CN112736887B - 基于电力电子变压器的配电网接地故障集成化消弧方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于电力电子变压器的配电网接地故障集成化消弧方法，若接收到单相接地故障发生信号，故障消弧系统工作于模式一，控制电力电子变压器对故障电流中基波、谐波分量进行全补偿；若未接收到故障发生信号，则故障消弧系统工作于模式二，避免由于电力电子变压器整流器对地阻抗分流导致故障发生后、消弧补偿前故障电流增大；同时，功率平衡系统实时监测配电网潮流变化，迅速抑制因投入负荷或发生故障导致的配电网源端功率振荡。集成控制在不影响电力电子变压器变压、隔离等基本功能的前提，使其同时具备接地配电网单相接地故障消弧和三相有功、无功功率平衡等功能，提高了设备利用率。

Description

基于电力电子变压器的配电网接地故障集成化消弧方法

技术领域

本发明属于电力电子设备控制技术领域，尤其涉及一种基于电力电子变压器的配电网接地故障集成化消弧方法。

背景技术

随着配电网规模的不断扩大，线路复杂性提高，故障事件频发。其中，单相接地故障占配电网故障总数的80％以上，且极易转化为弧光接地故障，引发全系统过电压，不仅有损坏设备风险，甚至可能破坏系统安全运行，扩大故障范围。为解决配电网接地故障消弧难题，无源消弧技术和有源消弧技术被广泛应用。其中，有源消弧技术往往需要额外的设备支撑，这将对配电网高效、经济运行带来负面影响。因此，在配电网现有设备基础上进行功能附加，成为近年来诸多学者的研究新风向。由于负荷投切、分布式电源的高渗透率、配电网故障等事件会导致配电网电能质量、电力系统稳定性下降等问题，本发明以电力电子变压器为研究对象，实现配电网单相接地故障电消弧及源端功率不平衡抑制的功能。

PET是一种集大功率半导体器件、高频磁性材料和控制系统于一体，兼备电能质量控制、直流输出、自愈等多元化附加功能的新型电力电子设备。PET在拓扑结构设计、控制策略优化、性能提升等方面都具有很大发掘空间，现阶段对于PET的研究还多停留在单一功能的完善，而从成本、效率、占地面积等角度考虑，功能多元化才是未来电气设备发展的主流趋势，多功能集成化PET在配电网中具有广泛的应用前景。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于电力电子变压器的配电网接地故障集成化消弧方法，以PET(电力电子变压器)为基础，构建基于0轴的故障消弧系统和基于α轴、β轴的功率平衡系统。若接收到配电单相接地故障发生信号，故障消弧系统工作于模式一，控制PET对故障电流中基波、谐波分量进行全补偿；若未接收到故障发生信号，则故障消弧系统工作于模式二，避免由于PET整流器对地阻抗分流导致故障发生后、消弧补偿前故障电流增大。同时，功率平衡系统实时监测配电网潮流变化，迅速抑制因投入负荷或发生故障导致的配电网源端功率振荡。集成化控制在不影响电力电子变压器变压、隔离等基本功能的前提，使其同时具备接地配电网单相接地故障消弧和三相有功、无功功率平衡等功能，提高了设备利用率。

本发明具体采用以下技术方案：

一种基于电力电子变压器的配电网接地故障集成化消弧方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：提取配电网三相电压、电流量，在αβ0坐标系下进行解耦；

步骤S2：根据基于0轴电压调控的故障消弧系统，采用比例积分微分控制器生成位于0轴的故障消弧指令：

当接收到单相接地故障发生信号时，所述故障消弧系统工作于模式一，利用低通滤波器在旋转坐标系下分离故障电流基波、谐波量并合成消弧参考电流i_z；当未接收到故障发生信号时，所述故障消弧系统工作于模式二，i_z设置为0。

