CN113644663A - 用于级联h桥进行无功补偿和故障消弧的控制方法及系统 - Google Patents

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CN113644663A CN202111195435.2A CN202111195435A CN113644663A CN 113644663 A CN113644663 A CN 113644663A CN 202111195435 A CN202111195435 A CN 202111195435A CN 113644663 A CN113644663 A CN 113644663A
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范凌云
徐岸非
方四安
丁稳房
肖集雄
席自强
徐冲
杜小刚
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Wuhan Woostar Electrical Technology Co ltd
Hubei University of Technology
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Abstract

本发明公开了一种用于级联H桥进行无功补偿和故障消弧的控制方法及系统。先判断电网是否出现故障；若电网出现故障，控制级联H桥注入补偿电流，强制故障相电压为零；若电网没有出现故障，检测负载电流，控级联H桥注入无功与负序补偿电流，计算零序电压值维持直流侧电压稳定，从而实现了对级联H桥的无功补偿和故障消弧，保护了电气设备的正常工作，进而保证了电力系统能够安全稳定的运行。

Description

用于级联H桥进行无功补偿和故障消弧的控制方法及系统
技术领域
本发明涉及控制方法技术领域，尤其涉及一种用于级联H桥进行无功补偿和故障消弧的控制方法及系统。
背景技术
在电力领域中，无功会存在于电网中，虽然无功在电网中并不消耗能量，但是无功与电网电压相关影响电气设备的正常运行，严重时会影响整个电力系统的运行，造成巨大损失。对于10kV不接地电力系统，线路的长短影响接地电容电流的大小。对于短线路，发生大风引起的碰线，树枝落在线路上的短路，此时接地容性电流较小，对系统的影响较小，故障点绝缘能自动恢复到正常水平。但是当线路较长时，发生同样的故障，接地电流变大而形成稳定的电弧。当电弧不稳定时，就会出现电弧时燃时灭的现象，即产生间歇性电弧。熄弧时非故障相电压降低，燃弧时非故障相电压升高。出现弧光接地过电压，这样会危害设备。若发生间歇性电弧，应及时抑制燃弧，降低过电压发生的概率。弧光接地电流为容性电流，级联H桥逆变器可以补偿容性电流。
因此，需要一种能够对级联H桥进行无功补偿和故障消弧的方法，以保护电气设备的正常工作，从而保证电力系统能够安全稳定的运行。
发明内容
本发明通过提供一种用于级联H桥进行无功补偿和故障消弧的控制方法及系统，能够对级联H桥进行无功补偿和故障消弧，保护了电气设备的正常工作，进而保证了电力系统能够安全稳定的运行。
本发明提供了一种用于级联H桥进行无功补偿和故障消弧的控制方法，包括：
判断电网是否出现故障；
若电网出现故障，控制级联H桥注入补偿电流，强制故障相电压为零；
若电网没有出现故障，检测负载电流，控制级联H桥注入无功与负序补偿电流，计算零序电压值维持直流侧电压稳定。
进一步地，所述判断电网是否出现故障，包括：
利用实时检测到的电网中的零序电压和电网的三相电压来判断；
若检测到零序电压或三相电压不对称，则说明电网出现故障；
若没有检测到零序电压且三相电压对称，则说明电网没有出现故障。
进一步地，在所述控制级联H桥注入补偿电流，强制故障相电压为零之后，还包括：
经预设延时后，减小注入的补偿电流；
判断中心点电压是否成比例变化；
若中心点电压成比例变化，说明电弧已经熄灭，故障消失恢复正常运行；
若中心点电压没有成比例变化，根据三相电压中最小的电压选择出故障线路进行切除。
进一步地，所述计算零序电压值维持直流侧电压稳定，包括：
计算出每一相偏移的功率：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
为正负序电压和正负序电流，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
(i=a、b、c)为每一相的有功偏差,
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
为相电压负序分量的初始相位，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
为负序电流的初相位；
控制执行单元，用于利用零序电压产生功率等于各相偏移的功率，使得电压电流相位重新垂直，则说明维持直流侧电压稳定。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
先判断电网是否出现故障；若电网出现故障，控制级联H桥注入补偿电流，强制故障相电压为零；若电网没有出现故障，检测负载电流，控级联H桥注入无功与负序补偿电流，计算零序电压值维持直流侧电压稳定，从而实现了对级联H桥的无功补偿和故障消弧，保护了电气设备的正常工作，进而保证了电力系统能够安全稳定的运行。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于级联H桥进行无功补偿和故障消弧的控制方法的流程图；
