CN110880750A - 基于三相半桥逆变器的配电网接地故障消弧方法 - Google Patents

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夏添
周美娜
江洪伟
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

本发明公开了一种基于三相半桥逆变器的配电网接地故障消弧方法，采用三相半桥逆变器代替消弧线圈，挂接于各相母线和地之间，当电网发生接地故障时，利用测量的相电压计算补偿电流，从三相半桥逆变器向配电网分相注入特定相同电流，补偿接地故障电流为零，达到接地故障消弧的目的。该装置结构简单，无需接入升压变压器和接地变压器，响应迅速、灵敏度高，具有良好的消弧效果。

Description

基于三相半桥逆变器的配电网接地故障消弧方法
技术领域
本发明涉及接地故障有源消弧领域，具体地，涉及一种基于三相半桥逆变器的配电网接地故障消弧方法。
背景技术
随着配电网的迅速发展及电力电缆的大量使用，当系统发生单相接地故障时，接地电流也越来越大，电弧不易自行熄灭，若不能得到有效抑制，易发展成永久性单相接地故障，且可能引起超过3倍相电压的系统过电压，导致健全相绝缘薄弱环节击穿，造成相间短路。影响接地故障消弧的主要因素有:接地故障电流大小和间歇性电弧过电压(包括故障相恢复电压的初速度、恢复时间与恢复电压幅值)。接地故障消弧方法按照有无电源参与可分为有源和无源消弧方法，按照补偿对象可分为电压消弧和电流消弧。
无源电压消弧方法采用分相断路器短路接地故障相，从而达到钳位故障相电压，阻止电弧重燃的目的，消弧柜、快速接地开关、低励磁阻抗变压器接地装置在本质上都属于此类。但在高阻接地故障时易出现故障相判断错误，可能使正常相对地短路，引发相间短路导致出线断路器跳闸，降低供电可靠性。其本质上是改变配电网的零序阻抗，不能补偿有功电流和谐波电流，消弧效果有限，且消弧线圈和线路对地电容可能发生串联谐振，容易产生谐振过电压，危及电网安全。
有源消弧方法采用基于电力电子的有源电流发生装置，通过向配电网注入宽频段零序电流，达到钳位中性点电压或抑制接地故障电流的目的。有源电压消弧方法是通过控制有源逆变器向配电网注入零序电流，控制零序电压为故障相电压的相反数，促使故障点恢复电压为零，从而实现故障消弧。有源电流消弧方法通过控制有源补偿装置向配电网中性点注入可控的补偿电流，完全补偿接地电流中的有功分量、无功分量和谐波分量，促使故障点100％消弧。
已有柔性消弧方法多采用单个逆变器单元作为消弧线圈的补充装置，需要升压变压器经Z型变压器接入配电网，且其存在开关频率较低、谐波含量高、输出容量有限和直流侧电容取源困难等问题。因此，如何快速准确的实现消弧目的，保障配电网安全稳定的运行，成为亟待解决的难题。
发明内容
为解决上述配电网消弧方法中存在的技术问题，本发明提出了基于三相半桥逆变器的配电网接地故障消弧方法，该方法解决了配电网接地故障电流快速可靠抑制的难题。在配电网接地故障发生时，迅速向配电网各母线注入特定电流，强迫故障点电压为零，实现瞬时故障可靠消弧。其拓扑结构图如图1所示。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于三相半桥逆变器的配电网接地故障消弧方法，包括以下步骤：
步骤S1：将三相半桥逆变器直流侧两电容联结点接地，三相独立运行且分别通过滤波电路连接至配电网三相母线上；
步骤S2：当电网发生接地故障时，检测配电网对地电容值C0和泄漏电阻值R0，计算故障补偿电流I*，并确定各相注入电流大小
Figure BDA0002333750610000024
；
步骤S3：采集各相实际电感电流，通过电流闭环控制，将得到的调制波与三角载波比较后生成逆变器开关管驱动脉冲，以控制三相半桥逆变器向配电网注入电流，达到消弧的目的。
进一步的，步骤S2中故障补偿电流和各相注入电流的计算方法如下：
当配电网对地参数平衡时，假设各相对地电容均为C0，各相对地泄漏电阻均为R0，故障补偿电流I*：
Figure BDA0002333750610000021
其中U0为故障相对中性点电压；
各相注入电流大小为
Figure BDA0002333750610000022
Figure BDA0002333750610000023
进一步的，步骤S1中三相半桥逆变器直流侧为单一的电压源，直流源大小为2000V。
与现有技术相比，本发明之技术方案具有以下优点：
以三相半桥逆变器作为消弧装置，相比于中性点接有源逆变器的拓扑结构而言，无需接入升压变压器和接地变压器，功率容量大，损耗小；三相半桥逆变器控制方式简单，各相电流调节器参数相同，便于设置；本发明使用单一直流源提供消弧过程中消耗的能量，保证了消弧装置的长时间运行。
附图说明
图1为配电网有源消弧装置拓扑结构图。
图2为控制框图。
图3为参考电流与各相实际注入电流波形图。
图4为故障相电压仿真动态波形图。
图5为故障电流仿真动态波形图。
具体实施方式
首先测量配电网三相电压和零序电压，当判断接地故障发生时，通过三相半桥逆变器向配电网三相母线注入特定电流，将参考电流和每相采样电流的差值经比例积分控制器得到调制信号，再与三角载波比较后得到IGBT驱动脉冲，控制IGBT的通断产生逆变电流；逆变电流经滤波电路滤波后注入各母线，抑制故障点电压到零，达到消弧的目的。
为了验证本发明所描述的基于三相半桥逆变器的配电网接地故障消弧的有效性，在PSIM9.0仿真软件中搭建了消弧仿真模型，其仿真结果如图3至图5所示。从动态波形可以看出，控制系统对故障点电压的响应速度比快，通过观测发现，该系统对于故障点电压及故障电流的调整时间为5ms左右，远远小于随调式消弧线圈长达3～5个周波的响应时间。从图4与图5可以看出，投入基于有源消弧装置后，故障点电压Uf幅值由255V抑制到12.5V，故障电流If幅值由51A降低到1.7A，消弧效果明显，验证了本发明所提原理及方法的有效性。

