆变器与1台发电机并联供电低压交流额配电网发生三相短路故障F1正常动作以及后备保护仿真结果；从对比结果可以看出，以上提出的保护方案能够有效切除短路故障

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种逆变器与发电机并联供电的低压交流配电网短路保护方法，其特征在于包括以下步骤：

检测短路故障，判断短路故障是否发生以及发生短路故障位置；根据不同的短路故障切换相应的逆变器控制策略；检测短路特征电流，判断提供流经断路器的短路电流的设备；根据提供流经断路器的短路电流的设备切换相应的保护整定策略；

若流经第k个断路器的短路电流为逆变器与发电机共同提供，切换至改进的方向闭锁过电流保护方法；

8.1短路电流方向判断：若判断为三相短路故障，将流经第k个断路器的三相电流i_ak、i_bk、i_ck代入三倍频坐标变换式，并进行低通滤波，得出电流d轴直流分量I_{dk_DC}，若I_{dk_DC}≥NI_Nim，则判断短路电流方向为正向；若I_{dk_DC}≤-NI_Nim，则判断短路电流方向为反向；

其中NI_Nim为容量最小逆变器提供的三倍频特征电流，根据实际系统中逆变器容量确定；

若判断为两相短路故障，将流经第k个断路器的三相电流代入三倍频正负序坐标变换公式，得出结果进行低通滤波环节，得到电流d、q轴正负序直流分量：I_{dkP_DC}、I_{qkP_DC}、I_{dkN_DC}、I_{qkN_DC}；AB两相短路时，若I_{qkP_DC}≤K₁i_{qkP_ref}，则判断短路电流为正向；若I_{qkP_DC}≥-K₁i_{qkP_ref}则判断短路电流为正向；BC两相短路时，若I_{dkP_DC}≥K₁i_{dkP_ref}，则判断短路电流为正向；若I_{dkP_DC}≤-K₁i_{dkP_ref}则判断短路电流为正向；CA两相短路时，若I_{qkP_DC}≥K₁i_{qkP_ref}，则判断短路电流为正向；若I_{qkP_DC}≤-K₁i_{qkP_ref}则判断短路电流为正向；i_{qkP_ref}为电流q轴正序分量给定值，其中，K₁＜1；

8.2闭锁信号传递原则：母线闭锁信号发送给相邻母线，同时接收来自相邻母线的闭锁信号；配电线路、电源和负载支路发送闭锁信号给相邻线路不相邻断路器，同时配电线路断路器接收来自相邻线路不相邻断路器的闭锁信号，电源、负载支路断路器不接收闭锁信号；

8.3线路主保护：判断流经线路端口断路器短路电流的方向，若短路电流方向为正，则发送闭锁信号，同时延时t₁接收闭锁信号，如果未接收到任何闭锁信号，则形成分闸指令；

8.4母线主保护：判断流经母线上所有断路器的短路电流方向，若判断结果为短路电流反向或逆变器未向该支路提供短路电流，则发送闭锁信号，同时延时t₁接收闭锁信号，如果未接收到任何闭锁信号，则形成母线继电器控制断路器的分闸指令；

8.5线路后备保护：短路故障发生t₂时间后，检测到短路故障仍然存在，这时根据线路闭锁信号信息，断开相邻母线继电器控制的断路器；

8.6母线后备保护：短路故障发生t₂时间后，检测到短路故障仍然存在，这时根据母线闭锁信号信息，断开相邻线路断路器；

从而得到一套完整的应对三相、两相短路故障的保护方案，可应用于逆变器与发电机并联供电的低压交流配电网。

2.根据权利要求1所述的逆变器与发电机并联供电的低压交流配电网短路保护方法，其特征在于短路故障检测包括以下步骤：

2.1检测流经第k个断路器的三相电流i_ak、i_bk、i_ck，计算其绝对值|i_ak|、|i_bk|、|i_ck|与变化率绝对值|di_ak/dt|、|di_bk/dt|、|di_ck/dt|；

2.2事先根据系统拓扑与参数设定绝对值阈值I_set和电流变化率阈值di/dt_set

若：

且

则判断为ABC三相短路故障；

若：

且

则判断为AB两相短路故障；

若：

且

则判断为BC两相短路故障；

若：

且

则判断为CA两相短路故障；

其中，a、b、c表示三相；k表示第k个断路器；I_set为设定电流绝对值阈值；di/dt_set为设定电流变化率阈值；

若以上公式所述的条件均不满足，则判断为短路故障未发生。

3.根据权利要求1所述的逆变器与发电机并联供电的低压交流配电网短路保护方法，其特征在于三相短路故障时逆变器控制策略切换：短路之后，将逆变器双环控制中i_d1Pref设为M，i_q1Pref设为0，同时增加三倍频电流控制，设定三倍频电流环i_d3Pref为P，i_q3Pref为0，使逆变器输出电流为M倍基频正序电流和P倍三倍频电流的合成电流；

其中i_d1Pref为电流环正序基频d轴给定值；i_q1Pref为电流环正序基频q轴给定值；i_d3Pref为电流环正序三倍频d轴给定值；i_q3Pref为电流环正序三倍频q轴给定值；1.5≤M≤3,P＞0(这里三倍频电流取值P在可检测到的基础上尽量取小，降低注入谐波电流的影响。

4.根据权利要求1所述的逆变器与发电机并联供电的低压交流配电网短路保护方法，其特征在于两相短路故障时逆变器控制策略切换：短路之后，使逆变器故障相输出M倍基频正序电流和P倍三倍频电流的合成电流，非故障相输出电流为0；1.5≤M≤3，P＞0；

