CN112865060A - 一种新型四桥臂拓扑的配电网集成化消弧装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型四桥臂拓扑的配电网集成化消弧装置及方法，集成化消弧装置采用四桥臂H桥变流器，其中三桥臂星型连接，经连接电感挂接在各相线，第四桥臂连接在三桥臂中性点和大地之间；集成化消弧方法为：系统正常运行时，集成化消弧装置动态跟踪补偿配电网无功功率、有功功率和三相不平衡负荷以及抑制三相对地参数不平衡电压；接地故障时，三相对地参数不平衡电压抑制切换至柔性消弧，补偿接地故障电流至零。本发明响应速度快，能够迅速有效的抑制接地故障电弧，功能丰富，设备利用率高。

Description

一种新型四桥臂拓扑的配电网集成化消弧装置及方法
技术领域
本发明涉及电网单相接地故障消弧领域，具体涉及一种新型四桥臂拓扑的配电网集成化消弧装置及方法。
背景技术
随着配电网规模的扩大，接地故障电容电流增大，消弧线圈无法补偿谐波和有功分量，接地故障残流较大，致使接地故障电弧无法自行熄灭，引发火灾和相间短路故障。且易发展为间歇性电弧接地故障，产生弧光过电压，造成电网设备击穿损坏。柔性消弧方法因能补偿接地故障电流中的无功、有功和谐波分量成为研究热点。
已有的柔性消弧装置主要有：一是主从式消弧装置，消弧线圈为主消弧装置，补偿接地故障电流中大部分电容电流；在其两端并接单相逆变器作为从逆变装置，补偿接地故障电流剩余的谐波电流和有功电流，但受逆变器电平数限制，输出谐波特性较差；二是三相级联H桥式消弧装置，以三相级联H桥变流器为消弧装置，三相直接并接于母线，中性点直接接地或者经开关接地，但需较多的H桥单元，投入成本较高。
另外，目前柔性消弧装置只在接地故障期间发挥作用，正常运行期间闲置，但接地故障持续时间短，柔性消弧装置中的电力电子模块利用率低，造成资源浪费。已有的多功能消弧装置将SVG中性点经消弧线圈接地，SVG单相耐压只需二分之一线电压，投入H桥单元较少，但受消弧线圈影响，响应速度慢；且未补偿接地故障电流中的有功和谐波分量，消弧效果有限；另外，仅具有无功补偿和消弧两种功能，装置利用率仍有待提高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新型四桥臂拓扑的配电网集成化消弧装置及方法，有效提高响应速度和装置利用率，能够迅速抑制接地故障电弧且经济性高。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种新型四桥臂拓扑的配电网集成化消弧装置，所述集成化消弧装置采用四桥臂H桥变流器，其中三桥臂星型连接，直接挂接在各相线，第四桥臂连接在三桥臂中性点和大地之间；系统正常运行时，集成化消弧装置动态跟踪补偿配电网无功功率、有功功率和三相不平衡负荷以及抑制三相对地参数不平衡电压；接地故障时，三相对地参数不平衡电压抑制切换至柔性消弧，补偿接地故障电流至零。
进一步的，所述三桥臂采用三相H桥变流器，所述三相H桥变流器包括两电平三相半桥、三电平三相半桥、多电平三相半桥或三相级联式H桥。
进一步的，所述接地桥臂采用单相H桥变流器，所述单相H桥变流器包括两电平单相半桥、三电平单相半桥、多电平单相半桥、单相级联式H桥。
进一步的，所述三相H桥变流器采用高压等级三相变流器，直接挂设于6kV、10kV、35kV或者66kV电压等级的母线或线路上。
进一步的，所述三相H桥变流器采用低压等级三相变流器，经过升压变压器挂接于6kV、10kV、35kV或者66kV电压等级的母线或线路上。
一种新型四桥臂拓扑的配电网集成化消弧方法，包括以下步骤：
