CN106655144A - 基于双闭环控制的配电网故障有源电压消弧方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双闭环控制的配电网故障有源电压消弧方法及装置，方法包括以下步骤：采集配电网的三相电压和中性点电压，并判断配电网是否发生单相接地故障；如果配电网发生单相接地故障，则根据三相电压的大小确定故障相；向配电网中注入初始电流，获取故障相的相电压和中性点电压，通过双闭环控制方法，确定最佳的注入电流；将最佳的注入电流注入配电网中，实现瞬时单相接地故障的消弧。本发明实施例提供的方法及装置，基于双闭环控制方法，在配电网发生单相接地故障时，通过有源消弧装置向中性点注入电流，控制故障相电压为零，补偿故障相的无功电流分量、有功电流分量和谐波分量，实现瞬时单相接地故障的快速、高精度的彻底消弧。

Description

基于双闭环控制的配电网故障有源电压消弧方法及装置

技术领域

本发明涉及配电网故障消弧技术领域，尤其涉及一种基于双闭环控制的配电网故障有源电压消弧方法及装置。

背景技术

配电网的电力系统中输配电线路十分复杂，输配电线路间极易发生单相接地故障，其中，最常见的是瞬时性接地故障，严重影响配电网的安全稳定运行。我国配电网一般采用中性点不接地、经消弧线圈接地、经电阻接地、经电阻和电容接地等中性点非有效接地方式。随着配电网的发展，当输配电线路发生接地故障时，接地故障的瞬时电流增大，瞬时性接地故障的消弧能力减弱，故障点的电弧难以自行熄灭，易产生故障过电压，进而易引起停电事故，影响配电网的安全运行。

目前，传统的针对单相接地故障消弧的方法为电流消弧方法，电流消弧方法分为两种：一种是通过预调式消弧线圈补偿接地故障残流，减小介质损耗，抑制故障相恢复电压的上升速度，降低故障建弧率；另一种是通过随调式消弧线圈在接地故障时增大系统的零序阻抗，减小故障电流，促进故障消弧。

但是，采用上述的电流消弧方法都只能补偿故障点的无功电流，不能补偿有功电流，使电流消弧效果具有局限性。

发明内容

本发明提供了一种基于双闭环控制的配电网故障有源电压消弧方法及装置，以解决现有的电流消弧方法只能补偿故障点的无功电流，不能补偿有功电流，使电流消弧效果具有局限性的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于双闭环控制的配电网故障有源电压消弧方法，所述方法包括以下步骤：

采集配电网的三相电压和中性点电压，根据所述三相电压和所述中性点电压的关系，判断所述配电网是否发生单相接地故障；

如果所述配电网发生单相接地故障，则根据所述三相电压的大小确定发生单相接地故障的故障相；

向发生单相接地故障的配电网中注入初始电流，获取所述故障相的相电压和所述中性点电压，通过双闭环控制方法，确定最佳的注入电流；

将所述最佳的注入电流注入所述发生单相接地故障的配电网中，实现瞬时单相接地故障的消弧。

可选的，所述根据三相电压和所述中性点电压的关系，判断所述配电网是否发生单相接地故障的步骤，具体包括以下步骤：

如果所述中性点电压大于所述三相电压的15％，判断所述配电网发生单相接地故障；

如果所述中性点电压小于或等于所述三相电压的15％，判断所述配电网未发生单相接地故障。

可选的，所述根据三相电压的大小确定发生单相接地故障的故障相的过程，包括：

通过比较三相电压的值的大小，确定相电压为最小值的相为发生单相接地故障的故障相。

可选的，所述双闭环控制方法，具体包括以下步骤：

获取所述故障相的电压和中性点电压，以所述中性点电压作为参考电压，利用电压闭环控制方法，控制所述故障相的电压与所述参考电压相等，输出当前电流值；其中，所述故障相的电压与所述参考电压的幅值相等，相位相反；

向发生单相接地故障的配电网中注入初始电流，将所述当前电流值作为参考电流，利用电流内环控制方法，控制所述初始电流与所述参考电流相等，将控制后的初始电流作为最佳的注入电流。

