CN204118716U - 一种适用于多源电网的分布式电源故障保护装置 - Google Patents

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吴冠男
徐建源
张子信
宋卓然
梁毅
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Abstract

本实用新型属于电力***控制领域，具体涉及一种适用于多源电网的分布式电源故障保护装置。该装置包括中央监控单元、A相分布式电源故障保护单元、B相分布式电源故障保护单元、C相分布式电源故障保护单元和变换器。本实用新型利用故障保护电路中的电感来限制故障电流瞬间故障电流上升变化率和故障穿越期间短路电流幅值，抑制电流瞬时峰值时是利用电感对电流变化的抑制作用，能在正常运行与***故障状态下，减少故障电流对设备的冲击；确保了低电压穿越技术的实现；能避免保护设备投切的响应延时，对故障电流瞬时峰值和故障穿越期间短路电流幅值能够及时有效的抑制，避免其对源端设备造成损坏。

Description

一种适用于多源电网的分布式电源故障保护装置
技术领域
本实用新型专利属于电力***控制领域，具体涉及一种适用于多源电网的分布式电源故障保护装置。
背景技术
随着新能源发电技术的不断成熟，大量分布式电源接入电网，对于含多类分布式电源电网而言，要求出现电网电压跌落严重故障时(如三相短路故障等)，分布式电源尽可能不要进行切机操作，分布式电源的切出可能会造成大量分布式电源从电网解列的连锁反应，引发更大的后续扰动和更严重的故障，而分布式电源故障恢复后的重新并网投入也会造成网内潮流突变，对网内负荷带来很大的冲击，同时对网内电力电子设备的损害性也是巨大的，因此要求网内分布式电源要具有一定的低电压穿越能力；截止目前，故障穿越技术还仅仅停留在对于分布式源采用单一的Crowbar撬棒保护电路，发生故障时进行过剩功率释放，或是仅仅依靠调节分布式电源变流器控制方式来抑制故障电流的作用；这些技术存在严重的局限性，首先，以双馈风机为例，Crowbar撬棒保护电路的并联接入发电机转子侧，在检测到电网***发生故障出现电压跌落时，为了限制过变流器的电流和转子绕组过电压，要求闭锁双馈感应发电机转子侧变流器，发电机同时切换运行状态为感应电动机方式运行，才能维持发电机不脱网运行；其次故障电流瞬时峰值最大出现在故障发生和故障排除两个瞬间，对设备冲击最大，而保护设备投切受控制影响而有延时，对故障电流瞬时峰值的抑制不及时。
实用新型内容
针对上述现有技术存在的缺点，本实用新型提出一种适用于多源电网的分布式电源故障保护装置，以达到使抑制短路电流瞬时峰值和故障期间短路电流幅值，避免变流器损坏，实现分布式电源故障穿越的目的。
一种适用于多源电网的分布式电源故障保护装置，该装置包括中央监控单元、A相分布式电源故障保护单元、B相分布式电源故障保护单元、C相分布式电源故障保护单元和变换器，其中，
所述的A相分布式电源故障保护单元的第一输入端、B相分布式电源故障保护单元的第一输入端和C相分布式电源故障保护单元的第一输入端均连接分布式电源的输出端，A相分布式电源故障保护单元的第一输出端、B相分布式电源故障保护单元的第一输出端和C相分布式电源故障保护单元的第一输出端均连接变换器的三路输入端，变换器的输出端接入电网；
所述的A相分布式电源故障保护单元的第二输入端、B相分布式电源故障保护单元的第二输入端和C相分布式电源故障保护单元的第二输入端连接中央监控单元的三路输出端，A相分布式电源故障保护单元的第二输出端、B相分布式电源故障保护单元的第二输出端和C相分布式电源故障保护单元的第二输出端连接中央监控单元的三路输入端；
