CN104167727A - 中压配电网铁磁谐振辨识与抑制的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中压配电网铁磁谐振辨识与抑制方法，包括以下步骤：在中压配电网中性点与地之间安装有源逆变装置；实时监测中压配电网母线零序电压，当零序电压大于10％额定相电压时，检测中压配电网是否发生铁磁谐振；如果中压配电网发生铁磁谐振，有源逆变装置向中压配电网注入零序电流信号，并跟踪零序电压实时改变注入零序电流的大小和方向，使零序电压为零，强迫中压配电网脱离铁磁谐振状态；然后停止注入零序电流，使中压配电网回归到正常运行状态。本发明通过有源逆变装置短时注入零序电流抑制铁磁谐振，能快速实现低频铁磁谐振、工频铁磁谐振和高频铁磁谐振的抑制，具有快速高效、操作简便、实用经济、不影响中压配电网正常运行等优点。

Description

中压配电网铁磁谐振辨识与抑制的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种中压配电网铁磁谐振辨识与抑制的系统。本发明还涉及采用所述系统进行中压配电网铁磁谐振辨识与抑制的方法。

背景技术

中压配电网易发生铁磁谐振，铁磁谐振发生时在电磁式电压互感器(PT)中引起的过饱和电流，其值可达到额定励磁电流的百倍以上，容易造成PT高压熔断器熔丝熔断，严重时烧毁PT，甚至引起PT爆炸。同时，铁磁谐振过电压持续时间长，有可能造成设备毁坏甚至是大面积停电事故，危及电网安全，造成巨大的经济损失。

我国中压配电网结构复杂，运行方式多变，可引发铁磁谐振的激励多种多样。诸如操作、雷击以及故障的发生与消除等暂态过程均能引发铁磁谐振；中压配电网在不同运行方式、不同激励条件下激发铁磁谐振的谐振频率、谐振持续时间及产生过电压大小各不相同，谐振机理十分复杂，中压配电网铁磁谐振的辨识与抑制十分困难。

国内外学者在长期研究的基础上，提出了一系列中压配电网铁磁谐振抑制方法，并研制出了部分消谐装置。这些方法与装置可分成两大类：一类是加装阻尼电阻，消耗谐振能量，抑制或消除铁磁谐振；一类是改变电网参数，使其远离谐振条件，防止铁磁谐振的发生。这些抑制方法与装置普遍存在功能单一、较大的抑制盲区、操作复杂、经济性差等不足之处。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种中压配电网铁磁谐振辨识与抑制的系统。

本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供一种采用上述系统进行中压配电网铁磁谐振辨识与抑制的方法。

采用本发明的系统和方法，就可以辨识与抑制中压配电网铁磁谐振，且操作简便、不影响中压配电网正常运行。

解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种中压配电网铁磁谐振辨识与抑制的系统，其特征是：包括在所述的中压配电网中性点与地之间安装的有源逆变装置，以及由依次连接的检测电路、闭环控制器和驱动电路组成的有源逆变装置零序电压双闭环控制装置，所述的检测电路外接并检测中压配电网中性点的电流u₀和电压I₀，驱动电路直接驱动所述的有源逆变装置。

所述的闭环控制器为依次连接的第一加法器、PI控制器、第二加法器和滞环控制器，第一加法器输入初始信号0和中压配电网中性点的电流u₀、第二加法器输入PI控制器和有源逆变装置的输出信号。

检测电路、驱动电路、滞环控制器都是现有技术，本领域的普通技术人员完全可以直接做出来，所以本文不再赘述。

解决上述第二个技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种采用上述系统进行中压配电网铁磁谐振辨识与抑制的方法，其特征是包括以下步骤：

S1实时监测中压配电网母线零序电压：当零序电压小于10％额定相电压时无需采用抑制措施，返回本步骤开始持续监测；当零序电压大于10％额定相电压时进入下一步骤；

S2对零序电压进行频谱分析：

当零序电压信号中10～40Hz频带分量的含量超过50％时，判断中压配电网发生低频铁磁谐振；

当零序电压信号中90～260Hz频带分量的含量超过50％时，判断中压配电网发生高频铁磁谐振；

若中压配电网不发生低频铁磁谐振和高频铁磁谐振，则通过有源逆变装置向中压配电网注入角速度为ω_Z的零序测量电流信号，计算中压配电网零序导纳为：Y₀＝g+jB；当电导g是中压配电网正常运行电导的0.8倍至1.2倍之间、且电纳B小于中压配电网正常运行电纳的0.5倍时，判断中压配电网发生工频铁磁谐振；

S3当判断低频、高频或工频铁磁谐振发生时，有源逆变装置向中压配电网分别注入相应频率的零序电流信号，并跟踪零序电压实时改变注入电流的大小和方向，直至零序电压为零，抑制铁磁谐振，强迫中压配电网脱离铁磁谐振状态；

