CN113131457B - 变流器直流侧无须供电电源的配电网接地故障有源消弧方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种变流器直流侧无须供电电源的配电网接地故障有源消弧方法，其特征在于：消弧装置挂接在配电网任意两相线和大地之间；通过对首次并网的消弧装置预充电，使其直流侧电容电压达到目标值；单相接地故障发生后，通过消弧装置向配电网注入电流实现单相接地故障电流全补偿，且确保消弧过程中装置直流侧电压恒定。本发明所用消弧装置在消弧过程中，无须通过开关的切换实现并网相线的选择，可从配电网任意两相注入消弧电流，实现单相接地故障电流全补偿，有效减少了元件数量、降低了对消弧装置装设条件的要求、简化了消弧流程。

Description

变流器直流侧无须供电电源的配电网接地故障有源消弧方法

技术领域

本发明属于电力电子设备控制技术领域，尤其涉及一种变流器直流侧无须供电电源的配电网接地故障有源消弧方法。

背景技术

近年来，随着配电网规模的不断扩大，单相接地故障发生概率大幅提高，占配电网故障总数的80％以上。单相接地故障引发的弧光接地故障会对配电网安全运行和周边人员生命财产造成严重威胁。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，有源消弧技术以其响应快、全补偿等优势，未来有望逐步取代无源消弧技术。

现有技术中，部分有源消弧装置采用三相级联H桥为主电路，可直接挂接于配电网的三个相线上，装置所需元件数量多且耐压要求高；部分有源消弧装置采用单个H桥逆变器配合升压变压器或单相级联H桥为主电路，经接地变压器接入配电网，虽能减少所需元件并降低对耐压的要求，但额外增设的变压器进一步扩大了装置占地面积。且采用上述有源消弧装置对单相接地故障电流进行全补偿时，均存在装置直流侧电容取源困难的问题。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种变流器直流侧无须供电电源的配电网接地故障有源消弧方法，本发明采用两相CHB桥臂一端与配电网任意两相线相连、另一端短接为桥臂中点，桥臂中点经第三串CHB桥臂或消弧线圈接地的消弧装置，实现其在无额外直流侧供电的情况下，对配电网单相接地故障电流进行全补偿。

该方法采用两相CHB桥臂一端与配电网任意两相线相连、桥臂中点经第三串CHB桥臂或消弧线圈接地的消弧装置，实现其在无额外直流供电的情况下对配电网单相接地故障电流全补偿。消弧装置首次并网时，配电网经限流电阻对装置直流侧电容充电，自然充电结束后采用充电控制策略使电容电压继续上升，直至目标值后保持恒定；单相接地故障发生后，通过算法控制消弧装置各相注入配电网的电流相量垂直于该相的电压相量，使装置本身不产生有功损耗，从而直流侧电压保持恒定。本发明所用消弧装置在消弧过程中，无须通过开关的切换实现并网相线的选择，可从配电网任意两相注入消弧电流，实现单相接地故障电流全补偿，有效减少了元件数量、降低了对消弧装置装设条件的要求、简化了消弧流程。

本发明具体采用以下技术方案：

一种变流器直流侧无须供电电源的配电网接地故障有源消弧方法，其特征在于：消弧装置挂接在配电网任意两相线和大地之间；通过对首次并网的消弧装置预充电，使其直流侧电容电压达到目标值；单相接地故障发生后，通过消弧装置向配电网注入电流实现单相接地故障电流全补偿，且确保消弧过程中装置直流侧电压恒定。

进一步地，所述消弧装置挂接在配电网任意两相线和大地间的拓扑结构为：两相CHB桥臂一端与配电网任意两相线相连、另一端短接为桥臂中点，桥臂中点经第三串CHB桥臂或消弧线圈接地。

进一步地，通过对首次并网的消弧装置预充电，使其直流侧电容电压达到目标值的具体过程为：消弧装置首次并网时，配电网通过限流电阻为装置各相直流侧电容充电；一段时间后切除限流电阻并自然充电；自然充电电压达到最大值后，通过充电控制策略使装置各相直流侧电容继续充电，直至到达目标电压值后停止充电并保持恒定。

