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微电网内部故障数据采集及吗模拟显示系统

作者:高校教育
出处:www.lunrr.com
时间:2020-03-15

第一章引言

1.1微电网的研究背景相关概念

随着经济的发展,人们对电力的需求越来越大。然而,传统的电力设备投资主要集中在消防、水力、核电和长距离超高压输电线路等大型集中电源的建设上。因此,形成了大机组、大电网、高电压的集中式单电源系统。目前,世界上90%的电力负荷是由这个单一的大型电网提供的。 但是,我在集中管理方面也有一些缺点:成本高、操作困难,这使得我很难满足用户越来越高的安全性和可靠性要求。 特别是在过去的十年里,世界上发生了几次大规模停电后,大电网的脆弱性已经充分暴露出来。 另一方面,随着当今社会对能源需求的不断增加,可利用的石化能源越来越少,如煤、石油和核能,这将在发电过程中对环境造成严重污染。 随着生态环境保护和能源可持续发展越来越受到重视,发展可再生能源已成为保护环境、避免能源危机的一个新的研究课题。

因此,人们开始寻找另一种发展电力系统的方法。 2003年北美大停电后,国际专家得出结论,开发分布式电源比升级电网以提高安全性更简单、更快。 中国2008年初的雪灾教训也表明,在继续发展大型集中发电机组的同时,应注意在负荷中心建设足够的分布式电源,以确保在非常规灾害或战时袭击事件中,居民的最低能源供应和最基本的生活条件,并把这类电源作为确保电网安全的重要设施和手段。 微网是额定功率为几十千瓦的发电机组微网、负载、储能装置和控制装置等的组合。形成一个单一的可控单元,同时向用户提供电能和热能。 基于微电网结构的电网调整可以促进大规模分布式能源(DER)互联和接入中低压配电系统,为充分利用DER发电机组提供了一种机制。

微电网包括风力发电、光伏发电、燃料电池发电、小水电、涡轮发电、柴油发电等分布式电源 其中,太阳能、风能和地热能等可再生能源具有分布性和多样性。使用这些能源的大多数发电技术是各种小容量和分布式发电技术 光伏发电系统为薄膜和晶体硅等各种类型的光伏模块提供系统优化设计方案。 光伏系统由太阳能电池模块、控制器逆变器、测试仪器、计算机监控等电力电子设备、蓄电池或其他储能和辅助发电设备组成 风力发电系统提供各种类型的风力发电系统设计方案 风力发电系统由三相永磁直驱同步风力发电机、并网控制器、卸船机、并网逆变器和配电系统组成。 储能单元不仅可以给负载供电,还可以作为复合吸收电源产生电能。因此,作为微网系统的调节和支撑部分具有重要意义。 储能系统由储能电池组成;电池管理、双向逆变器、计算机监控等电力电子设备

与传统的集中式能源系统相比,微电网靠近负荷,不需要建设大电网进行远距离高压或超高压输电,可以减少线损,节约输配电建设投资和运行成本。分布式电源集发电、供热、制冷等服务功能于一体,可以有效实现能源的梯级利用,实现更高的能源综合利用效率。 微电网可以更加分散地协调分布式电源,从而减轻电网控制负担,充分发挥分布式电源的优势。

可以说微电网具有双重作用。对于电力企业来说,微电网可以看作是一个简单的可调度负载,可以在几秒钟内做出响应,满足输电系统的需求。对于用户来说,微电网可以作为可定制的电源来满足用户的不同需求。 有人预测微电网可以成为未来电力系统的一种结构,可以作为继输电网和配电网之后的三级电网。与目前的大型电网相比,该结构具有显着的经济效益和环境效益。 通过微电网的建立,分布式发电可以应用于电力系统,充分发挥其最大潜力。

虽然微电网和分布式发电主要与配电网相连,但它们对整个电力系统的影响将是巨大而深远的。 对发电和输电系统的影响是对新的集中发电厂和长距离输电线路的需求将会减少。 对配电系统的影响是配电系统将发生根本性的变化,即配电系统将从辐射网络变为电源和用户互联的网络,配电系统的控制和管理将变得更加复杂,配电变电站将成为“有源变电站” 对整个电力行业的影响是微网和分布式发电的普及将对电力市场的趋势和格局产生深远的影响。

1.2微网保护及研究现状

1.2.1微网保护概述

微网保护与传统保护方法[有根本不同]:

(1)由于分布式电源的存在,导致不同方向的潮流。如果只使用传统非定向元件的过流元件,可能会导致保护误操作,如图1所示。

(2)当微电网接入电网并独立运行时,由于馈线上分布有多个分布式发电系统,短路电流变化很大。

将微电网连接到传统电网存在许多问题。 例如,在什么情况下应该隔离微电网?当微电网独立于供电公司的主电网运行时,如何在出现故障时为微电网提供充分的协调保护?当多个“孤岛”微电网同时运行时,如何做出正确的选择以避免不必要的跳闸?如何做出正确的选择来避免未检测到的故障或延迟跳闸?

