CN107732889A - 一种配电网三相不平衡零序过电压补偿装置电流控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种配电网三相不平衡零序过电压补偿装置电流控制方法，该方法通过控制补偿装置向配电网中性点注入的电流来达到抑制零序过电压的目的。该方法由补偿装置输出电流闭环和输出滤波器电容电流前馈环节组成。输出电流闭环控制器采用比例积分控制器与比例谐振控制器的组合形式，用于调节补偿装置输出电流；电容电流前馈环节采用特定比例将输出滤波器电容电流放大后与输出电流闭环控制器得到的控制量相叠加，用于提高控制系统阻尼，以增加系统稳定裕度。该方法可有效降低由于配电网三相不平衡及消弧线圈串联谐振引起的零序过电压，并通过有源阻尼的方式使控制系统具有更好的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及配电网中性点接地技术领域，具体地，涉及一种配电网三相不平衡零序过电压补偿装置电流控制方法。
背景技术
配电网接地系统的主要目标是为了限制接地电流，使单相接地故障所产生的电弧能够熄灭。接地系统还有一个目的，即控制中性点电压在一定的范围内，这对保证电力系统的稳定很重要。
配电网三相对地参数不平衡会产生三相不平衡电压，这直接决定了不接地系统和高电阻接地系统中性点电压。中性点对地电压与接地方式密切相关，为保证电力供应可靠性和熄灭故障电弧，大多数中压配电网采用高电阻接地和谐振接地方式，而消弧线圈发生串联谐振会使中性点对地电压升高。
在非有效接地系统中，可以采用一些措施被用来限制中性点电压，如三相循环换位和投切电容器或电抗器，这些方法需要大量人工且无法实现连续调节。在谐振接地方式下提高去谐和阻尼的比率能够降低发生谐振时中性点电压，但是这种方法无法消除由于分布参数不对称所造成的中性点对地电压。
本发明提出了一种配电网三相不平衡零序过电压补偿装置电流控制方法，该方法通过控制补偿装置向配电网中性点注入的电流来达到抑制零序过电压的目的。该方法容易实现且工作量小，能适应变化的电力系统运行模式。
发明内容
本发明提出了一种配电网三相不平衡零序过电压补偿装置电流控制方法，该方法通过控制补偿装置向配电网中性点注入的电流来达到抑制零序过电压的目的。该方法由补偿装置输出电流闭环和输出滤波器电容电流前馈环节组成。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
1、采用一种配电网三相不平衡零序过电压补偿装置电流控制方法，主要包括补偿装置输出电流闭环和输出滤波器电容电流前馈环节两部分。
2、根据1所述的补偿装置输出电流闭环，给定值为配电网不对称电流，具有 i0＝EAYA+EBYB+ECYC的形式；反馈值为补偿装置输出电流；控制器由比例积分控制器与比例谐振控制组合而成，具有的形式。其中EA、 EB、EC分别为配电网三相电压，YA、YB、YC分别为配电网三相对地导纳，kp_PI、 kp_PR为比例系数，ki为积分系数，kr为谐振系数，ωi为谐振阻尼系数，ω0为配电网基波频率。
3、根据1所述的输出滤波器电容电流前馈环节，将补偿装置中输出滤波器电容电流乘以特定的阻尼系数Hi后，与输出电流闭环控制器生成的控制量相叠加，从而得到PWM调制波。
4、根据3所述的阻尼系数Hi，其取值范围应满足其中fSW为补偿装置逆变器开关频率，Lo为补偿装置输出滤波器电感值，Kpwm为补偿装置逆变器增益。
5、根据3所述的补偿装置输出电流闭环控制器，其特征在于，控制器参数由以下范围限定：
其中，ωc为比例积分控制器剪切频率，Co为补偿装置输出滤波器电容值，Cs为配电网等效电容值，Ei为输出电流允许幅值误差，PM为控制系统相位裕度。
本发明的有益效果是：
通过向中性点注入电流实现接地故障电流全补偿，可有效降低由于配电网三相不平衡及消弧线圈串联谐振引起的零序过电压，并通过有源阻尼的方式使控制系统具有更好的稳定性。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为配电网拓扑结构。
图2为简化的配电网。
图3为补偿装置电流控制框图。
图4为摘要附图。
具体实施方式
本发明提出了一种配电网三相不平衡零序过电压补偿装置电流控制方法。图1 为配电网和补偿装置示意图，该补偿装置为基于单相逆变器的接地系统，通过该接地系统可以灵活地控制中性点位移电压。110KV系统通过变压器Td向 10KV母线供电之前没有中性点，通过变压器Tz建立一个中性点。图2是简化的配电网，Ea、Eb、Ec是三相电压。相X(X＝A,B或C)的分布电容和电阻分别是Cx和Rx，接地系统由单相全桥逆变器、LC滤波器和隔离变压器Ti组成。逆变器的DC母线由三相不可控整流器供电，这个整流器连接在TZ的二次绕组上。通过PWM逆变产生幅值相位可控的注入电流，通过注入电流iN完成i0的检测并补偿中性点位移电压。
