CN110994577A - 一种消弧线圈残余电流补偿系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种消弧线圈残余电流补偿系统及方法，消弧线圈残余电流补偿系统采用整流、逆变原理，由三相交流电源经整流、逆变，产生交流电源注入电网中性点与地之间。消弧线圈残余电流补偿系统由前级三相整流桥和后级单相全桥逆变组成。前级采用三相可控整流，输出稳定的直流电压；后级采用单相全桥逆变，通过构建虚拟矢量，采用锁相环得到参考角度，采用电流环调节器实现对给定电流的跟踪。本发明电流跟踪效果较好，对系统中的残余电流(有功分量)具有良好的补偿能力。
Description
技术领域
本发明涉及电子器件领域，具体涉及一种消弧线圈残余电流补偿系统及方法。
背景技术：
随着特高压交直流输电不断发展，国家电网有限公司对输变电方面的投资也是与日俱增，消弧线圈作为10kV-110kV配电网中的关键设备，关系着电网安全稳定运行。
消弧线圈主体是带有铁芯气隙的电感线圈，当系统发生单相接地故障时，消弧线圈的电感电流补偿了电网的对地电容电流，限制了接地故障电流的破坏作用，使得补偿后剩余的故障电流(残余电流)的接地电弧易于熄灭。当残余电流过零熄弧后，又能降低故障相恢复电压的初速度及其幅值，避免接地电弧的重燃，并使之彻底熄灭。由于接地故障电流的减小，有效地限制了接地电流和电弧的电动力、热效应和空气游离等的破坏作用，防止或减小了在故障点形成残留性故障的概率，使故障点介质绝缘的恢复强度很容易超过故障相电压的恢复初速度，从而，得以彻底熄灭接地电弧，补偿电网在瞬间恢复正常工作。
发生接地故障时，故障电流包含无功电流分量和残余电流分量(有功分量)。因电网中存在大量电容，导致无功电流分量成为主导因素。消弧线圈(谐振点)精调后能消除故障电流中的电容电流，因为电感电流和电容电流二者能相互抵消，使得回路中只留下残余电流(有功分量)。残余电流(有功分量)不仅会影响接地电弧的熄灭，而且会给电力系统和广大用户造成严重的危害。
发明内容
本发明的目的在于提供一种消弧线圈残余电流补偿系统及方法，以解决现有技术中导致的，当系统发生单相接地故障时，消弧线圈的电感电流只补偿了电网的对地电容电流，而对故障电流中的残余电流(有功分量)无法进行补偿的缺陷。
一种消弧线圈残余电流补偿系统，所述系统包括：
参数采集模块，与消弧线圈连接，用于采集线圈电性参数数据；
虚拟矢量模块，与所述参数采集模块连接，将采集的线圈电性参数数据作为输入并经过矢量转化得到电压分量数据和电流分量数据；
电流环运算模块，与所述虚拟矢量模块连接，将电流分量数据作为输入进行运算；
锁相环运算模块，与所述虚拟矢量模块连接，将电压分量数据作为输入进行运算；
数据运算模块，与所述电流环运算模块和所述锁相环运算模块连接，将所述电流环运算模块和所述锁相环运算模块运算得到的输出数据进行数据运算得到调制电压；
以及数据调制模块，分别与所述数据运算模块和所述消弧线圈连接，用于对调制电压进行调制后对所述消弧线圈进行补偿。
进一步的，所述虚拟矢量模块包括与所述锁相环运算模块连接的电压分量运算模块，所述电压分量运算模块包括依次连接的电压检测模块、低通滤波器模块一以及幅值补偿模块一；
所述锁相环运算模块包括分别与所述电压检测模块和幅值补偿模块一连接的PLL锁相环模块以及与所述PLL锁相环模块连接的积分运算模块，PLL(Phase Locked Loop，锁相回路)；
所述积分运算模块与所述数据运算模块连接。
进一步的，所述虚拟矢量模块包括与所述电流环运算模块连接的电流分量运算模块，所述电流分量运算模块包括依次连接的电流检测模块、低通滤波器模块二、幅值补偿模块二和运算模块一；
以及依次连接的低通滤波器模块三、幅值补偿模块三和所述运算模块一；
所述低通滤波器模块三与所述参数采集模块连接；
所述电流检测模块连接运算模块二，所述运算模块二与所述参数采集模块连接；
所述电流环运算模块包括与所述运算模块二依次连接的PI调节器模块一和运算模块三，PI(Proportional Integral)，比例积分；
与所述运算模块一依次连接的PI调节器二和运算模块四；
分别与所述电流检测模块和所述运算模块四连接的解耦量计算模块一；
