CN109301809B - 一种新型的配电网有源柔性消弧切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型的配电网有源柔性消弧切换方法，包括如下步骤：步骤S1：当系统处于正常运行状态时，通过注入特定频率的电流测量系统的对地参数；步骤S2：根据步骤S1测得的对地参数计算接地电阻的临界值；步骤S3：当单相接地故障发生后，向故障相注入谐波电流，通过注入的谐波电流与测得的谐波电压计算接地电阻；步骤S4：比较接地电阻与接地电阻的临界值，根据比较结果选择对应的消弧方法。本发明所提切换方法能适应应用中可能存在的影响因素，能够较准确地实现消弧方法的切换。

Description

一种新型的配电网有源柔性消弧切换方法

技术领域

本发明涉及配电网领域，具体涉及一种新型的配电网有源柔性消弧切换方法。

背景技术

随着配电网的发展，电力电缆的增加以及非线性负荷的大量接入，配电网发生瞬时性单相接地故障时，电弧电流中的有功分量与谐波分量含量增加，使接地故障电弧难以自行熄灭。为实现接地故障电流的全补偿，硬件方面必须克服单一无源器件仅能补偿无功分量的弊端，采用能够产生有功分量与谐波分量的有源逆变技术。现有的柔性消弧方法分为电压消弧法和电流消弧法，电压消弧法控制故障相电压为零，在高阻接地时补偿效果较好，电流消弧法控制故障电流为零，在低阻接地时补偿效果较好。但两种方法均不能满足各种接地情况的消弧要求，因此，研究电压消弧法和电流消弧法结合的优化消弧方法，实现两种方法的优势互补，对保证电网的安全运行具有实际应用价值。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新型的配电网有源柔性消弧切换方法，能结合电流消弧法和电压消弧法的优化消弧切换方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型的配电网有源柔性消弧切换方法，包括如下步骤：

步骤S1：当系统处于正常运行状态时，通过注入特定频率的电流测量系统的对地参数；

步骤S2：根据步骤S1测得的对地参数计算接地电阻的临界值；

步骤S3：当单相接地故障发生后，向故障相注入谐波电流，通过注入的谐波电流与测得的谐波电压计算接地电阻；

步骤S4：比较接地电阻与接地电阻的临界值，根据比较结果选择对应的消弧方法。

进一步的，所述步骤S1中的系统参数测量的具体过程如下：

配电网正常运行时，假设C_a，C_b，C_c分别为三相的总对地电容值，分别为三相的对地泄露电导，分别为三相电源电压。每隔一定的时间间隔，利用级联H桥多电平变流器向电网注入一个零序电流并测得此时的中性点零序电压为则有：

注入的零序电流由改为此时的中性点的零序电压将变为则有：

整理上述两式可得：

式中，和为已知量，和为可测得量，令C_∑＝C_a+C_b+C_c，由上式可得：

其中，C_∑，分别为配电网的对地等效电容和泄露电阻。将检测到电网参数进行保存，并定期更新。

进一步的，所述步骤S2具体如下：

当忽略线路泄露电阻，线路阻抗及负载电流对消弧效果的影响时，假设三相对地参数对称，电流消弧法的参考注入电流为：

其中，C_0k为各条馈线的对地电容，为中性点电压；此时，电流消弧法消弧残留为：

其中，Z_L0f为故障馈线的线路阻抗，Z_L0k为非故障线路的线路阻抗。电压消弧法控制故障相电压为零，其消弧残留为：

其中为负荷等效阻抗；

在发生单相接地故障时，结合电流消弧残留与电压消弧残留可求得两种消弧法残流与过渡电阻之间的关系

由上式可知，在过渡电阻达到某一临界值时，电压消弧法故障点残流将小于电流消弧法，为优化消弧效果保证故障点残流最小，可得消弧方法切换条件

由于H^*Z_L0f＜＜1，则上式可化简为

由上式可知，当时，切换条件R_f0＝0，即可直接采用电压消弧法；若可求得切换条件与线路阻抗之间的关系：

进一步的，所述接地电阻估算的方法如下：

当发生单相接地故障后，通过三相级联H桥向故障相注入频率为f_h的间谐波电流并测得注入间谐波电流后故障相母线对地频率为f_h的间谐波电压为简化计算，忽略R_f变化对流过C_af电流的影响，则间谐波电流与中性点对地间谐波电压满足如下关系

其中，ω_h＝2πf_h，为故障相电源电压，为测得的间谐波电压,可得过渡电阻R_f。

进一步的，所述步骤S4中具体为：

步骤S41:比较测得临界值与接地过渡电阻估算值的大小；

步骤S42:当接地过渡电阻大于或等于切换条件时，变流器控制母线故障相电压为零，即电压消弧法；当接地过渡电阻小于切换条件时，变流器控制接地故障电流为零，即电流消弧法。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用注入电流测量零序电压来测定电网参数，并且定时更新，可以适应系统的变化。

