CN105610147A - 一种基于三相级联h桥变流器的配电网接地故障消弧方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三相级联H桥变流器的配电网接地故障消弧方法，采用三相级联H桥变流器代替消弧线圈，挂接在各相线和地之间，利用相电压为变流器直流侧电容供电，摒弃了升压变压器和接地变压器，解决了变流器直流侧取源难的问题。由变流器向配电网分相注入电流，补偿接地故障全电流为零或者抑制故障相电压为零，使得电弧自行熄灭，利用实时测量的零序电压计算参考补偿电流，省去了故障相识别环节。利用控制零序电压来调整注入补偿电流的电压消弧方法，简化了实现操作。考虑线路参数和负荷电流对消弧效果的影响并推导应用电压消弧方法后接地故障残流和故障后零序电压的关系，以零序电压作为电压和电流消弧方法的切换条件，提出自适应消弧方法。

Description

一种基于三相级联H桥变流器的配电网接地故障消弧方法

技术领域

本发明涉及一种基于三相级联H桥变流器的配电网接地故障消弧方法。

背景技术

配电网运行过程中存在大量因雷击、树枝等外物短时触碰导线、绝缘子污损击穿及电缆绝缘劣化等复杂原因引起的瞬时性单相接地故障。非有效接地方式，特别是谐振接地方式具有限制单相接地故障电流，自动消除瞬时单相接地故障，有利于熄灭接地电容电流在故障点形成的电弧，提高供电可靠性等优点，在国内外中压配电网中得到广泛应用。但是随着配电网规模的日益扩大和非线性负荷及电缆线路大量增加，导致线路对地电容电流增大，另外一方面发生单相接地故障时，传统的无源消弧技术无法补偿接地故障电流中大幅提高的有功电流分量和谐波电流分量，系统消弧能力降低，故障点的电弧难以自熄，接地电弧电流的能量及间歇性弧光接地产生的过电压严重威胁系统绝缘，易引起故障扩大。

现有的消弧装置按照能否补偿接地故障电流的谐波和有功分量分为有源消弧装置和无源消弧装置，其中有源消弧装置可补偿接地故障电流中的谐波和有功分量。另外，影响配电网接地故障消弧的主要因素有接地故障电流大小和故障相恢复电压，因此，按照控制对象不同分为电流消弧方法和电压消弧方法，电流消弧方法以接地故障电流为控制对象，即控制接地故障电流为零；电压消弧方法以故障点电压为控制对象，即控制故障相恢复电压为零。

现有的无源电流消弧方法以消弧线圈为代表，其在配电网发生单相接地故障时，中性点电压加在消弧线圈上产生感性无功电流，补偿故障电容电流，达到降低接地电流促使电弧熄灭的目的。现有的有源电流消弧装置以消弧线圈配合单个逆变器的主从式消弧线圈为代表，其中该消弧装置通过接地变压器和升压变接入配电网，接地故障发生后，消弧线圈补偿接地故障电流中的基波分量，逆变器补偿接地故障电流中的谐波分量和有功分量。

已有电压消弧方法因故障点位置无法确定，故一般用母线处故障相电压来近似故障点电压，其中无源电压消弧技术通过控制断路器，在故障相人为制造一个接地故障点，旁路原故障点，钳制故障相电压，使故障点恢复电压小于绝缘介质的击穿电压，阻止故障电弧重燃。根据人为接地设备的不同可分为直接接地、经电抗器接地、经氧化锌非线性电阻接地、经多级电阻接地等方式。已有有源电压消弧方法通过注入补偿电流，使母线处故障相电压为零。

现有的柔性自适应消弧方法在考虑线路参数影响的基础上，通过计算接地过渡电阻的大小作为电压消弧方法和电流消弧方法的切换条件。在高阻接地故障时采用电流消弧方法，低阻接地故障时采用电压消弧方法。

现有的无源电流消弧技术存在如下缺陷：无源电流消弧技术只能补偿接地故障电流的无功分量，无法补偿接地故障电流的谐波分量和有功分量，消弧效果有限。

现有的有源电流消弧技术存在如下缺陷：现有的有源电流消弧方法利用电源电压计算补偿电流，接地故障发生后需先进行故障相识别，利用单个逆变器作为补充消弧装置时，输出容量有限，谐波特性较差，需要升压变压器和接地变压器接入配电网且需添加给直流侧充电的设备，另外还需考虑其和主消弧装置的配合问题。