将i_z送入电流外环控制器生成位于0轴的消弧参考电压u_{0_ref}。

模式一实现对单相接地故障电流基波、谐波分量全补偿；模式二避免由于PET整流器对地阻抗分流导致接地故障发生后、消弧补偿前故障电流增大；

步骤S3：根据基于α轴、β轴电压调控的功率平衡系统，采用准比例谐振控制器生成位于α轴、β轴的功率平衡指令；

步骤S4：确定综合指令并生成参考电压信号，控制PET向配电网注入电流；

步骤S5：电力电子变压器以模式一运行给定的一段时间后，逐步减少输出电流的0轴分量并测量配电网中性点电压是否成比例变化，若是，则判断故障为瞬时性接地故障，配电网已恢复正常运行，将0轴控制方式由模式一转换至模式二，并回到步骤S1；若否，则判断故障为永久性接地故障，启动故障保护装置，对故障馈线进行隔离。

优选地，在步骤S2中，模式一具体包括以下过程：若配电网处中存在谐波源，零序电压瞬时值u₀(t)中应包含基波和谐波分量，即：

式中：U_m为基波幅值；U_km为k次谐波幅值；

为k次谐波初相角；ω＝2πf，f为配电网工频，f＝50Hz；

设u₀(t)为A相的假想电压u'_a(t)，根据B相始终滞后A相120°，C相始终超前A相120°，分别构造B、C两相的假想电压u'_b(t)、u'_c(t)；经Park变换将假想三相电压变换至dq0旋转坐标系，u₀(t)中的基波分量被转换为直流分量，用低通滤波器提取后，经Park反变换得到u₀(t)中所含基波电压u'_{a_1}(t)，则u₀(t)中包含的谐波电压u'_{a_hpf}(t)表示为：

u'_{a_hpf}(t)＝u₀(t)-u'_{a_1}(t)

根据欧姆定律，故障电流谐波量i_hpf可由谐波电压u'_{a_hpf}(t)经计算得到。为实现故障电流为0的控制目标，消弧参考电流i_z表示为：

i_z＝i_p+i_hpf

式中：i_p为故障电流基波量。

根据上式得到i_z后，经电流外环控制器生成消弧参考电压u_{0_ref}，该电压信号经载波相移调制后控制电力电子变压器向配电网注入补偿电流，实现单相接地故障电流全补偿。

优选地，在步骤S2中，模式二下设置i_z＝0。由于单相接地故障电流仅与零序网络有关，通过控制电力电子变压器整流侧对地电流为零，可阻断配电网零序电流通路，避免因Z_P分流导致接地故障电流增大。本发明中故障消弧系统模式一、二采用同一套0轴控制策略，区别在于模式二中i_z始终为0。

优选地，在步骤S3中，根据基于α轴、β轴电压调控的功率平衡系统，采用准比例谐振控制器生成位于α轴、β轴功率平衡指令的具体方法如下：

设源端的有功、无功出力参考值为p_ref、q_ref，根据瞬时功率理论求出配电网电流参考值i_{α_ref}、i_{β_ref}；为保障源端的有功、无功出力恒定，PET需向电网增加注入的用于功率补偿的电流Δi_s表示为：

Δi_sα、Δi_sβ经准比例谐振控制器生成功率平衡电压参考信号u_{α_ref}、u_{β_ref}。

优选地，步骤S4确定综合指令信号的具体方法如下：

对位于0轴的消弧参考电压u_{0_ref}和位于α轴、β轴的功率平衡参考电压u_{α_ref}、u_{β_ref}执行Clack反变换，使其重新耦合至abc三相坐标系，得到用于集成化控制的综合指令信号，该信号经载波相移调制后控制电力电子变压器向配电网注入补偿电流。

与现有技术相比，本发明及其优选方案有以下有益效果：

1、本发明将PET作为有源消弧装置，通过控制其向配电网注入电流来实现单相接地故障消弧，无需额外装置，提高了设备利用率。

2、本发明提出的消弧系统，能有效补偿故障电流基波、谐波分量，实现故障电流全补偿的消弧目标；且解决了由于设备支路对地阻抗分流导致的单相接地故障发生后、消弧补偿动作前故障电流增大问题。

