CN112350293A - 一种二次注入电流的配电网单相接地故障有源消弧方法 - Google Patents

一种二次注入电流的配电网单相接地故障有源消弧方法 Download PDF

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CN112350293A
CN112350293A CN202011189868.2A CN202011189868A CN112350293A CN 112350293 A CN112350293 A CN 112350293A CN 202011189868 A CN202011189868 A CN 202011189868A CN 112350293 A CN112350293 A CN 112350293A
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邵文权
王猛
程远
徐嘉鹏
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Xian Polytechnic University
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/08—Limitation or suppression of earth fault currents, e.g. Petersen coil

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Abstract

本发明公开了一种二次注入电流的配电网单相接地故障有源消弧方法，具体步骤如下：通过向中性点注入两个幅值不同，相位相同的工频电流，得到中性点偏移电压，计算单相接地故障时的指令电流参考值；对三相电压采样，进行故障选相；再将指令电流与实际注入电流做差，送入滑模电流控制系统得到调制信号，调制信号与载波比较后得到PWM驱动脉冲，控制开关管的通断产生逆变电流；最后逆变电流经滤波后成为指令电流，通过接地变压器将指令电流注入配电网中性点，抑制故障相电压为零，从而熄灭故障电流，达到消弧目的。本发明仅需在配电网正常时注入两次工频电流即可得到指令电流，实现熄灭故障电流目的，操作简单，安全性较高。

Description

一种二次注入电流的配电网单相接地故障有源消弧方法
技术领域
本发明属配电网单相接地故障处理技术领域，具体涉及一种二次注入电流的配电网单相接地故障有源消弧方法。
背景技术
单相接地故障是配电网中最常见的一种故障，占到总故障的70％以上。单相接地故障不仅影响了用户的正常供电，而且可能产生过电压进而损坏电气设备，甚至引起相间短路进一步扩大事故，从而造成巨大的经济损失。其中单相接地时多数具有间歇性电弧的特点，过大的故障点电流导致故障电弧难以熄灭，寻找有效的故障电弧抑制方法实现单相接地故障的有效处理有利于提高配电网的安全可靠运行。
目前，国内外学者对单相接地故障电弧抑制提出了很多方法，主要包括无源消弧法和有源消弧法。其中无源消弧法主要包括预调式消弧线圈、随调式消弧线圈等，能补偿接地电流工频容性无功分量，对于电缆线路的众多、电力电子装置等非线性负载的接入电网引入的大量的有功分量和谐波分量，按照工频无功电流设计的无源消弧方法不能抑制以上电流分量。有源消弧法是利用有源补偿装置向系统注入特定的电流以实现补偿接地残流中无功分量、谐波分量和有功分量，其中指令电流值需要精确的配电网对地参数，配电网的参数测量复杂，且准确度不高影响注入电流的补偿精度，制约了有源消弧的效果。针对配电网单相接地故障时存在故障电流较大，无法自动熄灭，现有的有源消弧法效果取决于指令电流的计算值，其计算值受配电网对地参数测量值的直接影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种二次注入电流的配电网单相接地故障有源消弧方法，解决了配电网非有效接地系统单相接地故障时，存在故障电流较大，现有的有源消弧法指令电流计算需要准确测量对地参数，配电网消弧困难的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种二次注入电流的配电网单相接地故障有源消弧方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：在配电网正常时运行时，向中性点注入两个幅值不同，相位相同的工频电流，对应得到中性点偏移电压，计算出各相发生单相接地故障时的指令电流参考值；
步骤2：对三相电压进行采样，判断是否发生单相接地故障；若发生单相接地故障，进行故障选相；若无，则返回步骤1继续循环；
步骤3：选相成功后，将指令电流与实际注入电流做差，送入滑模电流控制系统得到调制信号，调制信号与载波比较后得到PWM驱动脉冲，控制开关管的通断产生逆变电流；
步骤4：最后逆变电流经滤波后成为指令电流，通过接地变压器将指令电流注入配电网中性点，抑制故障相电压为零，从而熄灭故障电流，达到消弧目的。
本发明的特点还在于：
步骤1中利用有源逆变装置向中性点注入两个幅值不同，相位相同的工频电流
Figure BDA0002752472650000021
得到对应的中性点偏移电压