图2是本发明实施例中电感与SVG桥臂的等效原理图；
图3是本发明实施例中配电网零序网络等效电路图；
图4是正负序电压电流与零序电压相位关系图；
图5是本发明实施例提供的用于级联H桥进行无功补偿和故障消弧的控制系统的模块图；
图6是负载为电容情况下的公共连接点(static var generator，PCC)的电压与电流的第一波形图；
图7是负载为电容情况下的公共连接点(static var generator，PCC)的电压与电流的第二波形图；
图8是电感负载下的PCC点的电压电流的第一波形图；
图9是电感负载下的PCC点的电压电流的第二波形图；
图10是负载由电感切换到电容的无功补偿电压电流波形图；
图11是负载电流波形图；
图12是在无功与负序情况下SVG输出的综合补偿电流波形图；
图13是无功和负序补偿后的电网电流波形图；
图14是综合补偿后电压与电流的相位图；
图15是单相电流注入的接地电流与SVG输出电流波形图；
图16是单相电流注入的故障相的电压波形图；
图17是两相电流注入的接地电流与SVG输出电流波形图；
图18是两相电流注入的故障相的电压波形图。
具体实施方式
本发明实施例通过提供一种用于级联H桥进行无功补偿和故障消弧的控制方法及系统，能够对级联H桥进行无功补偿和故障消弧，保护了电气设备的正常工作，进而保证了电力系统能够安全稳定的运行。
本发明实施例中的技术方案为实现上述技术效果，总体思路如下：
先判断电网是否出现故障；若电网出现故障，控制级联H桥注入补偿电流，强制故障相电压为零；若电网没有出现故障，检测负载电流，控级联H桥注入无功与负序补偿电流，计算零序电压值维持直流侧电压稳定，从而实现了对级联H桥的无功补偿和故障消弧，保护了电气设备的正常工作，进而保证了电力系统能够安全稳定的运行。
为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
参见图1，本发明实施例提供的用于级联H桥进行无功补偿和故障消弧的控制方法，包括：
判断电网是否出现故障；
若电网出现故障，利用检测到的电压电流值计算指令电流，控制级联H桥注入补偿电流，强制故障相电压为零；
具体地，指令电流的计算过程如下：
将电感与SVG桥臂一起等效为一个电流源，来观察一相桥臂补偿消弧电流时的功率变化，等效原理图如图2所示。
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
为注入级联H桥的电流，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
为三相对地电流，控制
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
注入电网电流大小使得故障相电压得到抑制，破坏电弧重燃的条件达到熄弧。其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
为等效对地电阻和等效对地电容。
单相桥臂电流注入表达式：
对图2的O点列写KCL方程，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
将电压、等效对地电阻和等效对地电容带入式(1)，得
Figure DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为中心点电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为接地电阻，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为各相电源电压。
设
Figure DEST_PATH_IMAGE016
将式(2)整理为：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，故障相电压
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，则
Figure DEST_PATH_IMAGE019
(4)
将式(4)代入式(3)整理得
Figure DEST_PATH_IMAGE020
(5)
若注入补偿电流值Iz取
Figure DEST_PATH_IMAGE021
(6)
双相桥臂电流注入表达式：
将式(4)带入式(2)得到注入补偿电流Iz表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
(7)
为了使故障相电压
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，则需要注入的补偿电流为：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
(8)
此时非故障相注入电流分别为：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
(9)
因此，非故障相电流按照式(9)计算注入，可以抑制故障相的相电压为零。