否则，进行其他故障处理；

S4停止注入零序电流，使中压配电网回归到正常运行状态。

所述的步骤S3中跟踪零序电压实时改变注入零序电流的大小和方向的方法为：

采用零序电压外环、注入电流内环的双闭环控制方法，电压外环给定量为零，电压偏差经PI控制器调节后作为注入电流内环的给定信号，注入电流偏差经滞环控制器调节后产生IGBT触发脉冲。

以下对本方法做进一步说明：

图1为注入零序电流抑制中压配电网铁磁谐振原理示意图。

设中压配电网三相对地参数对称，E₁、E₂、E₃分别为中压配电网A、B、C三相电源电压，r₀为中压配电网单相对地的泄漏电阻，C₀为中压配电网单相对地电容，u₀为零序电压，为注入电流，L_A、L_B、L_C为互感器的励磁电感。

将互感器高压侧励磁电流写成的形式，为磁通，设高低压侧的绕组匝数分别为n₁，n₂，

三相绕组可写成：

式中，i_a、i_b、i_c为三相励磁电流；

根据基尔霍夫定律有：

$C_0(\frac{{\mathrm{dE}}_1}{\mathrm{dt}}+\frac{{\mathrm{dE}}_2}{\mathrm{dt}}+\frac{d{E}_3}{\mathrm{dt}})+i_1+i_2+i_3+\frac{1}{r_0}(E_1+E_2+E_3)=I_i;$

考虑到E₁+E₂+E₃＝3u₀，整理后得：

由 $\frac{n_2}{n_1}{u}_0=i_0\×R_0,$ 上式变为：

令 $R^{\′}=\frac{n_1^2{\mathrm{Rr}}_0}{9n_2^2{r}_0+3n_1^{2}R},$

最后得：

由上式可知，u₀、I_i表现为函数关系，即u₀＝F(I_i)，改变注入零序电流值，u₀将随之变化；选取合适的注入零序电流值，可强迫u₀为零，可根本上避免非线性电感元件进入饱和状态，抑制铁磁谐振发生。

图2为有源逆变装置零序电压双闭环控制方法原理框图，该控制系统由零序电压外环和注入电流内环组成，电压外环的控制目标为将中压配电网零序电压限制为零，从而达到抑制铁磁谐振的目的；电流内环用于实现对注入电流给定信号的实时跟踪。

本方法结合PI调节器实现简单以及滞环控制器响应快速的特点，在电压外环使用PI调节器，电流内环使用滞环控制器，以实现对零序电压和注入电流的快速、高精度控制。在该控制原理框图中，检测环节得到的零序电压和注入电流实时值分别作为电压外环和电流内环的输入信号，电压外环的给定量为零，其偏差值经PI调节器之后作为电流内环的给定信号，注入电流偏差量经滞环控制器后即产生有源逆变装置的驱动信号。

有益效果：经采用MATLAB软件对图1所示的中压配电网进行仿真分析，从仿真结果可以看出，本发明提出的铁磁谐振抑制方法，仅需短时注入零序电流，即可强迫中压配电网脱离铁磁谐振状态，抑制零序电压为零；且操作简便、不影响中压配电网正常运行。

附图说明

图1为中压配电网铁磁谐振抑制原理示意图；

图2为中压配电网零序电压双闭环控制方法原理框图；

图3为中压配电网铁磁谐振辨识与保护方法实现流程图；

图4为低频铁磁谐振抑制的三相电压图；

图5为低频铁磁谐振抑制零序电压波形图；

图6为低频铁磁谐振抑制注入的零序电流波形图；

图7为基频铁磁谐振抑制的三相电压图；

图8为基频铁磁谐振抑制零序电压波形图；

图9为基频铁磁谐振抑制注入的零序电流波形图；

图10为高频铁磁谐振抑制的三相电压图；

图11为高频铁磁谐振抑制零序电压波形图；

图12为高频铁磁谐振抑制注入的零序电流波形图。

具体实施方式

参见图1，本发明的中压配电网铁磁谐振辨识与抑制的系统实施例，包括在中压配电网中性点与地之间安装的有源逆变装置，以及由依次连接的检测电路、闭环控制器和驱动电路组成的有源逆变装置零序电压双闭环控制装置，检测电路外接并检测中压配电网中性点的电流u₀和电压I₀，驱动电路直接驱动所述的有源逆变装置。

参见图2，闭环控制器为依次连接的第一加法器、PI控制器、第二加法器和滞环控制器，第一加法器输入初始信号0和中压配电网中性点的电流u₀、第二加法器输入PI控制器和有源逆变装置的输出信号。

