CN111130088A - 一种配电网单相接地故障集成化柔性消弧方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种配电网单相接地故障集成化柔性消弧方法，利用多电平变流器集成实现对配电网单相接地故障消弧，负荷的有功功率和无功功率控制等多种功能。利用旋转坐标系下的电流解耦控制，实现对有功功率、无功功率以及零序功率的独立控制。其中，负荷有功功率、无功功率的控制利用瞬时功率理论实现，零序功率的控制通过单相接地故障的柔性消弧算法实现。对于现有有源消弧装置功能单一，由于成本高所造成的性价比低等问题，本发明能够实现同一套电力电子装备具备有功功率控制，无功功率控制以及单相接地故障消弧等多种功能，大大提高电力电子装备的利用效率，易于扩容，且可实现接地故障消弧及无功功率补偿的分散就地化。

Description

一种配电网单相接地故障集成化柔性消弧方法

技术领域

本发明涉及配电网领域，特别是一种配电网单相接地故障集成化柔性消弧方法。

背景技术

随着城镇化的发展，有功负荷及无功负荷的大量接入，配电网络不断延伸，使得配电网结构日趋复杂。配电网发生故障的概率大大增加，其中，单相接地故障占配电网总故障约70％以上。单相接地故障极易转化为弧光接地，产生过电压而引发相间短路。此时，快速可靠消弧能够有效避免故障扩大，保障人员和设备安全。随着越来越多的电力电子装备接入配电网，以及无源消弧线圈无法补偿接地故障电流中的有功分量及谐波分量，电力电子化有源消弧技术已成为国内外的研究热点。然而，电力电子化有源消弧装置存在成本过高问题，仅用于配电网消弧，性价比不高。且当配电网中新增配电线路时，可能造成消弧容量不足，为此需增设新的消弧装置。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种配电网单相接地故障集成化柔性消弧方法，解决已有有源消弧装置存在的功能单一、成本过高以及消弧容量扩展不方便等问题。

本发明采用以下方案实现：一种配电网单相接地故障集成化柔性消弧方法，提供以多电平变流器为硬件基础的集成化柔性消弧电力电子装备，包括以下步骤：

步骤S1：将电力电子装备直接挂接于配电网母线侧，电力电子装备的拓扑结构中多电平变流器的直流侧接直流电源；

步骤S2：对配电网中负荷所需的有功功率P_ref和无功功率Q_ref，进行归一化；将电力电子装备的并网电压和注入电流进行Park变换后分解到dq0坐标系下，利用瞬时功率理论推导出瞬时有功功率和瞬时无功功率表达式；

步骤S3：利用瞬时有功功率和瞬时无功功率求解电力电子装备的输出电流d轴分量和q轴分量表达式，并对d轴电流和q轴电流进行解耦PI控制；利用电流消弧方法确定输出电流的零轴分量表达式，并对零轴电流进行PI控制，以实现配电网单相接地故障消弧。

进一步地，步骤S2中所述有功功率P_ref和无功功率Q_ref进行归一化的具体过程是：

针对配电网中负荷所需的有功功率P_ref和无功功率Q_ref，进行归一化得到标幺值：

其中，S_b为集成化柔性消弧电力电子装备的额定容量。

进一步地，步骤S2中所述将电力电子装备的并网电压和注入电流进行Park变换后分解到dq0坐标系下的具体内容为：

电力电子装备的输出电压为v_HX，X＝A,B,C；并网点电压为v_gX，X＝A,B,C；根据基尔霍夫电压定律(KVL)得：

其中，R_HX为多电平变流器与配电网之间的连接电阻，L_HX为多电平变流器与配电网之间的连接电感，X＝A,B,C；

分别对并网电压v_gX和注入电流i_iX进行Park变换，即

其中，v_gd为并网点电压的d轴分量，v_gq为并网点电压的q轴分量；i_id为注入电流的d轴分量，i_iq为注入电流的q轴分量；T为Park变换矩阵；

故有：

其中，v_Hd，v_Hq分别为多电平变流器输出电压的d轴分量与q轴分量；v_d，v_q分别为并网电压经过低通滤波器所得d轴分量与q轴分量；i_d，i_q分别为电力电子装备注入电流经过低通滤波器所得d轴分量与q轴分量。