可选的，所述电压外环控制方法，具体包括以下步骤：

根据所述故障相的电压，得到故障相电压相反数，以所述中性点电压作为参考电压，实时比较所述故障相电压相反数与所述参考电压的差值；

通过电压负反馈调节，使所述故障相电压相反数逼近所述参考电压；

经过比例积分传递函数，使所述故障相电压相反数与所述参考电压相等，得到相等时的当前电流值；

输出所述当前电流值。

可选的，所述电流内环控制方法，具体包括以下步骤：

根据所述初始电流，以所述当前电流值作为参考电流，通过一次传递函数的过程，得到注入电流的初值；

通过电流负反馈调节，将所述注入电流的初值反馈至所述初始电流进行比较，通过数次传递函数的过程，控制所述注入电流的初值与所述参考电流相等；其中，所述注入电流的初值与所述参考电流的幅值相等，相位相反；

通过比较和计算，得到控制后的注入电流的初值，即为最佳的注入电流。

可选的，所述将最佳的注入电流注入所述发生单相接地故障的配电网中，实现瞬时单相接地故障的消弧的过程，包括：

将所述最佳的注入电流注入发生单相接地故障的配电网中，使所述故障相的电压和电流分别抑制到零，补偿所述配电网的无功电流分量、有功电流分量和谐波分量，实现瞬时单相接地故障的消弧。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于双闭环控制的配电网故障有源电压消弧装置，所述基于双闭环控制的配电网故障有源电压消弧装置包括用于执行第一方面各种实现方式中方法步骤的模块。

采样判断模块，用于采集配电网的三相电压和中性点电压，根据所述三相电压和所述中性点电压的关系，判断所述配电网是否发生单相接地故障；

数据处理模块，用于如果所述配电网发生单相接地故障，则根据所述三相电压的大小确定发生单相接地故障的故障相；

注入电流确定模块，用于向发生单相接地故障的配电网中注入初始电流，获取所述故障相的相电压和所述中性点电压，通过双闭环控制方法，确定最佳的注入电流；

有源消弧模块，用于将所述最佳的注入电流注入所述发生单相接地故障的配电网中，实现瞬时单相接地故障的消弧。

由以上技术方案可知，本发明实施例提供的一种基于双闭环控制的配电网故障有源电压消弧方法及装置，方法包括以下步骤：采集配电网的三相电压和中性点电压，并判断配电网是否发生单相接地故障；如果配电网发生单相接地故障，则根据三相电压的大小确定发生单相接地故障的故障相；向发生单相接地故障的配电网中注入初始电流，获取故障相的相电压和中性点电压，通过双闭环控制方法，确定最佳的注入电流；将所述最佳的注入电流注入发生单相接地故障的配电网中，实现瞬时单相接地故障的消弧。本发明实施例提供的有源电压消弧方法及装置，基于双闭环控制方法，在配电网发生单相接地故障时，通过有源消弧装置向中性点注入可控零序电流，控制故障相电压为零，实现故障消弧。双闭环控制方法以故障相电压为控制目标，无需测量电容电流等配电网的对地参数，使消弧实现方便。先通过电压外环控制方法，得到当前电流值，并作为电流内环控制方法的参考电流，再通过电流内环控制方法，对有源消弧装置注入配电网的初始电流进行高精度实时控制，最终得到最佳的注入电流。将此最佳的注入电流注入发生单相接地故障的配电网中，控制故障相的电压为0，即故障相电流为0，补偿故障相的无功电流分量、有功电流分量和谐波分量，实现瞬时单相接地故障的快速、高精度的彻底消弧。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例示出的基于双闭环控制的配电网故障有源电压消弧方法的流程图；

