一种采用换流器内部PWM信号的微电网电源保护方法及装置

本发明涉及一种采用换流器内部pwm信号的微电网电源快速保护方法，属于微电网继电保护领域。

背景技术：

1、分布式能源发电作为大电网的一种重要组成部分得到了越来越广泛的运用。分布式发电具有诸多传统发电形式不具备的优势，如清洁、规模灵活可控，但同样也表现出了接入成本高、控制困难等缺点。分布式电源对于大电网而言是一个不可控源，输出往往具有随机性，为了协调两者之间的矛盾，微电网技术应运而生。

2、微电网保护与传统低压配电网单电源辐射状继电保护有很大不同，主要表现在：微电网潮流具有双向流通的特征，采用大量分布式电源，种类较多，控制策略更加复杂；微电网在并网模式和孤岛模式下短路电流有很大不同，因此微电网中继电保护针对内部故障可靠动作是目前的难点。

3、传统配单向潮流流通的配电网，其保护是基于过电流保护，由于微电网电压等级一般都较低，范围较小，线路较短，当系统中故障发生时电流受到相关电力电子器件的限制，变化量不够明显，导致保护装置动作不够灵敏，给保护整定带来困难，因此在大电网中广泛应用的电流保护难以继续适用于微电网。

4、同时，微电网的电源一般采用逆变器并网，当微电网发生短路故障时，为了满足电力电子开关器件的安全性需求，逆变器的控制器会采用限流策略，通过减小pwm的脉宽降低故障电流的输出，从而达到开关管电流不越限的目标。然而，不管微电网是在并网模式还是离网模式，缺少对标或类似传统电网的发电机保护，因此难以判断究竟是微网网络故障还是逆变器电源内部故障。

5、为兼顾微电网继电保护故障特征需要，内部分布式电源稳定安全工作和微电网运行状态的独特性，快速判断故障发生位置，需要设计一种针对微电网电源的快速保护方法，确保在微电网中故障发生时能够及时切除故障，保证新能源电源不会损坏。

技术实现思路

1、本发明提供了一种采用换流器内部pwm信号的微电网电源保护方法及装置，通过积分获得换流器输出电压有效值，电压变化相对明显，确保在微电网中故障发生时能够及时发现故障，保证新能源电源不会损坏。

2、第一方面，本发明提供一种采用换流器内部pwm信号的微电网电源快速保护方法，基于一种微电网系统，所述微电网系统包括新能源电源、负荷和换流器；

3、所述方法包括以下步骤：

4、获取换流器输出的电流；

5、判断电流是否达到限幅的电流最大值时，若是则基于换流器内部pwm信号进行pwm信号采样，得到换流器输出电压有效值；

6、若换流器输出电压有效值小于启动电压，则以换流器输出电压有效值为判据判断故障发生位置，启动低电压保护。

7、进一步的，所述限幅的电流最大值为1.2-1.5倍的换流器输出额定电流。

8、进一步的，基于换流器内部pwm信号进行pwm信号采样，得到换流器输出电压有效值，包括：

9、获取换流器内部pwm信号；

10、给出pwm信号波形一般函数f(wt)，表达式为：

11、

12、其中：h为所有信号为1的时间点的集合，z为所有信号为0的时间点的集合，l为所有信号为-1的时间点的集合，对波形函数进行半波积分计算可以得到换流器输出电压有效值e：

13、

14、其中：udc为正常运行方式下换流器输出电压。θ表示积分起始的任意时刻；f(wt)为换流器内部的pwm波形。

15、进一步的，所述启动电压uδ设置为0.8倍的换流器输出额定电压；

16、当换流器输出电压有效值e低于启动电压uδ时，判断为系统发生短路故障，以换流器输出电压有效值为判据判断故障发生位置，启动低电压保护，否则保护不动作。

17、进一步的，以换流器输出电压有效值为判据判断故障发生位置，启动低电压保护，包括：

18、当换流器输出电压有效值e低于判断电压时，判断为换流器内部故障，直接对新能源电源进行切除，保护电源；

19、当换流器输出电压有效值e高于判断电压时，判断为换流器外部故障，进行等效分段式低电压保护，实现不同线路有选择性切除故障。

20、进一步的，所述判断电压为0.2-0.3倍的换流器输出额定电压。

21、进一步的，进行等效分段式低电压保护，实现不同线路有选择性切除故障，包括：

22、将换流器输出电压有效值e与换流器内部低电压保护整定值进行比较，判断故障发生地点，各段保护有选择性地延时切除故障。

23、进一步的，所述微电网中设置有母线c、母线d、母线e、母线f，从而将线路分割为线路cd、线路de、线路ef；保护i段为保护母线cd之间的线路，保护ii段为保护母线ce之间线路，保护iii段为保护母线cf之间的线路；

