分布式光伏智能并网箱的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种分布式光伏智能并网箱，包括用于驱动合分闸的操动机构和能够接收电流检测装置的电流信息、对该电流信息进行处理和逻辑分析并在判断出电流故障后输出控制指令控制所述操动机构分合闸的中央控制单元，所述中央控制单元采用常规采样和密集采样相结合的方式进行采样和分析判断，所述操动机构通过斥力线圈、消磁线圈、分闸弹簧和分闸线圈进行驱动分闸动作，由此从软、硬件两方面实现了快速动作、快速保护出口、快速切除故障的目的，可有力地保证微电网在并网或孤网运行状态下的可靠性以及在并网/孤网模式间的平稳过渡，在满足微电网特殊使用要求的前提下显著降低了设备成本。
【专利说明】分布式光伏智能并网箱
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种分布式光伏智能并网箱，主要用于将光伏电源接入大电网，并实现并离网的智能化，也可用于微电网或其他类似系统同大电网之间的连接。
【背景技术】
[0002]随着国民经济的发展，电力需求迅速增长，电网规模不断扩大，但超大规模电力系统的弊端也日益凸显，成本高、运行难度大，难以适应用户越来越高的安全和可靠性要求以及多样化的供电需求。光伏分布式发电倡导就近发电，就近并网，就近转换，就近使用的原贝U，具有污染少、可靠性高、能源利用效率高、安装地点灵活等优点，是一种新型的、具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式，获得了快速发展。在中国，分布式光伏获得了国家能源局、国网政策的扶持和支持，被定义为需要“大力发展”的产业。
[0003]分布式光伏并网是光伏发电的主流发展模式，但同时，分布式光伏并网也会给公共大电网带来严重影响:
(O改变了公共大电网故障特征，影响大电网继电保护:当大电网接有分布式光伏电源时，会改变大电网原有的潮流方向，改变大电网原有的故障特征，这样会引起大电网继电保护的误动或失效，如果不能消除这种影响，就需要投入大量资金更换现有大电网继电保护装置，增加了并网难度和改造成本。
[0004](2)产生非预期的孤岛效应，当大电网因故障或检修停电时，分布式光伏仍然给停电线路上的负荷供电，危害人身、设备安全，影响配电网的运维安全。
[0005]以上问题导致分布式光伏发电并网的发展障碍，影响分布式光伏发电并网的发展前景。
【发明内容】
[0006]为解决上述问题，本发明提供了一种分布式光伏智能并网箱，采用这种并网箱可以快速检测故障，快速隔离，消除分布式光伏系统接入对公共大电网的影响，并提高并离网的安全性和可靠性。
[0007]本发明所采用的技术方案是:
一种分布式光伏智能并网箱，其采用中央控制单元对用于驱动合分闸的操动机构进行控制，所述中央控制单位通过电流检测装置获得电网电流信号，并对电网电流信号进行分析，当判断电网出现应分闸的故障时，控制所述操动机构进行分闸，所述中央控制单元对电流数据进行处理和逻辑分析的方式为:对交流周期确定若干个常规采样点，所述若干个常规采样点可以按时间等间隔划分，依据确定的常规采样点进行持续的常规采样，每获得一个新的采样数据后，将该采样数据同上一交流周期内的同位置常规采样点的采样数据进行比较，如两者差值超过设定标准，则在该常规采样点至其后相邻常规采样点间(含其后相邻采样点的采样)采用密集采样方式进行密集采样，获得密集采样数据，同时依据前一个交流周期的常规采样数据计算获得前一个交流周期的交流波形(时间函数)，所述密集采样为在相邻两个常规采样点之间再插入一个或多个采样点的采样方式，以密集采样区间(含该区间两端的常规采样点)的各采样数据计算该密集采样区间的交流波形(时间函数)，计算该区间下电流平方对时间的积分值，计算前一个周期对应区间电流平方对时间的积分值，计算两个积分值的差值，并将该差值的绝对值与该区间对应的预设限值进行比较，达到或超过预设限值时，则判断电网出现应分闸的故障，否则判断为未出现需分闸的故障。
