CN103050933A - 基于单端电流突变量的大型电池储能电站接口保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型储能电站与电网的接口的保护启动方法，特别是一种基于单端电流突变量的大型电池储能电站接口保护方法。本发明利用单端电流突变量来对大型储能电站接口提供保护，仅需要单端的电流及电压信息量，克服了经逆变器并网的分布式电源使用传统三段式电流保护及电流序分量可靠性及灵敏性较低的问题，在各种故障条件下，能可靠的检测出故障，仿真结果表明其具有很高的保护灵敏度和可靠性，在外网两相短路、两相接地短路及三相短路时都可以可靠动作切除故障。

Description

基于单端电流突变量的大型电池储能电站接口保护方法

技术领域

本发明涉及一种大型储能电站与电网的接口的保护启动方法，特别是一种基于单端电流突变量的大型电池储能电站接口保护方法。

背景技术

随着传统化石能源的不断消耗以及环境的污染的不断严重，新能源的技术发展已成为时代发展的标志之一。电池储能电站作为运行稳定性较强的分布式电源，与其他波动性强的分布式电源混合使用时，起到平稳功率输出的作用；对于大型电池储能电站（容量大于1MW），一般由线路直接接入配电网，对电网起调峰填谷的作用。

当外电网发生故障后，迅速判断故障并将电池储能电站与外网解列，对于保护电池储能电站元件以及外网检修、维护安全具有重大意义。经过广泛的文献检索发现，目前对于经逆变器并网的分布式电源的接口保护方法基本上是基于传统三段式电流保护构成。为保护逆变器中电力电子器件的热稳定性，经逆变器并网的分布式电源短路电流特性与传统电源不同，其短路电流通常限定在2倍额定值范围内，因此传统的电流速断保护及限时电流速断保护通常拒动，而过电流保护需要与外电网进行复杂配合，动作速度通常较低，难以有效保护大型储能电站元件的安全。

经对现有技术的公开文献检索发现，H.Nikkhajoei，R.H.Lasseter在2007年电力工程学会会议（Power Engineering Society General Meeting）上发表的《Microgird protection》提出利用零序电流及负序电流来进行判定故障，这一判据在CERTS搭建的微网模型上进行了验证。但由于我国配电网中性点通常非直接接地，同时储能电站在故障时等效的阻抗值较大，因此负序电流及零序电流值较小，因此该判据不宜使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，而提供一种保护动作快，动作有效性高的基于单端电流突变量的大型电池储能电站接口保护方法。

本发明是通过以下途径来实现的：

基于单端电流突变量的大型电池储能电站接口保护方法，其要点在于，包括如下步骤：

提供电流互感器和电压互感器，其连接到接口保护安装处，采集上一时刻保护安装处的线路三相电流测量量I_A，I_B，I_C以及三相线电压值U_AB，U_BC，U_CA；

提供数据分析处理单元，其接收所采集的电流测量量I_A，I_B，I_C以及三相线电压值U_AB，U_BC，U_CA；并进行如下换算：

以下计算均以A相为例，B相、C相与A相相同：

式中，I_A.mem.k、

及I_A.m分别为A相电流值、电流与电压的相位差值以及电流的幅值，U_AB.m为AB相电压的最大值；

提供记忆元件，其记录并存储上一时刻所获得的各相电流值大小及对应的电流与电压的相位差值；

进一步，根据电流互感器和电压互感器采集本时刻保护安装处的线路三相电流测量量I_A+1，I_B+1，I_C+1以及三相线电压值U_AB+1，U_BC+1，U_CA+1，并由数据分析处理单元根据上述计算处理获得I_A.mem.k+1、

及I_A.m+1，并同样获得本时刻B相和C相的电流值和电流与电压的相位差值；

数据分析处理单元从记忆元件中提取上一刻记录的各相电流值大小及电流与电压的相位差值，与本时刻的电流值和相位差值进行对应相的相减，具体为：

令：

因此可得：

${\mathrm{\ΔI}}_A=\sqrt{I_{\mathrm{Ar}}^2+I_{\mathrm{Ai}}^2}$

设置相邻时刻电流值变化整定值为I_sta.1、相电流值的整定值为I_sta.2，对每相的相邻时刻电流差值以及电流与电压的相位差值的作差进行如下判断：以A相为例，B相和C相与A相相同：首先判断ΔI_A>I_sta.1和I_A>I_sta.2，如果上述两式成立，则进一步判断

其中

为设定的整定值，如果成立，则由数据分析处理单元发出触发指令，启动大型电池储能电站的保护设备。

本发明的原理在于：在电网正常运行时，储能电站作为调峰填谷的一个重要手段，此时主要输出有功功率，因此储能电站运行的功率因数值接近于1，此时

（或或

的值较小，其变化量

（或也较小。当外网出现故障后，储能电站出口电压与电流的夹角实际上与线路的阻抗角大小接近。由于输电线路阻抗中电抗值比例较大，因此故障时实际测得的电压与电流夹角瞬间即会增大，当其超过保护整定值大于整定值时即可使出口处保护动作。