进一步地，步骤S2中所述利用瞬时功率理论推导出瞬时有功功率和瞬时无功功率表达式的具体内容为：

利用瞬时功率理论得出瞬时有功功率p和瞬时无功功率q的关系为：

其中，V_gm为装备并网点电压幅值。

进一步地，所述步骤S3的具体内容为：

电力电子装备对电网的注入电流的d轴分量参考值i_dref为：

其中，

为并网电压的d轴分量v_d的平均分量；V_gm为电力电子装备的并网点电压幅值；

电力电子装备对电网的注入电流的q轴分量参考值i_qref为：

电力电子装备对电网的注入电流的d轴、q轴分量参考值的标幺值分别为：

令变量v₁、v₂

则标幺值化后的电压和电流表示为：

如此实现对d、q轴电流的解耦PI控制；

基于柔性消弧原理中的电流消弧方法，注入电流参考值i_{0ref_total}为

其中，e_A为故障相电源电压，r₀为单相对地泄漏电阻总和，c₀为单相对地泄漏电容总和；

消弧补偿主要为故障电流的基波分量。因此，采用SOGI-PLL方法提取故障相电源电压基波分量的幅值、频率和相位信息；

根据基尔霍夫电压定律(KVL)得标幺值化后的关系式：

其中，

为零序电压标幺值，

为输出零序电流标幺值；

令变量v₃

故有：

如此实现对零轴电流的PI控制；

零序电流注入参考值

的标幺值、注入电流

的标幺值分别为：

其中，I_b0为零序电流的基准值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明利用Park变换与瞬时功率理论可推导出有功功率和无功功率控制表达式，且利用柔性消弧原理中的电流消弧方法推导出电力电子装备注入电流的零轴分量，与有功功率、无功功率控制的d、q轴分量结合后，可使基于多电平变流器的电力电子装备功能集成化。

(2)本发明利用dq0坐标系实现配电网单相接地故障集成化柔性消弧方法中电力电子装备注入电流的PI解耦控制，可实现有功补偿、无功补偿与配电网单相接地故障消弧的独立控制。

(3)本发明能够实现同一套电力电子装备具备有功功率控制，无功功率控制以及单相接地故障消弧等多种功能，大大提高电力电子装备的利用效率，易于扩容，且可实现接地故障消弧及无功功率补偿的分散就地化。

附图说明

图1为本发明实施例的方法控制框图，其中图1(a)为有功功率、无功功率控制框图，图1(b)为接地故障消弧控制框图。

图2为本发明实施例的所应用的10kV配电网模型图。

图3为本发明实施例的应用的10kV配电网等效电路图。

图4为本发明实施例的单相接地故障时零序网络等效电路图。

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。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本实施例提供一种配电网单相接地故障集成化柔性消弧方法，提供以多电平变流器为硬件基础的集成化柔性消弧电力电子装备，包括以下步骤：

步骤S1：将电力电子装备直接挂接于配电网母线侧，电力电子装备的拓扑结构中多电平变流器的直流侧接直流电源，不需要进行电容电压平衡控制；当配电网正常运行时，电力电子装备向配电网注入电流对配电网负荷侧的有功功率与无功功率进行控制；当配电网发生单相接地故障时，电力电子装备在控制负荷侧的有功功率与无功功率的同时，进行单相接地故障消弧；

步骤S2：对配电网中负荷所需的有功功率P_ref和无功功率Q_ref，进行归一化；将电力电子装备的并网电压和注入电流进行Park变换后分解到dq0坐标系下，利用瞬时功率理论推导出瞬时有功功率和瞬时无功功率表达式；

步骤S3：利用瞬时有功功率和瞬时无功功率求解电力电子装备的输出电流d轴分量和q轴分量表达式，并对d轴电流和q轴电流进行解耦PI控制；利用柔性消弧原理中的电流消弧方法确定输出电流的零轴分量表达式，并对零轴电流进行PI控制，以实现配电网单相接地故障消弧。

