CN115144700A - 一种基于注入信号幅值的新能源并网系统故障保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于注入信号幅值的新能源并网系统故障保护方法,包括：检测工频下MMC桥臂的实时电流，并在实时电流满足预设MMC桥臂过流判据时，启动对MMC的附加控制，以使MMC进行故障限流并生成特征频率探测信号；在附加控制启动预设时长后，采集交流线路阀侧保护测点的三相电流；以特征频率探测信号的特征频率作为中心频率对三相电流进行滤波，得到滤波后交流线路阀侧的特征频率电流；根据特征频率电流，提取各相电流的电流相量幅值；在任意一电流相量幅值满足预设保护判据时，确定为区内故障并跳开交流线路阀侧断路器，闭锁MMC；否则，确定为区外故障，不执行保护动作。通过实施本发明能够提高继电保护的灵敏度。

Description

一种基于注入信号幅值的新能源并网系统故障保护方法

技术领域

本发明涉及电力电网技术领域，尤其涉及一种基于注入信号幅值的新能源并网系统故障保护方法。

背景技术

目前建设以新能源为主的新型电力系统成为了电力行业未来的发展目标。与传统电力系统相比，以光伏发电为典型的大量分布式电源通过电力电子装置接入电网，从而降低了电力系统的惯量。对故障分析和继电保护而言，系统低惯量特点和控制的非线性特点，降低了电力系统稳定运行的能力，也导致了故障暂态过程复杂多变，给电网的安全运行带来巨大挑战。

在光伏经逆变器并网系统中，当交流并网线路发生故障时，受到电力电子逆变器脆弱性和高可控性的约束，换流器阀侧呈现弱馈特性，仅能提供1到3倍的短路电流，因而可能引发传统的过电流保护拒动，降低继电保护的灵敏度。

发明内容

本发明实施例提供一种基于注入信号幅值的新能源并网系统故障保护方法，所述方法能提高继电保护的灵敏度。

一种基于注入信号幅值的新能源并网系统故障保护方法，包括：检测工频下MMC桥臂的实时电流，并在所述实时电流满足预设MMC桥臂过流判据时，启动对MMC的附加控制，以使所述MMC进行故障限流并生成特征频率探测信号；

在附加控制启动预设时长后，采集交流线路阀侧保护测点的三相电流；

以所述特征频率探测信号的特征频率作为中心频率对所述三相电流进行滤波，得到滤波后交流线路阀侧的特征频率电流；

根据所述特征频率电流，提取对应特征频率下各相电流的电流相量幅值；

在任意一电流相量幅值满足预设保护判据时，确定为区内故障并跳开交流线路阀侧断路器，闭锁MMC；否则，确定为区外故障，不执行保护动作。

进一步的，所述预设MMC桥臂过流判据为：

其中，

为工频下MMC桥臂的实时电流的有效值，下标i表示a、b、c三相，下标j表示正、负极，

为MMC桥臂额定电流。

进一步的，所述特征频率探测信号具体为:

其中，u_ctrl,a为a相的特征频率探测信号，u_ctrl,b为b相的特征频率探测信号，u_ctrl,c为c相的特征频率探测信号，U_inj为特征频率探测信号的幅值，ω_inj为特征频率探测信号的特征角频率，t为附加控制的开始时间，

特征频率探测信号的初相位。

进一步的，所述特征频率探测信号的特征频率为100Hz。

进一步的，所述特征频率探测信号的幅值满足：

其中，

为MMC阀侧交流额定电压。

进一步的，所述预设时长为：Δt＝t_CB+t_se+t_cal+t₀；其中，Δt为所述预设时长、t_CB为区外故障时交流线路网侧负荷开关或断路器的动作时间，t_se为区外故障时交流线路阀侧保护的信号提取时间，t_cal为区外故障时交流线路保护判据的计算时间，t₀为MMC进行故障限流并生成特征频率探测信号的响应时间。

进一步的，所述预设保护判据为：

其中，

为各所述电流相量幅值，Iset为预设电流阈值。

通过实施本发明实施例具有如下有益效果：

本发明实施例提供了一种基于注入信号幅值的新能源并网系统故障保护方法，所述基于注入信号幅值的新能源并网系统故障保护方法在MMC桥臂过流时，进行故障限流并生成特征频率探测信号，根据特征频率探测信号最终提取对应特征频率下各相电流的电流相量幅值，根据各相电流的电流相量幅值进行故障保护，与现有技术相比本发明通过注入特征频率探测信号，强化故障特征，形成主动探测式继电保护，能够大幅度提高继电保护的灵敏度，防止过电流保护拒动，其次进行故障限流避免换流器快速闭锁，为保护识别区内外故障争取时间，缩小停电范围。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的基于注入信号幅值的新能源并网系统故障保护方法的流程示意图。