分别与所述幅值补偿模块二和所述运算模块三连接的解耦量计算模块二；
所述运算模块三分别与所述参数采集模块和所述数据运算模块连接；
所述运算模块四与所述数据运算模块连接。
进一步的，所述数据运算模块通过反PARK变换将输入的数据变换为调制电压。
一种消弧线圈残余电流补偿方法，所述方法包括如下步骤：
将获取的线圈电性参数输入预先构建的虚拟矢量模型中；
通过虚拟矢量模型进行运算得到电压分量和电流分量；
将电压分量和电流分量分别输入锁相环和电流环运算；
根据锁相环和电流环运算得到的值以及线圈电性参数值通过变换得到输出电压；
根据输出电压调制计算得到调制比，根据调制比下发脉冲，产生电流进行补偿。
进一步的，获取的线圈电性参数包括采集得到的电压和电流以及残余电流的给定幅值和相位。
进一步的，所述虚拟矢量模型包括d-q旋转坐标系。
进一步的，所述电压分量包括参考电压d轴分量和参考电压q轴分量。
进一步的，所述电流分量包括残余电流给定量d轴分量、残余电流给定量q轴分量、残余电流反馈量d轴分量以及残余电流反馈量q轴分量。
进一步的，根据锁相环和电流环得到的值以及线圈电性参数值通过变换得到输出电压的方法包括如下步骤：
将残余电流给定量d轴分量、残余电流给定量q轴分量、残余电流反馈量d轴分量以及残余电流反馈量q轴分量输入电流环得到输出一；
将参考电压d轴分量和参考电压q轴分量输入锁相环得到输出二；
将输出一和输出二以及残余电流的给定相位通过变换得到输出电压。
本发明的优点在于：本发明通过构建虚拟矢量，将交流电压和交流电流转换到旋转坐标系下，采用锁相环得到参考角度，实现对系统电压和电流相位的锁定与跟踪；采用电流环得到调节器输出，通过计算得到输出电压；输出电压通过计算得到调制比，完成脉冲下发，实现对给定电流的较好跟踪。实验表明，本发明能够有效补偿系统中的残余电流(有功分量)，具有良好的应用前景。
附图说明
图1本发明的消弧线圈残余电流补偿系统拓扑图。
图2本发明的消弧线圈残余电流补偿系统后级单相逆变控制流程图。
图3本发明的消弧线圈残余电流补偿系统后级单相逆变锁相环控制框图。
图4本发明的消弧线圈残余电流补偿系统后级单相逆变电流环控制框图。
图5本发明的消弧线圈残余电流补偿系统软件录波波形。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1至图5所示，一种消弧线圈残余电流补偿系统，所述系统包括：
参数采集模块，与消弧线圈连接，用于采集线圈电性参数数据；
虚拟矢量模块，与所述参数采集模块连接，将采集的线圈电性参数数据作为输入并经过矢量转化得到电压分量数据和电流分量数据；
电流环运算模块，与所述虚拟矢量模块连接，将电流分量数据作为输入进行运算；
锁相环运算模块，与所述虚拟矢量模块连接，将电压分量数据作为输入进行运算；
数据运算模块，与所述电流环运算模块和所述锁相环运算模块连接，将所述电流环运算模块和所述锁相环运算模块运算得到的输出数据进行数据运算得到调制电压；
以及数据调制模块，分别与所述数据运算模块和所述消弧线圈连接，用于对调制电压进行调制后对所述消弧线圈进行补偿。
在本实施例中，所述虚拟矢量模块包括与所述锁相环运算模块连接的电压分量运算模块，所述电压分量运算模块包括依次连接的电压检测模块、低通滤波器模块一以及幅值补偿模块一；
所述锁相环运算模块包括分别与所述电压检测模块和幅值补偿模块一连接的PLL锁相环模块以及与所述PLL锁相环模块连接的积分运算模块，PLL(Phase Locked Loop，锁相回路)；
所述积分运算模块与所述数据运算模块连接。
在本实施例中，所述虚拟矢量模块包括与所述电流环运算模块连接的电流分量运算模块，所述电流分量运算模块包括依次连接的电流检测模块、低通滤波器模块二、幅值补偿模块二和运算模块一；
以及依次连接的低通滤波器模块三、幅值补偿模块三和所述运算模块一；
所述低通滤波器模块三与所述参数采集模块连接；
所述电流检测模块连接运算模块二，所述运算模块二与所述参数采集模块连接；
所述电流环运算模块包括与所述运算模块二依次连接的PI调节器模块一和运算模块三，PI(Proportional Integral)，比例积分；
