有源电力滤波器的继电保护研究.pdf

第 5 0 卷总第 5 7 6 期 2 0 1 3年第 1 2期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e n t& I n s t r ume n t a t i o n Vo I 5 0 No 5 7 6 De c 2 01 3 有源电力滤波器的继电保护研究 杨丽君 ， 张峰。 ，王伟利 ， 张钢4 ( 1 燕山大学 电气工程学院， 河北 秦皇岛 0 6 6 0 0 4 ； 2 河北省电力公司 检修分公司， 石家庄 0 5 0 0 0 0 ； 3 平顶 山供 电公 司， 河南 平顶 山 4 6 7 0 0 0 ； 4 北京 出入境检验检疫局 ， 北京 1 0 0 1 7 6 ) 摘要： 为了避免有源电力滤波器发生故障后， 电力系统出现电能质量的严重畸变， 针对有源电力滤波器的运行 特点 ， 以及故障发生后电力系统会呈现出的状态，提出了对有源电力滤波器的失灵保护。 分别基于电流的特定次 谐波和电流的谐波畸变率， 提出了两种故障检测方案： 其一是检测电流中含有的特定次谐波； 其二是检测电流 谐波畸变率。 在m a t l a b 基础上对故障检测环节进行了仿真。 又提出两种继电器动作方案： 其一是直接切负荷； 其 二是加装备用有源电力滤波器。利用检测方法二和动作方案二对l O k V 系统进行了仿真分析， 结果表明， 对有源 电力滤波器进行继电保护是有必要的， 而且所提保护方案可行。 关键词： 有源电力滤波器； 继电保护； 特定次谐波； 谐波畸变率； 仿真 中图分类号： T M7 1 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 3 ) l 2 一 叭l 9 0 5 Re s e a r c h o n Re l a y P r o t e c t i o n f o r Ac t i v e P o we r F i l t e r 1 2 3 4 Y A N G L i - j u n， Z HA N G F e n g， WA N G We i l i ， Z H A N G g a n g ( 1 D e p a r t me n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， Y a n s h a n U n i v e r s i t y ， Q i n g h u a n g d a o 0 6 6 0 0 4 ， He b e i ， C h i n a 2 Ma i n t e n a n c e b r a n c h o f H e b e i P o w e r S u p p l y C o m p a n y ， S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 0 0 ， C h i n a 3 P i n g d i n g s h a n P o w e r S u p p l y C o m p a n y ， P i u g d i n s h a n 4 6 7 0 0 0 ， He n a n ， C h i n a 4 I n s p e c t i o n a n d Q u a r a n t i n e A u t h o r i t i e s o f B e i j i n g ， B e i j i n g 1 0 0 1 7 6 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T o a v o i d t h e s e v e r e d i s t o r t i o n o f p o we r q u a l i t y c a u s e d b y a c t i v e p o we r fi l t e r ( A P F)f a u l t s t h e p a p e r p u t f o r wa r d s AP F f a i l u r e p r o t e c t i o n s t r a t e g i e s b a s e d o n o p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f AP F a n d s t a t e s o f p o we r s y s t e ms a f t e r f a u l t s T wo f a u l t d e t e c t i o n s c h e me s a r e p r o p o s e d ：t o c h e c k s p e c i fi c h a r mo n i c s i n t h e c u r r e n t ，a n d t o d e t e c t t o t a l h a r mo n i c d i s t o rti o n o f t h e c u r r e n t T h e t wo s c h e me s a r e s i mu l a t e d b a s e d o n MA T L AB T wo r