3、本发明提出的功率平衡系统，能够实时监测配电网潮流波动情况，对于投入负荷或故障发生等事件引起的配电网源端功率振荡有平衡效果。

4、本发明实现多系统集成化控制，在不影响PET变压、隔离等基本功能的前提，使一套PET同时具备接地故障消弧和三相有功、无功功率平衡等功能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1为本发明实施例配电网等效电路示意图；

图2为单相接地故障发生且PET无故障补偿时简化电路示意图；

图3为本发明实施例PET整流侧简化电路示意图；

图4为单相接地故障发生且PET有故障补偿时简化电路图；

图5为本发明实施例PET拓扑结构示意图；

图6为本发明实施例所采用的集成化控制结构示意图；

图7为本发明实施例所采用的配电网模型示意图。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

本实施例提供了一种基于PET的配电网接地故障集成化消弧方法，以PET为研究对象，构建基于0轴电压调控的故障消弧系统和基于α轴、β轴电压调控的功率平衡系统。若接收到配电单相接地故障发生信号，故障消弧系统工作于模式一，控制PET对故障电流中基波、谐波分量进行全补偿；若未接收到故障发生信号，则故障消弧系统工作于模式二，阻断配电网零序电流通路，避免由于PET整流器对地阻抗分流导致故障发生后、消弧补偿前故障电流增大。同时，功率平衡系统实时监测配电网潮流变化，迅速抑制因投入负荷或发生故障导致的配电网源端功率振荡。集成化控制在不影响PET变压、隔离等基本功能的前提，使其同时具备接地配电网单相接地故障消弧和三相有功、无功功率平衡等功能，提高了设备利用率。具体包括如下步骤：

步骤S1：提取配电网三相电压、电流量，在αβ0坐标系下进行解耦；

步骤S2：根据基于0轴电压调控的故障消弧系统，采用比例积分微分控制器生成位于0轴的故障消弧指令：

当接收到单相接地故障发生信号时，所述故障消弧系统工作于模式一，利用低通滤波器在旋转坐标系下分离故障电流基波、谐波量并合成消弧参考电流i_z；当未接收到故障发生信号时，所述故障消弧系统工作于模式二，i_z设置为0。将i_z送入电流外环控制器生成位于0轴的消弧参考电压u_{0_ref}。模式一实现对单相接地故障电流基波、谐波分量全补偿；模式二避免由于PET整流器对地阻抗分流导致接地故障发生后、消弧补偿前故障电流增大；

步骤S3：根据基于α轴、β轴电压调控的功率平衡系统，采用准比例谐振控制器生成位于α轴、β轴的功率平衡指令；

步骤S4：确定综合指令并生成参考电压信号，控制PET向配电网注入电流；

步骤S5：电力电子变压器以模式一运行给定的一段时间后，逐步减少输出电流的0轴分量并测量配电网中性点电压是否成比例变化，若是，则判断故障为瞬时性接地故障，配电网已恢复正常运行，将0轴控制方式由模式一转换至模式二，并回到步骤S1；若否，则判断故障为永久性接地故障，启动故障保护装置，对故障馈线进行隔离；

进一步地，步骤S2当接收到配电单相接地故障发生信号时，故障消弧系统工作于模式一具体方法如下：

如图1所示，当A相发生单相接地故障且不存在PET支路时，根据基尔霍夫电流定律可知故障电流

为：

式中：

为三相等效对地电流；

为三相电源电压；

为中性点零序电压；R₀和C₀分别为配电网等效对地电阻和对地电容。化简后得：

又根据欧姆定律可知：

式中：R_F为故障电阻。当

即

故障电流

为0。假设PET向配电网注入的消弧补偿电流为

则：

若补偿电流

的存在可实现

为0，则：

拉式反变换后得瞬时电流表达式为：

考虑配电网中存在谐波源，u₀(t)中应包含基波分量、谐波分量，则：

假设u₀(t)为A相的假想电压u'_a(t)，根据B相始终滞后A相120°，C相始终超前A相120°，分别构造B、C两相的假想电压u'_b(t)、u'_c(t)：