在本实施例中，步骤S2中所述有功功率P_ref和无功功率Q_ref进行归一化的具体过程是：

针对配电网中负荷所需的有功功率P_ref和无功功率Q_ref，进行归一化得到标幺值：

其中，S_b为集成化柔性消弧电力电子装备的额定容量。

在本实施例中，步骤S2中所述将电力电子装备的并网电压和注入电流进行Park变换后分解到dq0坐标系下的具体内容为：

电力电子装备的输出电压为v_HX，X＝A,B,C；并网点电压为v_gX，X＝A,B,C；根据基尔霍夫电压定律(KVL)得：

其中，R_HX为多电平变流器与配电网之间的连接电阻，L_HX为多电平变流器与配电网之间的连接电感，X＝A,B,C；

分别对并网电压v_gX和注入电流i_iX进行Park变换，即

其中，v_gd为并网点电压的d轴分量，v_gq为并网点电压的q轴分量；i_id为注入电流的d轴分量，i_iq为注入电流的q轴分量；T为Park变换矩阵；

故有：

其中，v_Hd，v_Hq分别为多电平变流器输出电压的d轴分量与q轴分量；v_d，v_q分别为并网电压经过低通滤波器所得d轴分量与q轴分量；i_d，i_q分别为电力电子装备注入电流经过低通滤波器所得d轴分量与q轴分量。

在本实施例中，步骤S2中所述利用瞬时功率理论推导出瞬时有功功率和瞬时无功功率表达式的具体内容为：

利用瞬时功率理论得出瞬时有功功率p和瞬时无功功率q的关系为：

其中，V_gm为装备并网点电压幅值。

在本实施例中，所述步骤S3的具体内容为：

由于实际并网电压的d轴分量v_d存在纹波，因此取平均值以提取v_d的平均分量

电力电子装备对电网的注入电流的d轴分量参考值i_dref为：

其中，

为并网电压的d轴分量v_d的平均分量；V_gm为电力电子装备的并网点电压幅值；

电力电子装备对电网的注入电流的q轴分量参考值i_qref为：

电力电子装备对电网的注入电流的d轴、q轴分量参考值的标幺值分别为：

令变量v₁、v₂

则标幺值化后的电压和电流表示为：

如此实现对d、q轴电流的解耦PI控制；

基于柔性消弧原理中的电流消弧方法，注入电流参考值i_{0ref_total}为

其中，e_A为故障相电源电压，r₀为单相对地泄漏电阻总和，c₀为单相对地泄漏电容总和；

消弧补偿主要为故障电流的基波分量。因此，采用SOGI-PLL方法提取故障相电源电压基波分量的幅值、频率和相位信息；

根据基尔霍夫电压定律(KVL)得标幺值化后的关系式：

其中，

为零序电压标幺值，

为输出零序电流标幺值；

令变量v₃

故有：

如此实现对零轴电流的PI控制；

零序电流注入参考值

的标幺值、注入电流

的标幺值分别为：

其中，I_b0为零序电流的基准值。

针对已有有源消弧装置存在的功能单一、成本过高以及消弧容量扩展不方便等问题，本实施例基于多电平变流器，设计控制算法使其同时实现配电网单相接地故障消弧，有功功率及无功功率双向流动控制，实现同一套电力电子装备完成多种功能的目的。配电网单相接地故障集成化柔性消弧方法的实现主要是利用旋转坐标系下的电流解耦控制，实现对有功功率，无功功率，零序功率的独立控制。其中，有功功率，无功功率的控制采用瞬时功率理论以实现对配电网负荷提供功率，零序功率的控制采用柔性消弧算法以实现配电网单相接地故障消弧。

较佳的，在本实施例中，配电网单相接地故障集成化柔性消弧电力电子装备的拓扑结构如图2、3所示。其拓扑结构中级联H桥变流器的直流侧采用直流电源，无需进行电容电压平衡控制。