e l a y a c t i o n p l a n s a r e a l s o p r e s e n t e d ， n a me l y c u t t i n g l o a d d i r e c t l y a n d a d d i n g s t a n d b y AP F S i mu l a t i o n a n a l y s i s i s c o n d u c t e d o n t h e 1 0 k V p o w e r s y s t e m u s i n g t h e s e c o n d f a u l t d e t e c t i o n s c h e me a n d t h e s e c o n d r e l a y a c t i o n p l a n Re s u l t s s h o w t h a t a d d i n g r e l a y p r o t e c t i o n o n AP F i s n e e e s s a l ， a n d t h e p r o p o s e d p r o t e c t i o n s c h e me s a r e f e a s i b l e Ke y wor ds： APF，r e l a y pr o t e c t i o n ，s pe c i fic h a r mo ni c s ，T HD，s i mul a t i o n 0引 言 随着技术的飞速发展 ， 在对电能质量提出更高要 求 的同时 ， 非线性元件也在不断增多 ， 这就对 电网提 出了更大的挑战。因此 ， 电能质量治理装置在近年来 受到了极大的关注 ，并获得 了前所未有的飞速发展 。 我国对有源电力滤波器的研究起步较晚， 目前在我国 的实际应用并不多， 与国外相比仍有较大差距 ， 这与 我国目前谐波污染 日益严重的状况很不适应。 随着我 国电能质量治理工作 的深入开展 和对谐波问题重视 程度的提高， 对有源电力滤波器的研究已经成为一个 非常有意义的课题， 利用有源电力滤波器进行谐波治 理具有巨大的社会意义和市场潜力 ， 因此有源电力滤 波技术必将在我国得到广泛 的应用。 现在 ， 我国在有源电力滤波器的理论研究方面取 得了非常好的成果 ，国内学者已经提出了很多对有源 电力滤波器的改进措施。 文献 1 8 在有源电力滤波器 控制策略等方面进行了改进和详细介绍。文献 9 一 l 2 给出了由非线性用电设备产生的谐波对电力系统继电 保护产生的影响， 以及一些抑制措施， 这些抑制方法基 本都从继电器的整定值方面人手， 通过具体的大量计 算得出适应于含有大量谐波电网的动作值，这不仅不 易操作， 还改变了原有继电保护的保护范围， 往往会造 - 1 1 9 - 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 O 卷总第 5 7 6 期 2 0 1 3年第 1 2期 电测 与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me nt I ns t r u me n t a t i o n Vo I 5 0 No5 7 6 De c 2 01 3 成更大的问题。真正有效的措施仍在探索阶段。 随着有源电力滤波器技术的进一步发展和完善， 它在将来必然会大批应用在实际电网中， 所以其本身 发生故障时 ， 及时的采取措施也是非常必要的。 只是 ， 尽管 目 前电力系统继电保护已经发展的相当成熟， 但 针对有源电力滤波器继电保护的研究却并不多， 所以 本文在谐波电流和谐波畸变率的基础上提出了两种 针对有 源 电力滤 波器失 灵 的继 电保护 方案 ，并用 m a t l a b 做了仿真。仿真表明这两种方法都是可行的。 l 原理与设计 1 1 有源电力滤波器的保护原理 本文主要侧重于继电保护部分， 所以并没有必要 深究有源电力滤波器的各方细节部分。 简单来讲它的 作用就是在 电网中含有谐波或者无功时 ， 对这些非正 常电能进行补偿 ， 表现在电流方面就是补偿谐波电流 和无功电流 。 在实际工程中， 有缘电力滤波器的并联连接方式 应用广泛 ， 它与电网相并联 ， 可等效为一个受控电流 源。并联型A P F 将系统中所含有害电流检出， 并产生 与负载谐波或无功功率大小相等、 相位相反的补偿电 流， 从而将电源侧电流补偿为正弦波。 那么 ， 如果有源电力滤波器 出现故障后 ， 最理想 的情况是完全失灵， 即可以等效为完全没有投入有源 电力滤波器的情况 ， 此时电网电流恢复到治理前的状 态。 所以我们就可以根据电网完全不经治理时电网电 流情况来进行故障判断， 然后依据判断所得结果对需 要保护的A P F 采取措施。 S S 1 2继 电 器的检 测环 节 ( 1 )电流检测应该根据 电流的实际情况来定 ， 一 般来说 ，合格的有源电力滤波器会滤除掉所有的谐 波， 基本上电网电流中将不会含有任意次谐波， 所以 可以测量特定次谐波的电流大小 。 根据未加入有源电 力滤波器时， 电网中含量最大的特定次谐波的幅值来 整定继电器动作电流。 