所述的A相分布式电源故障保护单元、B相分布式电源故障保护单元和C相分布式电源故障保护单元结构相同，均包括一个电压互感器、一个电流互感器、第一反向二极管、第二反向二极管、第三反向二极管、第四反向二极管、第五反向二极管、第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管、第四绝缘栅双极晶体管、第五绝缘栅双极晶体管、第六绝缘栅双极晶体管、第七绝缘栅双极晶体管、一个电感、第一交流断路器、第二交流断路器、第一门极可控晶闸管、第二门极可控晶闸管、第三门极可控晶闸管、第四门极可控晶闸管、第五门极可控晶闸管、第六门极可控晶闸管、第一能耗电阻、第二能耗电阻和一个避雷器，其中，
所述的第一交流断路器的一端同时连接第一门极可控晶闸管的阳极、第一反向二极管的阴极、第二反向二极管的阳极、第一绝缘栅双极晶体管的集电极和第二绝缘栅双极晶体管的发射极，所述的第一门极可控晶闸管的阴极同时连接第二门极可控晶闸管的阴极、第三门极可控晶闸管的阴极、电感的一端、第五绝缘栅双极晶体管的集电极、电压互感器的一端、避雷器的一端、第六绝缘栅双极晶体管的发射极、第七绝缘栅双极晶体管的集电极和第五反向二极管的阴极，所述的第二门极可控晶闸管的阳极同时连接第一反向二极管的阳极和第一绝缘栅双极晶体管的发射极；所述的第二反向二极管的阴极同时连接第二绝缘栅双极晶体管的集电极和第四门极可控晶闸管的阴极，第四门极可控晶闸管的阳极同时连接电流互感器的一端、第五门极可控晶闸管的阳极和第六门极可控晶闸管的阳极，所述的电流互感器的另一端同时连接电感的另一端、第五绝缘栅双极晶体管的发射极、电压互感器的另一端、避雷器的另一端和第一能耗电阻的一端，第一能耗电阻的另一端连接第六绝缘栅双极晶体管的集电极；所述的第七绝缘栅双极晶体管的发射极同时连接第五反向二极管的阳极和第二能耗电阻的一端，第二能耗电阻的另一端接地；所述的第五门极可控晶闸管的阴极同时连接第四绝缘栅双极晶体管的集电极和第四反向二极管的阴极，第四绝缘栅双极晶体管的发射极同时连接第四反向二极管的阳极、第三反向二极管的阴极、第三绝缘栅双极晶体管的集电极、第二交流断路器的一端和第六门极可控晶闸管的阴极；所述的第三反向二极管的阳极同时连接第三绝缘栅双极晶体管的发射极和第三门极可控晶闸管的阳极。
所述的第一交流断路器的另一端作为分布式电源故障保护单元的第一输入端；
所述的第二交流断路器的另一端作为分布式电源故障保护单元的第一输出端；
所述的第一绝缘栅双极晶体管的基极、第二绝缘栅双极晶体管的基极、第三绝缘栅双极晶体管的基极、第四绝缘栅双极晶体管的基极、第五绝缘栅双极晶体管的基极、第六绝缘栅双极晶体管的基极、第七绝缘栅双极晶体管的基极、第一门极可控晶闸管的门极、第二门极可控晶闸管的门极、第三门极可控晶闸管的门极、第四门极可控晶闸管的门极、第五门极可控晶闸管的门极、第六门极可控晶闸管的门极、第一交流断路器的控制端和第二交流断路器的控制端作为分布式电源故障保护单元的第二输入端；
所述的电压互感器输出端和电流互感器输出端作为分布式电源故障保护单元的第二输出端。
所述的分布式电源故障保护单元为A相分布式电源故障保护单元或B相分布式电源故障保护单元或C相分布式电源故障保护单元。
本实用新型的优点用有益效果是：