[0008]所述每个交流周期的常规采样点数量通常可以为12个、24个或36个，所述密集采样仅在相邻的两个常规采样点的区间内进行，在相邻两个采样点之间插入的密集采样点数量为I个、2个或3个，例如通常情况下插入2个就可以满足控制要求。
[0009]所述操动机构优选为快速永磁操动机构。
[0010]优选地，所述快速永磁操动机构输出轴，所述输出轴的上端连接所述金属斥力板，所述输出轴上固定连接有动铁心，所述金属斥力板的下面设有与其配套的斥力线圈，所述斥力线圈的下方分别设有分闸位置挡板和合闸位置挡板，所述动铁心位于所述分闸位置挡板和合闸位置挡板之间，所述动铁心的外侧分别设有与所述动铁心配套的消磁线圈、永久磁铁和合闸线圈，所述输出轴的上部还设有分闸弹簧，所述分闸弹簧上端与所述金属斥力板压力接触，下端与所述分闸位置挡板压力接触。
[0011]通常，所述中央处理装置单元可以连接有用于检测线路电流的电流检测装置，所述中央控制单元设有用于接收所述电流信息的检测信号输入接口电路，所述电流检测装置的输出端连接至所述检测信号输入接口电路的输入端。
[0012]所述检测信号输入接口电路可以设有用于对所述电流信息进行模数转换的高速、高精度模数转换器。
[0013]所述电流检测装置可以包括A、B、C三相电流互感器，也可以包括A、B、C三相电流互感器和零序电流互感器。
[0014]所述中央控制单元还可以设有能够与外界能量管理用主机之间双向通信的数字通信电路，所述数字通信电路用于上传所述快速开关的各种状态信息和接收来自所述主机的各种调度指令。
[0015]所述中央控制单元还可以设有能够接收遥控信号的遥控信号输入接口电路。
[0016]本发明提供的并网箱可以设有用于从线路上取电并将其转换成所述遥控信号输入接口电路和斥力线圈供电线路用电的电压或电流变换单元，例如电流互感器。
[0017]本发明的有益效果是:
由于采用了一种新的故障电流快速计算方法，将故障电流信号程序判断处理时间缩短到2.5ms以内，并通过与特定操动机构的配合，从而使整组断开动作时间缩短到6ms以内，显著提高了快速开关的速断动作的快速性，有力地保证了微电网在并网/孤网模式间的平稳过渡；
由于采用斥力线圈和金属斥力板组成的斥力机构，并可以通过预充电电容放电的方式为斥力线圈提供大电流，由此提高了分闸动作的快速性；
由于设置了与动铁心配套的消磁线圈、永久磁铁和合闸线圈，通过永久磁铁与动铁心的相互作用，可以将动铁心保持在分闸或合闸位置上，通过消磁线圈可以在分闸或合闸动作使抵消永久磁铁对动铁心的固定作用，通过分闸弹簧进一步增强了分闸时的驱动力，由此提高了所述驱动机构的可靠性，提高了分闸动作的速度。[0018]由于设置有能够与外界能量管理用主机之间双向通信的数字通信电路和相应的数字化通信接口，可实现所述分布式光伏智能并网箱的各种状态信息的上传和来自所述主机的各种调度指令的接收，有利于实现系统的能量优化管理，与智能电网的核心设计理念相一致，对新能源推广、节能降耗具有重要意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明的电气原理框图；
图2为本发明的斥力机构的原理图；
图3为本发明的工作过程示意图；
