專利名稱：一種基于等效負(fù)序阻抗的分布式電源孤島保護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于分布式發(fā)電領(lǐng)域的電源保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，適用于各種形式的分布式電源
孤島保護(hù)。
背景技術(shù)：
目前，在并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線路因發(fā)生故障或其他原因斷開時(shí)，分布式電源與配電系統(tǒng)之 間將會(huì)失去聯(lián)系，形成一個(gè)電氣上的孤島。 一般來(lái)說(shuō)，與主系統(tǒng)分開以后，孤島內(nèi)的功率是 不平衡的。如果孤島中的電源總?cè)萘窟h(yuǎn)小于孤島內(nèi)的總負(fù)荷，那么孤島不可能穩(wěn)定運(yùn)行，經(jīng) 過(guò)較短時(shí)間后孤島崩潰。而如果孤島中的電源總?cè)萘看笥诨虻扔诒镜刎?fù)荷，就可能出現(xiàn)較 長(zhǎng)時(shí)間的孤島運(yùn)行。 由于故障跳閘等原因造成的范圍不確定的、偶然形成的孤島運(yùn)行，稱為非計(jì)劃孤
島運(yùn)行。這種孤島的形成具有偶然性和不確定性，會(huì)帶來(lái)一系列的問(wèn)題 ①電能質(zhì)量下降。孤島小系統(tǒng)內(nèi)的功率不平衡，會(huì)引起頻率、電壓都發(fā)生變化，降
低了供電安全和電能質(zhì)量。 ②威脅公眾及運(yùn)行人員的安全。由于非計(jì)劃孤島的范圍不確定性，不能確定系統(tǒng) 元件、線路是否帶電，造成了對(duì)維修人員、運(yùn)行人員和公眾的安全威脅。
③改變流經(jīng)保護(hù)的電流大小，影響了繼電保護(hù)的正確動(dòng)作。
④可能會(huì)失去接地點(diǎn)，威脅絕緣安全。 ⑤影響自動(dòng)重合閘。形成孤島后，分布式電源(Distributed Generator)即DG可 能仍對(duì)跳閘線路的另一端供電，造成檢無(wú)壓重合閘失敗，或因孤島與主系統(tǒng)失步，檢同期合 閘失敗，從而引起不必要的停電及對(duì)DG、系統(tǒng)設(shè)備的損害。 為避免非計(jì)劃孤島運(yùn)行帶來(lái)的不利影響，對(duì)于無(wú)法形成計(jì)劃孤島的分布式發(fā)電設(shè) 備，一般都要求系統(tǒng)配置防孤島保護(hù)，在因系統(tǒng)故障等原因?qū)е屡c主配電系統(tǒng)失去聯(lián)系后， 盡快地將分布式電源斷開。 現(xiàn)有的孤島檢測(cè)原理主要為被動(dòng)檢測(cè)、主動(dòng)檢測(cè)及基于通信的聯(lián)鎖跳閘方法。被 動(dòng)檢測(cè)就是通過(guò)檢測(cè)孤島形成前后的頻率、電壓、功率輸出等電氣量變化，來(lái)判斷是否與主 電網(wǎng)斷開。主要包括低頻低壓、高頻高壓、頻率變化率法；優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便，但由 于僅反映頻率及電壓的大小，容易受重負(fù)荷切換或大電源跳閘等原因引起的頻率、電壓變 化的影響，誤動(dòng)率較高。 主動(dòng)檢測(cè)通過(guò)控制分布式電源DG并網(wǎng)逆變器對(duì)系統(tǒng)施加一個(gè)外部干擾，然后監(jiān)
視系統(tǒng)的響應(yīng)來(lái)判斷是否形成孤島，一般是通過(guò)調(diào)制DG并網(wǎng)逆變器的有功或無(wú)功輸出，檢
測(cè)電壓和頻率的響應(yīng)變化。有的主動(dòng)檢測(cè)還可以構(gòu)成正反饋，加快孤島的瓦解。優(yōu)點(diǎn)是即
使是功率完全平衡的孤島，也可以通過(guò)主動(dòng)干擾來(lái)破壞功率平衡，從而被可靠地檢測(cè)出來(lái)。
缺點(diǎn)是外部干擾會(huì)影響供電質(zhì)量，檢測(cè)的時(shí)間也會(huì)比被動(dòng)檢測(cè)長(zhǎng)；且當(dāng)系統(tǒng)中包含多個(gè)分