现有的无源电压消弧技术存在如下缺陷：直接接地方式因故障选相准确率受高阻接地及谐振过电压等因素的影响，错误的选相结果将引发相间故障；经阻抗接地方式，发生金属性等低阻接地时，旁路阻抗分流小，影响消弧效果。接地断路器在动作过程中，故障电弧无法得到有效抑制。另外，消弧装置退出运行时刻，对地电容存储的电荷只能通过三相电压互感器释放，可能导致互感器饱和，从而引发铁磁谐振。实际应用中还存在接地设备的参数配置困难等问题。

现有的有源电压消弧技术存在如下缺陷：开环控制时补偿电流计算较为复杂，闭环控制时补偿电流的反复调整使消弧装置的响应时间较长，无法满足接地故障消弧对快速性的要求。

现有的柔性自适应消弧方法存在如下缺陷：只考虑了线路参数对消弧效果影响，未分析故障馈线负荷电流的影响，且以过渡电阻大小作为两种消弧方法的切换条件，然而过渡电阻大小无法直接测量且计算较为复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于三相级联H桥变流器的配电网接地故障消弧方法，将零序电压的大小作为切换条件，自适应选择电压消弧方法和电流消弧方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于三相级联H桥变流器的配电网接地故障消弧方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S1：将三相星型连接的三相级联H桥多电平变流器的中性点接地，三相独立运行且分别通过电抗器连接至10kV配电网母线的三相线上；

步骤S2：在正常运行时，控制所述三相级联H桥多电平变流器定期向配电网注入电流信号用于检测并存储其等效对地电容值C₀和泄漏电阻值R₀；

步骤S3：在接地故障发生后，利用所述等效对地电容值C_o和泄漏电阻值R_o及实时监测的零序电压运算得到接地故障参考全电流

步骤S4：控制所述三相级联H桥多电平变流器输出所述接地故障参考全电流通过三相电压在补偿电流注入后，故障相电压降低，非故障相电压升高的变化趋势识别出故障相；

步骤S5：判断所述零序电压是否满足电压消弧方法的切换条件，若满足则使用电压消弧方法，控制零序电压为所述故障相的电压负值；否则继续使用电流消弧方法，进行步骤S6；

步骤S6：若采用电压消弧方法，则将当前注入电流值作为电流消弧方法参考值，平稳切换至电流消弧方法；若采用电流消弧方法则无需切换，再控制变流器只输出工频补偿电流，并逐渐减小直至零，若零序电压成比例变化，则判断为电弧已经熄灭，配电网恢复正常运行；若零序电压不成比例变化，则根据零序电压特征辨别是否为电弧故障，若是则继续注入电流信号；若不是，则判断为永久性经电阻接地故障，启动选线装置选出并隔离故障馈线。

进一步的，所述步骤S3中接地故障参考全电流的具体计算方法如下：

在配电网三相对地参数平衡的情况下，假设各相对地电容均为C_0g，各相对地泄漏电阻均为R_0g，单相注入参考补偿电流时：

${\stackrel{\·}{I}}_z={\stackrel{\·}{I}}_{Az}+{\stackrel{\·}{I}}_{Bz}+{\stackrel{\·}{I}}_{Cz}={\stackrel{\·}{U}}_0(\frac{3}{R_{0g}}+j3{\mathrm{\ωC}}_{0g})$

三相注入参考补偿电流时：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{Az}={\stackrel{\·}{U}}_A(\frac{1}{R_{0g}}+j\mathrm{\ω}{C}_{0g})\\ {\stackrel{\·}{I}}_{Bz}={\stackrel{\·}{U}}_B(\frac{1}{R_{0g}}+j\mathrm{\ω}{C}_{0g})\\ {\stackrel{\·}{I}}_{Cz}={\stackrel{\·}{U}}_C(\frac{1}{{R_j}_g}+j\mathrm{\ω}{C}_{0g})\end{array}\right.$

