CN113097989A - 一种柔性接地配电网故障复合消弧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性接地配电网故障复合消弧方法，首先筛选出电压消弧方法难以可靠消弧的工况，如不对称配电网发生高阻接地故障带来接地故障相判断死区等，其次根据复杂接地故障工况配电网参数特征，界定故障配电网等效模型中各参数取值范围通过柔性接地装置工作于电压消弧模式时的输出电流获取电压消弧和电流消弧方法在启动条件、电压电流指令检测与合成、消弧性能评价等方面的差异化特征指标，分别得到电压电流消弧方式约束条件，最后形成以电压消弧方法为主、电流消弧方法为辅的柔性接地系统复合消弧策略，实现了复杂接地故障工况时的可靠消弧。
Description
技术领域
本发明涉及配电网消弧领域，尤其涉及一种用于配电网复杂工况下故障时的复合消弧。
背景技术
配电网深入用户终端，运行环境多变，易发生随机故障，其中约70％的故障是瞬时性接地故障。由于配电网对地存在电容和泄露电阻，因此接地故障电流为电容电流和阻性泄露电流。为限制接地故障电流，我国配电网一般采用中性点不接地、经消弧线圈接地、经电阻接地等中性点非有效接地运行方式。随着城乡电网发展，电容电流增大，瞬时性接地故障消弧能力变差，故障点的电弧难以自行熄灭，易产生故障过电压，引起多重事故，甚至造成大面积停电，危机电网安全，影响社会稳定。
配电网柔性接地系统是从基于全控器件的消弧接地补偿装置、柔性零残流消弧线圈等装置发展而来的，由于可以实现故障点零残流以及无需进行电容电流检测，近年来受到了较多的关注，成为了故障处理领域研究的热点。综合现有的单相接地故障处理策略可见，有源消弧方法可以避免无源方法可能出现的相间短路导致出线跳闸和并联谐振导致的零序过电压问题，是消弧技术的发展趋势。再有源消弧方法中，电压消弧方法在低阻接地故障时消弧效果差，电流消弧方法受到接地故障全电流检测精度制约，因此单一的消弧方法难以满足配电网复杂接地故障工况下有效消弧的需求。
发明内容
一种柔性接地配电网故障复合消弧方法，其特征在于，通过有源消弧适用性判据进行有源电压和电流消弧方式的合理选择，从而将有源电压消弧和有源电流消弧方法有机融合，通过合理切换两种消弧控制方法实现优势互补，最后有效解决复杂故障工况配电网可靠消弧难题。
有源消弧装置由一台直流电压源，单相逆变器，LC滤波器以及隔离变压器，并通过Z型接地变压器接入配电网中性点。
当发生单相接地故障时，配电网出现电弧接地过电压，若选择有源电流消弧法消弧，通过注入可控的补偿电流，完全补偿接地电流中的有功分量、无功分量和谐波分量可达到抑制接地故障电流的目的，但该方法需要对电容电流和谐波电流精确测量，这在实际工程中比较困难。
当发生单相接地故障时，配电网出现电弧接地过电压，若选择有源电压消弧法消弧，通过向配电网注入电流并控制中性点电压为故障相电动势的相反数可达到灭弧的效果。但在低阻接地故障时，该方法无法实现可靠灭弧，并且需要对故障相准确辨识。
柔性接地系统故障复合消弧策略旨在解决单一电压消弧或电流消弧方法难以可靠消弧的问题，复合消弧策略的关键问题是电压消弧方法与电流消弧方法的切换。
首先，筛选出电压消弧方法难以可靠消弧的工况，如不对称配电网发生高阻接地故障带来接地故障相判断死区、线路出口近端发生低阻接地故障使电压消弧方法失效、长线路和重载线路末端发生接地故障导致故障点电压升高影响消弧性能等。
其次根据复杂接地故障工况配电网参数特征，包括零序电压、三相电压、零序电流等，界定故障配电网等效模型中各参数取值范围通过柔性接地装置工作于电压消弧模式时的输出电流获取电压消弧和电流消弧方法在启动条件、电压电流指令检测与合成、消弧性能评价等方面的差异化特征指标，分别得到电压电流消弧方式约束条件。
最后形成以电压消弧方法为主、电流消弧方法为辅的柔性接地系统复合消弧策略，有望实现复杂接地故障工况时的可靠消弧。
进一步地，所述有源电流消弧控制方法以接地装置输出电流为控制目标，采用电感电流单闭环结构，通过增加电容电流闭环可以阻尼输出滤波器与配电网对地电容之间的谐振，提高有源消弧系统稳定裕度。其中电流环控制器为PI调节器，PI调节器的传递函数为：
电流环的开环传递函数为：
其中：Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kpwm为逆变器增益。