进一步地，所述充电控制策略为：控制A、B两相的充电电流

大小相等，方向相反，且分别超前于A相30°和滞后于B相30°。

进一步地，单相接地故障发生后，通过消弧装置向配电网注入电流实现单相接地故障电流全补偿，且确保消弧过程中装置直流侧电压恒定的具体过程包括以下步骤：

步骤S1：设消弧装置挂接在配电网A、B相线上，单相接地故障发生后，计算全补偿参考电流并实时测量A、B相电压的相位；

步骤S2：令A、B相参考电流相位与同相电压的相位垂直，且相量和为全补偿参考电流；

步骤S3：以A相为基准，根据步骤S2计算A相参考电流并对A相增加外环功率控制，叠加功率环控制后得到A相实际参考电流，B相实际参考电流为全补偿参考电流减去A相实际参考电流；

步骤S4：调整功率环使A、B两相直流侧电容电压在消弧过程中维持恒定。

进一步地，步骤S2采用的具体方法如下：

单相接地故障发生后，对全补偿参考电流i_{z_ref}进行计算，并实时测量A、B相电压的相位θ_A、θ_B；令A、B相参考电流相位与电压相位垂直且总和为i_{z_ref}；确定装置的A、B相电流相位后，分解i_{z_ref}得A、B相参考电流值。

进一步地，步骤S3采用的具体方法如下：

设以A相为基准，对A相增加外环功率环控制；为使装置注入的总消弧电流始终以i_{z_ref}为参考，由步骤S2计算出A相参考电流i′_{A_ref}，增加功率环后A相实际参考电流值i_{A_ref}＝i′_{A_ref}+i_zdc，则B相实际参考电流值i_{B_ref}＝i_{z_ref}-i_{A_ref}；通过控制i_zdc使A、B两相直流侧电容电压在消弧过程中维持恒定，且不影响整体消弧效果。

与现有技术相比，本发明及其优选方案具有以下有益效果：

1、采用两相CHB桥臂一端与配电网任意两相线相连、另一端短接为桥臂中点，桥臂中点经第三串CHB桥臂或消弧线圈接地的消弧装置，其桥臂或消弧线圈的最高耐压均为相电压。常见三相消弧装置每相桥臂最高耐压为线电压；含接地变的消弧装置占地面积大；本发明中消弧装置具有耐压要求低、元件数量少、装设面积小等优势。

2、提出的消弧装置预充电方案可以有效避免首次并网时，充电电流过大对装置带来的冲击危害。且在自然充电结束后，通过充电控制策略使装置各相直流侧电容继续充电，直至到达目标电压值后停止充电并保持恒定。

3、提出的消弧方法可实现有源消弧装置在无额外直流供电的情况下，对配电网单相接地故障电流进行全补偿，解决了直流侧取源困难的问题。

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为本发明实施例功率环控制结构示意图；

图2为本发明实施例充电控制策略对电流方向的控制示意图；

图3为本发明实施例消弧装置拓扑和配电网简化电路示意图；

图4为本发明实施例有源消弧装置工作情况示意图。

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：

本发明实施例提供一种变流器直流侧无须供电电源的配电网接地故障有源消弧方法。该方法中消弧装置的拓扑结构为两相CHB桥臂一端与配电网任意两相线相连、另一端短接为桥臂中点，桥臂中点经第三串CHB桥臂或消弧线圈接地，其在无额外直流供电的情况下能够对配电网单相接地故障电流全补偿。消弧装置首次并网时，配电网经限流电阻对装置直流侧电容充电，自然充电结束后采用充电控制策略使电容电压继续上升，直至目标值后保持恒定；单相接地故障发生后，通过算法控制使消弧装置各相注入配电网的电流相量垂直于该相的电压相量，装置本身不产生有功损耗，从而直流侧电压保持稳定。本实施例所用消弧装置在消弧过程中，无须通过开关的切换实现并网相线的选择，可从配电网任意两相注入消弧电流，实现单相接地故障电流全补偿，有效减少了元件数量、降低了对消弧装置装设条件的要求、简化了消弧流程。具体包括如下内容：

1、消弧装置挂接在配电网任意两相线和大地间，其中，消弧装置的拓扑结构为两相CHB桥臂一端与配电网任意两相线相连、另一端短接为桥臂中点，桥臂中点经第三串CHB桥臂或消弧线圈接地的特点，桥臂或消弧线圈的最高耐压均为相电压

