CN110661488B - 一种兼容双电压等级的光伏发电低电压穿越检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种兼容双电压等级的光伏发电低电压穿越检测装置，其包括串联在光伏逆变器与电网之间，其包括从电网一侧依次串联的可控断路器CB1、限流电抗器X1、可控断路器CB3和逆变器出口变压器，可控断路器CB2与限流电抗器X1并联，在限流电抗器X1与可控断路器CB3之间通过可控断路器CB4连接有短路电抗器X2；本发明采用阻抗分压的方式设计，通过改变限流电抗器X1和短路电抗器X2之间的分压比实现光伏逆变器出口变压器处的电压跌落，完成对光伏逆变器低电压穿越性能的测试，绝缘和耐压按照35kV选择，电流按照10kV选择，可使检测装置用于10kV、35kV双电压等级光伏发电低电压穿越检测。

Description

一种兼容双电压等级的光伏发电低电压穿越检测装置

技术领域

本发明属于光伏发电技术领域，具体是一种兼容双电压等级的光伏发电低电压穿越检测装置。

背景技术

能源是人类社会生存的物质基础，是推动社会发展的动力源泉，对世界经济发展与国家稳定安全有着重要影响。据可靠调查显示，世界范围内煤炭储量约在未来230年左右被消耗殆尽，而石油和天然气仅能维持30-60年的消耗。然而随着世界人口的持续增长与全球经济的不断发展，人类社会对能源的需求却与日剧增。因此，国家高度重视可再生能源的利用，相继出台的一系列扶持政策、管理规定和办法，同时随着我国全球能源互联网和新能源战略的发展，我国新能源发电也得到了较大的发展。截至2018年底，我国光伏发电累计装机容量174GW，成为全球光伏发电装机容量最大的国家。2018年新增装机容量44.26GW，完成了2018年度新增并网装机目标。

随着光伏电站装机容量的逐年上升，光伏发电占电网供电比例不断提高，光伏并网发电系统对电力系统稳定性的影响也日益明显，必须考虑电网故障时光伏电站的各种运行状态对电网稳定性的影响。电网故障会给光伏阵列带来一系列暂态过程，光伏逆变器面临的最大问题是中间直流侧能量的积累，出现过电流或直流侧电容电压上升等一系列问题，严重危害逆变器本身及其控制系统的安全稳定运行。一般情况下，若电网出现故障光伏并网逆变器就实施被动式自我保护而立即解列，并不考虑故障的持续时间和严重程度，这样能最大限度的保障并网逆变器的安全，在光伏发电的电网渗透率（即光伏发电占电网的比重）较低时是可以接受的。然而，当光伏发电在电网中占有较大比重时，若并网逆变器在电网故障时仍采取被动保护式解列，则会增加整个系统的恢复难度，甚至可能加剧故障，最终导致系统中其它光伏并网机组全部解列，甚至可能导致电网瘫痪。

光伏并网发电系统中低电压穿越技术，指在光伏阵列并网点电压跌落的时候，光伏阵列能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间（区域)。

大功率光伏并网逆变器必须具有低电压穿越功能，根据标准要求应开展低电压穿越检测，然而现有检测系统在电压等级、容量、测量手段等方面存在不足，给电网运行和管理带来了一系列挑战。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种兼容双电压等级的光伏发电低电压穿越检测装置，实现对双电压等级光伏发电低电压穿越检测。

本发明所采用的技术方案是：一种兼容双电压等级的光伏发电低电压穿越检测装置，其包括串联在光伏逆变器与电网之间，其包括从电网一侧依次串联的可控断路器CB1、限流电抗器X1、可控断路器CB3和逆变器出口变压器，可控断路器CB2与限流电抗器X1并联，在限流电抗器X1与可控断路器CB3之间通过可控断路器CB4连接有短路电抗器X2。

进一步的，所述限流电抗器X1与短路电抗器X2均采用可调电抗器。

进一步的，所述短路电抗器X2的另一侧接地。

进一步的，可控断路器由SF₆气体绝缘开关柜组成。

进一步的，每相分别用两台电抗器组成限流电抗器组合及短路电抗器组合。

进一步的，在电抗器内设置有多组感抗微调连片。

进一步的，在电抗器相与相之间、每相与地之间设置有避雷器。

进一步的，在电抗器每个连接头之间均设置有避雷器。

进一步的，在可控断路器CB1与电网之间设置有电压互感器，在可控断路器CB1与限流电抗器X1之间的线路上和可控断路器CB3与光伏逆变器之间的线路上均设置有电流互感器。