进一步地，所述有源电压消弧方法以消弧装置并网接口处电压为控制对象，采用电压外环和电流内环构成的双闭环结构，并增加输出滤波电容电压前馈以提高输出电压控制精度，其中电压外环控制器为PI调节器，PI调节器的传递函数为：
电压外环开环传递函数为：
进一步地，为了简化分析，有源消弧装置用可控电流源代替，有源消弧系统简化电流图分解为基波域和谐波域两个等效电路图，可得到注入电流基波分量和谐波分量分别为：
为了达到可靠熄弧，限制接地电流为0，即IF为0，则注入电流的表达式为：
进一步地，所述的电压消弧方法与电流消弧方法的切换，根据电压消弧时的输出电流相位可以得到电压消弧方法在灭弧性能方面的判据，再结合复杂接地故障工况条件是否位于接地故障相判断死区和是否满足电压消弧控制方法稳定性约束条件等因素，综合选择电压消弧方法和电流消弧方法。
进一步地，所述的有源消弧适用性判据根据图1推导而来，重载线路末端出现接地故障、柔性接地装置采用电压消弧方法时的序阻抗等效电路如图1所示，可见，重载线路末端低阻接地故障造成电压消弧方法失效的主要原因是，负载电流作用再线路阻抗所产生的压降直接作用再故障电阻上所致。通过进一步分析发现，由于线路阻抗主要呈感性，负载电流与电源电压近似同相位，低阻故障时母线至故障点的线路阻抗远大于故障过渡电阻，柔性接地装置输出电流IS的相位将较不考虑线路阻抗和负荷电流时超前，以该特征为基础可以得到电压消弧方法适用性判据。
本发明对比已有技术具有以下有益效果：
本发明采用将有源电压消弧和有源电流消弧相结合的控制策略
1.该方法结合了有源电压消弧和有源电流消弧的优势，并将二者有机融合，在应对配电网复杂接地故障工况时可以起到互补的效果。
2.在母线出线处发生金属性接地故障、长线路或重载线路末端发生接地故障等复杂接地故障工况下，该方法从消弧快速性、可靠性、有源装置容量等技术经济指标方面评估有源电压和电流消弧方法，这使得配电网在灭弧时更快速、更可靠且经济效益更高。
3.该策略完美的避免了无源消弧方法可能出现的相间短路导致出线跳闸和并联谐振导致的零序过电压问题，同时，也避免了电压消弧方法在低阻接地故障时消弧效果差，电流消弧方法受到接地故障全电流检测精度制约的问题，是一种更体系更健全，更适合当下配电网复杂工况的消弧策略。
附图说明
图1为柔性接地装置电压消弧方法灭弧性能判据分析
图2为有源电流消弧系统控制示意图
图3为有源电压消弧系统控制示意图
图4为电压消弧转电流消弧控制流程图
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，柔性接地装置由一台直流电压源，单相逆变器，LC滤波器以及隔离变压器组成，逆变器由四个IGBT管构成，柔性接地装置后级单相交流测经升压后接入配电网中性点，中性点由隔离变压器引出。其中，UO、IO分别为柔性电源输出电压和注入电网的电流(升压变低压侧)，
为柔性电源注入中性点的电流(升压变高压侧)，
为配电网电源电动势，
为中性点电压；LO、CO为单相逆变器输出滤波电感、电容，CA、CB、CC为配电网对地电容，re为接地故障过渡电阻，If为故障点残流。
有源电流消弧控制方法以接地装置输出电流为控制目标，采用电感电流单闭环结构，
为注入指令电流，iL为逆变器电感电流，Un为配电网侧中性点电压， Gi(s)为控制器传递函数，Kpwm为逆变器增益，柔性接地装置输出电流i0为系统控制对象，当电流环控制器为PI调节器时，可得到电流环的开环传递函数为 Gio(s)，其具体表达式为：
由于电流环带宽频率一般为开关频率的1/5～1/10，Ki远大于PI的转折频率，可忽略Ki，计算KP。得到KP后，考虑相角裕度∠Gop(ωC)，则可得到的值为：
有源电压消弧控制方法以消弧装置并网接口处电压为控制对象，采用输出电压外环和电流内环构成的双闭环结构，
为指令电压，IL为逆变器电感电流， Uref为配电网侧中性点参考电压，Gv(s)为电压外环传递函数，Gcl(s)为电流内环传递函数，中性点电压Un为系统控制对象，当电流内环、电压外环控制器均为PI调节器时，可得到电压外环开环传递函数Gol_v(s)的表达式为：
电压外环带宽频率一般为基波频率的15～20倍，相角裕度为45°～65°，若电压环带宽为500Hz，相角裕度为45°，则Kp＝0.01，Ki＝0.59，为了抑制注入电流对消弧系统的影响，在控制回路中加入了电流前馈，对电流闭环控制器参数设计后可视为1，不影响电压外环的控制器参数设计。