当然实际中并不一定会 出现最理想 的情况 ， 考虑 两种边界状态： 如果加入的A P F 并未完全失灵， 仍然保 留了部分滤波能力，此时特定次谐波电流的幅值就应 该可能比理想情况小些；如果加入的A P F 不仅完全失 灵了还进一步对电网造成了影响， 即加重了电网谐波 ， 此时特定次谐波的幅值就该 比理想情况还要大些。所 以电流的整定值要比实际值小些， 本文取系数0 8 。 如图1 中所示，用两个正弦波信号发生器模拟从 电网测得的电流，将其中一个的频率设定为5 0 H z ， 幅 值给I O A， 另一个设为1 5 0 H z ， 幅值设为5 A 。此处特定 次谐波就为三次谐波， 所测得的三次谐波幅值就为开 始设定的5 A 。图2 中即为实际仿真所测得的三次谐波 幅值。所以继电器的动作电流应该是4 A 。 继电器动作都要有个延迟， 这是为了确保动作的 准确 ，以免 由于外界瞬时信号的干扰而发生误动作 。 本文采用了四个延迟传输环节 ， 每个环节都相互间隔 O 0 5 s 的时差，这就相当于每隔0 0 5 s 检测环节就取一 个信号 ， 然后和整定值做比较， 比较结果再经过o r 模 块做逻辑判断，使得这四个信号必须同时满足条件 ， 才能输出所需信号。也就是说， 每隔0 0 5 s 检测一次电 图1 特定次谐波检测环节 F i g 1 S p e c i fi c h a r mo n i c d e t e c t i o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 0卷总第 5 7 6期 2 0 1 3年第 1 2期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e nt& I ns t r u m e nt a t i o n VO 1 5 O No 5 7 6 De c 2 01 3 图2 特定次谐 波检测环节的测量值 Fi g 2 Me a s u r i n g v a l u e s o f s pe c i f i c ha r mo n i c d e t e c t i o n 流 ， 如果 四次检测 的结果都大于继电器整定值 ， 继电 器就动作。所以故障发生后继电器要延迟0 2 s 后才能 被切除。 图3 中给出了A P F 发生故障后 ，检测环节的输出 信号， 输出信号为O 表示断开断路器， 其中信号的变化 比0 2 s 还要晚些， 是由于f o u r i e r 块和滤波器造成的， 属于系统误差 ， 在允许范围内。 当然 ， 在电流检测环节 还可以增加延迟模块的数量，缩短采样比较的时间， 这样可以使得检测环节更加精确， 但同时会加大成本 和实际电路设计的复杂程度。 ( 2 ) 有些情况下 ， 用电负荷会非常复杂 ， 它运行的 时候将造成电网电流的严重畸变， 其中各次谐波电流 幅值比较不容易得到， 甚至会随着时间发生非线性变 化， 此时再利用特定此谐波幅值作为继电器动作的整 定值就不合适了。 所以在此提出检测电网电流谐波畸 变率的检测方法。 它的基本原理同检测特定次谐波幅 值基本类似， 不同之处在于谐波畸变率检测环节采用 谐波畸变率 ( T H D)检测模块测量出电网在未接入 A P F 时的T HD， 然后将这个值作为继电器的整定值。 由于谐波畸变率本身是小数，变化范围比较小， 而且畸变值会在一个定值的小范围内波动 ， 所 以这里 取动作系数0 6 。 t 图3 故障发 生后特定次谐波电流检测环节输出 的信 号 Fi g 3 Out p u t s i g na l o f s p e c i f i c h a r mo ni c d e t e c t i o n a ft e r f a u l t 图4 测得电网谐波畸变率为0 5 ， 因此继电器的动 作值就应该是0 3 。图5 为继电器的动作信号。 1 3 继电器的动作方案 在检测 I A P F 发生故障后， 本文对故障解决提出 两种继电器动作方案 ： s 图4 T H D 谐 波检测环节的测量值 F i g 4 Me a s u r i n g v a l u e s o f T HD d e t e c t i o n t l s 图5 故障发生后T H D 谐波畸变率检测环节的输出 信 号 F i g 5 Ou t p u t s i g n a l o f T HD d e t e c t i o n a f t e r f a u l t ( 1 ) 切除负荷， 有源电力滤波器的作用就是改善 电网电能质量 ， 所以在其本身发生故障， 无法对产生 大量谐波和无功的用电负荷进行谐波抑制和无功补 偿后， 电网必然要承受这部分电能质量畸变所带来的 压力， 所以最好的办法就是直接切除不合格的用电负 荷， 以免它对电网的其它用户造成影响， 产生更大的 损失 。 ( 2 ) 有些负荷是不允许断电的， 例如精密仪器、 航 天领域、 火车， 或者某些大型的炼钢工业， 以及一些重 要军事监控方面的用电设备， 等等。这些负荷的启停 将会造成巨大的能量消耗和难 以估量的经济损失 ， 甚 至有些要危害国家安全。 所 以对这种不可 中断却又会 造成严重电能质量污染 的用电设备不能简单 的用切 除负荷的方法。 对于这种情况， 本文认为可以在一台用电设备上 同时加装两台有源电力滤波器 ，其中一台运行时， 另 一 台作为冷备用在旁等待故障信号， 一旦在工作中的 A P F 发生故障， 这台冷备用A P F 就可以通过继电器的 动作迅速参与电能质量的改善工作中。 