图2为本发明实施例示出的基于双闭环控制的配电网故障有源电压消弧方法的原理电路图；

图3为本发明实施例示出的双闭环控制方法的结构框图；

图4为本发明实施例示出的双闭环控制方法的传递函数波特图；

图5为本发明实施例示出的基于双闭环控制的配电网故障有源电压消弧装置的结构框图；

图6为本发明实施例示出的发生单相接地故障的配电网故障点电流波形图；

图7为本发明实施例示出的发生单相接地故障的配电网故障相电压的抑制波形图；

图8为本发明实施例示出的发生单相接地故障的配电网注入电流的频率波形图；

图9为本发明实施例示出的发生单相接地故障的配电网参考电流和注入初始电流的动态跟踪波形图。

具体实施方式

第一方面，参见图1，为本发明实施例示出的基于双闭环控制的配电网故障有源电压消弧方法的流程图。

本发明实施例提供了一种基于双闭环控制的配电网故障有源电压消弧方法，包括以下步骤：

S1、采集配电网的三相电压和中性点电压，根据所述三相电压和所述中性点电压的关系，判断所述配电网是否发生单相接地故障；

S2、如果所述配电网发生单相接地故障，则根据所述三相电压的大小确定发生单相接地故障的故障相；

S3、向发生单相接地故障的配电网中注入初始电流，获取所述故障相的相电压和所述中性点电压，通过双闭环控制方法，确定最佳的注入电流；

S4、将所述最佳的注入电流注入所述发生单相接地故障的配电网中，实现瞬时单相接地故障的消弧。

本发明实施例提供的方法，搭配有源消弧装置一起使用。有源消弧装置可等效为一可控电流源，通过控制IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的通断向配电网中性点注入一特定幅值和相位的零序电流补偿接地故障全电流，实现对零序电压的控制，促使故障点电压为0，实现瞬时单相接地故障的彻底消弧。

参见图2，为本发明实施例示出的基于双闭环控制的配电网故障有源电压消弧方法的原理电路图。

如图2中虚线框内为有源消弧装置，包括调压器、不可控整流器、逆变器、滤波电感器、电容、电阻和变压器；调压器的一端与电源连接，另一端与所述不可控整流器相连接；不可控整流器的信号输出端与逆变器的信号接收端相连接，逆变器的信号输出端与滤波电感的信号接收端相连接，滤波电感的信号输出端与变压器的初级线圈相连接，变压器的次级线圈一端接地，另一端与配电网中性点的消弧线圈相连接。有源消弧装置通过中性点消弧线圈与配电网相连接。其中，不可控整流器与逆变器之间还并联有电容和电阻。

调压器用于将来自电源的电流电压升高，达到额定值；不可控整流器用于对电路进行整流和滤波；电容、电阻和滤波电感形成组合滤波，对电路进行精准滤波；逆变器用于将直流电转换成交流电；变压器用于变换电压，以使有源消弧装置输出的电流电压与配电网的额定电压相适配。

本发明实施例提供的有源电压消弧方法的原理为：基于PWM有源逆变器向配电网中性点注入一幅值和相位可控的零序电流来抑制零序电压，通过对零序电压的控制，达到抑制故障点电流的目的，破坏电弧重燃的条件，实现电压消弧。

图2中，U_S为电源，U_DC为直流母线电压，C_DC、R_DC为直流侧电容、电阻，L为输出滤波电感，L_p为中性点消弧线圈，E_A、E_B、E_C分别为配电网电源电动势，U_A、U_B、U_C分别为三相电压，U_N为中性点电压，I为通过PWM有源逆变器注入配电网的初始电流，r_A、r_B、r_C为配电网对地泄漏电阻，C_A、C_B、C_C为配电网对地电容，R_f为接地故障过渡电阻。

由基尔霍夫电流定律可知：

式中分别为配电网三相对地参数的导纳，为中性点对地导纳。

为实现单相接地故障的有源电压消弧，使故障相电压恢复恒为零，即U_C＝0，而U_C＝U_N+E_C，所以U_N＝-E_C，将式(1)化简得到注入的初始电流公式为：

I＝E_A*Y_A+E_B*Y_B-E_C*(Y_A+Y_B+Y₀) (2)

由式(2)可知注入的初始电流与接地故障过渡电阻R_f无关，只与配电网相电压、三相对地导纳和中性点对地导纳有关。且注入电流能够补偿故障电流的有功和无功分量，实现故障残流的全补偿，能有效克服现有消弧技术只能补偿无功电流的不足。因此，通过有源消弧装置注入电流，可以有效的控制故障电压恢复到零，实现单相接地故障的彻底消弧。