进一步的，在可控断路器CB1与限流电抗器X1之间的线路上设置有电压互感器。

本发明的积极效果为：

1、本发明采用阻抗分压的方式设计，通过改变限流电抗器X1和短路电抗器X2之间的分压比实现光伏逆变器出口变压器处的电压跌落，完成对光伏逆变器低电压穿越性能的测试，绝缘和耐压按照35kV选择，电流按照10kV选择，可使检测装置用于10kV、35kV双电压等级光伏发电低电压穿越检测。

2、本发明的限流电抗器X1和短路电抗器X2均采用可调电抗器设计，通过改变阻抗分压比可实现跌落深度组合，有效补偿系统运行方式改变给跌落精度造成的偏差。

3、本发明的断路器组合由SF₆气体绝缘开关柜组合组成，SF₆气体绝缘开关柜体积小，所有带电部分均有气体密闭，没有任何带电体裸露，每一个断路器均和三工位开关配合，安全可靠，操作简单安装方便。

4、低电压跌落试验中切除电抗器时，会产生操作过电压，当过电压幅值超过电抗器的操作过电压耐压极限时，会引起电抗器绝缘击穿，因此采用避雷器限制电抗器的操作过电压，对电抗器起到了很好的保护作用。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1示意图；

图2为本发明实施例2示意图；

图3为本发明避雷器配置示意图；

图4为本发明安全链防护系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，绝不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

实施例1

阻抗分压式电压跌落发生装置产生的电压跌落特性最接近实际电网故障时的电压跌落特性，能够准确反映电网发生故障期间电网与光伏逆变器之间的相互影响与作用，因此采用阻抗分压的方式来设计低电压穿越检测装置。

如附图1所示，本发明依次串联的可控断路器CB1、限流电抗器X1、可控断路器CB3和逆变器出口变压器，可控断路器CB2与限流电抗器X1并联，在限流电抗器X1与可控断路器CB3之间的线路上通过可控断路器CB4连接有短路电抗器X2。本发明串联在光伏逆变器与电网之间，可控断路器CB1位于靠近电网一侧，逆变器出口变压器位于靠近被测光伏逆变器一侧。

本发明可以集成于集装箱内，使其具有可移动性，以适应光伏发电地理位置的分布特性，可以在不同地点的光伏电站开展检测，能够方便运输和组装。故可采用集装箱为载体，根据需要现场吊装集装箱模块进行试验。

限流电抗器X1与短路电抗器X2均采用可调电抗器，通过改变阻抗分压比实现光伏逆变器出口变压器处电压跌落，完成对光伏逆变器低电压穿越性能的测试，绝缘和耐压按照35kV选择，电流按照10kV选择，可使检测装置用于10kV、35kV双电压等级光伏发电低电压穿越检测。同时改变阻抗分压比可实现跌落深度组合，可以有效补偿系统运行方式改变给跌落精度造成的偏差。

本发明的电压跌落和恢复功能的实现通过闭合和断开可调断路器CB4实现。

光伏发电单元容量一般小于1.5MW，电压等级为10kV或者35kV，因此额定功率设计为1.5MW，绝缘和耐压按照35kV选择，电流按照10kV选择，可使本发明用于10kV、35kV双电压等级光伏发电低电压穿越检测。能够设定测试点电压为额定电压的0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，跌落偏差小于3%。

同时本发明能够模拟包括电网单相短路、两相短路和三相短路在内的各种故障，可以控制故障类型、故障深度和故障相位、故障持续时间和恢复时间, 故障持续时间100ms-3min任意可设，电压跌落和电压恢复均在1ms内实现。

本发明的额定功率达到1.5MW，额定电压为10kV、35kV，具有容量大、双电压等级、电抗器温漂系数小等优点，解决了单电压等级装置利用率低的问题。电压可跌落至额定电压的90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%、0%，电压跌落和电压恢复均在1ms内实现，实现了低电压穿越曲线的精确模拟。

