CN105990841A - 谐振注入型配电线路三相不平衡过电压抑制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐振注入型配电线路三相不平衡过电压抑制装置，该装置通过有源逆变电路向配电网中性点注入特定幅值与相位的零序电流，以达到三相不平衡过电压抑制的目的。该装置包含一并联谐振注入支路，可增大系统零序阻抗，以保证中性点电压较低时，装置注入电流的可控性。该装置控制系统采用比例谐振控制器进行电流控制，以实现注入电流的快速、高精度控制。本发明可快速、精确抑制配电网三相不平衡过电压，对提高电能质量、维护系统稳定有着重要的意义。

Description

谐振注入型配电线路三相不平衡过电压抑制装置

技术领域

本发明涉及一种谐振注入型配电线路三相不平衡过电压抑制装置，特别适用于配电网三相不平衡过电压抑制领域。

背景技术

由于我国配电网惯行的接地方式、线路架设方法与线路中电压互感器及补偿电容的不对称布置，使得我国配电网长期存在三相对地参数不对称的情况，容易引发三相不平衡。三相不平衡过电压会给电力系统及用户带来一系列的危害，包括：降低配电变压器的出力，危及变压器的安全与寿命；增加电动机和输电线路的损耗；影响用电设备尤其是单相负荷的正常运行；各相电压不对称还会危及系统的绝缘，并给故障检测带来困难，容易导致保护装置误动作。一旦在不平衡的情况下发生故障，还可能导致系统进入谐振状态，使中性点位移电压迅速增大，导致供电设备无法正常工作，影响配电系统供电可靠性。

目前国内外已有的配电网三相不平衡治理方法包括：（1）改变系统接地方式；（2）手动/自动投切电容/电抗器组；（3）使用电力电子设备控制的静止无功补偿装置。改变系统接地方式常用经消弧线圈接地或消弧线圈串联电阻接地，但该方法在系统运行方式发生较大变化时可能导致谐振的发生，带来更大的不平衡过电压；使用投切电容/电抗器组方式抑制三相不平衡时，投切时间及投切容量均由系统以往的运行经验推测、计算得来，难以精确快速地达到抑制要求；静止无功补偿装置采用电力电子及现代控制技术，动态性能优良，有十分广阔的应用前景，但这些装置的主要功能是对负荷不平衡引起的线路无功缺额进行补偿，只能减小输电线路上的电压偏移，并不能对中性点位移电压进行补偿。

因此，为了对三相参数不对称造成的三相不平衡过电压进行抑制，本发明提出了一种谐振注入型配电线路三相不平衡过电压抑制装置，其基本原理为：通过装置逆变电路向配电网中性点注入一零序电流，调整该电流的幅值和相位来控制系统零序电压，从而实现对三相不平衡过电压的抑制。为更好地注入该零序电流并控制系统零序电压，本发明采用并联谐振注入支路及注入电流闭环控制方法，可保证注入电流的可控性，实现对注入电流的快速、高精度控制，具深远的意义和广阔的应用前景。

发明内容

为解决配电线路三相对地参数不对称带来的三相不平衡问题，本发明提出了一种谐振注入型配电线路三相不平衡抑制装置，该装置主要由采样模块、DSP控制模块、整流电路、逆变电路、输出滤波器及谐振注入支路构成，通过闭环反馈控制注入电流幅值及相位实现三相不平衡抑制。

本发明的另一目的是提供了一种并联谐振注入支路拓扑结构，可在保证输出电流能力的情况下，实现输出电流的可靠调节。

本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：

1) 采样模块对中性点电压 U _N及三相电压 U _A、 U _B、 U _C进行连续、实时采样后将信号送入DSP主控板，并执行步骤2)；

2) 若中性点电压 U _N超过整定值，即系统相电压的15%，DSP将实时计算逆变电路占空比，并控制驱动电路产生PWM脉冲，经逆变电路输出适当的脉冲电压，并执行步骤3)；

3) 步骤2)中的脉冲电压经输出滤波器与谐振注入支路向配电网中性点注入电流，通过闭环反馈控制器实时调节采样模块检测的注入电流的幅值及相位，保证注入电流的无差调节，实现对三相不平衡的抑制，再返回步骤1)。

本发明的有益效果是：

1）可实时检测中性点电压，在中性点出现过电压时迅速注入零序电流对配电线路三相不平衡进行抑制；

2）谐振注入支路能增大配电系统零序阻抗，提高控制系统阻尼率，避免在三相不平衡抑制过程中出现注入零序电流不受控制的情况；

3）采用电流闭环反馈控制，以注入电流为控制目标，通过实时调节注入电流幅值与相位，达到快速抑制中性点电压的目的。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是谐振注入型配电线路三相不平衡抑制装置拓扑图。