本发明实施例提供的有源电压消弧方法，其具体实现过程如下：

在步骤S1中，采集配电网的三相电压和中性点电压，根据所述三相电压和所述中性点电压的关系，判断所述配电网是否发生单相接地故障。

由于配电网中随着负荷的变化，随时会出现单相接地故障，因此需要实时控制，以达到消弧的目的。

首先，实时对配电网的A、B、C三相电压和中性点电压进行采集，根据中性点电压与A、B、C三相电压的关系，判断当前配电网是否发生单相接地故障，其判断方法如下：

如果所述中性点电压大于所述三相电压的15％，则判断所述配电网发生单相接地故障；

如果所述中性点电压小于或等于所述三相电压的15％，则判断所述配电网未发生单相接地故障。

在步骤S2中，如果所述配电网发生单相接地故障，则根据所述三相电压的大小确定发生单相接地故障的故障相；

如果配电网发生单相接地故障，则通过比较A、B、C三相电压的大小，确定相电压为最小值的相为发生单相接地故障的故障相。

例如，如果当前配电网的三相电压的关系满足U_A>U_B>U_C，C相的电压值最小，则确定C相为故障相。

在步骤S3中，向发生单相接地故障的配电网中注入初始电流，获取所述故障相的相电压和所述中性点电压，通过双闭环控制方法，确定最佳的注入电流；

当确定当前配电网发生单相接地故障并判断出故障相后，利用有源消弧装置向配电网中注入初始电流，而注入的初始电流可能无法完全补偿故障相的无功电流分量、有功电流分量和谐波分量，因此需要通过有源消弧装置对注入的初始电流进行转换，得到最佳的注入电流，实现注入的电流可以完全补偿故障相的无功电流分量、有功电流分量和谐波分量，以使故障相的电流和电压变为0，即实现消弧的目的。

如图3所示，为本发明实施例示出的双闭环控制方法的结构框图。

可选的，有源消弧装置对初始电流进行转换，以得到最佳的注入电流的方法可采用双闭环控制方法，包括以下步骤：

S301、获取所述故障相的电压和中性点电压，以所述中性点电压作为参考电压，利用电压闭环控制方法，控制所述故障相的电压与所述参考电压相等，输出当前电流值；其中，所述故障相的电压与所述参考电压的幅值相等，相位相反；

S302、向发生单相接地故障的配电网中注入初始电流，将所述当前电流值作为参考电流，利用电流内环控制方法，控制所述初始电流与所述参考电流相等，将控制后的初始电流作为最佳的注入电流。

具体地，由式(2)可知，注入电流由配电网对地导纳等参数确定，而实际上配电网的该参数实时测量困难。为实现故障相电压为零的控制目标，采用电力电子设备的闭环控制方法，无需测量配电网零序导纳、电容电流等参数，反馈控制注入电流幅值和相位，强迫故障相电压为零，达到电压消弧的目的。

为此，本发明实施例提出了比例谐振控制(PR控制)和PI控制的双闭环控制方法，由有源消弧装置执行相应过程。该方法采用串级控制，包括电流内环控制方法和电压外环控制方法，电流内环控制方法为PI控制器，电压外环控制方法为比例谐振控制器，电压外环控制为电流内环控制提供参考电流，电压外环控制的目标是中性点电压。比例谐振控制器能够对特定频率信号实现零稳态误差控制，消除谐波影响；PI控制器响应速度快、控制精度高，两者的结合能快速、可靠地实现故障点电流的抑制。

图3中，U_N*、U_N、I*、I分别为故障相电压相反数、中性点电压、注入的初始电流、当前电流值。G_PR为比例谐振控制器传递函数、G_PI为PI控制器传递函数、G_INV为逆变器的传递函数、G_O为逆变器输出电压与注入的初始电流之间的传递函数、G_S为注入的初始电流与中性点电压之间的传递函数。

