CN109510187B - 基于有源可调复阻抗精确调谐控制的谐振接地系统故障相残压抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于有源可调复阻抗精确调谐控制的谐振接地系统故障相残压抑制方法，该方法实时跟踪故障相对地电压，利用有源可调复阻抗改变中性点注入的电抗电流，并采用复相量比例和积分环节控制有源可调复阻抗的电流，对零序回路进行精确调谐控制，使其进入高度谐振状态，此时，故障相对地电压和接地电流都将被有效抑制，由站内接地电阻、消弧线圈内阻、线路对地的不平衡导纳等环节引起的偏差都得到精确补偿，该方法对故障相在高、中、低阻接地故障时都能保持稳定收敛，是一种有效抑制故障相对地残压和残流的控制方法。

Description

基于有源可调复阻抗精确调谐控制的谐振接地系统故障相残 压抑制方法

技术领域

本发明涉及一种谐振接地系统单相接地故障电压的一种控制方法，尤其涉及一种基于有源可调复阻抗精确调谐控制的谐振接地系统故障相残压抑制方法，具体包括目标电气量的跟踪测量和有源可控消弧电感的闭环调谐控制方法。

背景技术

谐振接地系统的关键在于流经中性点接地电抗的电流必须和三相对地分布电容电流完全相等，使得消弧电抗和线路分布电容并联谐振，实现故障相对地电压最低，理论值为0伏。由于配电网的运行工况较为复杂，线路分布电容电导参数难以准确测量，因而也无法预先准确设定消弧电抗器参数。加上电抗设备实现参数连续调节的难度较大，预调匝消弧装置存在最小级差；相控消弧装置采用半波内斩波方式实现跟踪调节，存在调节延迟和斩波谐波问题等。因此，依赖零序参数测量结果并设置消弧电抗参数的控制方法总存在偏差，消弧装置动作后，故障相接地点对地总存在一定残余电压和接地残流。

近年来，多个文献提出了针对接地残压和残流的进一步补偿控制方法，包括文献1(《非有效接地系统接地故障相主动降压安全处理方法》，专利申请号：201710550400.3)、文献2(《一种配电网接地故障消弧和保护方法》，专利申请号：201110006701.2)、文献3(《基于双闭环控制的柔性接地装置消弧方法》，电力科学与技术学报，Vol.30No.4,Dec,2015.P63-70)、文献4(《一种主动干预式配电网消弧选线装置》，专利申请号：201720846940.1)等等。

文献1提供的方法需要采用多分接头接地变压器，利用调节分接头的方式寻找故障相残压最小工作点，主动降压支路采用阻抗缓冲，并作选相测试，避免误判后产生接地冲击。该方法使设备复杂化，并且不适用于配变直接谐振接地场合，其主动降压支路的操作存在威胁，并且未限制残压和残流，仅作为一种保护措施。

文献2提出利用注入电流法，使故障相对地电压为0，是传统消弧接地系统在精确谐振下的特征，但注入目标电流的设定表达式(见其[0016]段)中包含线路零序电容C₀和绝缘阻抗r₀，属于未知参数，且不能精确测量，并缺乏动态控制策略使对地电压为0。注入电流也未考虑站内接地电阻、消弧线圈内阻、接地变绕组内阻等有功消耗的影响，缺乏有功分量的补偿。其[0031]段中仅以故障相电压为中性点电压的目标提升值，不仅存在相电压测量偏差，而且接地电阻、线路电导等消耗无法得到有效补偿，故对地残压、残流无法收敛到0。且在其[0052]段中将对地电压最低的相判为故障相，是不恰当的，必须按中性点偏移方式判别。此外，在该文献中未提供残压数据。

文献3是文献2的拓展，其双环控制方法试图解决文献2中控制策略的缺失，但是系统方程中仍未考虑站内接地电阻等有功因素，且沿用了前述文献2中不恰当的判相方法。考虑到闭环控制回路的作用，在提升中性点电压到故障相电压幅度时，可以补偿一部分有功扰动，但是前述文献2[0031]段所述的0残压收敛问题仍存在。对比文献2和文献3的仿真结论，其方法并未获得更好的残流收敛结果。此外，该文献也未提供残压数据。