Claims (4)

1.一种基于三相半桥逆变器的配电网接地故障消弧方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤S1：将三相半桥逆变器直流侧两电容联结点接地，三相独立运行且分别通过滤波电路连接至配电网三相母线上；
步骤S2：当电网发生接地故障时，检测配电网对地电容值C0和泄漏电阻值R0，计算故障补偿电流I*，并确定各相注入电流大小
Figure FDA0002333750600000011
步骤S3：采集各相实际电感电流，通过电流闭环控制，将得到的调制波与三角载波比较后生成逆变器开关管驱动脉冲，以控制三相半桥逆变器向配电网注入电流，达到消弧的目的。
2.根据权利要求1所述的基于三相半桥逆变器的配电网接地故障消弧方法，其特征在于：步骤S1中三相半桥逆变器直流侧为单一的电压源，直流源大小为2000V。
3.根据权利要求1所述的基于三相半桥逆变器的配电网接地故障消弧方法，其特征在于：步骤S2中故障补偿电流和各相注入电流的计算方法如下：
当配电网对地参数平衡时，假设各相对地电容均为C0，各相对地泄漏电阻均为R0，故障补偿电流I*：
Figure FDA0002333750600000012
其中U0为故障相对中性点电压；
各相注入电流大小为
Figure FDA0002333750600000013
Figure FDA0002333750600000014
4.根据权利要求1所述的基于三相半桥逆变器的配电网接地故障消弧方法，其特征在于：步骤S3中各相电流调节器均为比例积分调节器，且输出均接有限幅器。
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