可选的，本发明实施例提出的电压外环控制方法，具体包括以下步骤：

S3011、根据所述故障相的电压，得到故障相电压相反数，以所述中性点电压作为参考电压，实时比较所述故障相电压相反数与所述参考电压的差值；

S3012、通过电压负反馈调节，使所述参考电压逼近所述故障相电压相反数；

S3013、经过比例积分传递函数，使所述故障相电压相反数与所述参考电压相等，得到相等时的当前电流值；

S3014、输出所述当前电流值。

具体地，电压外环控制方法的最终目的就是控制中性点电压U_N，目的等同于将接地故障电压抑制到0，实际配电网的中性点电压U_N是随着时间变化的，参考电压U_N应满足与故障相电压幅值相等，相位相反的关系，以达到最终注入配电网后，使故障相电压调节为0的目的。

为实现故障相电压与中性点电压的幅值相等、相位相反的关系，可在采集到故障相电压后，通过计算，得到故障相电压相反数，并根据该故障相电压相反数与中性点电压的差值，控制故障相电压相反数随着中性点电压的变化而变化，直至二者相等。

双闭环控制方法的过程即为双闭环控制的传递函数的过程，通过数次传递函数，控制故障相电压相反数与参考电压相等，参考电压即为中性点电压。

经过一次传递函数控制的中性点电压再反馈到初始的故障相电压，通过电压负反馈调节，由外环控制器实时比较故障相电压相反数与中性点电压之间的差值，使故障相电压相反数逼近参考电压；经过比例积分传递函数，使故障相电压的相反数与中性点电压相等，并得到二者相等时的当前电流值。

电压外环控制方法的传递函数为：

其中，

式中，k_p、k_r为PR控制的比例系数和积分系数，ω_c为截止频率，ω为基波频率。

可选的，本发明实施例提出的电流内环控制方法，具体包括以下步骤：

S3021、根据所述初始电流，以所述当前电流值作为参考电流，通过一次传递函数的过程，得到注入电流的初值；

S3022、通过电流负反馈调节，将所述注入电流的初值反馈至所述初始电流进行比较，通过数次传递函数的过程，控制所述注入电流的初值与所述参考电流相等；其中，所述注入电流的初值与所述参考电流的幅值相等，相位相反；

S3023、通过比较和计算，得到控制后的注入电流的初值，即为最佳的注入电流。

具体地，电流内环控制方法以有源消弧装置向配电网注入的初始电流为控制目标，以电压外环控制方法得到的当前电流值作为参考电流，通过PI控制器实现初始电流的高精度实时控制。

实际控制时，初始电流I*根据G_PR的结果为参考，即以当前电流值作为参考电流，通过数次传递函数的过程，得到注入电流的初值；然后将此初值通过电流负反馈至初始电流I*进行比较，使得经过每一次传递函数的过程后，初始电流逐渐与参考电流相等。经过计算和比较，最终得出最佳的注入电流。其中，数次传递函数包括PI控制器传递函数G_PI、逆变器的传递函数G_INV及逆变器输出电压与注入初始电流之间的传递函数G_O。

由于注入电流的初值与所述参考电流的幅值相等、相位相反，因此，最佳的注入电流与故障相电流也存在幅值相等、相位相反的关系，进而可以保证当最佳的注入电流被注入到配电网中后，可以补偿故障相的无功电流分量、有功电流分量和谐波分量，使故障相电流变为0，即故障相电压为0，实现瞬时单相接地故障的彻底消弧。

本发明实施例提供的电流内环控制方法的传递函数为：

其中，G_INV＝K_INV、

式中，C_eq＝C_A+C_B+C_C；

式中，K_P、K_I为PI控制的比例系数和积分系数。

本发明实施例提供的方法还对双闭环控制方法的传递函数的稳定性进行了控制，为了保证各传递函数的稳定性，需要控制PI控制器的比例系数和积分系数K_P、K_I以及PR控制器的比例系数和积分系数k_p、k_r在合适的取值范围内。传递函数的控制系统参数取值如下表1所示：

表1传递函数的控制系统参数的取值

对双闭环控制方法的稳定性进行分析后，分别取K_P、K_I、k_p、k_r为1、5、1、5得到传递函数的波特图，如图4所示，从图4中可以得知，在基波频率附近幅值裕度大，稳定性高，增益大，高次波频率处增益趋向零，说明比例谐振与PI结合的双闭环控制能够有效减小稳态误差、滤除谐波，提高有源系统抑制精度，可使发生单相接地故障的配电网实现彻底消弧。