图4为本发明涉及的操动机构的结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]参见图1-4，本发明提供了一种分布式光伏智能并网箱，属于一种微电网PCC智能成套设备，可应用于微电网和主电网连接处，成为微电网和公共大电网联结的关键设备，是将微电网保护测控和快速断路器相结合的智能化成套设备，能在故障后快速切除故障，切换至孤网运行状态。
[0021]如图1所示，所述分布式光伏智能并网箱包括用于驱动合分闸的操动机构(优选为快速永磁操动机构)和能够接收电流检测装置的电流信息、对该电流信息进行处理和逻辑分析并在判断出电流故障后输出控制指令控制所述操动机构分合闸动作的中央控制单
J Li ο
[0022]所述中央控制单元对电流数据进行处理和逻辑分析的方式为:对交流周期确定若干个常规采样点，所述若干个常规采样点可以按时间等间隔划分，依据确定的常规采样点进行持续的常规采样，每获得一个新的采样数据后，将该采样数据同上一交流周期内的同位置常规采样点的采样数据进行比较，如两者差值超过设定标准，则在该常规采样点至其后相邻常规采样点间(含其后相邻采样点的采样)采用密集采样方式进行密集采样，获得密集采样数据，同时依据前一个交流周期的常规采样数据计算获得前一个交流周期的交流波形(电流的时间函数)，所述密集采样为在相邻两个常规采样点之间再插入一个或多个采样点的采样方式，以密集采样区间(含该区间两端的常规采样点)的各采样数据计算该密集采样区间的交流波形(电流的时间函数)，计算该区间下电流平方对时间的积分值，计算前一个周期对应区间电流平方对时间的积分值，计算两个积分值的差值，并将该差值的绝对值与该区间对应的预设限值进行比较，达到或超过预设限值时，则判断电网出现应分闸的故障，否则判断为未出现需分闸的故障。
[0023]为简化计算，也可以采用求和的方式替代上述积分计算，S卩:对于密集采样区间，以该密封采样区间各采样数据(计算后端的常规采样点但不计算前端的常规采样点)的平方乘以相应采样点与前面采样点之间的时间差并对各乘积求和，获得对各乘积的求和值，对前一个交流周期与该密集采样区间的对应区间，根据计算出来的交流波形，获得与密集采样区间各密集采样点对应位置的各电流数据(包括该区间后端端点的电流数据，不包括前端端点的电流数据)，以各电流数据的平方乘以与该数据点与前一个数据点之间的时间差，获得对各乘积的求和值，计算两个求和值的差值，并将该差值的绝对值与该区间对应的预设限值进行比较，达到或超过预设限值时，则判断电网出现应分闸的故障，否则判断为未出现需分闸的故障。
[0024]所述电流波形可以依据任意适宜的现有计算方式或其他适宜计算方式计算。为更精确地地适应于相应电网的特性，也可以在借鉴现有技术的基础上，通过一定的实验数据建立和验证相应的数学模型。对于电流波形的计算，可以在每获得一个采样数据之后计算，也可以在将新获得采样数据同上一交流周期内的同位置采样数据进行比较发现两者差值超过设定标准后再计算位于该采样点之前的电流波形一个周期或者一个小的时间段)，以减小常规情况下的计算量，
通常，每个交流周期的常规采样点数量可以为24个或36个，所述密集采样仅在相邻的两个常规采样点的区间内进行，在相邻两个采样点之间插入的密集采样点数量为I个、2个或3个，若干个常规采样点，由此，可以明显地减少作出分析判断的时间，并能够保证可靠性和合理性。