本发明是利用单端电流突变量来对大型储能电站接口提供保护，它仅仅需要单端的电流及电压信息量，提高了设备的可靠性。克服了经逆变器并网的分布式电源使用传统三段式电流保护及电流序分量可靠性及灵敏性较低的问题，本发明在外网两相短路、两相接地短路及三相短路时可以可靠动作切除故障。

本发明具有实质性特点和显著进步，由于大型储能电站中逆变器提供短路电流的特性与传统电源不同，因此传统三段式保护原理上存在缺陷，不能够可靠动作，且动作速度较慢，不能满足保护分布式电源的保护要求。本发明提出的方法利用电流的变化量，在各种故障条件下，能可靠的检测出故障，仿真结果表明其具有很高的保护灵敏度和可靠性，是一种很好的适合大型储能电站出口保护的方法。

本发明可以进一步具体为：

I_sta.1大于储能电站接入的母线上所带最大负荷启动时其出口电流值变化量，I_sta.2大于储能电站最大运行方式下输出的电流值。

进一步具体为：

$I_{\mathrm{sta}.1}=k\frac{P_{L.\max }}{\sqrt{3}{U}_{\min }}=k\frac{P_{L.\max }}{0.9\sqrt{3}{U}_N}$

$I_{\mathrm{sta}.2}=\frac{P_{\mathrm{BESS}.\max }}{\sqrt{3}{U}_{\min }}=\frac{P_{\mathrm{BESS}.\max }}{0.9\sqrt{3}{U}_N}$

式中，k、U_N、P_BESS.max均为***及储能电站参数，k表示外网正常运行时，储能电站所接入母线上最大负荷启动，储能电站侧电流增大值与最大负荷电流值之比，U_N为***额定电压，P_BESS.max为储能电站的最大出口功率。

大于正常运行时最大功角，为90°，具体的

为：

式中，k_rel为可靠系数，取0.9~1，Q_max为储能电站的最大输出无功功率，P_N为储能电站的额定功率。

综上所述，本发明提供了一种基于单端电流突变量的大型电池储能电站接口保护方法，利用单端电流突变量来对大型储能电站接口提供保护，仅需要单端的电流及电压信息量，克服了经逆变器并网的分布式电源使用传统三段式电流保护及电流序分量可靠性及灵敏性较低的问题，在各种故障条件下，能可靠的检测出故障，仿真结果表明其具有很高的保护灵敏度和可靠性，在外网两相短路、两相接地短路及三相短路时都可以可靠动作切除故障。

下面结合实施例对本发明做进一步阐述。

具体实施方式

最佳实施例：

基于单端电流突变量的大型电池储能电站接口保护方法，包括如下步骤：

（1）提供电流互感器和电压互感器，其连接到接口保护安装处，采集保护安装处的三相电流量及三相电压量，作为保护元件所需电量，电流互感器接线形式采用标准接线；

（2）由记忆元件记录前一时刻的电流值大小及电流与电压相位差，为下一时刻采集值作为参考；

（3）利用本时刻的电流及相位与上一时刻的电流与相位值作差值计算，比较电流突变量；

（4）将电流突变量与保护的整定值进行比较，根据比较结果来确定保护是否动作。

具体的，在所述的步骤（1）中，选相元件所需电量具体如下：

本发明所需的电量为保护安装处的线路三相电流（I_A，I_B，I_C）及三相线电压（U_AB，U_BC，U_CA），数据采样频率为1200Hz。

在所述的步骤（2）中，提供数据分析处理单元，三相电流及电压分析量具体如下：

以A相为例：

式中，I_A.mem.k、

及I_A.m分别为A相电流大小记忆值、相位记忆值以及电流的幅值，U_AB.m为AB相电压的最大值。其他两相电流值及相位同上式。

在所述的步骤（3）中，采用与步骤（2）相同的方法获得本时刻采样点的A相电流I_A.mem.k+1、及三相电流相位

前后两个时刻的电流值作差如下：

令：

由上式可得：

${\mathrm{\ΔI}}_A=\sqrt{I_{\mathrm{Ar}}^2+I_{\mathrm{Ai}}^2}$

所述的（4）中，故障启动判据具体如下：

保护判据主要由电流值变化量及相角变化量构成。保护启动判据：

ΔI_A>I_sta.1             1）

I_A>I_sta.2               2）

I_sta.1、I_sta.2分别为保护元件的电流变化量及相电流判据，I_sta.1应大于储能电站接入的母线上所带最大负荷启动时其出口电流值变化量，I_sta.2应大于储能电站最大运行方式下输出的电流值，具体如下示：

$I_{\mathrm{sta}.1}=k\frac{P_{L.\max }}{\sqrt{3}{U}_{\min }}=k\frac{P_{L.\max }}{0.9\sqrt{3}{U}_N}---3)$