2、本发明利用配电网参数及实测数据计算两种消弧方法的残留，并进行比较，可以实现两种方法的优势互补，使有源柔性消弧效果达到最好。

3、本发明所用的接地电阻的估算方法，适用于其他场合，对分析故障特征及故障选线有一定的帮助。

4、本发明的一种新型的配电网有源柔性消弧切换方法能够在任何接地条件下选择合适的有源柔性消弧方法，在高阻接地，弧光接地，线路频繁变化时均能有效地测算切换条件，实现消弧方法的切换。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明实施例中所应用的10kV配电网模型。

图3为本发明实施例中C1、D1、L1、G1对比曲线图。

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。

请参照图1，本发明提供一种新型的配电网有源柔性消弧切换方法，包括如下步骤：

步骤S1：当系统处于正常运行状态时，通过注入特定频率的电流测量系统的对地参数，具体为：

配电网正常运行时，假设C_a，C_b，C_c分别为三相的总对地电容值，分别为三相的对地泄露电导，分别为三相电源电压。每隔一定的时间间隔，利用级联H桥多电平变流器向电网注入一个零序电流并测得此时的中性点零序电压为则有：

注入的零序电流由改为此时的中性点的零序电压将变为则有：

整理上述两式可得：

式中，和为已知量，和为可测得量，令C_∑＝C_a+C_b+C_c，由上式可得：

其中，C_∑，分别为配电网的对地等效电容和泄露电阻。将检测到电网参数进行保存，并定期更新。

步骤S2：根据S1测得的参数计算接地电阻的临界值，确定切换条件：

当忽略线路泄露电阻，线路阻抗及负载电流对消弧效果的影响时，假设三相对地参数对称，电流消弧法的参考注入电流为：

其中，C_0k为各条馈线的对地电容，为中性点电压。此时，电流消弧法消弧残留为：

其中，Z_L0f为故障馈线的线路阻抗，Z_L0k为非故障线路的线路阻抗。电压消弧法控制故障相电压为零，其消弧残留为：

其中为负荷等效阻抗。

在发生单相接地故障时，结合电流消弧残留与电压消弧残留可求得两种消弧法残流与过渡电阻之间的关系

由上式可知，电流消弧法故障点残流随接地过渡电阻的增大其故障点残流略微增大，而电压消弧法残流则迅速减小。因此，在过渡电阻达到某一临界值时，电压消弧法故障点残流将小于电流消弧法，为优化消弧效果保证故障点残流最小，可得消弧方法切换条件

由于H^*Z_L0f＜＜1，则上式可化简为

由上式可知，当时，切换条件R_f0＝0，即可直接采用电压消弧法；若可求得切换条件与线路阻抗之间的关系：

步骤S3：当单相接地故障发生后，通过装置注入的谐波电流与测得的谐波电压估算接地电阻，具体为：

发生单相接地故障后，配电网如图2所示。通过三相级联H桥向故障相注入频率为f_h的间谐波电流并测得注入间谐波电流后故障相母线对地频率为f_h的间谐波电压为简化计算，忽略R_f变化对流过C_af电流的影响，则间谐波电流与中性点对地间谐波电压满足如下关系

其中，ω_h＝2πf_h，为故障相电源电压，为测得的间谐波电压,可得过渡电阻R_f。

步骤S4：比较测得临界值与接地过渡电阻估算值的大小，当接地过渡电阻大于或等于切换条件时，变流器控制母线故障相电压为零，即电压消弧法；当接地过渡电阻小于切换条件时，变流器控制接地故障电流为零，即电流消弧法。

实施例1：

如图2所示，为验证该切换方法的可行性，采用MATLAB/SIMULINK软件搭建软件仿真模型。主变压器T1选用S(F)11系列110kV三相双绕组变压器，参数如表1所示。

表1主变压器参数

系统共10条馈线，线路类型为电缆(l₁,l₂…l₁₀)，长度依次为：3km，5km，7km，4km，1km，6km，3km，5km，4km，7km。线路参数采用配电网常用参数：正序电阻0.2700Ω/km，正序电容0.3390μF/km,正序电感0.2550mH/km；零序电阻2.7000Ω/km，零序电容0.2800μF/km，零序电感1.1090mH/km。ZT为Z型变压器，负荷经配电变压器S11-1000/10接入电网，参数为PL＝0.5MW，QL＝0.1Mvar。

110kV主变压器连接组别Yd11，变压器空载损耗17.6kW，短路损耗88kW，空载电流百分数I₀％＝0.54，短路电压百分数U_k％＝10.5。级联H桥取五级联，每级联直流侧电压2000V，直流侧电容取1000μF，滤波电感0.01H，IGBT最大电流为200A。Z型变压器由三个单相饱和变压器构成，型号为JSC-200/10.5，每个单相饱和变压器的一次侧和二次侧参数设为：U_rp＝U_rs＝10.5kV，R_p＝R_s＝13.7675Ω，L_p＝L_s＝65.8mH。负荷用等效阻抗(100+j40)Ω代替。