因此,如何在两种运行条件下对微电网内部故障做出响应,如何在并网条件下快速感知主电网故障,同时保证保护的选择性、快速性、可靠性和灵敏度,是微电网保护技术的重点和难点。 独立运行时,微网分布式电源提供的故障电流仅为正常电流的两倍或更小。传统的电流保护装置已经不能正常响应或者需要几十秒钟才能响应,已经不能满足微网的保护要求,因此需要更先进的故障诊断方法。 目前,针对单相接地故障和线对线故障,一些专家提出了对称电流分量监测的保护策略。 该方法可以将零序电流分量和负序电流分量超过一定阈值作为主保护的启动值,并与传统的过流保护相结合,取得了良好的效果 针对微电网的主动孤岛运行,一些专家提出了利用三相电压源变换器的主动孤岛检测技术。 电压的幅度可以通过向D轴注入信号来调节,但这种方法会导致系统的频率偏移。

发电机和负载类型及容量对保护的深刻影响、各类分布式发电系统(传统小型发电机和基于逆变器的微型电源)、储能元件对保护的影响、微电网在两种不同运行模式和不同拓扑电网结构下对保护的影响都是未来微电网保护策略中值得研究的问题。

三.方向电流保护和功率方向继电器如前所述,分布式电源连接到配电网系统后,保护的选择性和可靠性无法得到满足 对误操作保护的分析表明,误操作是由大电源侧或分布式电源侧提供的短路电流引起的。 此时,误操作保护的实际短路功率方向是从线路到母线。 因此,为了消除双面电源或多面电源中三级电流保护的非选择性作用,有必要在可能发生故障的保护中添加功率方向阻断元件。 该元件应能实现以下功能:当短路电流从母线流向线路时,开路电流保护;当短路电流的方向从线路流向总线时,它不动作,阻断电流保护。 根据上述原理构造的保护是定向电流保护。每个保护的指定动作方向(也称为指定正向)是指短路功率(或短路电流)从总线流向线路的方向,如图6.6所示

方向过流保护单相原理接线图如图6.7所示,主要由方向元件(即功率方向继电器)、电流元件(即电流继电器)和时间元件(即时间继电器)组成 方向元素和当前元素都必须在开始时间元素之前动作,然后在预定的延迟动作之后跳闸。 为了简化布线,对应于同一断路器的三个保护部分可以共享一个方向元件。

故障的方向可以由短路电源的方向决定,而短路电源的方向又取决于保护装置处电流和电压之间的相位关系。 因此,功率方向继电器的基本原理是响应加到继电器上的电流和电压的相位。 研究表明,用于反映相间短路的功率方向继电器应在电压引线电流的夹角为φ (φ是母线与故障点在指定正方向上的线路阻抗角)时动作,而在电压引线电流的夹角为180+φ时不动作 因此,通过确定短路功率的方向或电流和电压之间的相位关系,可以确定故障的方向。 用于判断功率方向或测量电流和电压之间相角的继电器称为功率方向继电器。 由于它主要根据继电器上电流和电压之间的相位来工作,相位比较是实现它的最简单方法。

继电保护中方向继电器的基本要求如下

(1)应有明确的方向,即正向的各种故障(包括具有过渡电阻的故障点),能可靠动作;然而,当故障发生在相反的方向时,它是可靠的并且不工作。

(2)当故障继电器动作具有足够的灵敏度时 当输入电压和电流的幅度恒定时,一般功率方向继电器的输出(转矩或电压)值随着两者之间相位差的大小而变化。输出最大时的相位差称为继电器的最大敏感角。 为了使继电器在最常见的短路情况下动作最灵敏,采用上述接线的功率方向继电器应具有最大灵敏度角φ 为了保证正向故障,当φ在0 ~ 90°范围内变化时,继电器能可靠地工作,继电器工作的角度范围通常取+90°

6.1.3微网隔离运行中的保护策略

微网可以正常工作在隔离运行模式和并网运行模式下,微网保护装置应该能够在两种模式下处理各种类型的故障 当微电网系统包含微电源(如光伏电池、燃料电池等)时,这是对微电网系统保护的挑战。)或使用固态转换器将DC转换成交流电的基于逆变器的微型电源。 当微电网进入隔离电网运行状态时,故障电流仅由微电源提供,由于固态变换器或逆变器的存在,故障电流值相对较小,不足以按照传统的过流整定保护装置动作。

鉴于上述问题,国外学会提出不同的解决方案。 参考文献14使用傅立叶变换和总谐波失真率方法,针对逆变器输出电压的谐波含量,提出适用于微电网特定保护区域内外的保护策略。参考文献8提出了一种具有电力电子接口的微电网快速故障检测方法。其主要原理是通过检测微电网输出电压的扰动来判断是否存在故障,并区分故障类型。 这种方法将在下面详细讨论

首先,标准电压互感器用于检测三相的端电压。继电器将abc三相静止坐标系下的分量转换为dq两相旋转坐标系下的分量。转换公式为

通过观察U信号的干扰来检测故障 将该信号与周期性更新的参考信号u进行比较,以获得干扰电压u,该干扰电压u被滤波以确保该干扰电压不是由测量系统的噪声引起的毛刺 滤波后的U信号被发送到双迟滞比较器,上限和下限决定故障检测的灵敏度。 干扰电量的计算公式为

正常情况下,U为0或者接近为0。在一般系统中,换流器的端电压都会有些变化,这可以由不断更新的U自动适应。在故障状态下,U会有相当大的变化,而且这种变化会随故障类型的不同而产生很大的不同。对于三相故障,U为一个稳定的直流信号;对于两相故障,U由一个直流电压和摆动信号组成;对于单相接地故障,U为一个从0变换到最大值的摆动信号。上述两处的摆动信号的频率都是系统频率的2倍。这些特性可以用来区别不同类型的故障。

通过对微电网系统各种情况下(包括正常情况和各种类型故障情况)的运行仿真,得出各种运行情况下的U的门槛电压值,通过实际系统中U的值与门槛电压值比较,就能检测是否有故障发生以及发生的是何种类型的故障。因此,U信号可以用来检测扰动开始和结束的时间,并表明不同故障的类型,具体保护策略流程图如图6.8所示。

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