与所述运算模块一依次连接的PI调节器二和运算模块四；
分别与所述电流检测模块和所述运算模块四连接的解耦量计算模块一；
分别与所述幅值补偿模块二和所述运算模块三连接的解耦量计算模块二；
所述运算模块三分别与所述参数采集模块和所述数据运算模块连接；
所述运算模块四与所述数据运算模块连接。
在本实施例中，所述数据运算模块通过反PARK变换将输入的数据变换为调制电压。
一种消弧线圈残余电流补偿方法，所述方法包括如下步骤：
将获取的线圈电性参数输入预先构建的虚拟矢量模型中；
通过虚拟矢量模型进行运算得到电压分量和电流分量；
将电压分量和电流分量分别输入锁相环和电流环运算；
根据锁相环和电流环运算得到的值以及线圈电性参数值通过变换得到输出电压；
根据输出电压调制计算得到调制比，根据调制比下发脉冲，产生电流进行补偿。
在本实施例中，获取的线圈电性参数包括采集得到的电压和电流以及残余电流的给定幅值和相位。
在本实施例中，所述虚拟矢量模型包括d-q旋转坐标系。
在本实施例中，所述电压分量包括参考电压d轴分量和参考电压q轴分量。
在本实施例中，所述电流分量包括残余电流给定量d轴分量、残余电流给定量q轴分量、残余电流反馈量d轴分量以及残余电流反馈量q轴分量。
在本实施例中，根据锁相环和电流环得到的值以及线圈电性参数值通过变换得到输出电压的方法包括如下步骤：
将残余电流给定量d轴分量、残余电流给定量q轴分量、残余电流反馈量d轴分量以及残余电流反馈量q轴分量输入电流环得到输出一；
将参考电压d轴分量和参考电压q轴分量输入锁相环得到输出二；
将输出一和输出二以及残余电流的给定相位通过变换得到输出电压。
基于上述，将本发明的技术方案结合附图进行说明：
图1所示是本发明的消弧线圈残余电流补偿系统拓扑图，由前级三相可控整流和后级单相全桥逆变组成。图2为本发明的消弧线圈残余电流补偿系统后级单相全桥逆变控制流程图，具体步骤如下：
(1)、电压、电流采样，电流给定获取；
(2)、构建虚拟矢量，得到d-q旋转坐标系下电压电流分量；
(3)、电流环PI调节器控制；
(4)、锁相环PI调节器控制；
(5)、控制电压计算；
(6)、输出电压计算；
(7)、调制比计算，输出脉冲。
图3为本发明的消弧线圈残余电流补偿系统后级单相逆变锁相环控制框图，具体步骤如下：
(1)、在d-q旋转坐标系下，将Vs作为参考电压d轴分量ud,将Vs通过截止频率为50Hz的一阶低通滤波器后的输出量作为参考电压q轴分量uq；
(2)、将步骤(1)中得到的ud和uq通过锁相环PI调节器实现对ud＝0的控制，根据锁相环PI调节器的输出得到参考角速度ω，对锁相环PI调节器的输出进行积分得到参考角度θ。
图4为本发明的消弧线圈残余电流补偿系统后级单相逆变电流环控制框图，具体步骤如下：
(1)、在d-q旋转坐标系下，将
作为残余电流给定量d轴分量
将
通过截止频率为50Hz的一阶低通滤波器后的输出量作为残余电流给定量q轴分量
将Is作为残余电流反馈量d轴分量id，将Is通过截止频率为50Hz的一阶低通滤波器后的输出量作为残余电流反馈量q轴分量iq；
(2)、将步骤(1)中得到的
和id、
和iq分别通过电流环PI调节器控制，分别得到调节器输出PIout_d和PIout_q；
(3)、在d-q旋转坐标系下，根据公式(1)计算控制电压uid和uiq：
(4)、将步骤(3)中得到的uid和uiq、锁相环中得到的θ以及角度给定值
通过反PARK变换得到输出电压VPWM；
(5)、将步骤(4)中得到的VPWM通过(2)式得到调制比，输出脉冲：
图5为本发明的消弧线圈残余电流补偿系统软件录波波形-系统给定电流相位差44.3度、幅值80.4A，曲线1为补偿系统输出电压，曲线2为补偿系统输出电流。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (10)
1.一种消弧线圈残余电流补偿系统，其特征在于，所述系统包括：
参数采集模块，与消弧线圈连接，用于采集线圈电性参数数据；
虚拟矢量模块，与所述参数采集模块连接，将采集的线圈电性参数数据作为输入并经过矢量转化得到电压分量数据和电流分量数据；
电流环运算模块，与所述虚拟矢量模块连接，将电流分量数据作为输入进行运算；