结合有源电压消弧与有源电流消弧的控制策略方法，同时得到计及故障相线路阻抗的序阻抗等效电路与不计故障相线路阻抗的序阻抗等效电路图，如图所示，通过分析发现，由于线路阻抗主要呈感性，负载电流与电源电压近似同相位，低阻故障时母线至故障点的线路阻抗远大于故障过渡电阻，柔性接地装置输出电流 Is的相位将较不考虑线路阻抗和负荷电流时超前，以该特征为基础可得到电压消弧方法适用性的判据，并以此得到电压消弧方法与电流消弧方法的切换策略。
Claims (5)
1.一种柔性接地配电网故障复合消弧方法，其特征在于，通过有源消弧适用性判据进行有源电压和电流消弧方式的合理选择，从而将有源电压消弧和有源电流消弧方法有机融合，通过合理切换两种消弧控制方法实现优势互补，最后解决了复杂故障工况配电网可靠消弧难题。
有源消弧装置由一台直流电压源，单相逆变器，LC滤波器以及隔离变压器，并通过Z型接地变压器接入配电网中性点。
当发生单相接地故障时，配电网出现电弧接地过电压，若选择有源电流消弧法消弧，通过注入可控的补偿电流，完全补偿接地电流中的有功分量、无功分量和谐波分量可达到抑制接地故障电流的目的，但该方法需要对电容电流和谐波电流精确测量，这在实际工程中比较困难。
当发生单相接地故障时，配电网出现电弧接地过电压，若选择有源电压消弧法消弧，通过向配电网注入电流并控制中性点电压为故障相电动势的相反数可达到灭弧的效果。但在低阻接地故障时，该方法无法实现可靠灭弧，并且需要对故障相准确辨识。
柔性接地系统故障复合消弧策略旨在解决单一电压消弧或电流消弧方法难以可靠消弧的问题，复合消弧策略的关键问题是电压消弧方法与电流消弧方法的切换。
首先，筛选出电压消弧方法难以可靠消弧的工况，如不对称配电网发生高阻接地故障带来接地故障相判断死区、线路出口近端发生低阻接地故障使电压消弧方法失效、长线路和重载线路末端发生接地故障导致故障点电压升高影响消弧性能等。
其次根据复杂接地故障工况配电网参数特征，包括零序电压、三相电压、零序电流等，界定故障配电网等效模型中各参数取值范围通过柔性接地装置工作于电压消弧模式时的输出电流获取电压消弧和电流消弧方法在启动条件、电压电流指令检测与合成、消弧性能评价等方面的差异化特征指标，分别得到电压电流消弧方式约束条件。
最后形成以电压消弧方法为主、电流消弧方法为辅的柔性接地系统复合消弧策略，实现了复杂接地故障工况时的可靠消弧。
2.根据权利要求1所述的有源电流消弧方法，其特征在于，有源电流消弧控制方法以接地装置输出电流为控制目标，采用电感电流单闭环结构，通过增加电容电流闭环可以阻尼输出滤波器与配电网对地电容之间的谐振，提高有源消弧系统稳定裕度。为了简化分析，有源消弧装置用可控电流源代替，有源消弧系统简化电路图分解为基波域和谐波域两个等效电路图，可得到注入电流基波分量和谐波分量分别为：
为了达到可靠熄弧，限制接地电流为0，即IF为0，则注入电流的表达式为：
3.根据权利要求1所述的有源电压消弧方法，其特征在于，有源电压消弧方法以消弧装置并网接口处电压为控制对象，采用输出电压外环和电流内环构成的双闭环结构，并增加输出滤波电容电压前馈以提高输出电压控制精度。
4.根据权利要求1所述的电压消弧方法与电流消弧方法的切换，其特征在于，根据电压消弧时的输出电流相位可以得到电压消弧方法在灭弧性能方面的判据，再结合复杂接地故障工况条件是否位于接地故障相判断死区和是否满足电压消弧控制方法稳定性约束条件等因素，综合选择电压消弧方法和电流消弧方法。
5.根据权利要求1所述的有源消弧适用性判据，其特征在于，重载线路末端出现接地故障、柔性接地装置采用电压消弧方法时的序阻抗等效电路如图1所示，可见，重载线路末端低阻接地故障造成电压消弧方法失效的主要原因是，负载电流作用再线路阻抗所产生的压降直接作用再故障电阻上所致。通过进一步分析发现，由于线路阻抗主要呈感性，负载电流与电源电压近似同相位，低阻故障时母线至故障点的线路阻抗远大于故障过渡电阻，柔性接地装置输出电流IS的相位将较不考虑线路阻抗和负荷电流时超前，以该特征为基础可以得到电压消弧方法适用性判据。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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