经Park变换将假想三相电压变换至dq0坐标系后，u₀(t)中的基波分量被转换为直流分量，用低通滤波器提取后，经Park反变换得到u₀(t)中所含基波电压u'_{a_1}(t)，则u₀(t)中包含的谐波电压u'_{a_hpf}(t)可表示为：

u'_{a_hpf}(t)＝u₀(t)-u'_{a_1}(t) (9)

故障电流谐波分量瞬时表达式为：

为实现故障电流为0的控制目标，PET向配电网注入的补偿电流i_z可表示为：

i_z＝i_p+i_hpf (11)

根据式(11)得到i_z后，经电流外环控制器可生成用于PET调制的消弧参考电压u_{0_ref}，使PET实现单相接地故障消弧。

进一步地，步骤S2未接收到故障发生信号时，故障消弧系统工作于模式二具体原因及方法如下：

PET整流器部分经直流侧电容中点接地，如图2所示。只关注零序网络时，当PET支路的0轴无输出时，该接地方式下PET相当于并接在配电网的一条长线路，等效电路如图3所示。故障电流

由线路等效电容电流

和PET支路0轴电流

组成。由于

与Z_P呈负相关，且一般情况下Z_P的取值较小，Z_P等效结构如图4所示。单相接地故障发生后，消弧电流注入前，Z_P的存在使

的值增大，极端情况下将相较于无PET支路时高出十数倍，远远超出系统绝缘可承受范围。

若将PET整流器侧等效为Z_P与可控电流源串联，如图5所示。在判断故障发生前，始终控制PET支路0轴电流

可有效避免由于Z_P分流导致故障电流增大的问题。本发明中故障消弧系统模式一、二采用同一套0轴控制策略，详见上一步中说明，区别在于模式二中i_z始终为0。

进一步地，步骤S3构建基于α轴、β轴的电压调控功率平衡系统的具体方法如下：

当配电网中不存在功率补偿装置时，源端的有功出力p和无功出力q可表示为：

假设源端的有功、无功出力参考值为p_ref、q_ref，则可求出母线上输出电流参考值i_{α_ref}、i_{β_ref}为：

则为保障源端的有功、无功出力恒定，则PET需向电网增加注入的用于功率补偿的电流Δi_s可表示为：

进一步地，步骤S3用Quasi-PR控制器生成位于α轴、β轴功率平衡指令信号的具体方法如下：

根据基尔霍夫电压定律可知，功率平衡参考电压信号u_{α_ref}、u_{β_ref}可由式(15)得到：

由于αβ0变换后，位于α轴、β轴的相量仍然具有与abc三相坐标系上相同的频率特性，即为正弦信号。为实现对正弦信号的无静差跟踪，此处选用Quasi-PR控制器进行跟踪调整。Quasi-PR控制器的传递函数为：

式中：K_p和K_r分别为比例系数和谐振系数，ω₀和ω_c分别为谐振频率和截止频率。

进一步地，步骤S4确定综合指令信号的具体方法如下：

对位于0轴的消弧参考电压u_{0_ref}和位于α轴、β轴的功率平衡参考电压u_{α_ref}、u_{β_ref}执行Clack反变换，使其重新耦合至abc三相坐标系，得到用于PET集成化控制的综合指令信号，该信号经载波相移调制后控制PET向配电网注入电流。集成化控制结构如图6所示。