布式電源時(shí)，各電源主動(dòng)檢測(cè)裝置發(fā)出的干擾信號(hào)可能互相影響，降低檢測(cè)效果。 基于通信的聯(lián)鎖跳閘方法的基本思想是監(jiān)控電路中所有可能導(dǎo)致孤島形成的斷路器或開關(guān)的狀態(tài)。當(dāng)某個(gè)開關(guān)動(dòng)作導(dǎo)致并網(wǎng)線斷開時(shí)，該開關(guān)處的監(jiān)測(cè)裝置將發(fā)送跳閘 信號(hào)，中止并網(wǎng)線下級(jí)所有分布式電源DG的運(yùn)行。優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，當(dāng)系 統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜或饋線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不固定時(shí)，聯(lián)鎖跳閘的邏輯關(guān)系將變得相當(dāng)復(fù)雜。首先需 要監(jiān)測(cè)每個(gè)分布式電源與變電站之間的所有開關(guān)狀態(tài)，另外拓?fù)渥兓臅r(shí)候，還需要重新 配置所有的跳閘邏輯。聯(lián)鎖跳閘可以可靠地避免所有的非計(jì)劃孤島，對(duì)具有固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 的系統(tǒng)簡(jiǎn)單有效，但其成本高、操作復(fù)雜。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在分布式電源孤島狀態(tài)檢測(cè)的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一 種基于等效負(fù)序阻抗的分布式電源孤島保護(hù)方法。該方法利用了分布式電源DG并網(wǎng)狀態(tài) 與孤網(wǎng)狀態(tài)下，系統(tǒng)等效負(fù)序阻抗將出現(xiàn)極大變化的特點(diǎn)，
本發(fā)明的具體方案如下 —種基于等效負(fù)序阻抗的分布式電源的孤島保護(hù)方法，該方法用于檢測(cè)分布式電 源是否與主電網(wǎng)存在電氣聯(lián)系，在所述孤島保護(hù)方法中，將保護(hù)裝置安裝在分布式電源組 成的微網(wǎng)上的任意一條饋線支路上；本方法包括如下步驟 (1)在保護(hù)裝置安裝處，實(shí)時(shí)計(jì)算該饋線所連接所述微網(wǎng)上的母線三相電壓，通過(guò) 序分量計(jì)算，求得負(fù)序電壓分量《； (2)在保護(hù)裝置安裝處，實(shí)時(shí)計(jì)算所述饋線支路的三相電流，通過(guò)序分量計(jì)算，求 得負(fù)序電流分量/2 (3)按照下式實(shí)時(shí)計(jì)算等效負(fù)序阻抗值
;=， 其中，Z^/為保護(hù)裝置實(shí)時(shí)計(jì)算的等效負(fù)序阻抗； (4)在保護(hù)裝置調(diào)試期間，手動(dòng)使得分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行一段時(shí)間，保護(hù)裝置計(jì)算 分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行下的等效負(fù)序阻抗值Zuc'并自動(dòng)"記憶"該等效負(fù)序阻抗值ZKc';
(5)當(dāng)保護(hù)裝置根據(jù)步驟3所得到等效負(fù)序阻抗值滿足以下動(dòng)作方程時(shí)，孤島保 護(hù)動(dòng)作跳閘，即跳開由分布式電源組成的微網(wǎng)與電力系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)線開關(guān)
Z2SA' >KZ2GC' 其中，Zkc'為"記憶"下的并網(wǎng)狀態(tài)的等效負(fù)序阻抗值；Z^/為保護(hù)裝置實(shí)時(shí)計(jì) 算的等效負(fù)序阻抗；K為可靠系數(shù)，按照2倍整定。 由于本發(fā)明公開的等效負(fù)序阻抗保護(hù)方法只需要保護(hù)安裝處的電流電壓信息就 可以正確判斷出孤島狀態(tài)，因此很容易實(shí)現(xiàn)。