[0025]由于电流平方对时间的积分或乘积与电网传输的能量相关，在坐标图上对应于该段电流波形下的面积，因此采用这种参数作为判断标准可以更好地满足电网系统的保护要求，而采用两个积分值或求和值的差值的作为判断标准，可以将偶然因素导致的上下波动抵消掉，特别是在这种极短的密集采样区间内，采用这种上下波动抵消的技术手段对于避免误分闸具有重要意义。另外，考虑到交流电的波形特点，确定好常规采样点后(在一个周期内的采样点位置)，对于各相邻采样点之间的区间均应分别预先设置用于故障判断的限值，各限值可以采用现有技术根据电网特性和保护要求确定，也可以通过实验/模拟实验确定或验证。可以根据供电网控制的要求，选择各密集采样数据与由前一个周期/前一时间段的电流波形推算的在相应位置下的电流数据之间的差值和或差值绝对值和作为判断标准，或者同时采用差值和和差值绝对值和两个参数进行综合判断。当采用差值和时，在供电波形上、下两个方向的波动将相互抵消，而采用差值绝对值和时，则不能使上、下两方向的变化相互抵消，由此适应于更严格的要求。由于采样点之间的时间间隔相等，所述差值和或差值绝对值和实际上相当于该区间内两个波形之间的总面积差或各部分面积差(绝对值)之和。
[0026]上述算法主要用于短路电流的快速速断保护，其他保护计算故障电流时可以采用常规傅里叶计算方法或其变种。
[0027]可根据对精确度和时间的要求调整所要计算的采样数据的个数(一个周期内的采样点个数)，个数越多，采样点就越多，精确度相对更高。
[0028]如图2所示,所述快速永磁操动机构可以包括固定的斥力线圈I和受所述斥力线圈磁场作用的金属斥力板2，所述金属斥力板可以采用斥力铜盘，所述金属斥力板固定连接至用于驱动灭弧装置动作的操动机构输出轴。所述斥力线圈的供电回路上串联有向所述斥力线圈放电的预充电电容C 4以及控制该回路电流通、断的开关控制器K 3。当开关控制器3使该环路闭合时，预充电电容4向斥力线圈I放电，并产生较大的脉冲电流，此时斥力铜盘2因感应涡流而受到电磁推力F的作用向上运动，从而推动所述操动机构的操动机构输出轴向上运动。所述预充电电容4还连接在一个充电电路上，在下一次放电前所述充电电路可以向所述预充电电容充电。
[0029]所述斥力线圈和金属斥力板组成斥力机构，所述斥力机构是利用涡流斥力原理制作的开关操动机构，在短时间内即可以驱动负载快速动作，因此可实现快速分闸。经过样机试验，取得了比较满意的效果，具有动作快速，反应时间短的特点，反应时间在l-3ms左右，远低于同类功能的永磁操动机构。
[0030]所述斥力机构相比目前配电网断路开关的弹操机构或永磁机构，显著缩短了分闸时间，能较好地满足微电网快速分闸的需要。
[0031]所述快速永磁操动机构采用永磁机构实现驱动合闸以及分、合闸保持，在快速分闸的同时减小过冲和反弹，从而保证快速开关的可靠合闸。通常情况下，合闸状态为所述分布式光伏智能并网箱的常态。
[0032]如图4所示，所述快速永磁操动机构的输出轴6的上端连接所述金属斥力板2，下端用于连接/驱动开关或灭弧装置，所述输出轴中部固定连接有动铁心，所述金属斥力板的下面设有与其配套的斥力线圈1，所述斥力线圈的下方分别设有分闸位置挡板11和合闸位置挡板7，所述动铁心位于所述分闸位置挡板和合闸位置挡板之间，所述动铁心的外侧分别设有与所述动铁心配套的消磁线圈10、永久磁铁9和合闸线圈8，所述输出轴的上部还设有分闸弹簧5，所述分闸弹簧上端与所述金属斥力板压力接触，下端与所述分闸位置挡板压力接触，所述动铁心以及消磁线圈、永久磁铁和合闸线圈外可以设置有同时其磁轭作用的框架或壳体，以便形成完整的磁路并起到遮蔽和保护作用。