配电网零序网络等效电路图如图3所示，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure DEST_PATH_IMAGE027
分别表示对地电容和泄露电阻，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure DEST_PATH_IMAGE029
分别表示零序电压和注入补偿电流，虚线框内为级联H桥逆变器，注入角频率为
Figure DEST_PATH_IMAGE030
的电流。
在级联H桥与配电网节点写电路方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
(10)
其中，为级联H桥等效电源，为电流幅值。
将式(10)按实部、虚部展开得：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
(11)
系统运行正常时没有零序分量，注入的电流会通过对地电容或电阻流向大地。当系统发生单相接地时存在零序分量，通过测量零序电压
Figure DEST_PATH_IMAGE033
的大小和相位和注入补偿电流
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，利用式(11)可以计算出对地参考值，从而能够在系统发生故障时快速计算出补偿电流值。
若电网没有出现故障，级联设备进行无功补偿，实时检测负载电流，控制级联H桥注入无功与负序补偿电流，计算零序电压值维持直流侧电压稳定。
具体地，判断电网是否出现故障，还包括：
利用实时检测到的电网中的零序电压和电网的三相电压来判断；
若检测到零序电压或三相电压不对称，则说明电网出现故障；
若没有检测到零序电压且三相电压对称，则说明电网没有出现故障。
对本发明实施例提供的用于级联H桥进行无功补偿和故障消弧的控制方法进行具体说明，在控制级联H桥注入补偿电流，强制故障相电压为零之后，还包括：
在预设延时后，减小注入的补偿电流；
判断中心点电压是否成比例变化；
若中心点电压成比例变化，说明电弧已经熄灭，故障消失恢复正常运行；
若中心点电压没有成比例变化，根据三相电压中最小的电压选择出故障线路进行切除。
在本实施例中，预设的延迟时间为10s-60s。
具体地，计算零序电压值维持直流侧电压稳定，包括：
计算出每一相偏移的功率：
Figure DEST_PATH_IMAGE035
(12)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为正负序电压和正负序电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
(i=a、b、c)为每一相的有功偏差,
Figure DEST_PATH_IMAGE038
为相电压负序分量的初始相位，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
为负序电流的初相位。
利用零序电压产生功率等于各相偏移的功率，使得电压电流相位重新垂直，没有了有功交换即相间直流侧电压稳定，则说明维持直流侧电压稳定。正负序电压电流与零序电压相位关系如图4所示。
为了保证故障情况时，指定电流计算的准确，在计算零序电压值维持直流侧电压稳定之后，还包括：
在系统正常运行进行无功补偿的同时，间隔一定的时间间隔测量泄露电阻和对地电容，从而能够在系统运行方式变化的情况下，实时测量泄露电阻和对地电容，确保故障时计算所得的补偿电流更加精确。
在本实施例中，时间间隔为10min。
参见图5，本发明实施例提供的用于级联H桥进行无功补偿和故障消弧的控制系统，包括：
故障判断模块100，用于判断电网是否出现故障；
具体地，故障判断模块100，具体用于利用实时检测到的电网中的零序电压和电网的三相电压来判断；若检测到零序电压或三相电压不对称，则说明电网出现故障；若没有检测到零序电压且三相电压对称，则说明电网没有出现故障。
第一控制模块200，用于若电网出现故障，利用检测到的电压电流值计算指令电流，控制级联H桥注入补偿电流，强制故障相电压为零；
第二控制模块300，用于若电网没有出现故障，级联设备进行无功补偿，实时检测负载电流，控制级联H桥注入无功与负序补偿电流，计算零序电压值维持直流侧电压稳定。
具体地，第二控制模块300，包括：
负载电流检测单元，用于若电网没有出现故障，检测负载电流，控制级联H桥注入无功与负序补偿电流；
运算单元，用于计算出每一相偏移的功率：
Figure DEST_PATH_IMAGE040
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为正负序电压和正负序电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
(i=a、b、c)为每一相的有功偏差,
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为相电压负序分量的初始相位，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
为负序电流的初相位。
控制执行单元，用于利用零序电压产生功率等于各相偏移的功率，使得电压电流相位重新垂直，没有了有功交换即相间直流侧电压稳定，则说明维持直流侧电压稳定。
为了保证故障情况时，指定电流计算的准确，在计算零序电压值维持直流侧电压稳定之后，还包括：