步骤S1:将星型连接的三相H桥变流器的中性点经单相H桥变流器接地，三相H桥通过连接电感挂接至配电网母线的三相线上；
步骤S2：实时采集系统母线三相电压、三相电流和零序电压以及变流器注入电流；
步骤S3：计算系统的瞬时无功功率、有功功率和三相不平衡负荷电流，同时计算母线零序电压和三相电源电压的幅值和相位；根据零序电压是否越线判定是否发生接地故障或者是否存在三相对地参数不平衡；
步骤S4：正常运行且三相对地参数平衡时控制集成化消弧装置的三相桥臂输出无功、有功和三相不平衡负荷的补偿电流，接地桥臂不投入运行；
步骤S5：正常运行且三相对地参数不平衡时控制集成化消弧装置的三相桥臂输出无功、有功和三相不平衡负荷抑制电流，接地桥臂投入运行并输出三相对地参数不平衡补偿电流，抑制零序电压至零；
步骤S6：接地故障时利用选相算法选出故障相，并将接地桥臂控制算法由实现三相对地参数不平衡电流抑制切换至柔性消弧，抑制零序电压为故障相电源电压负值；
步骤S7：逐渐减小调控零序电压目标值直至零，若接地桥臂注入电流成比例变化，则判断为故障已经消失，退出接地桥臂，返回步骤S3；若接地桥臂注入电流不成比例变化，则继续注入电流，并启动选线装置选出故障馈线，在故障线路隔离后退出接地桥臂，返回步骤S3。
进一步的，所述三相对地参数不平衡补偿电流的求取方法为：先利用电压、电流双闭环控制集成化消弧装置，使得零序电压为零，即采用电压抑制法；同时测量并保存此时单相H桥变流器注入的电流值，该电流值即为不平衡电流。所述三相对地参数不平衡抑制和柔性消弧的切换方法为：三相对地参数不平衡抑制采用电流抑制法，即控制变流器注入不平衡电流，再切换至柔性消弧。所述集成化方法为：一套集成化消弧装置具有有功功率补偿、无功功率补偿、三相负荷不平衡电压抑制、三相对地参数不平衡电压抑制和接地故障柔性消弧功能五个功能中的两个或多个。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明提出的四桥臂级联H桥新型拓扑结构，较三相级联H桥中性点直接接地或经开关接地的拓扑节省了三分之一的级联H桥单元，且三相级联H桥单元可互为备用，容错性高；较SVG中性点经消弧线圈接地拓扑，响应速度快，能够迅速抑制接地故障电弧；
2、本发明通过新型的四桥臂级联H桥型多电平变流器，在一套电力电子装置上可实现无功功率和有功功率补偿、三相负荷和对地参数不平衡电压抑制以及柔性消弧等五个功能，提高了电力装置的利用率，解决目前电力电子装置功能单一，各装置间配合困难等问题；
3、本发明提出的三相对地参数不平衡抑制和柔性消弧的切换方法，在三相对地参数不平衡抑制时采用电流抑制法，能够有效避免切换过程产生过电流，对变流器的安全稳定运行提供了有力保障；
4、本发明在电压抑制法和电流抑制法的理论研究基础上，提出的三相对地参数不平衡补偿电流目标值的求取方法，集成化消弧装置投入初期采用电压抑制法，同时测量变流器接地支路的注入电流作为电流抑制法的参考电流，避免了三相对地参数测量的环节，提高了目标值的计算精度。
附图说明
图1为本发明一实施例种带四桥臂拓扑变流器的配电网结构原理示意图；
图2为本发明实施例一仿真实例新型四桥臂拓扑的配电网集成化消弧方法的仿真模型示意图；
图3为本发明实施例一仿真实例无功功率和三相不平衡负荷补偿效果的示意图；
图4为本发明实施例一仿真实例三相对地参数不平衡电压抑制效果的示意图；
图5为本发明实施例一仿真实例对地参数不平衡电压抑制法切换至柔性消弧结果示意图；
图6为本发明实施例一仿真实例对地参数不平衡电流抑制法切换至柔性消弧结果示意图。
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。