$I_{\mathrm{sta}.2}=\frac{P_{\mathrm{BESS}.\max }}{\sqrt{3}{U}_{\min }}=\frac{P_{\mathrm{BESS}.\max }}{0.9\sqrt{3}{U}_N}---4)$

式3）、4）中，k、U_N、P_BESS.max均为***及储能电站参数，k表示外网正常运行时，储能电站所接入母线上最大负荷启动，储能电站侧电流增大值与最大负荷电流值之比，U_N为***额定电压，P_BESS.max为储能电站的最大出口功率。

当保护的启动元件启动后，大型电池储能电站的保护判据如下：

式5）中

为整定值，

应大于正常运行时最大功角，

应在90°范围内，具体如下：

式6）、7）中，k_rel为可靠系数，可取0.9~1，Q_max为储能电站的最大输出无功功率，P_N为储能电站的额定功率。

上述过程为A相的判断过程，B相和C相与A相的数据分析及处理和判据完全一致。上述电流及相位差满足判据后，由数据分析处理单元发出触发指令，启动大型电池储能电站的保护设备。

为了验证本发明所述方法的可靠性和技术效果，本发明方法利用世界广泛采用的电磁暂态仿真程序EMTP进行了仿真实验。仿真***为10KV***，线路为集中参数模型。数据采样率为1200Hz。利用本发明的保护方法进行测试的结果表明本发明方法具有很高的可靠性和灵敏性。测试的故障类型包括有AB相短路、BC相短路、AC相短路、AB相接地短路、BC相接地短路、AC相接地短路、ABC三相短路。

本发明未述部分与现有技术相同。

Claims (3)

1.基于单端电流突变量的大型电池储能电站接口保护方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供电流互感器和电压互感器，其连接到接口保护安装处，采集上一时刻保护安装处的线路三相电流测量量I_A，I_B，I_C以及三相线电压值U_AB，U_BC，U_CA；

提供数据分析处理单元，其接收所采集的电流测量量I_A，I_B，I_C以及三相线电压值U_AB，U_BC，U_CA；并进行如下换算：

以下计算均以A相为例，B相、C相与A相相同：

式中，I_A.mem.k、

及I_A.m分别为A相电流值、电流与电压的相位差值以及电流的幅值，U_AB.m为AB相电压的最大值；

提供记忆元件，其记录并存储上一时刻所获得的各相电流值大小及对应的电流与电压的相位差值；

进一步，根据电流互感器和电压互感器采集本时刻保护安装处的线路三相电流测量量I_A+1，I_B+1，I_C+1以及三相线电压值U_AB+1，U_BC+1，U_CA+1，并由数据分析处理单元根据上述计算处理获得I_A.mem.k+1、

及I_A.m+1，并同样获得本时刻B相和C相的电流值和电流与电压的相位差值；

数据分析处理单元从记忆元件中提取上一刻记录的各相电流值大小及电流与电压的相位差值，与本时刻的电流值和相位差值进行对应相进行相减计算，以A相为例，B相和C相与A相相同，具体为：

令：

因此可得：

${\mathrm{\ΔI}}_A=\sqrt{I_{\mathrm{Ar}}^2+I_{\mathrm{Ai}}^2}$

设置相邻时刻电流值变化整定值为I_sta.1、相电流值的整定值为I_sta.2，对每相的相邻时刻电流差值以及电流与电压的相位差值的作差进行如下判断：以A相为例，B相和C相与A相相同：首先判断ΔI_A>I_sta.1和I_A>I_sta.2，如果上述两式成立，则进一步判断

其中

为设定的整定值，如果成立，则由数据分析处理单元发出触发指令，启动大型电池储能电站的保护设备。

2.根据权利要求1所述的基于单端电流突变量的大型电池储能电站接口保护方法，其特征在于，I_sta.1大于储能电站接入的母线上所带最大负荷启动时其出口电流值变化量，I_sta.2大于储能电站最大运行方式下输出的电流值，具体为：

$I_{\mathrm{sta}.1}=k\frac{P_{L.\max }}{\sqrt{3}{U}_{\min }}=k\frac{P_{L.\max }}{0.9\sqrt{3}{U}_N}$

$I_{\mathrm{sta}.2}=\frac{P_{\mathrm{BESS}.\max }}{\sqrt{3}{U}_{\min }}=\frac{P_{\mathrm{BESS}.\max }}{0.9\sqrt{3}{U}_N}$

式中，k、U_N、P_BESS.max均为***及储能电站参数，k表示外网正常运行时，储能电站所接入母线上最大负荷启动，储能电站侧电流增大值与最大负荷电流值之比，U_N为***额定电压，P_BESS.max为储能电站的最大出口功率。

3.根据权利要求1所述的基于单端电流突变量的大型电池储能电站接口保护方法，其特征在于，

大于正常运行时最大功角，

为90°，具体的为：

式中，k_rel为可靠系数，取0.9~1，Q_max为储能电站的最大输出无功功率，P_N为储能电站的额定功率。