图2是本发明另一实施例提供的新能源并网系统故障示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，本发明一实施例提供了一种基于注入信号幅值的新能源并网系统故障保护方法，至少包括如下步骤：

S101：检测工频下MMC桥臂的实时电流，并在所述实时电流满足预设MMC桥臂过流判据时，启动对MMC的附加控制，以使所述MMC进行故障限流并生成特征频率探测信号。

S102：在附加控制启动预设时长后，采集交流线路阀侧保护测点的三相电流。

S103：以所述特征频率探测信号的特征频率作为中心频率对所述三相电流进行滤波，得到滤波后交流线路阀侧的特征频率电流。

S104：根据所述特征频率电流，提取对应特征频率下各相电流的电流相量幅值。

S105：在任意一电流相量幅值满足预设保护判据时，确定为区内故障并跳开交流线路阀侧断路器，闭锁MMC；否则，确定为区外故障，不执行保护动作。

对于步骤S101、上述预设MMC桥臂过流判据为：

其中，

为工频下MMC桥臂的实时电流的有效值，下标i表示a、b、c三相，下标j表示正、负极，

为MMC桥臂额定电流。

当检测到的MMC桥臂任意一相的实时电流的有效值大于

时，启动对MMC(模块化多电平换流器)的附加控制，该附加控制一方面使得，MMC降低有功功率定值实现故障限流，另一方面使得MMC在差模控制信号指令上叠加特征频率的探测信号指令，从而实现交流侧特征频率探测信号注入；上述特征频率探测信号如下：

其中，u_ctrl,a为a相的特征频率探测信号，u_ctrl,b为b相的特征频率探测信号，u_ctrl,c为c相的特征频率探测信号，U_inj为特征频率探测信号的幅值，ω_inj为特征频率探测信号的特征角频率，t为附加控制的开始时间，

特征频率探测信号的初相位。

在一个优选的实施例中，上述特征频率探测信号的特征频率为：100Hz。优选的，特征频率探测信号的幅值满足：

其中，

为MMC阀侧交流额定电压。

对于步骤S102、在一个优选的实施例中，上述预设时长为：

Δt＝t_CB+t_se+t_cal+t₀；其中，Δt为所述预设时长、t_CB为区外故障时交流线路网侧负荷开关或断路器的动作时间，t_se为区外故障时交流线路阀侧保护的信号提取时间，t_cal为区外故障时交流线路保护判据的计算时间，t₀为MMC进行故障限流并生成特征频率探测信号的响应时间，t_CB、t_se、t_cal以及t₀均为提前设定的已知值。

以MMC的附加控制启动时刻起，经过Δt后，MMC完成了限流和特征频率探测信号的注入，此时采集交流线路阀侧保护测点K1的三相电流。

对于步骤S103、采用带通滤波器对交流线路阀侧保护测点K₁的三相电流进行滤波，在滤波时以特征频率探测信号的特征频率作为中心频率，得到滤波后交流线路阀侧的特征频率电流i_K1,a，i_K1,b以及i_K1,c；i_K1,a为a相的特征频率电流、i_K1,b为b相的特征频率电流、i_K1,c为c相的特征频率电流。

对于步骤S104、具体的，对滤波后得到的各相的特征频率电流采用快速傅里叶分解方法进行处理，提取对应特征频率下的电流相量，进而得到对应特征频率下的各相的电流相量幅值：I_K1,a，I_K1,b以及I_K1,c。I_K1,a为a相的电流相量幅值、I_K1,b为b相的电流相量幅值、I_K1,c为c相的电流相量幅值。

对于步骤S105，在一个优选的实施例中，所述预设保护判据为：

其中，

为各所述电流相量幅值，I_set为预设电流阈值。

具体的，三相电流只要至少任意一相的电流相量幅值满足上述预测保护判据，则判别为区内故障，跳开线路L1阀侧断路器，闭锁MMC。否则，判定发生区外故障，可以认为在上述预设时长Δt的时间内，故障已经被隔离，此时再注入探测信号，特征频率电流将小于预设电流阈值，保护不动作。

为进一步体现本发明所提供的基于注入信号幅值的新能源并网系统故障保护方法的优点，如图2所示，利用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件搭建光伏并网系统模型，来验证性能。换流变压器网侧采用三角形接法，阀侧采用Y型接法。MMC采用直流钳位电阻接地，钳位电阻阻值5000Ω。线路模型采用贝瑞隆模型。