则故障相电压被限制为零，接地点故障电流也被限制为零；

在配电网三相对地参数不平衡时，取故障前后零序电压的差值和零序导纳计算所述故障参考全电流

${\stackrel{\·}{I}}_z=({\stackrel{\·}{U}}_0-{\stackrel{\·}{U}}_{00})(\frac{1}{R_0}+{\mathrm{j\ωC}}_0)$

其中：为零序电压，为故障前不对称电压，C₀和R₀为零序网络等效电容和泄漏电阻。

进一步的，所述步骤S5所述的电压消弧方法的切换条件为：只有当时切换为电压消弧方法，其中为零序电压的边界值，其大小与中性点不接地系统故障后母线处零序电压相等。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明将三相级联H桥型多电平变流器作为消弧装置应用于配电网接地故障消弧领域，通过变流器产生接地故障补偿电流，另外通过调整控制策略，可将该装置拓展应用于无功补偿，谐波抑制等领域；

2、本发明通过分析电流消弧方法原理，提出了利用实时检测的零序电压计算接地故障参考全电流，并利用注入补偿电流后三相电压的变化趋势选出故障相；

3、本发明通过分析电压消弧方法的原理，提出了利用控制零序电压为故障相电源电压的负值的方式抑制故障相恢复电压；

4、本发明通过分析线路参数和故障馈线负荷电流对电压和电流消弧方法的消弧效果的影响，提出电压消弧方法和电流消弧方法配合使用的自适应消弧方法；

5、本发明通过推导采用电压消弧方法后的故障残流和故障后零序电压的关系，提出将故障后的零序电压大小作为电压消弧方法和电流消弧方法的切换条件。

附图说明

图1是本发明的经三相级联H桥变流器柔性接地的配电网结构原理示意图。

图2是本发明分相注入补偿电流时配电网的等效电路图。

图3是本发明接地故障工频电流补偿控制结构图。

图4是本发明接地故障谐波和暂态电流补偿控制结构图。

图5是本发明电压电流双PI控制结构图。

图6是本发明配电网接地故障等效电路图。

图7a是图6的等效电路图之一。

图7b是图6的等效电路图之二。

图8是本发明故障点等效电路图。

图9是本发明一仿真实例的接地故障柔性自适应消弧方法的仿真模型。

图10是本发明一仿真实例的金属性接地故障时接地点故障电流波形图。

图11是本发明一仿真实例经200Ω电阻接地时接地点故障电流波形图。

图12是本发明一仿真实例经200Ω电阻接地时母线处相电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于三相级联H桥变流器分相柔性控制的配电网接地故障自适应消弧方法，采用三相级联H桥多电平变流器代替传统的消弧线圈，无需升压变压器及接地变压器，直接挂接在各相线和地之间，利用相电压为变流器直流侧电容供电，摒弃了升压变压器和接地变压器，解决了变流器直流侧取源难的问题。利用三相级联H桥型多电平逆变器向配电网分相注入电流，补偿接地故障全电流为零或者抑制故障相电压为零，使得瞬时性接地故障自行熄灭，利用实时测量的零序电压计算参考补偿电流，省去了故障相识别环节。利用控制零序电压来调整注入补偿电流的电压消弧方法，简化了实现操作且能够适应网络结构的变化。考虑线路参数和负荷电流对消弧效果的影响并推导应用电压消弧方法后接地故障残流和故障后零序电压的关系，以可直接测量的零序电压作为电压消弧方法和电流消弧方法的切换条件，提出自适应消弧方法。具体包括以下步骤：