Figure BDA0002752472650000022
计算出各相发生单相接地故障时的指令电流参考值
Figure BDA0002752472650000023
步骤2利用零序电压元件判断是否发生单相接地故障；判断条件为，发生单相接地故障，则故障相电压幅值下降，非故障相相电压幅值上升为线电压幅值，即相电压幅值下降相即为故障相。
步骤1中以A相发生单相接地故障为例，分析配电网发生地单相故障机理，由基尔霍夫定律可知，注入的指令电流
Figure BDA0002752472650000031
应为：
Figure BDA0002752472650000032
式(1)中，
Figure BDA0002752472650000033
分别为配电网三相电源电势，CA、CB、CC分别为三相对地电容，RA、RB、RC为三相对地泄露电阻，
Figure BDA0002752472650000034
为中性点位移电压，L1为消弧线圈；
设三相电动势对称：
Figure BDA0002752472650000035
CA＝CB＝CC＝C0，RA＝RB＝RC＝R0，则有：
Figure BDA0002752472650000036
可知故障相电压
Figure BDA0002752472650000037
则：
Figure BDA0002752472650000038
若利用有源补偿装置注入的指令电流
Figure BDA0002752472650000039
为：
Figure BDA00027524726500000310
利用有源逆变装置向中性点注入两个幅值不同，相位相同的工频电流
Figure BDA00027524726500000311
得到对应的中性点偏移电压
Figure BDA0002752472650000041
Figure BDA0002752472650000042
Figure BDA0002752472650000043
将式(5)、式(6)可得二次注入电流与配电网对地参数之间关系，如式(7)所示：
Figure BDA0002752472650000044
其中，
Figure BDA0002752472650000045
为中性点位移电压，L1为消弧线圈等效电感值，R0为三相泄露电阻平均值，C0为三相对地电容平均值，计算出各相发生单相接地故障时，有源补偿装置中注入的指令电流
Figure BDA0002752472650000046
值。
步骤2中三相电压
Figure BDA0002752472650000047
利用零序电压元件判断是否发生单相接地故障；判断条件为，发生单相接地故障，则故障相电压幅值下降，非故障相相电压幅值上升为线电压幅值，即相电压幅值下降相即为故障相。
步骤3中选相成功后，计算出对应相故障时应注入的指令电流；
通过将式(7)带入式(4)即可得，当A相发生单相接地故障时指令电流
Figure BDA0002752472650000048
Figure BDA0002752472650000049
同理可知，当B、C相发生单相接地故障时，分别得到对应的指令电流
Figure BDA00027524726500000410
Figure BDA0002752472650000051
Figure BDA0002752472650000052
Figure BDA0002752472650000053
将指令电流与实际注入电流做差时，首先根据有源逆变装置状态方程，得到逆变器输出电流iL：
Figure BDA0002752472650000054
式(11)中，u为开关管控制量，UDC为每个子模块直流侧电压，iL为逆变器输出电流，L2为H桥逆变器串联电感，U0为逆变器等效输出电压，N为级联个数；
逆变器选用级联H桥逆变器，N＝2，在时域分析中令
Figure BDA0002752472650000055
则指令电流
Figure BDA0002752472650000056
与级联H桥变流器的输出电流iL的误差e为：
Figure BDA0002752472650000057
误差的一阶微分为：
Figure BDA0002752472650000058
步骤3中滑模电流控制系统通过首先出推导有源逆变装置的状态方程，其次选取合适的滑模面，最后进行滑模控制律设计。
步骤3中通过选取指令电流与实际注入电流误差量e作为的滑模面，进行滑模控制律设计，则滑模控制器的滑模面S可取：
S＝e＝iref-iL＝0 (14)
滑模面S的一阶微分为：
Figure BDA0002752472650000059
采用等效控制ueq与趋近律un相结合的滑模控制律，得出滑模控制律为：
u＝ueq+un (16)
式中，ueq保证动态变量始终处在滑模面上；un克服非理想情况各种干扰，保证收敛性。
将式(11)带入式(15)中，建立起滑模控制与逆变器数学模型之间的关系：
Figure BDA0002752472650000061
由于当直流侧电压稳定时，iref为常数，得到等效控制ueq为：
Figure BDA0002752472650000062
幂次趋近律表达式为：
Figure BDA0002752472650000063
故得到逆变器的滑模控制律为：