文献4为主动干预法的一个典型方案，该方案回避了消弧接地和匹配谐振工作点难题，转而利用故障相母线侧直接接地方案，试图在站内直接引流。但是由于接地电阻的存在，引流的效果只能是按阻抗分流。若在长线路负荷满载的情况下，线路压降会对故障接地电流产生影响，在金属性或低阻接地故障时的引流效果将更差。主动干预的高速开关带来的成本攀升、复杂性增加、相间短路保护等问题，选相差错时存在风险。

部分应用中提出消弧线圈和主动干预结合的方案，其残压效果会显著降低，但是无论从引流角度还是谐振状态看，残压残流收敛问题都无法解决。更不用说主动干预方式存在的问题及其风险。

利用传统消弧接地的感性电流使得零序回路谐振，降低接地残压，是广为接受的方法。但是零序参数的测量问题、电感电流的精确调谐问题、系统阻性分量的补偿问题，必须得到很好的解决，才能使回路能进入精确的谐振状态，故障相对地达到0残压，这是该类配电系统谐振接地方式下追求的理想接地状态。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于有源可调复阻抗精确调谐控制的谐振接地系统故障相残压抑制方法。

本发明是实时跟踪故障相对地电压，利用有源可调复阻抗改变中性点注入的电抗电流，并采用复相量比例和积分环节控制有源可调复阻抗的电流，对零序回路进行精确调谐控制。

具体的，该方法是采用常规谐振接地方式，中性点N经过消弧电感L、等值电阻R和可控逆变源单元

的串联支路接地，对中性点注入可调电流

取标准消弧电抗L₀的分数值L₀/m作为注入支路电抗L，且L₀、C₀满足谐振条件：

ω²L₀C₀＝1

使：

其中，

为故障相A相电压、C₀为总零序电容，为三相分布电容的总和，Y₀为总零序电导，为三相分布电导的总和，R_K为故障点K处的接地电阻，ω为配电网工频角频率；

以故障相A对地电压

为输入量，以中性点对地电压

系统零序网电流在注入支路上的压降为修正量，构造负反馈控制环，取恰当的复相量比例积分参数cPI[Kp+Ki/s]，使零序回路进入LC并联谐振状态，且环路输入量U_AG收敛到0，故障支路电流I_K亦为0；其中，输入复相量的实部和虚部均作PI控制计算；控制方程如下：

其中，复相量比例积分环节为：

cPI[a+jb]＝a(Kp+Ki/s)+jb(Kp+Ki/s)。

上述方案中，忽略线路零序总电流

及阻抗R_K这两处参数，控制方程简化为：

本发明方法可以采用直挂模式实施，即直接向中性点注入补偿感性电流，或采用隔离变压器向中性点注入感性电流。

本发明利用有源可调复阻抗改变中性点注入的电抗电流，通过实施恰当控制策略，消弧接地电抗支路可以体现为纯电感特性，和线路零序等值电容形成精确谐振。故障相对地电压和接地电流都将被有效抑制，由站内接地电阻、消弧线圈内阻、线路对地的不平衡导纳等环节引起的偏差都得到精确补偿，该方法对故障相在高、中、低阻接地故障时都能保持稳定收敛，是一种有效抑制故障相对地残压和残流的控制方法。

附图说明

图1是三相配电系统及有源可调复阻抗示意图；

图2是图1所示三相电路的等效零序电路；

图3是图2所示零序电路的等效回路；

图4是负反馈控制环；

图5是本发明最简控制框图；

图6是利用已有消弧线圈X1提供部分感性电流时的控制方案；

图7是10kV系统150A补偿电流仿真的故障支路电流曲线；

图8为收敛过程的细节展示。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明采用常规谐振接地方式，中性点N的消弧接地电抗支路中采可控逆变源单元