(1)针对系统中负荷侧的有功功率P_ref和无功功率Q_ref，进行归一化。将集成化柔性消弧电力电子装备的并网电压和注入电流进行Park变换后分解到dq0坐标系下，利用瞬时功率理论推导出瞬时有功功率和瞬时无功功率表达式。具体包括如下步骤：

针对配电网中负荷侧的有功功率P_ref和无功功率Q_ref，进行归一化得到标幺值：

其中，S_b为集成化柔性消弧电力电子装备的额定容量。

三相级联H桥输出电压为v_HX，X＝A,B,C；电力电子装备的并网点电压为v_gX，X＝A,B,C。根据KVL可得：

其中，R_HX为级联H桥变流器与配电网之间的连接电阻，L_HX为级联H桥变流器与配电网之间的连接电感，X＝A,B,C。

分别对并网电压v_gX和注入电流i_iX进行Park变换，即

其中，v_gd为并网点电压的d轴分量，v_gq为并网点电压的q轴分量；i_id为注入电流的d轴分量，i_iq为注入电流的q轴分量；T为Park变换矩阵。

故有：

其中，v_Hd，v_Hq分别为三相级联H桥变流器输出电压的d轴分量与q轴分量；v_d，v_q分别为并网电压经过低通滤波器所得d轴分量与q轴分量；i_d，i_q分别为电力电子装备注入电流经过低通滤波器所得d轴分量与q轴分量。

利用瞬时功率理论可得出瞬时有功功率p和瞬时无功功率q的关系可得：

其中，V_gm为电力电子装备的并网点电压幅值。

(2)利用瞬时有功功率和瞬时无功功率求解集成化柔性消弧电力电子装备的输出电流d轴分量和q轴分量表达式。对d轴电流和q轴电流实现解耦PI控制。利用柔性消弧原理中的电流消弧方法确定输出电流的零轴分量表达式。对零轴电流实现PI控制。具体包括如下内容：

由于实际并网电压的d轴分量v_d存在纹波，因此需要通过取平均值，以提取v_d的平均分量

由式(5)可得注入电流的d轴分量参考值i_dref为：

类似的，注入电流的q轴分量参考值i_qref为：

注入电流的d轴、q轴分量参考值的标幺值分别为：

利用变量v₁、v₂，令

则标幺值化后的电压和电流可表示为：

如此可实现对d、q轴电流的解耦PI控制。

基于柔性消弧原理中的电流消弧方法，注入电流参考值i_{0ref_total}为：

其中，e_A为故障相电源电压，r₀为单相对地泄漏电阻总和，c₀为单相对地泄漏电容总和。

由于电流参考值中含有微分运算，容易受到故障相电压、零序电压测量值扰动的影响，而实际消弧补偿主要为故障电流的基波分量。因此，需提取故障相电源电压基波分量的幅值、频率和相位信息。本实施例采用SOGI-PLL方法提取上述信息。

如附图4所示，根据KVL可得标幺值化后的关系式：

其中，

为零序电压标幺值，

为输出零序电流标幺值。

利用变量v₃，令

故有：

如此可实现对零轴电流的PI控制。

在本实施例中，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。线路参数为集中式，其中，单相对地电容c_A＝c_B＝c_C＝c₀＝7μF，单相对地电阻r_A＝r_B＝r_C＝r₀＝30kΩ，负荷经配电变压器接入电网，参数为PL＝1MW，QL＝1Mvar。110kV主变压器连接组别Yd11。级联H桥取十级联，每级联直流侧电源电压取为1800V。三相级联H桥变流器连接电感L_HX＝0.01H，三相级联H桥变流器连接电阻R_HX＝0。集成化柔性消弧电力电子装备的补偿容量设置为Pnom＝4MVA。在0.01s时刻电力电子装备并网，即图2中的开关K合闸。配电网发生单相接地故障时刻为0.03s。0.05s时刻K1闭合，电力电子装备作为三相分别可控电流源注入电流同时控制负荷侧的有功功率、无功功率。

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 (5)