Figure BDA0002752472650000064
本发明的有益效果是，本发明一种利用二次注入电流的配电网单相接地故障有源消弧方法，以级联H桥为主拓扑，仅需在配电网正常时注入两次工频电流即可得到指令电流，通过基于滑模控制的电流闭环系统，无需测量配电网对地参数，即可得到相应的指令电流表达式，再利用有源逆变装置注入相应的指令电流，可实现熄灭故障电流目的；有效解决了PI控制策略无法准确追踪指令电流、抗噪声干扰性差等不足，提升了指令电流快速跟踪；具有实现方便，有助于提升单相接地故障消弧的处置性能。
附图说明
图1是本发明一种二次注入电流的配电网单向接地故障有源消弧方法的流程图；
图2是本发明有源逆变装置接地配电网结构图；
图3是本发明联H桥逆变器结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种二次注入电流的配电网单相接地故障有源消弧方法的流程图，如图1所示，具体按照以下步骤进行：
步骤1：在配电网正常时运行时，向中性点注入两个幅值不同，相位相同的工频电流，对应得到中性点偏移电压，计算出各相发生单相接地故障时的指令电流参考值；
步骤1中利用有源逆变装置向中性点注入两个幅值不同，相位相同的工频电流
Figure BDA0002752472650000071
得到对应的中性点偏移电压
Figure BDA0002752472650000072
计算出各相发生单相接地故障时指令电流参考值
Figure BDA0002752472650000073
步骤1中以A相发生单相接地故障为例，分析配电网发生地单相故障机理，由基尔霍夫定律可知，注入的指令电流
Figure BDA0002752472650000074
应为：
Figure BDA0002752472650000075
式(1)中，
Figure BDA0002752472650000076
分别为配电网三相电源电势，CA、CB、CC分别为三相对地电容，RA、RB、RC为三相对地泄露电阻，
Figure BDA0002752472650000077
为中性点位移电压，L1为消弧线圈。
设三相电动势对称：
Figure BDA0002752472650000078
CA＝CB＝CC＝C0，RA＝RB＝RC＝R0，则有：
Figure BDA0002752472650000081
可知故障相电压
Figure BDA0002752472650000082
则：
Figure BDA0002752472650000083
若利用有源补偿装置注入的指令电流
Figure BDA0002752472650000084
为：
Figure BDA0002752472650000085
则故障相电压被钳位到0，故障点电流也为0，破坏了电弧重燃的条件，实现故障消弧。
利用有源逆变装置向中性点注入两个幅值不同，相位相同的工频电流
Figure BDA0002752472650000086
如图2所示，得到对应的中性点偏移电压
Figure BDA0002752472650000087
Figure BDA0002752472650000088
Figure BDA0002752472650000089
将式(5)、式(6)可得二次注入电流与配电网对地参数之间关系，如式(7)所示：
Figure BDA00027524726500000810
其中，
Figure BDA0002752472650000091
为中性点位移电压，L1为消弧线圈等效电感值，R0为三相泄露电阻平均值，C0为三相对地电容平均值。
计算出各相发生单相接地故障时，有源补偿装置应该注入的指令电流
Figure BDA0002752472650000092
值。
步骤2：对三相电压进行采样，判断是否发生单相接地故障；若发生单相接地故障，进行故障选相；若无，则返回步骤1继续循环；
步骤2中三相电压
Figure BDA0002752472650000093
利用零序电压元件判断是否发生单相接地故障；判断条件为，发生单相接地故障，则故障相电压幅值下降，非故障相相电压幅值上升为线电压幅值，即相电压幅值下降相即为故障相。
步骤3：故障选相后，选相成功后，将指令电流与实际注入电流做差，送入滑模电流控制系统得到调制信号，再与载波比较后得到PWM驱动脉冲，控制开关管的通断产生逆变电流。
在步骤3中选相成功后，计算出对应相故障时应注入的指令电流；
通过将式(7)带入式(4)即可得，当A相发生单相接地故障时指令电流
Figure BDA0002752472650000094
Figure BDA0002752472650000095
同理可知，当B、C相发生单相接地故障时，分别得到对应的指令电流
Figure BDA0002752472650000096
Figure BDA0002752472650000097
Figure BDA0002752472650000098
Figure BDA0002752472650000099
将指令电流与实际注入电流做差时，首先根据有源逆变装置状态方程，
得到逆变器输出电流iL：
Figure BDA0002752472650000101
式(11)中，u为开关管控制量，UDC为每个子模块直流侧电压，iL为逆变器输出电流，L2为H桥逆变器串联电感，U0为逆变器等效输出电压，N为级联个数。