1.区内故障仿真结果：

以线路L₁上发生三相短路故障为例，设定故障发生在t＝50ms。系统发生故障后，MMC桥臂过流，满足预设MMC桥臂过流判据，附加控制启动。附加控制起动后，并网点三相电压产生100Hz特征频率探测信号。故障发生约10ms后，保护测点处的故障电流得到限制，同时特征频率探测信号注入，越过保护门槛值(即大于预设电流阈值)，保护动作。

以线路L₁上发生a相接地故障为例，系统发生故障后，MMC的a相桥臂明显过流，满足预设MMC桥臂过流判据，附加控制启动。故障发生约10ms后，保护测点处的故障电流得到限制，同时特征频率探测信号注入，越过保护门槛值，保护动作。

以线路L₁上发生三相短路高阻故障为例，过渡电阻阻值为200Ω，系统发生高阻故障后，依旧满足预设MMC桥臂过流判据，附加控制启动。特征频率探测信号注入，越过保护门槛值，在高阻故障下保护仍能够可靠动作。

2.区外故障仿真结果：

以区外f₂处发生三相短路故障为例，设定故障发生在t＝50ms。系统发生故障后，满足预设MMC桥臂过流判据，附加控制启动。阀侧保护K₁闭锁延时的时间内，区外故障被相应保护切除，故障切除后，特征频率探测信号幅值减小至接近于0，保护返回，区外故障下保护测点K₁不动作。

此外，设置不同位置故障，判别结果如表2所示，据表可知本发明能够可靠识别区内故障。

表2仿真结果

仿真结果证明了本发明的有效性。

综上所述，本发明一种基于注入信号幅值的新能源并网系统故障保护方法，通过预设MMC桥臂过流判据启动对MMC的附加控制，从而实现故障限流与交流侧特征频率探测信号注入，然后，依靠特征频率探测信号幅值识别故障，仿真结果验证了本发明的有效性，且其具有灵敏度高，可靠性强，无需双端通信，对测量和保护装置的采样率要求低的好处。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于注入信号幅值的新能源并网系统故障保护方法，其特征在于，包括：

检测工频下MMC桥臂的实时电流，并在所述实时电流满足预设MMC桥臂过流判据时，启动对MMC的附加控制，以使所述MMC进行故障限流并生成特征频率探测信号；

在附加控制启动预设时长后，采集交流线路阀侧保护测点的三相电流；

以所述特征频率探测信号的特征频率作为中心频率对所述三相电流进行滤波，得到滤波后交流线路阀侧的特征频率电流；

根据所述特征频率电流，提取对应特征频率下各相电流的电流相量幅值；

在任意一电流相量幅值满足预设保护判据时，确定为区内故障并跳开交流线路阀侧断路器，闭锁MMC；否则，确定为区外故障，不执行保护动作。

2.如权利要求1所述的基于注入信号幅值的新能源并网系统故障保护方法，其特征在于，所述预设MMC桥臂过流判据为：

其中，

为工频下MMC桥臂的实时电流的有效值，下标i表示a、b、c三相，下标j表示正、负极，

为MMC桥臂额定电流。

3.如权利要求1所述的基于注入信号幅值的新能源并网系统故障保护方法，其特征在于，所述特征频率探测信号具体为:

其中，u_ctrl,a为a相的特征频率探测信号，u_ctrl,b为b相的特征频率探测信号，u_ctrl,c为c相的特征频率探测信号，U_inj为特征频率探测信号的幅值，ω_inj为特征频率探测信号的特征角频率，t为附加控制的开始时间，

特征频率探测信号的初相位。

4.如权利要求2所述的基于注入信号幅值的新能源并网系统故障保护方法，其特征在于，所述特征频率探测信号的特征频率为100Hz。

5.如权利要求2所述的基于注入信号幅值的新能源并网系统故障保护方法，其特征在于，所述特征频率探测信号的幅值满足：

其中，

为MMC阀侧交流额定电压。

6.如权利要求1所述的基于注入信号幅值的新能源并网系统故障保护方法，其特征在于，所述预设时长为：

Δt＝t_CB+t_se+t_cal+t₀；

其中，Δt为所述预设时长、t_CB为区外故障时交流线路网侧负荷开关或断路器的动作时间，t_se为区外故障时交流线路阀侧保护的信号提取时间，t_cal为区外故障时交流线路保护判据的计算时间，t₀为MMC进行故障限流并生成特征频率探测信号的响应时间。

7.如权利要求1所述的基于注入信号幅值的新能源并网系统故障保护方法，其特征在于，所述预设保护判据为：

其中，

为各所述电流相量幅值，I_set为预设电流阈值。

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