中压配电网铁磁谐振抑制实现流程图如图3所示，采用上述系统进行中压配电网铁磁谐振辨识与抑制的方法，其特征是包括以下步骤：

S1实时监测中压配电网母线零序电压：当零序电压小于10％额定相电压时无需采用抑制措施，返回本步骤开始持续监测；当零序电压大于10％额定相电压时进入下一步骤；

S2对零序电压进行频谱分析：

当零序电压信号中10～40Hz频带分量的含量超过50％时，判断中压配电网发生低频铁磁谐振；

当零序电压信号中90～260Hz频带分量的含量超过50％时，判断中压配电网发生高频铁磁谐振；

若中压配电网不发生低频铁磁谐振和高频铁磁谐振，则通过有源逆变装置向中压配电网注入角速度为ω_Z的零序测量电流信号，计算中压配电网零序导纳为：Y₀＝g+jB；当电导g是中压配电网正常运行电导的0.8倍至1.2倍之间、且电纳B小于中压配电网正常运行电纳的0.5倍时，判断中压配电网发生工频铁磁谐振；

S3当判断低频、高频或工频铁磁谐振发生时，有源逆变装置向中压配电网分别注入相应频率的零序电流信号，并跟踪零序电压实时改变注入电流的大小和方向，直至零序电压为零，抑制铁磁谐振，强迫中压配电网脱离铁磁谐振状态；

具体为：采用零序电压外环、注入电流内环的双闭环控制方法，电压外环给定量为零，电压偏差经PI控制器调节后作为注入电流内环的给定信号，注入电流偏差经滞环控制器调节后产生IGBT触发脉冲。

否则，进行其他故障处理；

S4停止注入零序电流，使中压配电网回归到正常运行状态。

在中压配电网中性点与地之间安装有源逆变装置，实时监测中压配电网母线零序电压；当零序电压大于10％额定相电压时，对零序电压进行频谱分析；如果零序电压信号中10～40Hz或90～260Hz频带分量的含量超过50％时，判断中压配电网发生低频铁磁谐振或高频铁磁谐振，有源逆变装置跟踪零序电压实时改变注入零序电流的大小和方向，使中压配电网零序电压为零，强迫中压配电网脱离铁磁谐振状态；然后停止注入零序电流，使中压配电网回归正常运行状态；否则，通过有源逆变装置向中压配电网注入角速度为ω_Z的零序测量电流信号，计算中压配电网零序导纳：Y₀＝g+jB，当电导g是中压配电网正常运行电导的0.8倍至1.2倍之间，且电纳B小于中压配电网正常运行电纳的0.5倍，判断中压配电网发生工频铁磁谐振，有源逆变装置注入零序电流，抑制铁磁谐振，使中压配电网回归正常运行状态；否则判断为其他故障，进行相应处理。

为验证本发明描述的中压配电网铁磁谐振辨识与抑制方法的可靠性，采用MATLAB软件对图1所示的中压配电网进行仿真分析。

图4、图7、图10分别为低频铁磁谐振、工频铁磁谐振、高频铁磁谐振抑制的中压配电网三相电压波形图。为直观的显示铁磁谐振抑制效果，初始时刻中压配电网即处于铁磁谐振状态，有源逆变装置在0.06s投入，装置完成铁磁谐振辨识后，注入零序电流抑制铁磁谐振；零序电流注入前，中压配电网一直处于铁磁谐振状态，三相电压异常；有源逆变装置投入后，铁磁谐振被抑制，三相电压恢复正常。

图5、图8、图11为分别为低频铁磁谐振、工频铁磁谐振、高频铁磁谐振中压配电网零序电压波形。有源逆变装置投入前，中压配电网处于铁磁谐振状态，存在较大零序电压；有源逆变装置投入后，对零序电压进行FFT变换分析零序电压频谱，分析结果为：分频谐振时，10～40Hz频段含量为95.7％，其中25Hz频率含量为94.3％，装置判断中压配电网发生低频铁磁谐振；高频谐振时，90～260Hz频段含量为92.6％，其中100Hz频率含量为90.2％，装置判断中压配电网发生高频铁磁谐振；工频谐振时，10～40Hz频段含量为1.8％，90～260Hz频段含量为2.3％，有源逆变装置注入频率为60Hz零序测量信号，测得中压配电网零序导纳为Y₀′＝(347+j2481)μs，中压配电网正常运行状态下零序导纳Y₀＝(352+j8432)μs，工频铁磁谐振时，电导为中压配电网正常情况下的0.986倍，电纳为中压配电网正常情况下的0.294倍，满足工频铁磁谐振条件。有源逆变装置注入零序电流抑制铁磁谐振，零序电流注入后，中压配电网零序电压被抑制为零。