步骤S1：将三相星型连接的三相级联H桥多电平变流器的中性点接地，三相独立运行且分别通过电抗器连接至10kV配电网母线的三相线上；

步骤S2：在正常运行时，控制所述三相级联H桥多电平变流器定期向配电网注入电流信号用于检测并存储其等效对地电容值C₀和泄漏电阻值R₀；

步骤S3：在接地故障发生后，利用所述等效对地电容值C_o和泄漏电阻值R_o及实时监测的零序电压运算得到接地故障参考全电流

步骤S4：控制所述三相级联H桥多电平变流器输出所述接地故障参考全电流通过三相电压在补偿电流注入后，故障相电压降低，非故障相电压升高的变化趋势识别出故障相；

步骤S5：判断所述零序电压是否满足电压消弧方法的切换条件，若满足则使用电压消弧方法，控制零序电压为所述故障相的电压负值；否则继续使用电流消弧方法，进行步骤S6；

步骤S6：若当前采用电压消弧方法，则将当前注入电流值作为电流消弧方法参考值，平稳切换至电流消弧方法；若当前采用电流消弧方法则无需切换，再控制变流器只输出工频补偿电流，并逐渐减小直至零，若零序电压成比例变化，则判断为电弧已经熄灭，配电网恢复正常运行；若零序电压不成比例变化，则根据零序电压特征辨别是否为电弧故障，若是则继续注入电流信号；若不是，则判断为永久性经电阻接地故障，启动选线装置选出并隔离故障馈线。

以下对本发明的技术方案从原理角度进行详细说明：

1.基于分相柔性控制的电流消弧方法及电压消弧方法

经级联H桥变流器柔性接地的配电网结构原理示意图如图1所示。三相级联H桥变流器三相星型连接，中性点直接接地，三相独立运行，因此变流器所注入电流均在零序网络流通，即和对地导纳支路形成流通回路。构建图1所示配电网在分相注入补偿电流时的等效电路图如图2所示。

列写图2中节点D的KCL方程，并将电压和网络参数代入，可得

$\begin{array}{c}({\stackrel{\·}{U}}_0+{\stackrel{\·}{E}}_C)(\frac{1}{r_C}+{\mathrm{j\ωC}}_{0C})+({\stackrel{\·}{U}}_0+{\stackrel{\·}{E}}_B)(\frac{1}{r_B}+{\mathrm{j\ωC}}_{0B})+\\ ({\stackrel{\·}{U}}_0+{\stackrel{\·}{E}}_A)(\frac{1}{R_f}+\frac{1}{r_A}+{\mathrm{j\ωC}}_{0A})-({\stackrel{\·}{I}}_{Az}+{\stackrel{\·}{I}}_{Bz}+{\stackrel{\·}{I}}_{Cz})=0\end{array}---\left(1\right)$

改变注入电流为了满足KCL，式(1)中的零序电压将产生相应的变化。若注入电流大小为整个网络的对地电容电流，则强制使故障相电压为零，此时以接地故障电流大小为控制目标，可称为柔性电流消弧方法；若零序电压为故障相电源电压负值，则强制变流器注入电流为金属性接地故障时非故障相对地电容电流，即故障后接地故障电流大小，此时以故障相电压为控制目标，可称为柔性电压消弧方法。

2.柔性电流消弧方法

2.1工频参考电流计算与补偿

根据故障相电压、中性点偏移电压、三相电源电压、各相对地电容、各相对地泄漏电阻以及级联H桥多电平变流器注入的电流等物理量相互间的关系，经推导可得到补偿流经接地点的故障电流基波分量所需注入的电流量与接地故障电阻无关，仅与中性点偏移电压、配电网的等效对地电容和泄漏电阻有关。

在配电网三相对地参数平衡的情况下，假设各相对地电容均为C_0g，对地泄漏电阻均为R_0g，由式(1)可得，若注入参考补偿电流如下：

单相注入时：

${\stackrel{\·}{I}}_z={\stackrel{\·}{I}}_{Az}+{\stackrel{\·}{I}}_{Bz}+{\stackrel{\·}{I}}_{Cz}={\stackrel{\·}{U}}_0(\frac{3}{R_{0g}}+j3{\mathrm{\ωC}}_{0g})---\left(2\right)$

三相注入时：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{Az}={\stackrel{\·}{U}}_A(\frac{1}{R_{0g}}+j\mathrm{\ω}{C}_{0g})\\ {\stackrel{\·}{I}}_{Bz}={\stackrel{\·}{U}}_B(\frac{1}{R_{0g}}+j\mathrm{\ω}{C}_{0g})\\ {\stackrel{\·}{I}}_{Cz}={\stackrel{\·}{U}}_C(\frac{1}{{R_j}_g}+j\mathrm{\ω}{C}_{0g})\end{array}\right.---\left(3\right)$