圖1所示孤島區(qū)域示意圖； 圖2為含DG的配網(wǎng)等效阻抗示意具體實(shí)施例方式
下面根據(jù)說(shuō)明書附圖并結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)一步詳細(xì)表述。
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分布式電源DG與系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由于DG和本地負(fù)荷的匹配程度不同，并網(wǎng)線的 潮流方向不是單一的。這部分配電網(wǎng)可能會(huì)從系統(tǒng)中吸收有功(無(wú)功)，也可能向系統(tǒng)送入 有功(無(wú)功)。所以與系統(tǒng)分開以后，孤島內(nèi)部就出現(xiàn)了功率不平衡。以圖1中區(qū)域Zonel 為例，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，斷路器CB2跳開，Zonel與主系統(tǒng)斷開，形成孤島。Zonel內(nèi)出現(xiàn) 了功率不平衡，引起了一個(gè)暫態(tài)響應(yīng)過(guò)程。如果分布式電源DG1的調(diào)節(jié)裕量和調(diào)節(jié)速度足 夠，就可以在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)。內(nèi)部功率達(dá)到平衡，頻率、電壓也在允許范圍 內(nèi)，孤島可以持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行。而如果DG1的調(diào)節(jié)能力不足，孤島只能持續(xù)較短的 時(shí)間，并逐漸崩潰。如果預(yù)先規(guī)劃好解列點(diǎn)，構(gòu)造一個(gè)功率基本平衡的區(qū)域，則孤島可以持 續(xù)運(yùn)行。 按是否經(jīng)過(guò)預(yù)先規(guī)劃，可將孤島運(yùn)行分為計(jì)劃孤島運(yùn)行和非計(jì)劃孤島運(yùn)行。由于 故障跳閘等原因造成的范圍不確定的、偶然形成的孤島運(yùn)行，稱為非計(jì)劃孤島運(yùn)行；根據(jù)分 布式電源容量和本地負(fù)荷的大小，確定合理的孤島區(qū)域，與主系統(tǒng)斷開后，仍保證小系統(tǒng)的 穩(wěn)定運(yùn)行，稱為計(jì)劃孤島運(yùn)行。 對(duì)于接入380V的配電系統(tǒng)的DG， 一般有兩個(gè)特點(diǎn)存在 l)DG的容量和電網(wǎng)的容量相比較??；常規(guī)的DG容量在幾百kW到麗級(jí)，與10kV系 統(tǒng)相比，非常??； 2)380V配電負(fù)荷的三相不對(duì)稱程度比較高；配電380V出線的負(fù)荷往往是單相負(fù) 荷，總體來(lái)說(shuō)各相阻抗并不對(duì)稱； 基于以上假設(shè)，假設(shè)如附圖2的系統(tǒng)，存在多條電源支路和負(fù)荷支路，在其中某一 處負(fù)荷點(diǎn)(例如回路Z1)，觀測(cè)到的等效負(fù)序阻抗表達(dá)式為Z2'= ZV/Zs2〃Zm2〃Zn2，其中，Zm2、Zn2為負(fù)荷支路的負(fù)序阻抗；Zsl 、 Zs2為電源回路
1、2的負(fù)序阻抗；Edg為分布式電源的電動(dòng)勢(shì)；ES為電力系統(tǒng)的等效電動(dòng)勢(shì)； 考慮到"分布式電源的容量一般遠(yuǎn)小于系統(tǒng)容量"，則DG支路的負(fù)序阻抗(其實(shí)就 是正序阻抗) 一般遠(yuǎn)大于系統(tǒng)回路的負(fù)序阻抗。