本实施例中，在Simulink仿真环境中搭建如图7所示的含6条馈线的配电网络仿真模型，选用如图1所示模块化多电平换流器拓扑的PET。

为验证本发明中故障消弧功能的有效性，做如下仿真：接地电阻设置为10Ω，以配电网中最常见的5次谐波为例，按照现行国家标准GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》，10kV系统单次电压谐波含量不超过工频量的3.2％，将故障电流5次谐波幅值设定为8A。在图7所示配电网母线处接入5次理想电流谐波源进行模拟。0.2s时刻A相发生单相接地故障，此时故障消弧系统工作于模式二，故障电流幅值为70A；0.3s时刻故障消弧系统切换至模式一且仅对故障电流基波分量进行补偿，此时故障电流显著下降，0.4s时刻增加对故障电流谐波分量补偿，故障电流被进一步抑制。

从FFT分析结果上看，仅对基波分量进行补偿时，故障电流中包含5次谐波残流幅值为7.632A；增加谐波分量补偿后故障电流5次谐波残流幅值下降为1.812A。系统对谐波残流的补偿率达76.26％。且增设谐波补偿后，故障残流中基波分量有效值为0.819A，相比于仅进行基波补偿时2.154A有所下降。

为验证本发明中配电网功率平衡功能的有效性，做如下仿真：设配电网原带载有功负荷和无功负荷分别为p_L＝3MW和q_L＝3MVar。0.2s时刻，在图7所示线路6上，有0.5MVar纯感性负荷投入电网，源端的有功p、无功q立即产生了较大的振荡，电流也出现了波动，直至0.5s时刻振荡有减弱趋势，但仍存在。若采用功率平衡策略对配电网功率进行实时监测，负荷投入后PET立刻做出响应，迅速对无功缺口进行补偿，该方法能够有效抑制配电网源端出现的功率振荡，使三相电流快速恢复平衡状态。

为验证本发明是否兼备配电网故障消弧功能和功率平衡功能，做如下仿真：设配电网原带载有功负荷和无功负荷分别为p_L＝3MW和q_L＝3MVar。0.1s时刻，在图7所示线路6上投入0.5MVar纯感性负荷；0.2s时刻模拟A相发生单相接地故障，接地电阻为10Ω，此时故障消弧系统工作于模式二；0.3s时刻故障消弧系统切换至模式一且仅对故障电流基波分量进行补偿，0.4s时刻PET增加对故障电流谐波分量补偿。在功率平衡策略的实时监测和补偿下，无论是0.1s时刻0.5MVar纯感性负荷投入，还是0.2s时刻A相发生单相接地故障，配电网源端的有功、无功出力都能保持在平衡状态，三相电流也并未因负荷投入而出现激增或突减，表明该集成系统对提升电网电能质量有所作用。0.2-0.3s时刻故障已发生，但PET尚未接收到故障信号，仍工作于模式二，此时故障电流幅值约为70A，0.3s时刻PET启动模式一并仅进行基波消弧，故障电流被迅速被抑制，低于国标熄弧标准值10A；0.4s时刻增加谐波补偿，故障电流几乎降为0，表明该集成系统能够实现可靠消弧功能，并对谐波残流有抑制作用。综上，该集成方案可使PET同时实现配电网故障消弧功能和功率平衡功能。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于电力电子变压器的配电网接地故障集成化消弧方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种基于电力电子变压器的配电网接地故障集成化消弧方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：提取配电网三相电压、电流量，在αβ0坐标系下进行解耦；

步骤S2：根据基于0轴电压调控的故障消弧系统，采用比例积分微分控制器生成位于0轴的故障消弧指令：

当接收到单相接地故障发生信号时，所述故障消弧系统工作于模式一：利用低通滤波器在旋转坐标系下分离故障电流基波、谐波量并合成消弧参考电流i_z；当未接收到故障发生信号时，所述故障消弧系统工作于模式二：i_z设置为0；