显然方案( 2 ) 的造价要 比方案( 1 ) 高上很多 ， 在实 际工程中要根据具体情况选取适当方案。 另外为了减 少造价， 还可以不加另外一台A P F 作为备用 ， 而是改 为加装报警器， 用来提醒工作人员采取人为的措施。 2 实例应用仿真 图6 中在系统运行到0 1 s 时，有源电力滤波器发 生故障。 此处继电保护采用了两台A P F ， 一台工作， 一 台作为冷备用的保护方案， 并采用了谐波畸变率的电 流检测方案，所以在发生故障0 。 2 s 稍多一些时间后， 继电器动作 ， 投入了另外一台有源电力滤波器， 也就 - 1 2 1 - 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 0卷总第 5 7 6期 2 0 1 3年第 1 2期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e n t& I n s t r ume n t at i o n V0 1 5 O NO 5 7 6 De c 2 0 1 3 是大约在0 3 s 后， 系统恢复正常。图6 为a 相仿真结果， 图7 即为系统a b c 三相仿真结果。图8 给出了一个有源 电力滤波器继电保护的实际应用仿真。 仿真采用电压 为1 0 0 0 0 V的交流电压源， 频率为5 0 H z ， 负荷侧采用电 f 0 46 A P F 继保实例的a 相仿真波形 F i g 6 Wa v e for m o f a p h a s e s i mu l a t i o n f o r AP F r e l a y s 47 A P F 继保 实例a b c 三相仿真波形 F i g 7 Wa v e f o r m o f a b c t h r e e - p h a s e s i mu l a t i o n for AP F r e l a y p r o t e c t i o n 感加电阻， 电阻为1 0 O n， 电感为4 0 mH。 3 结束语 本文提出了两种对A P F 继电保护的电流检测方 案和两种对A P F 继电保护的继电器动作方案， 这四种 方案的搭配应根据需要以及实际情况进行合理选择。 检测谐波畸变率与检测特定次谐波幅值的方案 比起来，具有不必考虑电流中各次谐波含量的优点， 而且对于一些十分复杂会产生非线性时变谐波的负 荷仍然有效， 检测过程相对简单。但是检测谐波畸变 率所得的结果并没有检测电流中所含的特定次谐波 所得的结果精确。 而两台A P F ， 其 中一台工作 ， 另一台作为冷备用 的动作方案和直接切除负荷的方案相比虽然可以使 系统对用电负荷不问断供电， 但是造价太高， 而且控 制方式比较复杂。 因此根据实际情况选择合理的检测 方案和继电器保护动作方案也是非常重要的。 本文在理论基础上提出了保护方法并做了仿真， 但是并没有将所提方案付诸硬件实现， 这应该是今后 研究的方 向。 图8 A P F 继电保护的实例应用仿真模型 F i g 8 S i mu l a t i o n mo d e l o f AP F r e l a y p r o t e c t i o n 参 考 文 献 2 1 黄 青 ， 唐 忠 并 联 有 源 滤 波 器 检 测 和 控 制 方 法 的 研 究与 仿 真IJ J 电 测 1 谢锡锋， 廖进， 郑立玲， 等 基于改进 自 适应谐波检测法的有源电力 与仪表， 2 0 1 2 ， 4 9 ( 1 0 ) ： 1 4 1 9 滤波器f J 电测与仪表， 2 0 1 2 ， 4 9 ( 4 ) ： 4 2 4 6 H U A N G Q i n g ， T A N G Z h o n g S t u d y a n d S i m u l a t i o n o n D e t e c t i o n a n d X I E X i f e n g ， L I AO j i n ，Z HE N G L i l i n g ，e t a 1 A c t i v e P o w e r F i l t e r C o n t r o l Me t h o d o f S h u n t Ac t i v e F i l t e r J 】 E l e c t r i c a l Me a s u r e me n t B a s e d o n I m p r o v e d A d a p t i v e H a r mo n i c D e t e c t i o n 】 E 1 e c t r i c a l I n s t r u me n t a t i o n ， 2 0 1 2 ， 4 9 ( 1 0 ) ： 1 4 1 9 M e a s u r e m e n t I n s t r u m e n t a t i o n 2 0 1 2 4 9 ( 4 ) ： 4 2 4 6 3 郭伟峰， 徐殿国， 武健， 等 L c L 有源电力滤波器新型控制方法m 中 一 1 22 - 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m