AB两相短路时：

令AB两相输出M倍基频正序电流和P倍三倍频电流的合成电流，即：

i_a＝MI_Nsinθ+PI_Nsin(3θ)+I_Ma

i_b＝-MI_Nsinθ-PI_Nsin(3θ)+I_Mb

i_c＝0+I_Mc

其中，I_N为基频电流幅值；I_Ma、I_Mb、I_Mc为电动机馈电流；

将i_a、i_b、i_c代入基频正负序坐标变换公式T1：

其中，I_dkP为电流d轴正序分量；I_qkP为电流q轴正序分量；I_dkN为电流d轴负序分量；I_qkN为电流q轴负序分量；θ＝ω(t-t₀)＝2πf(t-t₀)，f＝50Hz，t₀为短路故障发生时刻；

上式计算结果I_dkP、I_qkP、I_dkN、I_qkN分别对应正序基频电流d轴给定值i_{d1P_ref}、正序基频电流q轴给定值i_{q1P_ref}、负序基频电流d轴给定值i_{d1N_ref}、负序基频电流q轴给定值i_{q1N_ref}；

将i_a、i_b、i_c代入三倍频正负序坐标变换公式T2：

上式计算结果I_dkP、I_qkP、I_dkN、I_qkN分别对应正序三倍频电流d轴给定值i_{d3P_ref}、正序三倍频电流q轴给定值i_{q3P_ref}、负序三倍频电流d轴给定值i_{d3N_ref}、负序三倍频电流q轴给定值i_{q3N_ref}；

BC或CA两相短路时依照AB两相短路操作步骤分别得出正负序基频、三倍频电流d、q轴给定值，作为逆变器控制策略切换时正负序基频、三倍频电流d、q轴给定值。

5.根据权利要求1所述的逆变器与发电机并联供电的低压交流配电网短路保护方法，其特征在于三相短路故障时短路电流检测包括以下步骤：

列写三倍频坐标变换式T3：

其中，i_ak、i_bk、i_ck为流经第k个断路器的三相电流；I_dk、I_qk为计算得出的电流d、q轴分量；

将公式T3中I_dk、I_qk进行低通滤波，得出电流d、q轴直流分量式I_{dk_DC}、I_{qk_DC}；若I_{dk_DC}≠0，则判断为流经该断路器的短路电流为发电机与逆变器共同提供；若I_{dk_DC}＝0，则判断为流经该断路器的短路电流仅由发电机提供。

6.根据权利要求4所述的逆变器与发电机并联供电的低压交流配电网短路保护方法，其特征在于两相短路故障时短路电流检测包括以下步骤：

将三相电流i_ak、i_bk、i_ck代入三倍频率正负序坐标变换公式T2；

将公式T2中I_dkP、I_qkP、I_dkN、I_qkN进行低通滤波，得出电流d、q轴正负序分量：i_{dkP_DC}、i_{qkP_DC}、i_{dkN_DC}、i_{qkN_DC}；若I_{dkP_DC}≠0，则判断为流经该断路器的短路电流为发电机与逆变器共同提供；若I_{dkP_DC}＝0，则判断为流经该断路器的短路电流仅由发电机提供。

7.根据权利要求1所述的逆变器与发电机并联供电的低压交流配电网短路保护方法，其特征在于若流经第k个断路器的短路电流仅由发电机提供，切换至传统时间电流原则保护方法；

7.1发电机支路保护：

(1)瞬动保护电流整定为：

I_set11≥1.2×I_maxg

其中，I_maxg为发电机馈送的不对称短路电流最大有效值；I_g’为发电机对称短路电流初始有效值；V_Ng为发电机额定相电压；Z_d为发电机超瞬变阻抗；R_a为发电机电枢电阻；R_c为发电机至汇流排的电缆电阻；X_d为发电机超瞬变电抗；X_c为发电机至汇流排的电缆电抗；

(2)短延时保护电流整定为：

I_set12≤0.8×I_k

其中，I_kf为发电机短路时的励磁电流；I_af为发电机空载额定电压时的励磁电流；S·C·R为短路比；I_Ng为发电机额定电流；X_c为发电机至汇流排的电缆电抗；X_d’为发电机直轴电抗

短延时保护延时时间整定为：

t₁₁≥t₂₁+t_2分

其中，t₁₁为发电机支路短延时保护延时时间；t₂₁为下一级断路器短延时；t_2分为分断时间；

(3)长延时保护电流整定为：

I_set13≥1.1～1.5×I_Ng

其中，I_Ng为发电机额定电流；

7.2母线间传输线路保护：

(1)瞬动保护电流整定为：

I_set21≥I_b

其中，I_b为断路器本身最大标准整定值；

(2)短延时保护电流整定为：

单台发电机：I_set22≤0.8×I_set12

多台发电机：I_set22≥1.5×I_b

其中，I_set12为主发电机断路器短延时脱扣始动电流整定值；

短延时保护延时时间整定为：

t₃₁+t_2分≤t₂₁≤t₁₁

其中，t₃₁为下一级断路器短延时时间；t₂₁为传输线路短延时时间；t₁₁为主发电机断路器短延时脱扣延时时间；

(3)长延时保护电流整定为：

单台发电机：

多台发电机：不作要求

其中，I_set33为下一级母线断路器以及馈线断路器最大长延时脱扣始动电流；I_set23为传输线路断路器长延时脱扣始动电流；I_set13为主发电机断路器长延时脱扣始动电流；I_d为流经该断路器的总负载电流；

7.3负载支路保护：

(1)瞬动保护电流整定为：

其中，I_Nm为直接启动电动机的额定电流；I_jc’为流经该断路器过电流脱扣器的电流；I_set31为负载支路断路器瞬动保护脱扣始动电流；I_min为最小短路电流；

(2)负载支路短路故障对短延时保护和长延时保护均不作要求。

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