则故障相电压被限制为零，接地点故障电流也被限制为零。

为避免由配电网三相对地参数不平衡造成的故障电流计算误差，取故障前后零序电压的差值和零序导纳计算故障电流，相当于故障后的零序电压由三相对地参数不平衡和单相接地故障共同作用产生，故障前的零序电压由三相对地参数不平衡单独产生，将故障后的零序电压减去故障前的零序电压得到的差值即为仅仅由单相接地故障产生的零序电压，用该零序电压计算得到的即为接地点故障电流且排除了三相对地参数不平衡的影响。可得该工频参考电流如式(4)所示。

${\stackrel{\·}{I}}_z=({\stackrel{\·}{U}}_0-{\stackrel{\·}{U}}_{00})(\frac{1}{R_0}+{\mathrm{j\ωC}}_0)---\left(4\right)$

其中：为故障后零序电压，为故障前不对称电压，C₀和R₀为零序网络等效电容和泄漏电阻。

接地故障工频电流的补偿通过电流PI控制器实现，使变流器输出电流实时跟踪给定模块提供的给定电流值，即式(4)计算得到的电流值，其控制结构图如图3所示。其中为参考电流，i_z为实时检测的变流器输出电流，u_s为变流器并网节点电压。

2.2谐波电流和暂态电流补偿

将接地故障点等效成一个谐波电流源或高频衰减电流源，由故障电流的谐波分量和暂态分量的流通回路可知，故障电流的谐波分量和暂态分量是导致母线电压发生畸变的主要原因。因此，可利用abc-dq变换和dq-abc变换，从接地故障后的母线各相电压中提取零序电压的谐波分量和暂态分量，结合配电网对地参数，间接计算出流经故障点的故障电流的谐波分量和暂态高频衰减分量，此时为开环控制变流器输出谐波分量和暂态高频分量的补偿电流，可靠性较差。本文采用闭环控制的方式，即通过实时检测零序电压中的谐波分量和暂态高频分量的含量，并通过电压PI控制器调整变流器输出补偿电流使该含量为零，其控制结构图如图4所示，其中u_0ph为实时检测的零序电压谐波和暂态分量的值。

3.柔性电压消弧方法

本发明的柔性电压消弧方法采用控制零序电压为故障相电源电压负值的方式，其通过电压电流双PI控制器实现，控制结构图如图5所示。

4.消弧效果的影响因素

4.1线路参数和负荷电流对电流消弧方法的影响

在图1的基础上考虑线路阻抗的影响，构建如图6所示的等效电路图。

根据叠加原理，可将图6的电路图等效为图7中(a)图和(b)图的叠加。

假设接地故障电阻两端电压为图7(a)中计算得到的接地故障电阻电压为

${\stackrel{\·}{U}}_{R_{f}1}=\frac{R_f}{R_f{Y}_{oj}+1+R_f{Y}_{oj}{\mathrm{ZY}}_{oi}+{\mathrm{ZY}}_{oi}+R_f{Y}_{oi}}\·{\stackrel{\·}{I}}_Z---\left(5\right)$

图7(b)中计算得到的接地故障电阻电压为

${\stackrel{\·}{U}}_{R_{f}2}=\frac{1+Y_{oi}Z}{R_f{Y}_{oj}{\mathrm{ZY}}_{oi}+R_f{Y}_{oj}+R_f{Y}_{oi}+1+{\mathrm{ZY}}_{oi}}\·(-{\stackrel{\·}{U}}_f)---\left(6\right)$

由式(5)(6)可得接地电阻总电压为

${\stackrel{\·}{U}}_{R_f}=\frac{{\stackrel{\·}{I}}_Z{R}_f-{\stackrel{\·}{U}}_f(1+Y_{oi}Z)}{R_f{Y}_{oj}{\mathrm{ZY}}_{oi}+R_f{Y}_{oj}+R_f{Y}_{oi}+1+{\mathrm{ZY}}_{oi}}---\left(7\right)$