检测i0大小和相位的方法为：首先预设iN的幅值为某值，改变iN的相角将其注入中性点直到uN出现最小值，将uN出现最小值时iN的相角命名为θr；然后稳定iN的相角于θr，改变iN幅值的大小并将其注入中性点直到uN出现最小值，将此时注入电流幅值命名为ir，最后注入电流幅值为ir相角为θr。
图3为简化后的主电路，CS和RS为转换配电网等效阻抗G∑到耦合变压器侧后的等效电容和等效电阻。在进行电流控制时采用输出电流闭环控制方法。调制信号vm和逆变器输出电流io之间的关系G1为
LC滤波器的电感Lo一般很小，当频率接近ωr的时候出现谐振，谐振频率与 CS有关随着配电网的参数变化而变化。
为保证控制系统在基波频率有最小稳态误差，本发明采用比例谐振控制器来实现，但该控制器会带来约-180°的相位变化。另外穿越频率ωc位于中频段，整个控制系统的相位裕度GC(s)＝GPR(s)G1(s)接近于零，这会使控制系统不稳定。
根据以上分析本发明采用有源阻尼法来抑制谐振满足控制系统要求，该方法可以有效抑制谐振且没有任何损耗。在该方法中Co的电流带上一个Hi比值反馈到控制回路，因此从电流调节器输出vr到输出电流io之间的传递函数为
电容电流反馈可以抑制谐振频率的大小并提高控制系统的相位裕度，阻尼程度随反馈系数的增大而增大，这意味着谐振频率越小相位裕度越大。同时电容电流反馈也带来了小幅度的基波频率，这会破坏稳态性能，因此在基波频率电流控制器的输出要足够大以获得最小的稳态误差。
电流控制器采用PI和PR的复合控制器，该复合控制器具有在零频率增益无穷大和在高频增益固定的优点。比例谐振控制器的值在低频段和高频段仅仅由 kp_PR决定，为避免高次谐波干扰，整个控制系统穿越频率设置在中频段，一般为 1/10的开关频率。电流控制器和整个系统的开环传递函数可以描述如下
Gi(s)＝GPR(s)GPI(s) (4)
Gt(s)＝GPR(s)GPI(s)G2(s) (5)
为得到一个有效的PWM波，调制波的最大频率应小于开关频率，所以阻尼系数Hi的取值范围为其中fSW为补偿装置逆变器开关频率，Lo为补偿装置输出滤波器电感值，Kpwm为补偿装置逆变器增益。
PI控制器在低频段有-90°相位移，这可能会降低控制系统的相位裕度，控制器的转折频率应比穿越频率小很多，即
在穿越频率PI控制器可以被视为一个增益为kp_PI的比例环节，因此穿越频率电流控制器的增益
|Gi(jωc)|＝|GPR(jωc)GPI(jωc)|＝kp_PR (9)
LC滤波器的电容Co设置得远小于分布电容Cs，Cs在穿越频率上的电抗远小于Lo，由以上分析可以得到
滤波器电容电流前馈环节中阻尼系数Hi被限制为一个很小的值，此外Co远小于Cs，因此有
在基波频率输出电流误差的大小可以描述稳态误差，若采用输出电流统一反馈，输出电流误差通过开环传递函数描述为
联立(3)到(7)，式(12)可以转化为
在基波频率下Lo的电感可以忽略不计，同时相比于kp_PR+kr的大小可以忽略不计，为了简化分析在基波频率时Cs的电抗也忽略不计，所以稳态误差约束可以描述为
考虑到分布电容Cs在穿越频率下的电抗是可以忽略的，可推导出相位裕度的约束如下
Claims (5)
1.一种配电网三相不平衡零序过电压补偿装置电流控制方法，其特征在于，主要包括补偿装置输出电流闭环和输出滤波器电容电流前馈环节两部分。
2.根据权利要求1所述的补偿装置输出电流闭环，其特征在于，给定值为配电网不对称电流，具有i0＝EAYA+EBYB+ECYC的形式；反馈值为补偿装置输出电流；控制器由比例积分控制器与比例谐振控制组合而成，具有的形式。其中EA、EB、EC分别为配电网三相电压，YA、YB、YC分别为配电网三相对地导纳，kp_PI、kp_PR为比例系数，ki为积分系数，kr为谐振系数，ωi为谐振阻尼系数，ω0为配电网基波频率。
3.根据权利要求1所述的输出滤波器电容电流前馈环节，其特征在于，将补偿装置中输出滤波器电容电流乘以特定的阻尼系数Hi后，与输出电流闭环控制器生成的控制量相叠加，从而得到PWM调制波。
4.根据权利要求3所述的阻尼系数Hi，其特征在于，其取值范围应满足其中fSW为补偿装置逆变器开关频率，Lo为补偿装置输出滤波器电感值，Kpwm为补偿装置逆变器增益。
5.根据权利要求2所述的补偿装置输出电流闭环控制器，其特征在于，控制器参数由以下范围限定：
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其中，ωc为比例积分控制器剪切频率，Co为补偿装置输出滤波器电容值，Cs为配电网等效电容值，Ei为输出电流允许幅值误差，PM为控制系统相位裕度。
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