[0033]如图1、3所示，所述分布式光伏智能并网箱还可以包括用于检测线路电流的电流检测装置，如电流传感器、电流互感器等，所述中央控制单元设有用于接收所述电流信息的检测信号输入接口电路，所述电流检测装置的输出端连接至所述检测信号输入接口电路的输入端。对于输出为模拟量的所述电流检测装置，所述检测信号输入接口电路中应设置模数转换器以将所述电流信息转换成中央控制单元可以运算和处理的数字信息，所述模数转换器优选采用高速、高精度模数转换器，相应地，所述中央控制单元优选采用高速数字芯片为核心的高速信号处理电路对所述电流信息进行处理、逻辑分析和判断，以进一步缩短保护出口时间。
[0034]所述电流检测装置可以包括A、B、C三相电流互感器，或者也可以包括A、B、C三相电流互感器和零序电流互感器。所述电流检测装置通常用于检测所述快速开关所在的线路上的电流，对于本发明的分布式光伏智能并网箱，当其安装在微电网与大电网的连接处时，所述电流检测装置可以根据实际需要设置在大电网的相应线路上，所述电流检测装置实时地将所检测的电流信息传递给检测信号输入接口电路，经所述检测信号输入接口电路进行模数转换，然后根据前述的所述处理和逻辑分析步骤进行计算和故障电流的判断，当判断所述检测电流为故障电流，则经驱动电路送出相应的分闸控制指令，从而控制所述斥力机构动作分闸。
[0035]上述任一一种所述分布式光伏智能并网箱的技术方案中，所述中央控制单元还优选设有能够与外界能量管理用主机之间双向通信的数字通信电路，相应地，所述数字通信电路设有数字化通信接口。所述数字通信电路可用于上传所述分布式光伏智能并网箱的各种状态信息和接收来自所述主机的各种调度指令，从而实现整个系统的能量优化管理，特别符合智能电网的核心设计理念，对新能源推广、节能降耗、降低碳排放量具有重要意义。
[0036]所述中央控制单元还可以设有能够接收遥控信号的遥控信号输入接口电路。所述遥控信号输入接口电路可以接收远程的遥控信号，包括可控制操动机构动作的指令信号和保护定值等参数的新设定值等，以此实现对本地分布式光伏智能并网箱的远程控制和定值调整。所述中央控制单元的核心是信号处理电路，可用于前述的所述处理和逻辑分析，所述遥控信号输入接口电路将遥控信号经过必要的处理后送入所述信号处理电路，参与故障电流的计算以及控制指令的生成。
[0037]所述分布式光伏智能并网箱还可以设有用于从线路上取电并将其转换成所述遥控信号输入接口电路和斥力线圈供电线路等线路用电的电压或电流变换单元，解决了所述分布式光伏智能并网箱内部用电要求各不相同的电路的供电问题。使用时无需另外寻址配套设备，也简化了设备的安装。
[0038]本发明通过采用全新的快速保护算法进行故障电流的计算，并采用快速永磁操动机构实现快速分闸和可靠合闸，从软、硬件两方面实现了快速动作、快速保护出口、快速切除故障的目的，既可连接在微电网与大电网之间，实现两网间的无缝切换，又可以设置在微电网内部线路上，实现微电网孤网运行时的故障切除，可见，本发明可保证微电网在并网或孤网运行状态下的可靠性。
[0039]根据 申请人:的样机实验，本发明可达到如下技术指标:
(O开关本体分闸动作时间〈2.5ms ；
(2)速断保护动作时间<6ms；
(3)具有微电网保护功能(孤网保护)以及常规保护功能(并网保护)。
[0040]此外，本发明还具有成本低，体积小，能耗少，控制容量大，可靠性高，适合频繁操作等优点，特别适用于交流50HZ、电压400V及以下的三相四线制电网中，可满足国内市场和一些特殊地区严酷环境的需要。
【权利要求】