要使故障后故障点电压为零，则

${\stackrel{\·}{U}}_f^{\′}={\stackrel{\·}{U}}_{R_f}+{\stackrel{\·}{U}}_f=0---\left(8\right)$

将式(7)代入式(8)整理后得

${\stackrel{\·}{I}}_Z=-{\stackrel{\·}{U}}_f(Y_{0i}+Y_{0j}+Y_{0i}{Y}_{0j}Z)---\left(9\right)$

由式(9)可知，Y_0iY_0jZ与Y_0i+Y_0j相比很小，故线路阻抗对注入电流影响较小，且注入电流只在对地回路中流通，负载电流对电流消弧方法影响较小，但是其补偿精度受对地导纳Y_0i+Y_0j影响较大。

4.2线路参数和负荷电流对电压消弧方法的影响

电压消弧方法可等效为将母线处的故障相直接接地，电压消弧情况下故障点的等效电路图如图8所示。其中Z为线路阻抗，R_f为接地电阻，为流过线路阻抗的电流，为故障电流，为故障相负荷电流。

对故障点列写KCL可得

${\stackrel{\·}{I}}_{Zk}+{\stackrel{\·}{I}}_f={\stackrel{\·}{I}}_L---\left(10\right)$

$j_{Zk}=-\frac{{\stackrel{\·}{U}}_f^{\′}}{Z}---\left(11\right)$

${\stackrel{\·}{I}}_f=-\frac{{\stackrel{\·}{U}}_f^{\′}}{R_f}---\left(12\right)$

整理式(10)、(11)、(12)可得

${\stackrel{\·}{I}}_f=\frac{Z\·{\stackrel{\·}{I}}_L}{R_f+Z}---\left(13\right)$

${\stackrel{\·}{I}}_{Zk}=\frac{R_f\·{\stackrel{\·}{I}}_L}{R_f+Z}---\left(14\right)$

综合式(13)和式(14)可知，(1)若负荷电流且非母线发生接地故障，则电压消弧法抑制故障电流为零；(2)若接地电阻远小于线路阻抗，则电压消弧法增大了接地故障电流；(3)若接地电阻远大于线路阻抗，则电压消弧法有效地减小了接地故障电流。

综上，电流消弧方法电流消弧方法利用零序电压计算补偿电流，无需进行故障相判别，不受故障相判别的影响，且可用于故障相识别，但是其在对地参数测量不精确的情况下，接地故障残流较大，无法实现全补偿；进行接地故障电流的谐波电流补偿时，谐波电流提取较为困难；其无法抑制间歇性电弧过电压；高阻接地故障时，其补偿响应时间较长。电压消弧方法受接地故障电流谐波分量和暂态分量影响小，无需测量对地参数，能够适应网络结构变化，且能有效抑制间歇性电弧过电压。然其在接地过渡电阻远小于故障点到母线间阻抗的情况下，接地故障电流受负荷电流大小影响，可能增大接地故障电流，使得接地点电弧难于熄灭。因此，本文将电压消弧方法和电流消弧进行配合使用，在高阻接地故障时采用电压消弧方法，低阻接地故障时采用电流消弧方法。

5.电压和电流消弧方法的切换条件

以过渡电阻大小作为电压和电流消弧方法的切换条件时，过渡电阻不能直接测量且计算较为复杂，因此本文推导可直接测量的零序电压和故障残流的关系，以零序电压作为两种电压消弧方法的切换条件，推导过程如下：

由图6可推导出母线处零序电压为

${\stackrel{\·}{U}}_{0m}=\frac{-{\stackrel{\·}{U}}_f+{\stackrel{\·}{I}}_Z(Y_{oj}{\mathrm{ZR}}_f+Z+R_f)}{R_f(Y_{oj}{\mathrm{ZY}}_{oi}+Y_{oj}+Y_{oi})+1+{\mathrm{ZY}}_{oi}}---\left(15\right)$