1.一种配电网单相接地故障集成化柔性消弧方法，提供以多电平变流器为硬件基础的集成化柔性消弧电力电子装备，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：将电力电子装备直接挂接于配电网母线侧，电力电子装备的拓扑结构中多电平变流器的直流侧接直流电源；

步骤S2：对配电网中负荷所需的有功功率P_ref和无功功率Q_ref，进行归一化；将集成化柔性消弧电力电子装备的并网电压和注入电流进行Park变换后分解到dq0坐标系下，利用瞬时功率理论推导出瞬时有功功率和瞬时无功功率表达式；

步骤S3：利用瞬时有功功率和瞬时无功功率求解电力电子装备的输出电流d轴分量和q轴分量表达式，并对d轴电流和q轴电流进行解耦PI控制；利用电流消弧方法确定输出电流的零轴分量表达式，并对零轴电流进行PI控制，以实现配电网单相接地故障消弧。

2.根据权利要求1所述的一种配电网单相接地故障集成化柔性消弧方法，其特征在于：步骤S2中所述有功功率P_ref和无功功率Q_ref进行归一化的具体过程是：

针对配电网中负荷所需的有功功率P_ref和无功功率Q_ref，进行归一化得到标幺值：

其中，S_b为集成化柔性消弧电力电子装备的额定容量。

3.根据权利要求1所述的一种配电网单相接地故障集成化柔性消弧方法，其特征在于：步骤S2中所述将电力电子装备的并网电压和注入电流进行Park变换后分解到dq0坐标系下的具体内容为：

电力电子装备的输出电压为v_HX，X＝A,B,C；并网点电压为v_gX，X＝A,B,C；根据基尔霍夫电压定律得：

其中，R_HX为多电平变流器与配电网之间的连接电阻，L_HX为多电平变流器与配电网之间的连接电感，X＝A,B,C；

分别对并网电压v_gX和注入电流i_iX进行Park变换，即

其中，v_gd为并网点电压的d轴分量，v_gq为并网点电压的q轴分量；i_id为注入电流的d轴分量，i_iq为注入电流的q轴分量；T为Park变换矩阵；

故有：

其中，v_Hd，v_Hq分别为多电平变流器输出电压的d轴分量与q轴分量；v_d，v_q分别为并网电压经过低通滤波器所得d轴分量与q轴分量；i_d，i_q分别为电力电子装备注入电流经过低通滤波器所得d轴分量与q轴分量。

4.根据权利要求1所述的一种配电网单相接地故障集成化柔性消弧方法，其特征在于：步骤S2中所述利用瞬时功率理论推导出瞬时有功功率和瞬时无功功率表达式的具体内容为：

利用瞬时功率理论得出瞬时有功功率p和瞬时无功功率q的关系为：

其中，V_gm为装备并网点电压幅值。

5.根据权利要求1所述的一种配电网单相接地故障集成化柔性消弧方法，其特征在于：所述步骤S3的具体内容为：

电力电子装备对电网的注入电流的d轴分量参考值i_dref为：

其中，

为并网电压的d轴分量v_d的平均分量；V_gm为电力电子装备的并网点电压幅值；

电力电子装备对电网的注入电流的q轴分量参考值i_qref为：

电力电子装备对电网的注入电流的d轴、q轴分量参考值的标幺值分别为：

令变量v₁、v₂

则标幺值化后的电压和电流表示为：

如此实现对d、q轴电流的解耦PI控制；

基于柔性消弧原理中的电流消弧方法，注入电流参考值i_{0ref_total}为

其中，e_A为故障相电源电压，r₀为单相对地泄漏电阻总和，c₀为单相对地泄漏电容总和；

消弧补偿主要为故障电流的基波分量。因此，采用SOGI-PLL方法提取故障相电源电压基波分量的幅值、频率和相位信息；

根据基尔霍夫电压定律得标幺值化后的关系式：

其中，

为零序电压标幺值，

为输出零序电流标幺值；

令变量v₃

故有：

如此实现对零轴电流的PI控制；

零序电流注入参考值

的标幺值、注入电流

的标幺值分别为：

其中，I_b0为零序电流的基准值。

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