图2是本发明的注入支路设计原理图。

图3为本发明的闭环控制系统示意图。

图4为比例谐振控制器的波特图。

图5为三相电压波形抑制前后对比图。

图6为采用并联谐振注入支路前中性点电压抑制效果图。

图7为采用并联谐振注入支路后中性点电压抑制效果图。

具体实施方式

图1为本发明装置的拓扑图， E _A、 E _B、 E _C是系统三相电源，R _A、R _B、R _C、C _A、C _B、C _C分别表示三相对地电阻及电容，L _i、R _i及C _i构成并联谐振注入支路，L ₀、C ₀为滤波支路，中性点电压 U _N及注入电流 I _i经采样器采样后输送至调理电路，DSP主控板对采集到的信号进行处理与计算后得到注入电流的幅值与相位，滤波后经注入支路注入中性点，具体计算方法如下：

由基尔霍夫定律可知：

(1)

如果注入电流取值为

(2)

则 U _N=0，即中性点位移电压为零，彻底消除了配电网正常运行时因三相对地不对称电流产生的中性点位移过电压。因此，通过向配电网中性点注入零序电流，可以实现中性点位移过电压抑制。

为保证注入电流能更好地抑制系统三相不平衡，实现对中性点电压精确迅速的控制，设计图2所示的并联谐振注入支路原理图。忽略系统对地电阻并进行戴维南等效后，配电网可等效为一电压源 E _S与电容C _S的串联支路，同时，输出电压 U ₀由整流逆变器发出，经滤波器滤波后输出电压 U ₁的幅值和相位完全可控。注入支路的阻抗可表示为：

(3)

在保证中性点电压为零的前提下，可知逆变器输出电压与注入电流的关系为：

(4)

因此，逆变器输出电压与注入支路参数的关系为：

(5)

综合权衡系统整体结构与谐振注入支路的关系，结合式（3）、（4）、（5），设计谐振注入支路具体参数，应满足的条件有：（1）注入支路电感、电容参数应避开谐振点，将其设计在感性偏谐5%的状态，以避免过大导致电流无法注入中性点的问题；（2）为防止注入支路与系统电容发生串联谐振，注入支路阻抗不能与配电网对地容抗相等；（3）为控制注入支路的功率损耗在一定范围，设计注入支路电阻的阻值为其感抗与容抗之差的10%。式（6）给出了注入支路参数的具体设计依据：

（6）

图3为本发明的电流控制系统示意图，为保证注入电流能迅速跟踪目标、提高控制精度、减小稳态误差，对电流采用比例谐振控制方法。同时考虑到在现实情况中元器件参数的测量问题以及数字控制器的精度有限，不可能使得谐振频率处的增益为无穷大，因此在设计比例谐振控制器时须考虑实际谐振频率与理想谐振频率的偏差，否则在实际谐振频率处由于增益的急剧下降，无法消除稳态误差。故综合上述分析取比例谐振控制器传递函数为：

（7）

并设置其参数为：k _p=1，k _r=1，为谐振频率。该比例谐振控制器能弥补实际频率与谐振频率之间的偏差引起的稳态精度偏低问题，且能够减小谐波对系统输出波形的影响，其波特图如图4所示。

本文建立了配电网三相不平衡过电压抑制系统的仿真模型，以验证所述三相不平衡过电压抑制装置原理的有效性，系统电源为线电压380V的对称三相交流电，设置A、B两相对地电容均为100，而C相对地电容C _C=200，从而人为地制造了配电网三相不平衡，0.1s时刻向系统注入电流，经过极短的时间后可将中性点电压抑制到零，实现了三相不平衡的精确、快速抑制（如图5、图6所示）。图7所示为使用并联谐振支路注入零序电流抑制中性点电压的仿真结果，对比图6与图7可以看到，通过谐振注入支路注入电流的抑制效果更为明显，且可以大大减小在注入电流瞬间对电网的冲击。

Claims (3)

1.一种谐振注入型配电线路三相不平衡过电压抑制装置，包括采样模块、DSP控制模块、整流电路、逆变电路、输出滤波器及谐振注入支路，其原理为：装置逆变电路在配电网发生三相不平衡过电压时输出零序电流，该电流经谐振注入支路注入配电网中性点，调节该电流的值可控制系统零序电压，实现三相不平衡过电压的抑制 具体步骤如下：

1）信号采样模块连续、实时测量配电网中性点电压及三相电压，当中性点电压大于整定值时，判定为配电网三相不平衡，执行步骤2)；

2）通过DSP主控板驱动有源逆变电路向配电网中性点注入一零序电流，对该注入电流采用闭环反馈控制，实时调节其幅值和相位，直到实现中性点位移电压的抑制，再返回步骤1)。

2.根据权利要求1所述的一种谐振注入支路，其特征在于：该支路位于输出滤波器与配电网中性点之间，可增大配电网零序阻抗，避免了注入电流不可控及装置控制系统振荡问题。

3.根据权利要求1所述的一种注入电流闭环控制方法，其特征在于：采用比例谐振控制器对注入电流进行控制，可使注入电流快速、精确地跟踪目标值，保证三相不平衡过电压抑制的实时性和准确性。