限流电抗器X1阻值可调，确保在进行测试时，对电网的影响在允许范围之内。短路电抗器X2阻值可调，短路电抗器X2和限流电抗器X1配合调节实现不同程度的电压跌落。检测装置每相分别用2台电抗器组成限流电抗器组合及短路电抗器组合，共12台电抗器，分别起到限流电抗器与短路电抗器的作用，既满足电压跌落深度的要求，同时能确保测试对所在电网的影响不大，单台电抗器输出阻抗设计如表1所示，通过输出接头的不同组合形成不同阻抗值。配置如表2电抗器参数，形成电压跌落范围0-90%，步长10%。

表1 电抗器设计

表2 跌落深度设计

短路电抗器、限流电抗器为西门子模具制作，温漂系数极小，保证连续使用过程阻抗值稳定一致，可减少试验用时。电抗器选用环氧树脂浇注干式空心电抗器，具备阻抗参数线性度高、结构简单、故障率低、免维护等优点。增强了阻抗系统的配置灵活性，减少了电抗器的配置数量。为提高测试系统试验电压精度，在电抗器中增加设计了多组感抗微调连片，可将阻抗调节步长控制在2%以内。

低电压跌落试验中切除电抗器时，会产生操作过电压，当过电压幅值超过电抗器的操作过电压耐压极限时，会引起电抗器绝缘击穿，需要设计避雷器限制电抗器的操作过电压。如附图3所示本发明涉及两类避雷器，分别配置于电网接入点及电抗器本体，电抗器相与相之间、每相与地之间接有避雷器，电抗器每个连接头之间均装有避雷器，对电抗器起到了很好的保护作用。

实施例2

如附图2所示，在可控断路器CB1与电网之间的线路上设置有电压互感器PT1，在电压互感器PT1与可控断路器CB1之间设置有开关QS1，在可控断路器CB1的后侧设置有电流互感器CT1；在可控断路器CB2的后侧串联设置有开关QS2，所示限流电抗器X1与可控断路器CB2和开关QS2并联；在可控断路器CB3的前后两侧分别串联有开关QS3和电流互感器CT3；

在电流互感器CT4的前侧串联设置有电压互感器PT4，电流互感器CT4为三个且分别位于三条线路，在每一路的电流互感器CB4的前后两侧均分别串联有开关QS4和电流互感器CT4；同时短路电抗器X2也为三个，对应的设置于三条线路上。

电压互感器PT1、开关QS1、可控断路器CB1以及电流互感器CT1形成电网侧开关及参数采集功能；可控断路器CB2与开关QS2形成限流电抗器X1的短路开关；开关QS3、可控断路器CB3和电流互感器CT3形成并网点开关及参数采集功能；开关QS4、电流互感器CB4以及电流互感器CT4形成短路电抗开关及参数采集功能。

基于以上电路结构，本发明还可以实现如下功能：

控制系统：

包括远方控制系统和就地控制系统，远方控制系统和就地控制系统具有相同的功能，实现对本发明的控制。

就地控制系统：能够有效实现开关的就地操作、所需状态量的采集、控制时序的命令下发以及现场试验时数据采集、分析、波形显示。电网故障模拟系统的人机界面有“就地”和“远方”切换旋钮。当设置为“就地”时，能够在集装箱内的控制屏柜上进行操作，实现不同故障方式的跌落试验。同时可进行状态量的采集、操作命令的下发等操作。

远方控制系统：电网故障模拟系统能对控制保护系统进行远方控制，同时接收元件保护和控制器上传的信息，并进行数据存储与分析，波形显示等功能。当控制系统设为“远方控制”时，上位监控系统可以通过以太网与设备控制保护系统通讯，上位机可实时下发控制指令，控制电网故障模拟系统。同时，系统向上位机上传所需的信息。

测量系统包括就地测量系统和远方后台两部分，整体精度优于0.2级；各个PT和CT具有良好的瞬态响应特性；具有电抗器温度测量和显示功能；测，包括电压跌落前至电压恢复后任意时间段内所有暂态过程和稳态过程；测量系统可同时测量2组PT电压信号和3组CT电流信号，并完成相关计算和分析。

具有就地和远方手动紧急切出功能，可在任何时刻手动将检测装置从电网切出；具有过电流保护功能，在电流超过设定值时将测试设备自动从电网切出；电抗器温度过限会向后台产生告警信号；其它检测装置异常时自动切出测试设备。低电压穿越检测装置配备安全防护系统，保证检测过程中人员、设备以及电网的多重安全。