本实用新型一种适用于多源电网的分布式电源故障保护装置，与传统的短路保护(Crowbar Protection)技术相比，本实用新型首先利用故障保护电路中的电感来限制故障电流瞬间故障电流上升变化率和故障穿越期间短路电流幅值，抑制电流瞬时峰值时是利用电感对电流变化的抑制作用，无需控制***响应，瞬时自动投入，能够在正常运行与***故障状态下，减少故障电流对设备的冲击；其次，故障期间分流耗能电阻和限流电感的投入实现分布式电源在维持原运行状态不变的情况下，不切机状态下持续运行，无需闭锁变流器设备，确保了低电压穿越技术的实现；最后本实用新型独有的控制***硬件结构能够避免保护设备投切的响应延时，对故障电流瞬时峰值和故障穿越期间短路电流幅值能够及时有效的抑制，避免其对源端设备造成损坏。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图；
图2为本实用新型的接入双馈型风力发电机的装置整体结构示意图；
图3为本实用新型中A相分布式电源故障保护装置电路原理图；
图4为本实用新型中信号调理电路的电路原理图；
图5为本实用新型中中央监控单元电路原理图；
图6为本实用新型中运放电路模块电路原理图；
图7为本实用新型在故障电流峰值抑制阶段电路原理图；
图8为本实用新型在模式切换阶段转化电路原理图；
图9为本实用新型在故障穿越阶段电路原理图；
图10为本实用新型在切机状态下电感释放能量电路图；
图11为本实用新型安装分布式电源故障保护装置前三相电流有效值曲线图；
图12为本实用新型安装分布式电源故障保护装置后三相电流有效值曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型一种实施例做进一步说明。
如图1所示一种适用于多源电网的分布式电源故障保护装置，包括中央监控单元、A相分布式电源故障保护单元、B相分布式电源故障保护单元、C相分布式电源故障保护单元和变换器；如图2所示，本实用新型实施例中，将双馈型风力发电机作为分布式电源，变换器采用型号为ZX18-0.97/4V；中央监控单元采用TMS320F28335型号。
所述的A相分布式电源故障保护单元的第一输入端、B相分布式电源故障保护单元的第一输入端和C相分布式电源故障保护单元的第一输入端均连接分布式电源的输出端，即双馈型风力发电机的输出端，A相分布式电源故障保护单元的第一输出端、B相分布式电源故障保护单元的第一输出端和C相分布式电源故障保护单元的第一输出端均连接变换器的三路输入端，变换器的输出端接入电网。所述的A相分布式电源故障保护单元的第二输入端、B相分布式电源故障保护单元的第二输入端和C相分布式电源故障保护单元的第二输入端连接中央监控单元的三路输出端，A相分布式电源故障保护单元的第二输出端、B相分布式电源故障保护单元的第二输出端和C相分布式电源故障保护单元的第二输出端连接中央监控单元的三路输入端。
本实用新型实施例中，A相分布式电源故障保护单元、B相分布式电源故障保护单元和C相分布式电源故障保护单元结构相同，本实施例中以A相分布式电源故障保护单元为例，如图3所示，包括电压互感器PT1、电流互感器CT1、第一反向二极管VD1、第二反向二极管VD2、第三反向二极管VD3、第四反向二极管VD4、第五反向二极管VD5、第一绝缘栅双极晶体管T1、第二绝缘栅双极晶体管T2、第三绝缘栅双极晶体管T3、第四绝缘栅双极晶体管T4、第五绝缘栅双极晶体管T5、第六绝缘栅双极晶体管T6、第七绝缘栅双极晶体管T7、电感L1、第一交流断路器K1、第二交流断路器K2、第一门极可控晶闸管V1、第二门极可控晶闸管V2、第三门极可控晶闸管V3、第四门极可控晶闸管V4、第五门极可控晶闸管V5、第六门极可控晶闸管V6、第一能耗电阻R1、第二能耗电阻R2和一个避雷器ZNO1，其中，电压互感器采用JDZ1-1型号；电流互感器CT1采用KHCT911L-600A/5A型号；避雷器采用HY1.5W-0.5/2.6型号；