锁相环运算模块，与所述虚拟矢量模块连接，将电压分量数据作为输入进行运算；
数据运算模块，与所述电流环运算模块和所述锁相环运算模块连接，将所述电流环运算模块和所述锁相环运算模块运算得到的输出数据进行数据运算得到调制电压；
以及数据调制模块，分别与所述数据运算模块和所述消弧线圈连接，用于对调制电压进行调制后对所述消弧线圈进行补偿。
2.根据权利要求1所述的一种消弧线圈残余电流补偿系统，其特征在于：所述虚拟矢量模块包括与所述锁相环运算模块连接的电压分量运算模块，所述电压分量运算模块包括依次连接的电压检测模块、低通滤波器模块一以及幅值补偿模块一；
所述锁相环运算模块包括分别与所述电压检测模块和幅值补偿模块一连接的PLL锁相环模块以及与所述PLL锁相环模块连接的积分运算模块；
所述积分运算模块与所述数据运算模块连接。
3.根据权利要求1所述的一种消弧线圈残余电流补偿系统，其特征在于：所述虚拟矢量模块包括与所述电流环运算模块连接的电流分量运算模块，所述电流分量运算模块包括依次连接的电流检测模块、低通滤波器模块二、幅值补偿模块二和运算模块一；
以及依次连接的低通滤波器模块三、幅值补偿模块三和所述运算模块一；
所述低通滤波器模块三与所述参数采集模块连接；
所述电流检测模块连接运算模块二，所述运算模块二与所述参数采集模块连接；
所述电流环运算模块包括与所述运算模块二依次连接的PI调节器模块一和运算模块三；
与所述运算模块一依次连接的PI调节器二和运算模块四；
分别与所述电流检测模块和所述运算模块四连接的解耦量计算模块一；
分别与所述幅值补偿模块二和所述运算模块三连接的解耦量计算模块二；
所述运算模块三分别与所述参数采集模块和所述数据运算模块连接；
所述运算模块四与所述数据运算模块连接。
4.根据权利要求1所述的一种消弧线圈残余电流补偿系统，其特征在于：所述数据运算模块通过反PARK变换将输入的数据变换为调制电压。
5.一种消弧线圈残余电流补偿方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
将获取的线圈电性参数输入预先构建的虚拟矢量模型中；
通过虚拟矢量模型进行运算得到电压分量和电流分量；
将电压分量和电流分量分别输入锁相环和电流环运算；
根据锁相环和电流环运算得到的值以及线圈电性参数值通过变换得到输出电压；
根据输出电压调制计算得到调制比，根据调制比下发脉冲，产生电流进行补偿。
6.根据权利要求5所述的一种消弧线圈残余电流补偿方法，其特征在于：获取的线圈电性参数包括采集得到的电压和电流以及残余电流的给定幅值和相位。
7.根据权利要求5所述的一种消弧线圈残余电流补偿方法，其特征在于：所述虚拟矢量模型包括d-q旋转坐标系。
8.根据权利要求5所述的一种消弧线圈残余电流补偿方法，其特征在于：所述电压分量包括参考电压d轴分量和参考电压q轴分量。
9.根据权利要求7所述的一种消弧线圈残余电流补偿方法，其特征在于：所述电流分量包括残余电流给定量d轴分量、残余电流给定量q轴分量、残余电流反馈量d轴分量以及残余电流反馈量q轴分量。
10.根据权利要求7所述的一种消弧线圈残余电流补偿方法，其特征在于：根据锁相环和电流环得到的值以及线圈电性参数值通过变换得到输出电压的方法包括如下步骤：
将残余电流给定量d轴分量、残余电流给定量q轴分量、残余电流反馈量d轴分量以及残余电流反馈量q轴分量输入电流环得到输出一；
将参考电压d轴分量和参考电压q轴分量输入锁相环得到输出二；
将输出一和输出二以及残余电流的给定相位通过变换得到输出电压。
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| CN109596937A (zh) * | 2019-01-18 | 2019-04-09 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种可控电压源接地电流补偿方法及装置 |
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2019
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