将i_z送入电流外环控制器生成位于0轴的消弧参考电压u_{0_ref}；模式一用于实现对单相接地故障电流基波、谐波分量全补偿；模式二用于避免由于PET整流器对地阻抗分流导致接地故障发生后、消弧补偿前故障电流增大；

步骤S3：根据基于α轴、β轴电压调控的功率平衡系统，采用准比例谐振控制器生成位于α轴、β轴的功率平衡指令；

步骤S4：确定综合指令并生成参考电压信号，控制PET向配电网注入电流；

步骤S5：电力电子变压器以模式一运行给定的一段时间后，逐步减少输出电流的0轴分量并测量配电网中性点电压是否成比例变化，若是，则判断故障为瞬时性接地故障，配电网已恢复正常运行，将0轴控制方式由模式一转换至模式二，并回到步骤S1；若否，则判断故障为永久性接地故障，启动故障保护装置，对故障馈线进行隔离。

2.根据权利要求1所述的基于电力电子变压器的配电网接地故障集成化消弧方法，其特征在于：在步骤S2中，模式一具体包括以下过程：

若配电网中存在谐波源，零序电压瞬时值u₀(t)中应包含基波和谐波分量，即：

式中：U_m为基波幅值；U_km为k次谐波幅值；

为k次谐波初相角；ω＝2πf，f为配电网工频，f＝50Hz；

设u₀(t)为A相的假想电压u'_a(t)，根据B相始终滞后A相120°，C相始终超前A相120°，分别构造B、C两相的假想电压u'_b(t)、u'_c(t)；经Park变换将假想三相电压变换至dq0旋转坐标系，u₀(t)中的基波分量被转换为直流分量，用低通滤波器提取后，经Park反变换得到u₀(t)中所含基波电压u'_{a_1}(t)，则u₀(t)中包含的谐波电压u'_{a_hpf}(t)表示为：

u'_{a_hpf}(t)＝u₀(t)-u'_{a_1}(t)

根据欧姆定律，故障电流谐波量i_hpf由谐波电压u'_{a_hpf}(t)经计算得到；为实现故障电流为0的控制目标，消弧参考电流i_z表示为：

i_z＝i_p+i_hpf

式中：i_p为故障电流基波量；

根据上式得到i_z后，经电流外环控制器生成消弧参考电压u_{0_ref}，该电压信号经载波相移调制后控制电力电子变压器向配电网注入补偿电流，实现单相接地故障电流全补偿。

3.根据权利要求1所述的基于电力电子变压器的配电网接地故障集成化消弧方法，其特征在于：在步骤S2中，模式二下设置i_z＝0；由于单相接地故障电流仅与零序网络有关，通过控制电力电子变压器整流侧对地电流为零，实现阻断配电网零序电流通路，避免因Z_P分流导致接地故障电流增大。

4.根据权利要求1所述的基于电力电子变压器的配电网接地故障集成化消弧方法，其特征在于：在步骤S3中，根据基于α轴、β轴电压调控的功率平衡系统，采用准比例谐振控制器生成位于α轴、β轴功率平衡指令的具体方法如下：

设源端的有功、无功出力参考值为p_ref、q_ref，根据瞬时功率理论求出配电网电流参考值i_{α_ref}、i_{β_ref}；为保障源端的有功、无功出力恒定，PET需向电网增加注入的用于功率补偿的电流Δi_s表示为：

Δi_sα、Δi_sβ经准比例谐振控制器生成功率平衡电压参考信号u_{α_ref}、u_{β_ref}。

5.根据权利要求4所述的基于电力电子变压器的配电网接地故障集成化消弧方法，其特征在于：步骤S4确定综合指令信号的具体方法如下：

对位于0轴的消弧参考电压u_{0_ref}和位于α轴、β轴的功率平衡参考电压u_{α_ref}、u_{β_ref}执行Clack反变换，使其重新耦合至abc三相坐标系，得到用于集成化控制的综合指令信号，该信号经载波相移调制后控制电力电子变压器向配电网注入补偿电流。

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