如图3所示，本实用新型实施例中，第一交流断路器K1的一端同时连接第一门极可控晶闸管V1的阳极、第一反向二极管VD1的阴极、第二反向二极管VD2的阳极、第一绝缘栅双极晶体管T1的集电极和第二绝缘栅双极晶体管T2的发射极，所述的第一门极可控晶闸管V1的阴极同时连接第二门极可控晶闸管V2的阴极、第三门极可控晶闸管V3的阴极、电感L1的一端、第五绝缘栅双极晶体管T5的集电极、电压互感器PT1的一端、避雷器ZNO1的一端、第六绝缘栅双极晶体管T6的发射极、第七绝缘栅双极晶体管T7的集电极和第五反向二极管VD5的阴极，所述的第二门极可控晶闸管V2的阳极同时连接第一反向二极管VD1的阳极和第一绝缘栅双极晶体管T1的发射极；所述的第二反向二极管VD2的阴极同时连接第二绝缘栅双极晶体管T2的集电极和第四门极可控晶闸管V4的阴极，第四门极可控晶闸管V4的阳极同时连接电流互感器CT1的一端、第五门极可控晶闸管V5的阳极和第六门极可控晶闸管V6的阳极，所述的电流互感器CT1的另一端同时连接电感L1的另一端、第五绝缘栅双极晶体管T5的发射极、电压互感器PT1的另一端、避雷器ZNO1的另一端和第一能耗电阻R1的一端，第一能耗电阻R1的另一端连接第六绝缘栅双极晶体管T6的集电极；所述的第七绝缘栅双极晶体管T7的发射极同时连接第五反向二极管VD5的阳极和第二能耗电阻R2的一端，第二能耗电阻R2的另一端接地；所述的第五门极可控晶闸管V5的阴极同时连接第四绝缘栅双极晶体管T4的集电极和第四反向二极管VD4的阴极，第四绝缘栅双极晶体管T4的发射极同时连接第四反向二极管VD4的阳极、第三反向二极管VD3的阴极、第三绝缘栅双极晶体管T3的集电极、第二交流断路器K2的一端和第六门极可控晶闸管V6的阴极；所述的第三反向二极管VD3的阳极同时连接第三绝缘栅双极晶体管T3的发射极和第三门极可控晶闸管V3的阳极。
本实用新型实施例中，第一交流断路器K1的另一端作为分布式电源故障保护单元的第一输入端；所述的第二交流断路器K2的另一端作为分布式电源故障保护单元的第一输出端；所述的第一绝缘栅双极晶体管T1的基极、第二绝缘栅双极晶体管T2的基极、第三绝缘栅双极晶体管T3的基极、第四绝缘栅双极晶体管T4的基极、第五绝缘栅双极晶体管T5的基极、第六绝缘栅双极晶体管T6的基极、第七绝缘栅双极晶体管T7的基极、第一门极可控晶闸管V1的门极、第二门极可控晶闸管V2的门极、第三门极可控晶闸管V3的门极、第四门极可控晶闸管V4的门极、第五门极可控晶闸管V5的门极和第六门极可控晶闸管V6的门极、第一交流断路器K1控制端和第二交流断路器K2控制端作为分布式电源故障保护单元的第二输入端；所述的电压互感器PT1输出端和电流互感器CT1输出端作为分布式电源故障保护单元的第二输出端；所述的分布式电源故障保护单元为A相分布式电源故障保护单元或B相分布式电源故障保护单元或C相分布式电源故障保护单元。
图4为信号调理电路原理图，本实用新型实施例中，包括六个信号调理电路，且结构相同，六个信号调理电路的输入端U/I分别连接三个电压互感器的输出端和三个电流互感器的输出端；如图5所示，六个信号调理电路通过ADS8364型数据采集芯片连接TMS320F28335型号DSP芯片，其中，信号调理电路的输出端+OUT、-OUT、IN端依次连接数据采集芯片的+IN、-IN、REF端；数据采集芯片的CLK、D0～D15分别接入TMS320F28335型号DSP芯片的MCLKX、D0～D15；DSP芯片的GPIO1～10、16～20、41～55、56～62、80～82的45个端口分别连接45个M57962L芯片的13引脚，如图6所示，每15个M57962L芯片对应连接一个分布式电源故障保护单元(A相分布式电源故障保护单元或B相分布式电源