图6、图9、图12为分别为低频铁磁谐振、工频铁磁谐振、高频铁磁谐振时注入零序电流波形，分频谐振时注入电流暂态峰值56A，经过2.5ms后，注入电流幅值逐步减小至零；工频谐振时注入电流暂态峰值13.5A，经过8ms后，注入电流幅值逐步减小至零；高频谐振时注入电流暂态峰值6.8A，经过17ms后，注入电流幅值逐步减小至零。

从上述的仿真结果可以看出，本发明提出的铁磁谐振抑制方法，仅需短时注入零序电流，即可强迫中压配电网脱离铁磁谐振状态，抑制零序电压为零。

Claims (5)

1.一种中压配电网铁磁谐振辨识与抑制的系统，其特征是：包括在所述中压配电网中性点与地之间安装的有源逆变装置，以及由依次连接的检测电路、闭环控制器和驱动电路组成的有源逆变装置零序电压双闭环控制装置，所述的检测电路外接并检测中压配电网中性点的电流u₀和电压I₀，驱动电路直接驱动所述的有源逆变装置。

2.根据权利要求1所述的中压配电网铁磁谐振辨识与抑制的系统，其特征是：所述的闭环控制器为依次连接的第一加法器、PI控制器、第二加法器和滞环控制器，第一加法器输入初始信号0和中压配电网中性点的电流u₀、第二加法器输入PI控制器和有源逆变装置的输出信号。

3.一种采用如权利要求1或2所述的系统进行中压配电网铁磁谐振辨识与抑制的方法，其特征是包括以下步骤：

S1实时监测中压配电网母线零序电压：当零序电压小于10％额定相电压时无需采用抑制措施，返回本步骤开始持续监测；当零序电压大于10％额定相电压时进入下一步骤；

S2对零序电压进行频谱分析：

当零序电压信号中10～40Hz频带分量的含量超过50％时，判断中压配电网发生低频铁磁谐振；

当零序电压信号中90～260Hz频带分量的含量超过50％时，判断中压配电网发生高频铁磁谐振；

若中压配电网不发生低频铁磁谐振和高频铁磁谐振，则通过有源逆变装置向中压配电网注入角速度为ω_Z的零序测量电流信号，计算中压配电网零序导纳为：Y₀＝g+jB；当电导g是中压配电网正常运行电导的0.8倍至1.2倍之间、且电纳B小于中压配电网正常运行电纳的0.5倍时，判断中压配电网发生工频铁磁谐振；

S3当判断低频、高频或工频铁磁谐振发生时，有源逆变装置向中压配电网分别注入相应频率的零序电流信号，并跟踪零序电压实时改变注入电流的大小和方向，直至零序电压为零，抑制铁磁谐振，强迫中压配电网脱离铁磁谐振状态；

否则，进行其他故障处理；

S4停止注入零序电流，使中压配电网回归到正常运行状态。

4.根据权利要求3所述的中压配电网铁磁谐振辨识与抑制的方法，其特征是：所述的步骤S3中跟踪零序电压实时改变注入零序电流的大小和方向的方法为：

采用零序电压外环、注入电流内环的双闭环控制方法，电压外环给定量为零，电压偏差经PI控制器调节后作为注入电流内环的给定信号，注入电流偏差经滞环控制器调节后产生IGBT触发脉冲。

5.根据权利要求4所述的中压配电网铁磁谐振辨识与抑制的方法，其特征是：所述的注入零序电流的大小和方向确定方法为：

设中压配电网三相对地参数对称，E₁、E₂、E₃分别为中压配电网A、B、C三相电源电压，r₀为中压配电网单相对地的泄漏电阻，C₀为中压配电网单相对地电容，u₀为零序电压，为注入电流，L_A、L_B、L_C为互感器的励磁电感；

将互感器高压侧励磁电流写成的形式，为磁通，设高低压侧的绕组匝数分别为n₁，n₂，

三相绕组可写成：

式中，i_a、i_b、i_c为三相励磁电流；

根据基尔霍夫定律有：

$C_0(\frac{{\mathrm{dE}}_1}{\mathrm{dt}}+\frac{{\mathrm{dE}}_2}{\mathrm{dt}}+\frac{d{E}_3}{\mathrm{dt}})+i_1+i_2+i_3+\frac{1}{r_0}(E_1+E_2+E_3)=I_i;$

考虑到E₁+E₂+E₃＝3u₀，整理后得：

由 $\frac{n_2}{n_1}{u}_0=i_0\×R_0,$ 上式变为：

令 $R^{\′}=\frac{n_1^2{\mathrm{Rr}}_0}{9n_2^2{r}_0+3n_1^{2}R},$

最后得：

由上式可知，u₀、I_i表现为函数关系，即u₀＝F(I_i)，改变注入零序电流值，u₀将随之变化；

也即：注入强迫u₀为零的零序电流值，可根本上避免非线性电感元件进入饱和状态，抑制铁磁谐振发生。