24、将换流器输出电压有效值e与换流器内部低电压保护整定值进行比较，判断故障发生地点，各段保护有选择性地延时切除故障，包括：

25、当换流器输出电压有效值e小于本条线路保护i段整定值时，判断短路故障发生在本条线路上，保护i段立刻动作切除故障，其余情况保护不动作。

26、当换流器输出电压有效值e小于本条线路保护ii段整定值，则进行短暂延时，如果在延时结束前换流器输出电压有效值升高至不低于保护ii段整定值，说明故障发生在线路de或者ef上且已经由其他保护切除故障，保护ii段不动作；如果短暂延时后换流器输出电压有效值仍低于整定值，说明线路de或ef上的保护拒动，此时由保护ii段作为下条线路的远后备保护进行动作切除故障。

27、当母线c处的电压小于本条线路保护iii段整定值时，则进行短暂延时，如果在延时结束前换流器输出电压有效值升高至不低于保护iii段整定值，保护iii段不动作；如果短暂延时后换流器输出电压有效值仍低于保护iii段整定值，保护iii段作为远后备保护进行动作切除故障。

28、进一步的，所述短暂延时的动作时限为0.5s。

29、进一步的，所述短暂延时的动作时限与下一条线路的保护i段和ii段进行配合，实现保护的选择性动作。

30、进一步的，所述保护i段整定值为：

31、

32、式中，is表示在正常工作状态下换流器输出的正常电流；zcd为母线c、d之间输电线路的线路阻抗；为保护1的低电压保护i段的可靠性配合系数；

33、所述保护ii段整定值为：

34、

35、式中，为保护1的低电压保护ii段的可靠性系数，为线路de上保护2的低电压保护i段的动作整定值；

36、所述保护iii段整定值为：

37、

38、式中，为保护1的低电压保护ii段的可靠性系数，il.max为系统过负荷情况下可能出现的负荷电流；zde为线路de的线路全长阻抗；zef为线路ef的线路全长阻抗。

39、进一步的，取0.8-0.9；

40、取0.85；

41、取0.85。

42、第二方面，本发明提供一种采用换流器内部pwm信号的微电网电源快速保护装置，包括：

43、电流模块：用于获取换流器输出的电流；

44、pwm积分器：用于判断电流是否达到限幅的电流最大值时，若是则基于换流器内部pwm信号进行pwm信号采样，得到换流器输出电压有效值；

45、保护模块：用于若换流器输出电压有效值小于启动电压，则启动低电压保护。

46、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

47、1、本文提出的一种采用换流器内部pwm信号的微电网电源快速保护方法，当检测到换流器输出电流限幅后，启动pwm信号采样，防止保护误动，通过对逆变器内部pwm信号进行半波积分，获得逆变器输出电压的有效值，该方法可以在半周期的时间内快速检测积分获得逆变器电压，根据此输出电压配备合适的保护措施，电压变化相对明显，可以大大缩短保护动作的时间。

48、2、本发明提出的一种基于逆变器pwm信号的快速微电网保护方法，针对微电网故障设置判断电压，可以判断故障发生在换流器内部还是换流器外部，并对换流器外部故障配备一种三段式等效低电压保护方法。微电网故障时，由于微电网内部各电气设备间电气距离较短，故障电流量变化不够明显，电压量变化较大，因此采用输出电压作为保护启动判据，可以提高保护动作的灵敏性和可靠性。

49、3、本发明提出的一种采用换流器内部pwm信号的微电网电源快速保护方法通用性强，针对新能源电源占比高或低的微电网都能很好适用。

50、4、本发明提出的一种采用换流器内部pwm积分信号为判据的装置，不仅可以通过pwm信号脉宽调制调节逆变器输出电压，还可以判断故障位置，切除新能源电源，提高用户供电与清洁能源发电的可靠性与安全性。

51、5、本发明设置启动电压，当积分获得的换流器输出电压有效值低于启动电压时，判断为系统发生短路故障，需要对微电网电源进行保护，一方面提高保护效率，另一方面为了防止保护误动。