故障保护单元或C相分布式电源故障保护单元)，在每个分布式电源故障保护单元中，并通过7个M57962L芯片的5引脚连接分别连接第一绝缘栅双极晶体管T1的基极、第二绝缘栅双极晶体管T2的基极、第三绝缘栅双极晶体管T3的基极、第四绝缘栅双极晶体管T4的基极、第五绝缘栅双极晶体管T5的基极、第六绝缘栅双极晶体管T6的基极、第七绝缘栅双极晶体管T7的基极；通过6个M57962L芯片的5引脚连接分别连接第一门极可控晶闸管V1的门极、第二门极可控晶闸管V2的门极、第三门极可控晶闸管V3的门极、第四门极可控晶闸管V4的门极、第五门极可控晶闸管V5的门极和第六门极可控晶闸管V6的门极；通过2个M57962L芯片的5引脚连接分别第一交流断路器K1控制端和第二交流断路器K2控制端。
本实用新型实施例中，如图7所示，当判断发生故障时，分布式电源故障保护单元中通过电感L1的电流会发生瞬时改变，此时，电感L1反向电动势抑制故障发生时电流的瞬时峰值，当通过电感L1的电流趋于稳定时，同时电流互感器CT1监测电流达到1.5倍，此时中央监控单元首先发送控制信号至发生故障的分布式电源故障保护单元中，控制其第五绝缘栅双极晶体管T5、第六绝缘栅双极晶体管T6和第七绝缘栅双极晶体管T7，使其导通，第二能耗电阻R2＝Ua/Ia(Ia表示线路单相电流，Ua表示线路单相电压)即近似***阻抗，此时，通过第七绝缘栅双极晶体管T7对故障电流进行模式切换时的分流，通过第五绝缘栅双极晶体管T5和第七绝缘栅双极晶体管T7回路将图中电流I1分为电流I2和电流I3，此时分布式电源故障保护单元进入模式切换状态，如图8；此状态为过渡状态，不能持续运行，(目的是不切机不间断运行状态下使得电感上由直流线路接入交流线路抑制短路电流)；然后中央监控单元发送控制信号至发生故障的分布式电源故障保护单元中，依次给门极可控晶闸管V1、V6触发信号使其导通状态，给门极可控晶闸管V2、V3、V4、V5触发信号使其关断状态，给绝缘栅双极晶体管T1、T2、T3、T4触发信号使其关断状态，给绝缘栅双极晶体管T5、T7触发信号使其关断状态，最终，完成在不切机情况下的电感L1串联接入线路，抑制短路电流，此过程中避雷器ZNO1一直处于接入状态，防止故障过电压和电感切换引起的操作过电压如图9；
本实用新型实施例中，当完成切机时，形成如图10所示的电路结构，电感L1和第六绝缘栅双极晶体管T6形成回路，并通过第一能耗电阻R1释放能量，实现分布式电源的切除和分布式电源故障保护装置内部能量释放的目的。
如图11和图12所示，从图中曲线可以看出，在2秒至3秒出现故障期间，安装后故障电流得到了明显的抑制，在2秒故障出现和3秒排除时，故障电流瞬时峰值也得到明显的抑制作用。

Claims (4)

1.一种适用于多源电网的分布式电源故障保护装置，其特征在于，该装置包括中央监控单元、A相分布式电源故障保护单元、B相分布式电源故障保护单元、C相分布式电源故障保护单元和变换器，其中，
所述的A相分布式电源故障保护单元的第一输入端、B相分布式电源故障保护单元的第一输入端和C相分布式电源故障保护单元的第一输入端均连接分布式电源的输出端，A相分布式电源故障保护单元的第一输出端、B相分布式电源故障保护单元的第一输出端和C相分布式电源故障保护单元的第一输出端均连接变换器的三路输入端，变换器的输出端接入电网；
所述的A相分布式电源故障保护单元的第二输入端、B相分布式电源故障保护单元的第二输入端和C相分布式电源故障保护单元的第二输入端连接中央监控单元的三路输出端，A相分布式电源故障保护单元的第二输出端、B相分布式电源故障保护单元的第二输出端和C相分布式电源故障保护单元的第二输出端连接中央监控单元的三路输入端。