设A相发生接地故障且母线处电压被控制为零，则

${\stackrel{\·}{U}}_{0m}+{\stackrel{\·}{E}}_A=0---\left(16\right)$

整理式(15)(16)，得到控制母线处故障相电压为零时需要注入的电流为

${\stackrel{\·}{I}}_Z^{\′}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_f-{\stackrel{\·}{E}}_A(1+R_f{Y}_{oj})}{Y_{oj}{\mathrm{ZR}}_f+Z+R_f}-{\stackrel{\·}{E}}_A{Y}_{oi}---\left(17\right)$

注入后故障点残流为

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\σ}}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_f(1+Y_{oj}Z)-{\stackrel{\·}{E}}_A}{Y_{oj}{\mathrm{ZR}}_f+Z+R_f}\≈\frac{{\stackrel{\·}{U}}_f-{\stackrel{\·}{E}}_A}{Z+R_f}---\left(18\right)$

由图7(b)可得出中性点不接地系统故障后母线处零序电压为

${\stackrel{\·}{U}}_{0m2}=\frac{1}{R_f(Y_{oj}{\mathrm{ZY}}_{oi}+Y_{oj}+Y_{oi})+1+{\mathrm{ZY}}_{oi}}\·(-{\stackrel{\·}{U}}_f)---\left(19\right)$

由于Y_ojZY_oi和ZY_oi相对较小，则式(19)简化为

${\stackrel{\·}{U}}_{0m2}=\frac{1}{R_f(Y_{oj}+Y_{oi})+1}\·(-{\stackrel{\·}{U}}_f)---\left(20\right)$

将式(18)代入式(20)可得电压消弧方法的残流和零序电压关系为

${\stackrel{\·}{U}}_{0m2}=\frac{-{\stackrel{\·}{U}}_f{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\σ}}}{({\stackrel{\·}{U}}_f-{\stackrel{\·}{E}}_A-Z{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\σ}})(Y_{oj}+Y_{oi})+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\σ}}}\≈\frac{-{\stackrel{\·}{E}}_A{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\σ}}}{({\stackrel{\·}{U}}_f-E_A)(Y_{oj}+Y_{oi})+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\σ}}}---\left(21\right)$

正常运行时线路电压降不超过5％，即在需要限制的残流值已知的情况下可根据式(21)计算零序电压的边界值作为电压消弧方法和电流消弧方法的切换条件。只有当故障后零序电压时采用电压消弧方法。

为了让一般技术人员更好的理解本发明的技术方案，以下结合一仿真实例对本发明进行进一步介绍。

利用PSCAD软件搭建如图9所示含6条馈线的配电网络仿真模型。配电线路采用Bergeron模型，主变压器采用型号SZ-31500/110/10的110kV变压器参数，连接组别为Yd11；配电变压器采用型号为S11-MR-10000/10/0.4的10kV变压器参数，连接组别为Dy11。具体参数如表1和表2所示。H桥单元的开关器件选用理想IGBT器件，其单个IGBT耐压选为7000V，级联数目选为4个，直流侧电容选择1000uF，连接电感值经计算及仿真确定为0.1H，载波频率选为2500Hz。

表1变压器参数

表2线路参数

对图9所示配电网络，0.2035s时分别设置C相发生金属性和经200Ω电阻接地故障，0.25s时注入电流消弧方法计算得到的补偿电流，0.35s时注入电流消弧方法计算得到的补偿电流。仿真结果如图10～图12所示。

由图10可知，金属性或低阻接地故障时电流消弧方法效果较电压消弧方法要好，故该情况下采用电流消弧方法进行接地故障消弧。

由图11可知，中高阻接地故障时，电压消弧方法效果较电流消弧方法好，故该情况下采用电压消弧方法。同时由图12可得，中高阻接地故障时，注入电流消弧方法计算得到的补偿电流后，母线处的故障相电压下降，非故障相电压上升，可据此判别出故障相用于电压消弧方法的补偿电流计算。