2、通过对首次并网的消弧装置预充电，使其直流侧电容电压达到目标值的具体过程为：消弧装置首次并网时，配电网通过限流电阻为装置各相直流侧电容充电，限流电阻可以有效限制电容的自然充电电流，避免充电电流过大对装置造成危害。随着直流侧电容电压升高，充电电流变小，此时切除限流电阻并继续充电；由于自然充电只能使装置各相的直流侧总电容电压升至0.5倍的配电网线电压峰值，因而需通过充电控制策略使装置各相直流侧电容继续充电，直至到达目标电压值后停止充电并保持恒定。为使继续充电过程中装置两相电容的储能情况尽可能维持平衡，且不产生对地漏电流，应控制A、B两相的充电电流

大小相等，方向相反，且分别超前于A相30°和滞后于B相30°，如图2所示。直至到达参考电压值后停止充电，并参照图1所示功率环控制使直流侧电容能量保持恒定。

3、单相接地故障发生后，通过消弧装置向配电网注入电流实现单相接地故障电流全补偿，且确保消弧过程中装置直流侧电压恒定，具体包括如下步骤：

步骤S1：假设装置挂接在配电网A、B相线上(下文同)，单相接地故障发生后，计算全补偿参考电流并实时测量A、B相电压的相位；

步骤S2：令A、B相参考电流相位与同相电压的相位垂直，且相量和为全补偿参考电流；

步骤S3：以A相为基准，根据步骤S2计算A相参考电流并对A相增加外环功率控制，叠加功率环控制后得到A相实际参考电流，B相实际参考电流为全补偿参考电流减去A相实际参考电流(B相为基准时同理)；

步骤S4：调整功率环使A、B两相直流侧电容电压在消弧过程中维持恒定，且不影响整体消弧效果。

在本实施例中，步骤S2令A、B相参考电流相位与同相电压的相位垂直，且相量和为全补偿参考电流具体方法如下：

单相接地故障发生后，对全补偿参考电流i_{z_ref}进行计算，并实时测量A、B相电压的相位θ_A、θ_B。根据功率计算式可知，流过元件的电流与其两端电压垂直时元件无有功损耗，因此令A、B相参考电流相位与电压相位垂直且总和为i_{z_ref}，是保证单相接地故障全补偿时直流侧电容电压恒定的前提。确定装置的A、B相电流相位后，分解i_{z_ref}可得A、B相参考电流值。

在本实施例中，步骤S3以A相为基准，根据步骤S2计算A相参考电流并对A相增加外环功率控制，叠加功率环控制后得到A相实际参考电流，B相实际参考电流为全补偿参考电流减去A相实际参考电流具体方法如下：

假设以A相为基准，对A相增加外环功率环控制，功率环控制结构如图1所示。为使装置注入的总消弧电流始终以i_{z_ref}为参考，需由步骤S2计算出A相参考电流i′_{A_ref}，增加功率环后A相实际参考电流值i_{A_ref}＝i′_{A_ref}+i_zdc，则B相实际参考电流值i_{B_ref}＝i_{z_ref}-i_{A_ref}。通过控制i_zdc可以使A、B两相直流侧电容电压在消弧过程中维持恒定，且不影响整体消弧效果。以B相为基准时，同理，装置挂接在A、C两相或B、C两相上时，也同理。

本实施例中，在Simulink仿真环境中搭建配电网仿真模型，选用的消弧装置拓扑结构和配电网简化电路如图3所示。其中：

为配电网电源电压；

为B、C相电压；R_L为限流电阻；R₀、C₀为对地电阻和对地电容；

为故障电流；R_F为故障电阻；L_arc为消弧线圈。假设装置挂接在配电网B、C相线上，分别对配电网A、B、C相线上发生单相接地故障进行消弧。

有源消弧装置工作时B、C相直流侧电容∑u_dcB、∑u_dcC及故障电流i_F波形如图4所示。0.08s装置经限流电阻并网，由配电网对直流电容自然充电，0.16s左右自然充电电压已达最大值，此时切除限流电阻并通过算法控制使电容继续充电；0.24s左右电容电压达到目标值，此时停止充电并使直流侧电容电压始终保持在10kV左右，0.3s配电网C相发生单相接地故障，故障电流幅值约29A；0.32s消弧装置向配电网注入消弧电流，故障电流幅值被抑制到约0.6A，且B、C相直流侧电容电压仍保持在10kV左右。仿真验证了本发明中有源消弧装置在无额外直流侧供电的情况下可实现单相接地故障消弧。