2.根据权利要求1所述的一种适用于多源电网的分布式电源故障保护装置，其特征在于，所述的A相分布式电源故障保护单元、B相分布式电源故障保护单元和C相分布式电源故障保护单元结构相同，均包括一个电压互感器、一个电流互感器、第一反向二极管、第二反向二极管、第三反向二极管、第四反向二极管、第五反向二极管、第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、第三绝缘栅双极晶体管、第四绝缘栅双极晶体管、第五绝缘栅双极晶体管、第六绝缘栅双极晶体管、第七绝缘栅双极晶体管、一个电感、第一交流断路器、第二交流断路器、第一门极可控晶闸管、第二门极可控晶闸管、第三门极可控晶闸管、第四门极可控晶闸管、第五门极可控晶闸管、第六门极可控晶闸管、第一能耗电阻、第二能耗电阻和一个避雷器，其中，
所述的第一交流断路器的一端同时连接第一门极可控晶闸管的阳极、第一反向二极管的阴极、第二反向二极管的阳极、第一绝缘栅双极晶体管的集电极和第二绝缘栅双极晶体管的发射极，所述的第一门极可控晶闸管的阴极同时连接第二门极可控晶闸管的阴极、第三门极可控晶闸管的阴极、电感的一端、第五绝缘栅双极晶体管的集电极、电压互感器的一端、避雷器的一端、第六绝缘栅双极晶体管的发射极、第七绝缘栅双极晶体管的集电极和第五反向二极管的阴极，所述的第二门极可控晶闸管的阳极同时连接第一反向二极管的阳极和第一绝缘栅双极晶体管的发射极；所述的第二反向二极管的阴极同时连接第二绝缘栅双极晶体管的集电极和第四门极可控晶闸管的阴极，第四门极可控晶闸管的阳极同时连接电流互感器的一端、第五门极可控晶闸管的阳极和第六门极可控晶闸管的阳极，所述的电流互感器的另一端同时连接电感的另一端、第五绝缘栅双极晶体管的发射极、电压互感器的另一端、避雷器的另一端和第一能耗电阻的一端，第一能耗电阻的另一端连接第六绝缘栅双极晶体管的集电极；所述的第七绝缘栅双极晶体管的发射极同时连接第五反向二极管的阳极和第二能耗电阻的一端，第二能耗电阻的另一端接地；所述的第五门极可控晶闸管的阴极同时连接第四绝缘栅双极晶体管的集电极和第四反向二极管的阴极，第四绝缘栅双极晶体管的发射极同时连接第四反向二极管的阳极、第三反向二极管的阴极、第三绝缘栅双极晶体管的集电极、第二交流断路器的一端和第六门极可控晶闸管的阴极；所述的第三反向二极管的阳极同时连接第三绝缘栅双极晶体管的发射极和第三门极可控晶闸管的阳极。
3.根据权利要求2所述的一种适用于多源电网的分布式电源故障保护装置，其特征在于，
所述的第一交流断路器的另一端作为分布式电源故障保护单元的第一输入端；
所述的第二交流断路器的另一端作为分布式电源故障保护单元的第一输出端；
所述的第一绝缘栅双极晶体管的基极、第二绝缘栅双极晶体管的基极、第三绝缘栅双极晶体管的基极、第四绝缘栅双极晶体管的基极、第五绝缘栅双极晶体管的基极、第六绝缘栅双极晶体管的基极、第七绝缘栅双极晶体管的基极、第一门极可控晶闸管的门极、第二门极可控晶闸管的门极、第三门极可控晶闸管的门极、第四门极可控晶闸管的门极、第五门极可控晶闸管的门极、第六门极可控晶闸管的门极、第一交流断路器的控制端和第二交流断路器的控制端作为分布式电源故障保护单元的第二输入端；
所述的电压互感器输出端和电流互感器输出端作为分布式电源故障保护单元的第二输出端。
4.根据权利要求3所述的一种适用于多源电网的分布式电源故障保护装置，其特征在于，所述的分布式电源故障保护单元为A相分布式电源故障保护单元或B相分布式电源故障保护单元或C相分布式电源故障保护单元。
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