微網(wǎng)系統(tǒng)與電網(wǎng)聯(lián)結(jié)或者斷開時(shí)，從某個(gè) 負(fù)荷支路感受到的等效負(fù)序阻抗會(huì)有顯著區(qū)別，如 1)當(dāng)微網(wǎng)與電力系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，則Z2V = Zsl〃Zs2〃Zm2〃Zn2 ;其中，Z2.c'為裝 置在并網(wǎng)狀態(tài)下計(jì)算出的等效負(fù)序阻抗； 2)當(dāng)微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，則Z^' = Zsl〃Zm2〃Zn2 ;其中，Z2.s'為裝置在孤島狀態(tài)下 計(jì)算出的等效負(fù)序阻抗； 3)如果￡紐<<￡3，則231 >>232，孤島運(yùn)行時(shí)，有45' >>Z2.e'，由此構(gòu)成繼電 保護(hù)裝置的判據(jù)； 4)仿真表明，孤島和并網(wǎng)狀態(tài)間的阻抗至少差十幾倍，因此不需要整定并網(wǎng)狀態(tài) 時(shí)的具體阻抗，僅依靠裝置自動(dòng)測(cè)量并"記憶"為定值即可。 5)本方法不受分布式電源并網(wǎng)逆變器的影響，僅根據(jù)電網(wǎng)的電壓和電流，就可以 實(shí)現(xiàn)孤島判斷； 6)無(wú)論系統(tǒng)中分布式電源的數(shù)量有多少，只要多個(gè)分布式電源組成的微網(wǎng)與電力
系統(tǒng)存在明顯的聯(lián)絡(luò)線或者斷開點(diǎn)，則本方法就可以準(zhǔn)確判斷出孤島的存在； 7)無(wú)論電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何變化，對(duì)應(yīng)的等效負(fù)序阻抗均會(huì)相應(yīng)變化，因此，
無(wú)需知道上一級(jí)供電回路的開關(guān)狀態(tài)，也不用知道電網(wǎng)的拓?fù)洹?br>
從以上分析可以得出本發(fā)明的技術(shù)方案具體包括如下步驟 (1)在保護(hù)裝置安裝處(將保護(hù)裝置安裝在分布式電源組成的微網(wǎng)上的任意一條
饋線支路上)，實(shí)時(shí)計(jì)算母線的三相電壓，通過(guò)序分量計(jì)算，求得負(fù)序電壓分量《； (2)在保護(hù)裝置安裝處，實(shí)時(shí)計(jì)算饋線支路的三相電流，通過(guò)序分量計(jì)算，求得負(fù)
序電流分量/2 (3)按照下式計(jì)算測(cè)量的等效負(fù)序阻抗值
Z2.s = t 其中，Z^'為保護(hù)裝置計(jì)算的等效負(fù)序阻抗值； (4)在保護(hù)調(diào)試期間，手動(dòng)使得DG并網(wǎng)運(yùn)行一段時(shí)間，保護(hù)裝置計(jì)算并自動(dòng)"記 憶"DG并網(wǎng)狀態(tài)下的等效負(fù)序阻抗值Zu'， (5)當(dāng)保護(hù)裝置根據(jù)步驟(3)所得到的等效負(fù)序阻抗值滿足以下動(dòng)作方程時(shí)，孤
島保護(hù)動(dòng)作跳閘，即跳開由分布式電源組成的微網(wǎng)與電力系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)線開關(guān)
Z2S' >KZ2G' 其中，4v為"記憶"下的并網(wǎng)狀態(tài)的等效負(fù)序阻抗值；Z^'為保護(hù)裝置實(shí)時(shí)計(jì) 算的等效負(fù)序阻抗；K為可靠系數(shù)，按照2倍整定。
權(quán)利要求
一種基于等效負(fù)序阻抗的分布式電源的孤島保護(hù)方法，該方法用于檢測(cè)分布式電源是否與主電網(wǎng)存在電氣聯(lián)系，在所述孤島保護(hù)方法中，將保護(hù)裝置安裝在分布式電源組成的微網(wǎng)上的任意一條饋線上；其特征為，所述方法包括如下步驟(1)在保護(hù)裝置安裝處，實(shí)時(shí)計(jì)算該饋線所連接所述微網(wǎng)上的母線三相電壓，通過(guò)序分量計(jì)算，求得負(fù)序電壓分量(2)在保護(hù)裝置安裝處，實(shí)時(shí)計(jì)算所述饋線支路的三相電流，通過(guò)序分量計(jì)算，求得負(fù)序電流分量(3)保護(hù)裝置按照下式實(shí)時(shí)計(jì)算等效負(fù)序阻抗值 <mrow><msubsup> <mi>Z</mi> <mrow><mn>2</mn><mo>.