本发明实施例提供的双闭环控制方法，即电压外环控制方法和电流内环控制方法，以故障相电压为控制目标，无需测量电容电流等配电网的对地参数，使消弧实现方便。该双闭环控制方法以故障相电压为初始控制的电压值，通过电压外环控制方法，得到当前电流值，并作为电流内环控制方法的参考电流，通过电流内环控制方法，对有源消弧装置注入配电网的初始电流进行高精度实时控制，双闭环控制方法的结果为U_N*＝U_N，I*＝I，最终得到最佳的注入电流。将此最佳的注入电流注入发生单相接地故障的配电网中，控制故障相的电压为0，即故障相电流为0，补偿故障相的无功电流分量、有功电流分量和谐波分量，实现瞬时单相接地故障的彻底消弧。

本发明实施例提供的通过比例谐振和PI结合的双闭环控制方法向配电网中性点注入电流的方法，能够强制接地故障相电压和故障点电流为零，且响应速度快，波形畸变率低，实现了配电网单相接地故障的可靠消弧，具有控制精度高，实时性强，且能够消除稳态误差，提高逆变器的输出波形质量等特点。

在步骤S4中，将所述最佳的注入电流注入所述发生单相接地故障的配电网中，实现瞬时单相接地故障的消弧。

具体地，将所述最佳的注入电流注入发生单相接地故障的配电网中，使所述故障相的电压和电流分别抑制到零，补偿所述配电网的无功电流分量、有功电流分量和谐波分量，实现瞬时单相接地故障的消弧。

由以上技术方案可知，本发明实施例提供的基于双闭环控制的配电网故障有源电压消弧方法，包括以下步骤：采集配电网的三相电压和中性点电压，并判断配电网是否发生单相接地故障；如果配电网发生单相接地故障，则根据三相电压的大小确定发生单相接地故障的故障相；向发生单相接地故障的配电网中注入初始电流，获取故障相的相电压和中性点电压，通过双闭环控制方法，确定最佳的注入电流；将所述最佳的注入电流注入发生单相接地故障的配电网中，实现瞬时单相接地故障的消弧。本发明实施例提供的有源电压消弧方法，基于双闭环控制方法，在配电网发生单相接地故障时，通过有源消弧装置向中性点注入可控零序电流，控制故障相电压为零，实现故障消弧。双闭环控制方法以故障相电压为控制目标，无需测量电容电流等配电网的对地参数，使消弧实现方便。先通过电压外环控制方法，得到当前电流值，并作为电流内环控制方法的参考电流，再通过电流内环控制方法，对有源消弧装置注入配电网的初始电流进行高精度实时控制，最终得到最佳的注入电流。将此最佳的注入电流注入发生单相接地故障的配电网中，控制故障相的电压为0，即故障相电流为0，补偿故障相的无功电流分量、有功电流分量和谐波分量，实现瞬时单相接地故障的快速、高精度的彻底消弧。

第二方面，参见图5，为本发明实施例示出的基于双闭环控制的配电网故障有源电压消弧装置的结构框图。

本发明实施例提供了一种基于双闭环控制的配电网故障有源电压消弧装置，包括：

采样判断模块，用于采集配电网的三相电压和中性点电压，根据所述三相电压和所述中性点电压的关系，判断所述配电网是否发生单相接地故障；

数据处理模块，用于如果所述配电网发生单相接地故障，则根据所述三相电压的大小确定发生单相接地故障的故障相；

注入电流确定模块，用于向发生单相接地故障的配电网中注入初始电流，获取所述故障相的相电压和所述中性点电压，通过双闭环控制方法，确定最佳的注入电流；

有源消弧模块，用于将所述最佳的注入电流注入所述发生单相接地故障的配电网中，实现瞬时单相接地故障的消弧。

可选的，所述采样判断模块包括：采样模块和判断模块；

采样模块，用于采集配电网的三相电压和中性点电压；

判断模块，用于根据所述三相电压和所述中性点电压的关系，判断所述配电网是否发生单相接地故障。

其中，判断模块的判断方法为：如果所述中性点电压大于所述三相电压的15％，判断所述配电网发生单相接地故障；如果所述中性点电压小于或等于所述三相电压的15％，判断所述配电网未发生单相接地故障。