请参照图1，本发明提供一种新型四桥臂拓扑的配电网集成化消弧装置，所述集成化消弧装置采用四桥臂H桥变流器，其中三桥臂星型连接，直接挂接在各相线，第四桥臂连接在三桥臂中性点和大地之间；系统正常运行时，集成化消弧装置动态跟踪补偿配电网无功功率、有功功率和三相不平衡负荷以及抑制三相对地参数不平衡电压；接地故障时，三相对地参数不平衡电压抑制切换至柔性消弧，补偿接地故障电流至零，具体包括以下步骤：
步骤S1:将星型连接的三相H桥变流器的中性点经单相H桥变流器接地，三相H桥通过连接电感挂接至配电网母线的三相线上；
步骤S2：实时采集系统母线三相电压、三相电流和零序电压以及变流器注入电流；
步骤S3：计算系统的瞬时无功功率、有功功率和三相不平衡负荷电流，同时计算母线零序电压和三相电源电压的幅值和相位；根据零序电压是否越线判定是否发生接地故障或者是否存在三相对地参数不平衡；
步骤S4：正常运行且三相对地参数平衡时控制集成化消弧装置的三相桥臂输出无功、有功和三相不平衡负荷的补偿电流，接地桥臂不投入运行；
步骤S5：正常运行且三相对地参数不平衡时控制集成化消弧装置的三相桥臂输出无功、有功和三相不平衡负荷抑制电流，接地桥臂投入运行并输出三相对地参数不平衡补偿电流，抑制零序电压至零；
步骤S6：接地故障时利用选相算法选出故障相，并将接地桥臂控制算法由实现三相对地参数不平衡电流抑制切换至柔性消弧，抑制零序电压为故障相电源电压负值；
步骤S7：逐渐减小调控零序电压目标值直至零，若接地桥臂注入电流成比例变化，则判断为故障已经消失，退出接地桥臂，返回步骤S3；若接地桥臂注入电流不成比例变化，则继续注入电流，并启动选线装置选出故障馈线，在故障线路隔离后退出接地桥臂，返回步骤S3；
步骤S8：重复步骤S2至S7。
优选的，三桥臂采用三相H桥变流器，所述三相H桥变流器包括两电平三相半桥、三电平三相半桥、多电平三相半桥或三相级联式H桥。
优选的，接地桥臂采用单相H桥变流器，所述单相H桥变流器包括两电平单相半桥、三电平单相半桥、多电平单相半桥、单相级联式H桥。
优选的，三相H桥变流器采用高压等级三相变流器，直接挂设于6kV、10kV、35kV或者66kV电压等级的母线或线路上。
优选的，三相H桥变流器采用低压等级三相变流器，经过升压变压器挂接于6kV、10kV、35kV或者66kV电压等级的母线或线路上。
优选的，三相对地参数不平衡补偿电流的求取方法为：先利用电压、电流双闭环控制集成化消弧装置，使得零序电压为零，即采用电压抑制法；同时测量并保存此时单相H桥变流器注入的电流值，该电流值即为不平衡电流。所述三相对地参数不平衡抑制和柔性消弧的切换方法为：三相对地参数不平衡抑制采用电流抑制法，即控制变流器注入不平衡电流，再切换至柔性消弧。所述集成化方法为：一套集成化消弧装置具有有功功率补偿、无功功率补偿、三相负荷不平衡电压抑制、三相对地参数不平衡电压抑制和接地故障柔性消弧功能五个功能中的两个或多个。
以下对本实施例的技术方案从原理角度进行详细说明：
1.功率补偿和三相负荷不平衡电压抑制原理
1.1功率补偿原理
根据KVL可得
Figure BDA0002926492650000081
式中，vHd、vHq、vd和vq分别为变流器输出电压和并网点电压的d轴分量与q轴分量，RH、LH和ω分别为变流器连接电感的电阻值、电感值和系统角频率。
利用瞬时功率理论可求得瞬时有功功率p和瞬时无功功率q的关系
Figure BDA0002926492650000082
经换算可得变流器输出电流的d轴分量参考值idref和q轴分量参考值iqref分别为
Figure BDA0002926492650000091
Figure BDA0002926492650000092