如图3所示，逆变器选用级联H桥逆变器结构图，N＝2，在时域分析中令
Figure BDA0002752472650000102
则指令电流
Figure BDA0002752472650000103
与级联H桥变流器的输出电流iL的误差e为：
e＝iref-iL (12)
误差的一阶微分为：
Figure BDA0002752472650000104
步骤3中滑模电流控制系统设计步骤为：首先出推导有源逆变装置的状态方程，其次选取合适的滑模面，最后进行滑模控制律设计。
通过选取指令电流与实际注入电流误差量e作为的滑模面，进行滑模控制律设计，则滑模控制器的滑模面S可取：
S＝e＝iref-iL＝0 (14)
滑模面S的一阶微分为：
Figure BDA0002752472650000105
采用等效控制ueq与趋近律un相结合的滑模控制律，得出滑模控制律为：
u＝ueq+un (16)
式中，ueq保证动态变量始终处在滑模面上；un克服各种干扰等非理想情况，保证收敛性。
将式(11)带入式(15)中，建立起滑模控制与逆变器数学模型之间的关系：
Figure BDA0002752472650000111
由于当直流侧电压稳定时，认为iref为常数，可以得到等效控制ueq为：
Figure BDA0002752472650000112
幂次趋近律作为一种常用的趋近律，在非线性控制领域得到了广泛应用，其表达式为：
Figure BDA0002752472650000113
故得到逆变器的滑模控制律为：
Figure BDA0002752472650000114
步骤4：最后逆变电流经滤波后成为指令电流，通过接地变压器将指令电流注入配电网中性点，抑制故障相电压为零，从而熄灭故障电流，达到消弧目的。
本发明一种二次注入电流的配电网单相接地故障有源消弧方法，通过对三相电压
Figure BDA0002752472650000115
进行采样，利用零序电压启动元件判断是否发生单相接地故障。判断是否发生单相接地故障。若发生单相接故障，则故障相电压幅值下降，非故障相相电压幅值上升为线电压幅值。即相电压幅值下降相即为故障相。若无，则返回上一级。若是，进行故障选相。选相成功后，将指令电流与实际注入电流做差，送入滑模电流控制系统得到调制信号，再与载波比较后得到PWM驱动脉冲，通过有源逆变装置开关管的通断产生逆变电流。最后逆变电流经滤波后成为指令电流，通过接地变压器将指令电流注入配电网中性点，抑制故障相电压为零，从而熄灭故障电流，达到消弧目的。
本发明一种二次注入电流的配电网单相接地故障有源消弧方法，在配电网正常时运行时，利用有源逆变装置向中性点注入注入两个幅值不同，相位相同的工频电流
Figure BDA0002752472650000121
可得到对应的两个工频量
Figure BDA0002752472650000122
并计算出各相发生单相接地故障时注入电流参考值
Figure BDA0002752472650000123
本发明的方法，仅需在配电网正常时注入两次工频电流即可得到指令电流，无需进行对地参数测量即可得到相应的指令电流表达式，再利用有源逆变装置注入相应的指令电流，即可实现熄灭故障电流目的，操作简单，安全性较高。

Claims (8)

1.一种二次注入电流的配电网单相接地故障有源消弧方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：在配电网正常时运行时，向中性点注入两个幅值不同，相位相同的工频电流，对应得到中性点偏移电压，计算出各相发生单相接地故障时的指令电流参考值；
步骤2：对三相电压进行采样，判断是否发生单相接地故障；若发生单相接地故障，进行故障选相；若无，则返回步骤1继续循环；
步骤3：选相成功后，将指令电流与实际注入电流做差，送入滑模电流控制系统得到调制信号，调制信号与载波比较后得到PWM驱动脉冲，控制开关管的通断产生逆变电流；
步骤4：最后逆变电流经滤波后成为指令电流，通过接地变压器将指令电流注入配电网中性点，抑制故障相电压为零，从而熄灭故障电流，达到消弧目的。
2.根据权利要求1所述的一种二次注入电流的配电网单相接地故障有源消弧方法，其特征在于，所述步骤1中利用有源逆变装置向中性点注入两个幅值不同，相位相同的工频电流
Figure FDA0002752472640000011
得到对应的中性点偏移电压
Figure FDA0002752472640000012
计算出各相发生单相接地故障时的指令电流参考值
Figure FDA0002752472640000013
3.根据权利要求1所述的一种二次注入电流的配电网单相接地故障有源消弧方法，其特征在于，所述步骤2利用零序电压元件判断是否发生单相接地故障；判断条件为，发生单相接地故障，则故障相电压幅值下降，非故障相相电压幅值上升为线电压幅值，即相电压幅值下降相即为故障相。
4.根据权利要求2所述的一种二次注入电流的配电网单相接地故障有源消弧方法，其特征在于，所述步骤1中以A相发生单相接地故障为例，分析配电网发生地单相故障机理，由基尔霍夫定律可知，注入的指令电流
Figure FDA0002752472640000021
应为：