经电感L对中性点注入可调电流

实施恰当控制策略后，消弧接地电抗支路可以体现为纯电感特性，和线路零序等值电容形成精确谐振。

如图1所示，主变压器(或Z字形接地变压器)的中性点N经过消弧电感L、等值电阻R和可控逆变源单元

的串联支路接地，其中，等值电阻R为线圈电阻r和接地电阻Rg的总和。采用3个电压传感器V1、V2、V3分别测量三相母线对地电压

和

分析参量及其参考方向均如图1所示。不失一般性，设A相为故障相，故障点K处的接地电阻为R_K，三相线路对地分布电容分别为C₁、C₂和C₃，对地电导分别为Y₁、Y₂和Y₃。有：

在对称条件下，三相对地参数平衡，各相电容均为

电导均为

且三相电源也完全对称。注入源U_x为0时，中性点对地电压U_GN为0，电流I_X为0。

发生单相对地故障后，故障相A支路的电流为：

将式(2)、(3)、(5)代入式(4)，且代入相分布电容

分布电导

有：

即：

根据式(7)，图1所示的三相电路可以等效为图2所示的零序电路，其中，总零序电容C₀为三相分布电容C₁、C₂、C₃的总和，即

总零序电导Y₀为三相分布电导Y₁、Y₂、Y₃的总和，即

A相对地测量电压V1所测得的电压为故障相对地电压

对图2所示零序电路施加控制，使得受控消弧接地支路的端电压

精确地等于故障相电压

故障接地支路电流I_K将为0，等同于R_K开路，故障相对地电压

为0。那么，零序回路又可等效为图3所示的简洁回路。此时，式(7)即为：

中性点受控注入支路的注入电流

为：

其中，

由式(8)、式(9)可得：

取标准消弧电抗L₀的分数值L₀/m作为注入支路电抗L，且L₀、C₀满足谐振条件：

ω²L₀C₀＝1 (11)

将分数电抗取值和谐振条件代入式(10)，有：

式(12)即为零序回路中等值理想电抗的受控条件，可分为3项：末项为负电导电压分量，用于抵消线路分布电导Y₀支路；中项为负阻电压分量，用于抵消消弧注入支路的总电阻；首项为部分电抗对全电抗的等值电压分量。而且，对图1所示三相配电系统注入时，等值电抗值在容性和感性之间连续可调，当且仅当残压为0时，式(12)满足谐振条件。

若线路电导为0，则末项为0；若注入支路总电阻R为0，则中项为0；若取全电抗，m为1，则首项为0。三个条件同时满足时，受控源

取值为0，零序回路退化为纯电感、电容回路，在故障相电压激励下，由故障电阻R_K牵入LC振荡，振荡端电压收敛到故障相电压

实际工程中，这三个条件通常都不满足,但只要受控源

的幅值、相位按式(12)取值，图1所示的三相回路即可获得精确的谐振条件，使得故障相接地点残压为0。同样，如果存在一种控制方法，使得故障相接地点残压为0，那么，受控源

一定满足式(12)的条件，且回路处于精确谐振状态。这里将图1所示注入支路可称为“有源可调复阻抗”。

由式(7)，有：

其中，各参量取图2所示参考方向。

根据式(15)，本发明提出如下方案：以故障相对地电压

为输入量，以中性点对地电压

系统零序网电流在注入支路上的压降为修正量，构造如图4所示的负反馈控制环，取恰当的复相量比例积分参数cPI[Kp+Ki/s](见式17)，可使零序回路进入LC并联谐振状态，且环路输入量U_AG收敛到0，故障支路电流I_K亦为0。其中，输入复相量的实部和虚部均作PI控制计算。控制方程如下：

其中，复相量比例积分环节为：

cPI[a+jb]＝a(Kp+Ki/s)+jb(Kp+Ki/s) (17)

式(16)中，线路零序总电流

为谐振收敛条件下的复常数，实测值受接地电压

收敛过程影响。若接地电压

可靠收敛，该项可以取带偏差的复常数，甚至忽略，由cPI环节代偿。注意到注入支路、故障接地支路阻抗比(R+jωL)/R_K中包含未知阻抗R_K，会影响到cPI增益设置，可以根据中性点电压偏移量分段处理。忽略这两处参数，有最简控制表达式(18)，控制框图如图5所示。