式中，VGm、Pref和Qref分别为并网点电源相电压、有功功率给定目标值和无功功率给定目标值。
式(3)和式(4)所示参考电流值经dq-abc变换后可得到三相补偿电流参考值，控制变流器输出补偿电流可实现有功功率和无功功率的补偿。
1.2三相负荷不平衡电压抑制原理
三相负荷不平衡将导致负荷电流中出现负序分量，且三相电压将出现不平衡现象。三相负荷不平衡电压的抑制原理为：检测并提取负荷电流中的负序电流分量，在控制变流器输出与负荷电流中负序分量大小相等，方向相反的补偿电流，使二者完全抵消。
2.柔性消弧和三相对地参数不平衡电压抑制原理
2.1柔性消弧原理
根据KCL
Figure BDA0002926492650000093
式中，
Figure BDA0002926492650000094
和
Figure BDA0002926492650000095
分别为系统A、B和C相对地电流，
Figure BDA0002926492650000096
和
Figure BDA0002926492650000097
分别为接地故障电流和变流器注入电流。
将式(5)化为电压形式，得
Figure BDA0002926492650000098
式中
Figure BDA0002926492650000099
和
Figure BDA00029264926500000910
为各相电源电压，
Figure BDA00029264926500000911
为中性点电压，Rf为接地过渡电阻，YA、YB、YC为各相对地导纳。
由式(5)可知，若控制变流器注入电流
Figure BDA00029264926500000912
等于系统总的对地电流
Figure BDA00029264926500000913
则接地点故障电流被抑制为零，即采用电流消弧法；若将式(6)中的中性点电压控制为故障相电源电压负值
Figure BDA0002926492650000101
则故障点电流
Figure BDA0002926492650000102
也将被抑制成零，即采用电压消弧法。
2.2三相对地参数不平衡电压抑制原理
式(6)中若变流器注入电流为三相对地参数不平衡电流
Figure BDA0002926492650000103
则中性点电压被抑制为零，即采用电流抑制法；若控制中性点电压为零，则变流器注入电流即为三相对地参数不平衡电流，即采用电压抑制法。
3.三相对地参数不平衡电压抑制与柔性消弧切换方法
若三相对地参数不平衡电压抑制采用电压抑制法，可省去对地参数测量环节，但切换至柔性消弧功能时，因存在延时，将使得接地故障已经发生，而变流器仍控制中性点电压为零，若为低阻接地故障，变流器将产生过电流，不仅可能损坏变流器，而且将加速接地故障电弧重燃。因此本发明提出三相对地参数不平衡抑制方法采用电流抑制法，可有效解决上述问题。
4.三相对地参数不平衡电流的求取方法
三相对地参数不平衡电压抑制采用电流抑制法时涉及系统三相对地参数测量问题，测量过程存在测量和计算误差，为避免计算误差，本发明提出在变流器初始阶段采用电压抑制法，同时测量此时变流器接地支路的注入电流，即三相对地参数不平衡电流，作为电流抑制法的给定目标值。
实施例1：
本实施例中，利用PSCAD软件搭建如图2所示含6条馈线的配电网络仿真模型。配电线路采用Bergeron模型。对图2所示配电网络，接地故障点设置在节点5，设置A相接地故障，仿真结果如图3～图6所示。
由图3可知，集成化消弧装置能够有效补偿无功功率和三相不平衡负荷，提升和平衡线路末端三相电压至线路首段电源电压。
由图4可知，集成化消弧装置可抑制因线路三相对地参数不平衡导致的三相电压不对称。