可选的，数据处理模块具体用于，通过比较三相电压的值的大小，确定相电压为最小值的相为发生单相接地故障的故障相。

可选的，注入电流确定模块包括：电压外环控制模块和电流内环控制模块；

电压外环控制模块，用于获取所述故障相的电压和中性点电压，以所述中性点电压作为参考电压，利用电压闭环控制方法，控制所述故障相的电压与所述参考电压相等，输出当前电流值；其中，所述故障相的电压与所述参考电压的幅值相等，相位相反；

电流内环控制模块，用于向发生单相接地故障的配电网中注入初始电流，将所述当前电流值作为参考电流，利用电流内环控制方法，控制所述初始电流与所述参考电流相等，将控制后的初始电流作为最佳的注入电流。

可选的，电压外环控制模块包括：

电压差值比较模块，用于根据所述故障相的电压，得到故障相电压相反数，以所述中性点电压作为参考电压，实时比较所述故障相电压相反数与所述参考电压的差值；

电压负反馈调节模块，用于通过电压负反馈调节，使所述故障相电压相反数逼近所述参考电压；

比例积分调节模块，用于经过比例积分传递函数，使所述故障相电压相反数与所述参考电压相等，得到相等时的当前电流值；

电流输出模块，用于输出所述当前电流值。

可选的，电流内环控制模块包括：

电流处理模块，用于根据所述初始电流，以所述当前电流值作为参考电流，通过一次传递函数的过程，得到注入电流的初值；

电流负反馈调节模块，用于通过电流负反馈调节，将所述注入电流的初值反馈至所述初始电流进行比较，通过数次传递函数的过程，控制所述注入电流的初值与所述参考电流相等；其中，所述注入电流的初值与所述参考电流的幅值相等，相位相反；

最佳电流确定模块，用于通过比较和计算，得到控制后的注入电流的初值，即为最佳的注入电流。

可选的，有源消弧模块具体用于，将所述最佳的注入电流注入发生单相接地故障的配电网中，使所述故障相的电压和电流分别抑制到零，补偿所述配电网的无功电流分量、有功电流分量和谐波分量，实现瞬时单相接地故障的消弧。

需要说明的是，本发明实施例对于有源电压消弧装置的实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。

下面结合具体的仿真实验过程来说明本发明实施例提供的基于双闭环控制的配电网故障有源电压消弧方法对配电网发生单相接地故障时的消弧效果。

采用RTDS软件对10kV配电网模型进行仿真分析，由于双闭环控制方法无需测量对地参数，进行多组仿真实验，确定对地参数对双闭环控制方法没有影响。仿真波形的仿真参数如表1所示，在配电网中注入电流前后的对比参数如下表2所示，仿真在0.1s时注入电流，抑制前后的电气参数如图6～图9所示：

表2注入电流前后配电网参数对比

图6为本发明实施例示出的发生单相接地故障的配电网故障点电流波形图。在0.08s前系统稳定运行，在0.08s时发生接地故障，有源消弧装置投入前，故障点电流达到198A，有源消弧装置投入后，故障点电流被抑制到1.8A，故障电流抑制幅度达到99.1％，抑制效果明显。

图7为本发明实施例示出的发生单相接地故障的配电网故障相电压的抑制波形图，在0.08s时投入电阻模拟接地故障，在0.1s时，投入有源消弧装置，故障相电压由4.95kV下降到0.04kV，故障相电压下降幅度到99.2％。

图8为本发明实施例示出的发生单相接地故障的配电网注入电流的频率波形图，高次谐波的总含量低于0.1％，几乎不存在波形畸变。

图9为本发明实施例示出的发生单相接地故障的配电网参考电流和注入电流的动态跟踪波形图，注入电流为545.6A，参考电流为553.1A，跟踪精度达到98.6％，稳态误差低。