本发明在消弧装置方面：以三相级联H桥型多电平变流器作为消弧装置，相比于中性点接有源逆变器的拓扑结构而言，无需输出升压变压器和接地变压器，功率容量大，器件开关频率低、损耗小，易于模块化，电平数越高时输出波形的谐波含量越低且直流侧取源方便。在故障消弧方法方面：采用电流消弧方法时利用实时检测的零序电压计算接地故障参考全电流，无需进行故障选相，且可用于故障选相，弥补了现有有源电流消弧方法的消弧效果受故障相识别结果影响的不足；采用电压消弧方法时控制零序电压为电源电压负值以抑制故障相恢复电压，原理清晰，实现方便，弥补了现有有源电压消弧方法的补偿电流计算复杂的不足；采用可直接测量的零序电压作为电压消弧方法和电流消弧方法的切换条件，弥补了现有优化消弧方法中以过渡电阻大小作为切换条件时过渡电阻计算困难的不足。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种基于三相级联H桥变流器的配电网接地故障消弧方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S1：将三相星型连接的三相级联H桥多电平变流器的中性点接地，三相独立运行且分别通过电抗器连接至10kV配电网母线的三相线上；

步骤S2：在正常运行时，控制所述三相级联H桥多电平变流器定期向配电网注入电流信号用于检测并存储其等效对地电容值C₀和泄漏电阻值R₀；

步骤S3：在接地故障发生后，利用所述等效对地电容值C_o和泄漏电阻值R_o及实时监测的零序电压运算得到接地故障参考全电流

步骤S4：控制所述三相级联H桥多电平变流器输出所述接地故障参考全电流通过三相电压在补偿电流注入后，故障相电压降低，非故障相电压升高的变化趋势识别出故障相；

步骤S5：判断所述零序电压是否满足电压消弧方法的切换条件，若满足则使用电压消弧方法，控制零序电压为所述故障相的电压负值；否则继续使用电流消弧方法，进行步骤S6；

步骤S6：若采用电压消弧方法，则将当前注入电流值作为电流消弧方法参考值，平稳切换至电流消弧方法；若采用电流消弧方法则无需切换，再控制变流器只输出工频补偿电流，并逐渐减小直至零，若零序电压成比例变化，则判断为电弧已经熄灭，配电网恢复正常运行；若零序电压不成比例变化，则根据零序电压特征辨别是否为电弧故障，若是则继续注入电流信号；若不是，则判断为永久性经电阻接地故障，启动选线装置选出并隔离故障馈线。

2.根据权利要求1所述的基于三相级联H桥变流器的配电网接地故障消弧方法，其特征在于：所述步骤S3中接地故障参考全电流的具体计算方法如下：

在配电网三相对地参数平衡的情况下，假设各相对地电容均为C_0g，各相对地泄漏电阻均为R_0g，单相注入参考补偿电流时：

${\stackrel{\·}{I}}_z={\stackrel{\·}{I}}_{Az}+{\stackrel{\·}{I}}_{Bz}+{\stackrel{\·}{I}}_{Cz}={\stackrel{\·}{U}}_0(\frac{3}{R_{0g}}+j3{\mathrm{\ωC}}_{0g})$

三相注入参考补偿电流时：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{Az}={\stackrel{\·}{U}}_A\left(\frac{1}{R_{0g}}+{\mathrm{j\ωC}}_{0g}\right)\\ {\stackrel{\·}{I}}_{Bz}={\stackrel{\·}{U}}_B\left(\frac{1}{R_{0g}}+{\mathrm{j\ωC}}_{0g}\right)\\ {\stackrel{\·}{I}}_{Cz}={\stackrel{\·}{U}}_C\left(\frac{1}{R_{0g}}+{\mathrm{j\ωC}}_{0g}\right)\end{array}\right.$

则故障相电压被限制为零，接地点故障电流也被限制为零；

在配电网三相对地参数不平衡时，取故障前后零序电压的差值和零序导纳计算所述故障参考全电流

${\stackrel{\·}{I}}_z=({\stackrel{\·}{U}}_0-{\stackrel{\·}{U}}_{00})(\frac{1}{R_0}+{\mathrm{j\ωC}}_0)$

其中：为零序电压，为故障前不对称电压，C₀和R₀为零序网络等效电容和泄漏电阻。

3.根据权利要求1所述的基于三相级联H桥变流器的配电网接地故障消弧方法，其特征在于：所述步骤S5所述的电压消弧方法的切换条件为：只有当时切换为电压消弧方法，其中为零序电压的边界值，其大小与中性点不接地系统故障后母线处零序电压相等。