由图5和图6可知，三相对地参数不平衡抑制采用电压抑制法时，若切换过程存在投切延时，将增大接地故障点电流。当采用电流抑制法时，切换过程即使存在投切延时，仍不至于导致接地故障点电流增加。
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 (7)

1.一种新型四桥臂拓扑的配电网集成化消弧装置，其特征在于，所述集成化消弧装置采用四桥臂H桥变流器，其中三桥臂星型连接，直接挂接在各相线，第四桥臂连接在三桥臂中性点和大地之间；系统正常运行时，集成化消弧装置动态跟踪补偿配电网无功功率、有功功率和三相不平衡负荷以及抑制三相对地参数不平衡电压；接地故障时，三相对地参数不平衡抑制切换至柔性消弧，补偿接地故障电流至零。
2.根据权利要求1所述的一种新型四桥臂拓扑的配电网集成化消弧装置，其特征在于，所述三桥臂采用三相H桥变流器，所述三相H桥变流器包括两电平三相半桥、三电平三相半桥、多电平三相半桥或三相级联式H桥。
3.根据权利要求1所述的一种新型四桥臂拓扑的配电网集成化消弧装置，其特征在于，所述接地桥臂采用单相H桥变流器，所述单相H桥变流器包括两电平单相半桥、三电平单相半桥、多电平单相半桥、单相级联式H桥。
4.根据权利要求1所述的一种新型四桥臂拓扑的配电网集成化消弧装置，其特征在于，所述三相H桥变流器采用高压等级三相变流器，直接挂设于6kV、10kV、35kV或者66kV电压等级的母线或线路上。
5.根据权利要求1所述的一种新型四桥臂拓扑的配电网集成化消弧装置，其特征在于，所述三相H桥变流器采用低压等级三相变流器，经过升压变压器挂接于6kV、10kV、35kV或者66kV电压等级的母线或线路上。
6.一种新型四桥臂拓扑的配电网集成化消弧方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:将星型连接的三相H桥变流器的中性点经单相H桥变流器接地，三相H桥通过连接电感挂接至配电网母线的三相线上；
步骤S2：实时采集系统母线三相电压、三相电流和零序电压以及变流器注入电流；
步骤S3：计算系统的瞬时无功功率、有功功率和三相不平衡负荷电流，同时计算母线零序电压和三相电源电压的幅值和相位；根据零序电压是否越线判定是否发生接地故障或者是否存在三相对地参数不平衡；
步骤S4：正常运行且三相对地参数平衡时控制集成化消弧装置的三相桥臂输出无功、有功和三相不平衡负荷的补偿电流，接地桥臂不投入运行；
步骤S5：正常运行且三相对地参数不平衡时控制集成化消弧装置的三相桥臂输出无功、有功和三相不平衡负荷抑制电流，接地桥臂投入运行并输出三相对地参数不平衡补偿电流，抑制零序电压至零；
步骤S6：接地故障时利用选相算法选出故障相，并将接地桥臂控制算法由实现三相对地参数不平衡电流抑制切换至柔性消弧，抑制零序电压为故障相电源电压负值；
步骤S7：逐渐减小调控零序电压目标值直至零，若接地桥臂注入电流成比例变化，则判断为故障已经消失，退出接地桥臂，返回步骤S3；若接地桥臂注入电流不成比例变化，则继续注入电流，并启动选线装置选出故障馈线，在故障线路隔离后退出接地桥臂，返回步骤S3。
7.根据权利要求6所述的一种新型四桥臂拓扑的配电网集成化消弧方法，其特征在于，所述三相对地参数不平衡补偿电流的求取方法为：先利用电压、电流双闭环控制集成化消弧装置，使得零序电压为零，即采用电压抑制法；同时测量并保存此时单相H桥变流器注入的电流值，该电流值即为不平衡电流；所述三相对地参数不平衡抑制和柔性消弧的切换方法为：三相对地参数不平衡抑制采用电流抑制法，即控制变流器注入不平衡电流，再切换至柔性消弧。
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