</mo><mi>SA</mi> </mrow> <mo>′</mo></msubsup><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>U</mi><mn>2</mn> </msub> <msub><mi>I</mi><mn>2</mn> </msub></mfrac> </mrow>其中，Z2.SA′為保護(hù)裝置實(shí)時(shí)計(jì)算的等效負(fù)序阻抗；(4)在保護(hù)調(diào)試期間，手動(dòng)使得分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行一段時(shí)間，保護(hù)裝置計(jì)算分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行下的等效負(fù)序阻抗值Z2.GC′并自動(dòng)“記憶”該等效負(fù)序阻抗值Z2.GC′；(5)當(dāng)保護(hù)裝置根據(jù)步驟(3)所得到的等效負(fù)序阻抗值滿足以下動(dòng)作方程時(shí)，孤島保護(hù)動(dòng)作跳閘，即跳開由分布式電源組成的微網(wǎng)與電力系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)線開關(guān)Z2.SA′＞KZ2.GC′其中，Z2.GC′為“記憶”的并網(wǎng)狀態(tài)下的等效負(fù)序阻抗值；Z2.SA′為保護(hù)裝置實(shí)時(shí)計(jì)算的等效負(fù)序阻抗；K為可靠系數(shù)。F2009102419894C00011.tif,F2009102419894C00012.tif
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于等效負(fù)序阻抗的分布式電源孤島保護(hù)方法，其特征在 于所述可靠系數(shù)K優(yōu)選為按2倍整定。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于等效負(fù)序阻抗的分布式電源孤島保護(hù)方法，其特征 在于所述方法不受負(fù)荷的影響，與分布式電源的并網(wǎng)逆變器特性無(wú)關(guān)，與孤島狀態(tài)下島內(nèi) 存在的分布式電源個(gè)數(shù)無(wú)關(guān)，與電網(wǎng)的拓?fù)錉顟B(tài)無(wú)關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明公開基于等效負(fù)序阻抗的分布式電源(Distributed Generator)孤島保護(hù)方法，該方法利用了DG并網(wǎng)狀態(tài)與孤網(wǎng)狀態(tài)下，系統(tǒng)等效負(fù)序阻抗將出現(xiàn)極大變化的特點(diǎn)，僅利用保護(hù)安裝處的電流電壓信息，就可以判斷出系統(tǒng)當(dāng)前是否與大電網(wǎng)相連。本發(fā)明公開的保護(hù)方法理論上不受負(fù)荷的影響，與DG的并網(wǎng)逆變器特性無(wú)關(guān)，與孤島狀態(tài)下島內(nèi)存在的DG個(gè)數(shù)無(wú)關(guān)，與電網(wǎng)的拓?fù)錉顟B(tài)無(wú)關(guān)，且易于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)整定，不需要配合關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該發(fā)明具有很好的靈敏性、選擇性、快速性。
文檔編號(hào)H02H7/26GK101714756SQ200910241989
公開日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日
發(fā)明者劉志超, 吳小辰, 徐振宇, 承文新, 王成山, 胡玉峰, 郭力 申請(qǐng)人:北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司;中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)技術(shù)研究中心;天津大學(xué)