测试过程中可以监测测试点处有关试验的各类一次、二次状态参数，该功能由独立数据采集仪器完成，能够实现与低电压穿越检测平台同步采样，数据采集仪器具有16个模拟采集通道，每通道采样频率不低于50kHz。

保护系统：

具有就地和远方手动紧急切出功能，可在任何时刻手动将测试设备从电网切出；具有过电流保护功能，在电流超过设定值时将测试设备自动从电网切出；电抗器温度过限会向后台产生告警信号；其它测试系统异常时自动切出测试设备。

低电压穿越检测系统配备安全防护系统，保证检测过程中人员、设备以及电网的多重安全。安全防护系统细分为状态安全指示、安全链防护系统与电气量保护系统。

（1）状态安全指示。测试设备在集装箱前门与侧门均设计安装状态安全指示灯，用以指示测试设备所处状态。指示灯自下而上指示状态具体为：

绿灯频闪：测试系统处于“进集装箱操作”状态；

橙灯频闪：测试系统处于“准备并网”状态；

红灯常亮：测试系统处于“风机并网”状态；

红灯频闪：测试系统处于“紧急停止”状态。

（2）安全链防护系统，如附图4所示。测试设备在集装箱前门与侧门均设计装设门限开关。当主控系统正常运行时，任何时候开门导致门限开关动作，均会触发安全链系统跳闸保护，断开测试设备的CB1进线开关，从而使测试设备与电网脱离，保证测试人员安全；测试系统在集装箱外配电柜上设计安装紧急停止按钮，当主控系统正常运行时，任何时候按下紧急停止按钮，均会触发安全链系统跳闸保护，断开测试设备的CB1进线开关，从而使测试设备与电网脱离，保证测试人员安全。

（3）电气量保护系统。测试设备在CB1进线开关柜处设计安装继电保护装置。根据测试系统所在线路的保护定值与测试实际运行参数，合理设置继电保护装置的保护定值。当测试系统发生短路故障时，继电保护装置能迅速断开测试设备的CB1进线开关，切除故障，保证测试系统所在线路运行安全。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种兼容双电压等级的光伏发电低电压穿越检测装置，其特征在于其串联在光伏逆变器与电网之间，其包括从电网一侧依次串联的可控断路器CB1、限流电抗器X1、可控断路器CB3和逆变器出口变压器，可控断路器CB2与限流电抗器X1并联，在限流电抗器X1与可控断路器CB3之间的线路上通过可控断路器CB4连接有短路电抗器X2；所述限流电抗器X1与短路电抗器X2均采用可调电抗器；在电抗器内设置有多组感抗微调连片，在电抗器相与相之间、每相与地之间设置有避雷器，在电抗器每个连接头之间均设置有避雷器；

在可控断路器CB1与电网之间的线路上设置有电压互感器PT1，在电压互感器PT1与可控断路器CB1之间设置有开关QS1，在可控断路器CB1的后侧设置有电流互感器CT1；在可控断路器CB2的后侧串联设置有开关QS2，所示限流电抗器X1与可控断路器CB2和开关QS2并联；在可控断路器CB3的前后两侧分别串联有开关QS3和电流互感器CT3；

在电流互感器CT4的前侧串联设置有电压互感器PT4，电流互感器CT4为三个且分别位于三条线路，在每一路的电流互感器CB4的前后两侧均分别串联有开关QS4和电流互感器CT4；同时短路电抗器X2也为三个，对应的设置于三条线路上。

2.根据权利要求1所述的一种兼容双电压等级的光伏发电低电压穿越检测装置，其特征在于所述短路电抗器X2的另一侧接地。

3.根据权利要求1所述的一种兼容双电压等级的光伏发电低电压穿越检测装置，其特征在于可控断路器由SF₆气体绝缘开关柜组成。

4.根据权利要求1所述的一种兼容双电压等级的光伏发电低电压穿越检测装置，其特征在于每相分别用两台电抗器组成限流电抗器组合及短路电抗器组合。

5.根据权利要求1所述的一种兼容双电压等级的光伏发电低电压穿越检测装置，其特征在于在可控断路器CB1与电网之间设置有电压互感器，在可控断路器CB1与限流电抗器X1之间的线路上和可控断路器CB3与光伏逆变器之间的线路上均设置有电流互感器。

6.根据权利要求1或5所述的一种兼容双电压等级的光伏发电低电压穿越检测装置，其特征在于在可控断路器CB1与限流电抗器X1之间的线路上设置有电压互感器。

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