在本实施例中，对接地电阻测量方法进行验证。在发生单相接地故障后，通过多电平变流器向配电网中性点注入频率为f_h的间谐波电压通过上述可估算接地过渡电阻。表2为注入频率为70Hz的间谐波电流后不同过渡电阻的估算结果，测量最大误差为7.60％。

表2

当故障发生在馈线l10末端时，验证有源优化消弧方法的可行性，将对比曲线C1、D1、L1、G1同时绘入图3。曲线C1为线路拓扑(投入线路编号l1,l2…l10；)，采用传统电流消弧法时，故障点残留幅值随Rf变化的仿真曲线。曲线D1为将线路零序参数代入电流消弧残留公式计算的理论曲线。曲线L1为线路拓扑(投入线路编号l1,l2…l10；)，采用传统电压消弧法时，故障点残留幅值随Rf变化的仿真曲线。曲线G1为将线路零序参数代入电压消弧残留公式计算的理论曲线。由图3可知当故障发生在馈线l10末端时，仿真结果中最佳切换条件为446Ω，理论计算结果为411Ω，说明理论计算结果与仿真结果相近，消弧方法可以准确切换。

通过以上实施例及数据支持，可说明本切换适应性好，原理准确。

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 (4)

1.一种新型的配电网有源柔性消弧切换方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤S1：当系统处于正常运行状态时，通过注入特定频率不同幅值的电流测量系统的对地参数；

步骤S2：根据步骤S1测得的对地参数计算接地电阻的临界值；

步骤S3：当单相接地故障发生后，向故障相注入谐波电流，通过注入的谐波电流与测得的谐波电压计算接地电阻；

步骤S4：比较接地电阻与接地电阻的临界值，根据比较结果选择对应的消弧方法；所述步骤S1中的系统参数测量的具体过程如下：

配电网正常运行时，设C_a，C_b，C_c分别为三相的总对地电容值，分别为三相的对地泄露电导，分别为三相电源电压；每隔一定的时间间隔，利用级联H桥多电平变流器向电网注入一个零序电流并测得此时的中性点零序电压为则有：

注入的零序电流由改为此时的中性点的零序电压将变为则有：

整理上述两式可得：

式中，和为已知量，和为可测得量，令C_∑＝C_a+C_b+C_c，由上式可得：

其中，C_∑，分别为配电网的对地等效电容和泄露电阻，将检测到电网参数进行保存，并定期更新。

2.根据权利要求1所述的一种新型的配电网有源柔性消弧切换方法，其特征在于：所述步骤S2具体如下：

当忽略线路泄露电阻，线路阻抗及负载电流对消弧效果的影响时，假设三相对地参数对称，电流消弧法的参考注入电流为：

其中，n为配电网馈线数目，k为第k条馈线，C_0k为各条馈线的对地电容，为中性点电压；此时，电流消弧法消弧残留为：

其中，Z_L0f为故障馈线的线路阻抗，Z_L0k为非故障线路的线路阻抗，R_f为接地电阻；电压消弧法控制故障相电压为零，其消弧残留为：

其中，为负荷等效阻抗；P_LΣ为故障馈线三相有功功率之和，Q_LΣ为故障馈线三相无功功率之和；

在发生单相接地故障时，结合电流消弧残留与电压消弧残留可求得两种消弧法残流与接地电阻之间的关系

由上式可知，在过渡电阻达到某一临界值时，电压消弧法故障点残流将小于电流消弧法，为优化消弧效果保证故障点残流最小，可得消弧方法切换条件

式中，R_f0为接地电阻临界值；由于H^*Z_L0f 1，则上式可化简为

由上式可知，当时，接地电阻临界值R_f0＝0，即可直接采用电压消弧法；若可求得切换条件与线路阻抗之间的关系：

3.根据权利要求1所述的一种新型的配电网有源柔性消弧切换方法，其特征在于：所述接地电阻估算的方法如下：

当发生单相接地故障后，通过三相级联H桥向故障相注入频率为f_h的间谐波电流并测得注入间谐波电流后故障相母线对地频率为f_h的间谐波电压为简化计算，忽略R_f变化对流过C_af电流，C_af为故障馈线A相对地电容，则间谐波电流与中性点对地间谐波电压满足如下关系

式中：ω_h＝2πf_h，为故障相电源电压，为测得的间谐波电压,可得

接地电阻R_f；

4.根据权利要求1所述的一种新型的配电网有源柔性消弧切换方法，其特征在于：所述步骤S4中具体为：

步骤S41:比较测得临界值与接地过渡电阻估算值的大小；

步骤S42:当接地过渡电阻大于或等于切换条件时，变流器控制母线故障相电压为零，即电压消弧法；当接地过渡电阻小于切换条件时，变流器控制接地故障电流为零，即电流消弧法。