表1为本发明实施例中不同故障情况下消弧效果对比，分别对A、B、C相发生单相接地故障，故障电阻为10Ω、100Ω、1000Ω时消弧补偿效果进行统计，并将全补偿时与只进行故障电流无功量补偿时的残流进行对比。验证了本发明所提方法仅从配电网任意两相注入消弧电流即可实现单相接地故障电流全补偿。

表1

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变流器直流侧无须供电电源的配电网接地故障有源消弧方法，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 (6)

1.一种变流器直流侧无须供电电源的配电网接地故障有源消弧方法，其特征在于：消弧装置挂接在配电网任意两相线和大地之间；通过对首次并网的消弧装置预充电，使其直流侧电容电压达到目标值；单相接地故障发生后，通过消弧装置向配电网注入电流实现单相接地故障电流全补偿，且确保消弧过程中装置直流侧电压恒定；

单相接地故障发生后，通过消弧装置向配电网注入电流实现单相接地故障电流全补偿，且确保消弧过程中装置直流侧电压恒定的具体过程包括以下步骤：

步骤S1：设消弧装置挂接在配电网A、B相线上，单相接地故障发生后，计算全补偿参考电流并实时测量A、B相电压的相位；

步骤S2：令A、B相参考电流相位与同相电压的相位垂直，且相量和为全补偿参考电流；

步骤S3：以A相为基准，根据步骤S2计算A相参考电流并对A相增加外环功率控制，叠加功率环控制后得到A相实际参考电流，B相实际参考电流为全补偿参考电流减去A相实际参考电流；

步骤S4：调整功率环使A、B两相直流侧电容电压在消弧过程中维持恒定。

2.根据权利要求1所述的变流器直流侧无须供电电源的配电网接地故障有源消弧方法，其特征在于：所述消弧装置挂接在配电网任意两相线和大地间的拓扑结构为：两相CHB桥臂一端与配电网任意两相线相连、另一端短接为桥臂中点，桥臂中点经第三串CHB桥臂或消弧线圈接地。

3.根据权利要求1或2所述的变流器直流侧无须供电电源的配电网接地故障有源消弧方法，其特征在于：通过对首次并网的消弧装置预充电，使其直流侧电容电压达到目标值的具体过程为：消弧装置首次并网时，配电网通过限流电阻为装置各相直流侧电容充电；一段时间后切除限流电阻并自然充电；自然充电电压达到最大值后，通过充电控制策略使装置各相直流侧电容继续充电，直至到达目标电压值后停止充电并保持恒定。

4.根据权利要求3所述的变流器直流侧无须供电电源的配电网接地故障有源消弧方法，其特征在于：所述充电控制策略为：控制A、B两相的充电电流

大小相等，方向相反，且分别超前于A相30°和滞后于B相30°。

5.根据权利要求1所述的变流器直流侧无须供电电源的配电网接地故障有源消弧方法，其特征在于：

步骤S2采用的具体方法如下：

单相接地故障发生后，对全补偿参考电流i_{z_ref}进行计算，并实时测量A、B相电压的相位θ_A、θ_B；令A、B相参考电流相位与电压相位垂直且总和为i_{z_ref}；确定装置的A、B相电流相位后，分解i_{z_ref}得A、B相参考电流值。

6.根据权利要求5所述的变流器直流侧无须供电电源的配电网接地故障有源消弧方法，其特征在于：

步骤S3采用的具体方法如下：

设以A相为基准，对A相增加外环功率环控制；为使装置注入的总消弧电流始终以i_{z_ref}为参考，由步骤S2计算出A相参考电流i′_{A_ref}，增加功率环后A相实际参考电流值i_{A_ref}＝i′_{A_ref}+i_zdc，则B相实际参考电流值i_{B_ref}＝i_{z_ref}-i_{A_ref}；通过控制i_zdc使A、B两相直流侧电容电压在消弧过程中维持恒定，且不影响整体消弧效果。

Images