由式(14)、式(18)考察控制系统稳定性：

其s域方程为：

控制系统特征方程为：

s³LC₀+s²(RC₀+LY₀+L/R_K)+s(RY₀+R/R_K+K_p)+K_i＝0 (22)

考虑150A容量的谐振接地系统：近似取3只28μF相对地电容，C₀为84μF；谐振连接电感L取15mH；Y₀取单相电导1μS的3倍：3μS；R取4Ω；R_K取1Ω。

特征方程有3个复根：(-5.01+j0)，(-604.64+j1896.47)，(-604.64-j1896.47)，均收敛。再令R_K以10Ω、100Ω、1000Ω、10000Ω接地，乃至不接地，均可靠收敛，即故障相对地电压收敛到0。

仿真结果：图7是10kV系统150A补偿电流仿真的故障支路电流曲线，A相线路在0.2秒发生单相接地故障，接地电阻为10Ω，控制系统在0.4秒启动，约在0.5秒左右基本收敛。图8为收敛过程的细节展示。

试验结果：在线电压173V、消弧容量100V4.5A/450VA和线电压400V、消弧容量230V45A/10kVA两个谐振接地试验系统中，本方案有相同结论，收敛过渡时间为3到5个工频周期。按电容标称值计算，谐振时感性电流补偿偏差在5‰左右，工频电压表残压读数为0V，控制系统实时输出50mV左右。

可见，本方案将0残压收敛目标、精确谐振条件设置、有功分量的补偿等问题归并到一个控制系统中，经恰当的闭环反馈控制，使几个问题同时得到解决。特别重要的是，故障相对地电压的测量属于0电压测量，电压传感器的检零精度要远高于非零测量精度。这些都是本方案的优越之处。

本发明专利提出的控制方案可以采用直挂模式实施，即直接向中性点注入补偿感性电流，也可以采用隔离变压器向中性点注入感性电流。是否采用隔离变压器，对本方案没有本质的影响。

利用已有消弧线圈X1提供部分感性电流时，本发明提出图6控制方案，其中

可以是部分电抗在

作用下的实测电流，也可以近似采用故障相电压

作用下的计算电流，不影响系统收敛。

对于由本专利提出的方案构造出的相近控制方案，其根本性质未发生明显变化时，也在本专利约束范围内。

Claims (3)

1.基于有源可调复阻抗精确调谐控制的谐振接地系统故障相残压抑制方法，其特征在于，实时跟踪故障相对地电压，利用有源可调复阻抗改变中性点注入的电抗电流，并采用复相量比例和积分环节控制有源可调复阻抗的电流，对零序回路进行精确调谐控制；该方法是采用常规谐振接地方式，中性点N经过消弧电感L、等值电阻R和可控逆变源单元

的串联支路接地，对中性点注入可调电流

取标准消弧电抗L₀的分数值L₀/m作为注入支路电抗L，L₀、C₀满足谐振条件：

ω²L₀C₀＝1

使：

其中，

为故障相A相电压、C₀为总零序电容，为三相分布电容的总和，Y₀为总零序电导，为三相分布电导的总和，R_K为故障点K处的接地电阻，ω为配电网工频角频率；

以故障相A对地电压

为输入量，以中性点对地电压

系统零序网电流在注入支路上的压降为修正量，构造负反馈控制环，取恰当的复相量比例积分参数cPI[Kp+Ki/s]，使零序回路进入LC并联谐振状态，且环路输入量U_AG收敛到0，故障支路电流I_K亦为0；其中，输入复相量的实部和虚部均作PI控制计算；控制方程如下：

其中，复相量比例积分环节为：

cPI[a+jb]＝a(Kp+Ki/s)+jb(Kp+Ki/s)。

2.根据权利要求1所述的基于有源可调复阻抗精确调谐控制的谐振接地系统故障相残压抑制方法，其特征在于，忽略线路零序总电流

及故障点K处的接地电阻R_K这两处参数，控制方程简化为：

3.根据权利要求1所述的基于有源可调复阻抗精确调谐控制的谐振接地系统故障相残压抑制方法，其特征在于，该方法采用直挂模式实施，即直接向中性点注入补偿感性电流，或采用隔离变压器向中性点注入感性电流。

Images