由以上结果可以得知：通过比例谐振控制器和PI控制器的双闭环控制方法向配电网注入电流的方法能够在无需测量配电网对地参数的情况下抑制接地故障相电压和故障点电流，使故障相电压为零，即故障点电流为零，补偿配电网接地故障的无功电流分量、有功电流分量和谐波分量，且响应速度快，控制精度高，能实现瞬时故障的彻底消弧。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种基于双闭环控制的配电网故障有源电压消弧方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

采集配电网的三相电压和中性点电压，根据所述三相电压和所述中性点电压的关系，判断所述配电网是否发生单相接地故障；

如果所述配电网发生单相接地故障，则根据所述三相电压的大小确定发生单相接地故障的故障相；

向发生单相接地故障的配电网中注入初始电流，获取所述故障相的相电压和所述中性点电压，通过双闭环控制方法，确定最佳的注入电流；

将所述最佳的注入电流注入所述发生单相接地故障的配电网中，实现瞬时单相接地故障的消弧。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据三相电压和所述中性点电压的关系，判断所述配电网是否发生单相接地故障的步骤，包括以下步骤：

如果所述中性点电压大于所述三相电压的15％，判断所述配电网发生单相接地故障；

如果所述中性点电压小于或等于所述三相电压的15％，判断所述配电网未发生单相接地故障。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据三相电压的大小确定发生单相接地故障的故障相的过程，包括：

通过比较三相电压的值的大小，确定相电压为最小值的相为发生单相接地故障的故障相。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双闭环控制方法，包括以下步骤：

获取所述故障相的电压和中性点电压，以所述中性点电压作为参考电压，利用电压闭环控制方法，控制所述故障相的电压与所述参考电压相等，输出当前电流值；其中，所述故障相的电压与所述参考电压的幅值相等，相位相反；

向发生单相接地故障的配电网中注入初始电流，将所述当前电流值作为参考电流，利用电流内环控制方法，控制所述初始电流与所述参考电流相等，将控制后的初始电流作为最佳的注入电流。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电压外环控制方法，包括以下步骤：

根据所述故障相的电压，得到故障相电压相反数，以所述中性点电压作为参考电压，实时比较所述故障相电压相反数与所述参考电压的差值；

通过电压负反馈调节，使所述故障相电压相反数逼近所述参考电压；

经过比例积分传递函数，使所述故障相电压相反数与所述参考电压相等，得到相等时的当前电流值；

输出所述当前电流值。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电流内环控制方法，包括以下步骤：

根据所述初始电流，以所述当前电流值作为参考电流，通过一次传递函数的过程，得到注入电流的初值；

通过电流负反馈调节，将所述注入电流的初值反馈至所述初始电流进行比较，通过数次传递函数的过程，控制所述注入电流的初值与所述参考电流相等；其中，所述注入电流的初值与所述参考电流的幅值相等，相位相反；

通过比较和计算，得到控制后的注入电流的初值，即为最佳的注入电流。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将最佳的注入电流注入所述发生单相接地故障的配电网中，实现瞬时单相接地故障的消弧的过程，包括：

将所述最佳的注入电流注入发生单相接地故障的配电网中，使所述故障相的电压和电流分别抑制到零，补偿所述配电网的无功电流分量、有功电流分量和谐波分量，实现瞬时单相接地故障的消弧。

8.一种基于双闭环控制的配电网故障有源电压消弧装置，其特征在于，包括：

采样判断模块，用于采集配电网的三相电压和中性点电压，根据所述三相电压和所述中性点电压的关系，判断所述配电网是否发生单相接地故障；

数据处理模块，用于如果所述配电网发生单相接地故障，则根据所述三相电压的大小确定发生单相接地故障的故障相；

注入电流确定模块，用于向发生单相接地故障的配电网中注入初始电流，获取所述故障相的相电压和所述中性点电压，通过双闭环控制方法，确定最佳的注入电流；

有源消弧模块，用于将所述最佳的注入电流注入所述发生单相接地故障的配电网中，实现瞬时单相接地故障的消弧。