1.一种分布式光伏智能并网箱，其采用中央控制单元对用于驱动合分闸的操动机构进行控制，所述中央控制单位通过电流检测装置获得电网电流信号，并对电网电流信号进行分析，当判断电网出现应分闸的故障时，控制所述操动机构进行分闸，其特征在于所述中央控制单元对电流信息进行处理和逻辑分析的方式为:所述中央控制单元对电流数据进行处理和逻辑分析的方式为:对交流周期确定若干个常规采样点，所述若干个常规采样点可以按时间等间隔划分，依据确定的常规采样点进行持续的常规采样，每获得一个新的采样数据后，将该采样数据同上一交流周期内的同位置常规采样点的采样数据进行比较，如两者差值超过设定标准，则在该常规采样点至其后相邻常规采样点间(含其后相邻采样点的采样)采用密集采样方式进行密集采样，获得密集采样数据，同时依据前一个交流周期的常规采样数据计算获得前一个交流周期的交流波形(时间函数)，所述密集采样为在相邻两个常规采样点之间再插入一个或多个采样点的采样方式，以密集采样区间(含该区间两端的常规采样点)的各采样数据计算该密集采样区间的交流波形(时间函数)，计算该区间下电流平方对时间的积分值，计算前一个周期对应区间电流平方对时间的积分值，计算两个积分值的差值，并将该差值的绝对值与该区间对应的预设限值进行比较，达到或超过预设限值时，则判断电网出现应分闸的故障，否则判断为未出现需分闸的故障。
2.如权利要求1所述的分布式光伏智能并网箱，其特征在于所述每个交流周期的常规采样点数量为24个或36个，所述密集采样仅在相邻的两个常规采样点的区间内进行，在相邻两个采样点之间插入的密集采样点数量为I个、2个或3个。
3.如权利要求1或2所述的分布式光伏智能并网箱，其特征在于所述操动机构为快速永磁操动机构。
4.如权利要求3所述的分布式光伏智能并网箱，其特征在于所述快速永磁操动机构包括输出轴，所述输出轴的上端连接所述金属斥力板，所述输出轴上固定连接有动铁心，所述金属斥力板的下面设有与其配套的斥力线圈，所述斥力线圈的下方分别设有分闸位置挡板和合闸位置挡板，所述动铁心位于所述分闸位置挡板和合闸位置挡板之间，所述动铁心的外侧分别设有与所述动铁心配套的消磁线圈、永久磁铁和合闸线圈，所述输出轴的上部还设有分闸弹簧，所述分闸弹簧上端与所述金属斥力板压力接触，下端与所述分闸位置挡板压力接触。
5. 如权利要求4所述的分布式光伏智能并网箱，其特征在于所述中央处理装置单元连接有用于检测线路电流的电流检测装置，所述中央控制单元设有用于接收所述电流信息的检测信号输入接口电路，所述电流检测装置的输出端连接至所述检测信号输入接口电路的输入端。
6.如权利要求5所述的分布式光伏智能并网箱，其特征在于所述检测信号输入接口电路设有用于对所述电流信息进行模数转换的高速、高精度模数转换器。
7.如权利要求6所述的分布式光伏智能并网箱，其特征在于所述电流检测装置包括A、B、C三相电流互感器，或者包括A、B、C三相电流互感器和零序电流互感器。
8.如权利要求1-7中任一权利要求所述的分布式光伏智能并网箱，其特征在于所述中央控制单元还设有能够与外界能量管理用主机之间双向通信的数字通信电路，所述数字通信电路用于上传所述快速开关的各种状态信息和接收来自所述主机的各种调度指令。
9.如权利要求8所述的分布式光伏智能并网箱，其特征在于所述中央控制单元还设有能够接收遥控信号的遥控信号输入接口电路。
10.如权利要求9所述的分布式光伏智能并网箱，其特征在于还设有用于从线路上取电并将其转换成所述遥控信号输入接口电路和斥力线圈供电线路用电的电压或电流变换单元。`
【文档编号】G01R31/08GK103532166SQ201310423544
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月17日 优先权日:2013年9月17日
【发明者】袁增贵, 张云珠, 安林杰, 孔启翔 申请人:北京北变微电网技术有限公司