Figure FDA0002752472640000022
式(1)中，
Figure FDA0002752472640000023
分别为配电网三相电源电势，CA、CB、CC分别为三相对地电容，RA、RB、RC为三相对地泄露电阻，
Figure FDA0002752472640000024
为中性点位移电压，L1为消弧线圈；
设三相电动势对称：
Figure FDA0002752472640000025
CA＝CB＝CC＝C0，RA＝RB＝RC＝R0，则有：
Figure FDA0002752472640000026
可知故障相电压
Figure FDA0002752472640000027
则：
Figure FDA0002752472640000028
若利用有源补偿装置注入的指令电流
Figure FDA0002752472640000029
为：
Figure FDA00027524726400000210
利用有源逆变装置向中性点注入两个幅值不同，相位相同的工频电流
Figure FDA00027524726400000211
得到对应的中性点偏移电压
Figure FDA00027524726400000212
Figure FDA0002752472640000031
Figure FDA0002752472640000032
将式(5)、式(6)可得二次注入电流与配电网对地参数之间关系，如式(7)所示：
Figure FDA0002752472640000033
其中，
Figure FDA0002752472640000034
为中性点位移电压，L1为消弧线圈等效电感值，R0为三相泄露电阻平均值，C0为三相对地电容平均值，计算出各相发生单相接地故障时，有源补偿装置中注入的指令电流
Figure FDA0002752472640000035
值。
5.根据权利要求4所述的一种二次注入电流的配电网单相接地故障有源消弧方法，其特征在于，所述步骤2中三相电压
Figure FDA0002752472640000036
利用零序电压元件判断是否发生单相接地故障；判断条件为，发生单相接地故障，则故障相电压幅值下降，非故障相相电压幅值上升为线电压幅值，即相电压幅值下降相即为故障相。
6.根据权利要求5所述的一种二次注入电流的配电网单相接地故障有源消弧方法，其特征在于，所述步骤3中选相成功后，计算出对应相故障时应注入的指令电流；
通过将式(7)带入式(4)即可得，当A相发生单相接地故障时指令电流
Figure FDA0002752472640000041
Figure FDA0002752472640000042
同理可知，当B、C相发生单相接地故障时，分别得到对应的指令电流
Figure FDA0002752472640000043
Figure FDA0002752472640000044
Figure FDA0002752472640000045
Figure FDA0002752472640000046
将指令电流与实际注入电流做差时，首先根据有源逆变装置状态方程，得到逆变器输出电流iL：
Figure FDA0002752472640000047
式(11)中，u为开关管控制量，UDC为每个子模块直流侧电压，iL为逆变器输出电流，L2为H桥逆变器串联电感，U0为逆变器等效输出电压，N为级联个数；
逆变器选用级联H桥逆变器，N＝2，在时域分析中令
Figure FDA0002752472640000048
则指令电流
Figure FDA0002752472640000049
与级联H桥变流器的输出电流iL的误差e为：
Figure FDA00027524726400000410
误差的一阶微分为：
Figure FDA00027524726400000411
7.根据权利要求6所述的一种二次注入电流的配电网单相接地故障有源消弧方法，其特征在于，所述步骤3中滑模电流控制系统通过首先出推导有源逆变装置的状态方程，其次选取合适的滑模面，最后进行滑模控制律设计。
8.根据权利要求7所述的一种二次注入电流的配电网单相接地故障有源消弧方法，其特征在于，所述步骤3中通过选取指令电流与实际注入电流误差量e作为的滑模面，进行滑模控制律设计，则滑模控制器的滑模面S可取：
S＝e＝iref-iL＝0 (14)
滑模面S的一阶微分为：
Figure FDA0002752472640000051
采用等效控制ueq与趋近律un相结合的滑模控制律，得出滑模控制律为：
u＝ueq+un (16)
式中，ueq保证动态变量始终处在滑模面上；un克服非理想情况各种干扰，保证收敛性；
将式(11)带入式(15)中，建立起滑模控制与逆变器数学模型之间的关系：
Figure FDA0002752472640000052
由于当直流侧电压稳定时，iref为常数，得到等效控制ueq为：
Figure FDA0002752472640000053
幂次趋近律表达式为：
Figure FDA0002752472640000054
故得到逆变器的滑模控制律为：
Figure FDA0002752472640000055
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