在系统正常运行进行无功补偿的同时，间隔一定的时间间隔测量泄露电阻和对地电容，从而能够在系统运行方式变化的情况下，实时测量泄露电阻和对地电容，确保故障时计算所得的补偿电流更加精确。
在本实施例中，时间间隔为10min。
对本发明实施例提供的用于级联H桥进行无功补偿和故障消弧的控制系统进行具体说明，还包括：
第三控制模块，用于在预设延时后，减小注入的补偿电流；
中心点电压检测模块，用于判断中心点电压是否成比例变化；
处理模块，用于若中心点电压没有成比例变化，根据三相电压中最小的电压选择出故障线路进行切除。
在本实施例中，预设的延迟时间为10s-60s。
为了观察无功补偿效果和无功与负序补偿效果，进行了两组仿真实验。
实验一（平衡负载补偿能力仿真分析）：
在电网中加入三相对称的负载，只引入无功分量，在电容负载、电感负载、电感负载切换电容负载下验证无功补偿效果，即功率因数接近于1，电压电流同相位。
图6和图7是负载为电容情况下的公共连接点(static var generator，PCC)的电压与电流图。图6中，电阻R=50Ω，电容C=200e-6F，电流为110A。图7中，电阻R=50Ω，电容C=100e-6F，电流为97.3A。在0.2s之前，电流相位超前电压相位为容性。在0.2s时，投入SVG(Static Var Generator，级联H桥型静止无功发生器)，经过不到一个周期的时间，电压电流达到同相位，负载无功得到补偿。
图8和图9是电感负载下的PCC点的电压电流图。图8中，电阻R=50Ω，电感L=300e-3，电流54.1A。图9中，电阻R=50Ω，电感L=100e-3H，电流82.3A。在0.2s前，电流滞后电压为感性。在0.1S投入SVG在不到一个周期内达到电压电流同相位，负载无功补得到补偿。
搭建一个初始负载R=50Ω、L=100e-3H在0.2s时投入SVG进行无功补偿，在0.3s时切换负载类型为R=50Ω、C=100e-6F，观察此时的PCC的电压电流，如图10所示。在0.2s前，电流滞后电压，0.2s时，补偿无功使得电压电流同相位。在0.3s切换成电容负载时，可以看到此时电流相位在短时间内超前了电压，然后立马经过无功补偿达到同相位。
由上述实验一可知，在平衡负载下，当负载性质大小变化的情况下都能快速的进行无功补偿，从而验证了本发明实施例提供的控制方法及系统的准确性和快速性。
实验二（不平衡负载无功和负序补偿能力分析）：
搭建实验仿真在初始时负载对称运行，在0.3s时切换负载，负载C相由R=50Ω、L=100e-3H切换到R=50Ω、L=200e-3H，此时既有无功分量又有负序分量，利用本发明实施例提供的控制方法及系统对负载进行控制。
图11是负载电流波形图，此时三相电流不平衡。图12是在无功与负序情况下SVG输出的综合补偿电流波形图，输出的电流不对称说明SVG针对性地对负载进行了补偿。图13是无功和负序补偿后的电网电流波形图。如果不加入SVG，负载电流值应该等于电网电流值，但由于SVG的负序补偿使得电网电流三相对称，从而验证了本发明实施例提供的控制方法及系统的准确性。图14是综合补偿后电压与电流的相位图，可见电压电流同相位，功率因数为1。
由上述实验二可知，当负载发生不平衡时，能快速实现无功与负序补偿，从而进一步验证了本发明实施例提供的控制方法及系统的准确性和快速性。
此外，还基于级联H桥SVG单相注入与两相注入分别进行仿真验证，观察消弧效果。单相注入仿真结果，图15是接地电流与SVGA相注入电流，线路发生单相接地，此时接地电流峰值在43A，在0.2s投入消弧系统后，接地电流峰值补偿到16A，SVG输出的电流峰值为38A。此时故障相的电压如图16所示，接地电压950V投入消弧系统后为350V。
基于两相电流注入的消弧仿真结果如图17和图18所示。在图17中，接地电流峰值为43A，投入两相SVG消弧后，接地电流峰值变为2A，SVG输出电流峰值为24A。在图18中，接地相电压由原先的950V下降到50V。接地电流与接地电压在投入两相SVG后下降效果明显，起到了消弧作用，SVG输出的A相B相电流稳态值相同。
本发明实施例对补偿效果及补偿能力进行了仿真验证。利用平衡负载验证了SVG的无功补偿效果，在容性负载和感性负载下都能实现无功的快速补偿。利用不平负载验证了SVG的无功与负序补偿效果，在三相感性负载不平衡时，SVG能同时实现无功和负序的补偿，使得电网电压与电网电流同相位，电网电流三相对称。搭建基于级联H桥高压SVG消弧仿真，在系统发生接地故障时，有较大的容性电流且故障相电压较大，分别投入级联H桥SVG单相与两相进行消弧，投入后接地电流与接地相的电压都有所下降，起到了消弧作用。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的系统。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令系统的制造品，该指令系统实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发
明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种用于级联H桥进行无功补偿和故障消弧的控制方法，其特征在于，包括：
判断电网是否出现故障；
若电网出现故障，控制级联H桥注入补偿电流，强制故障相电压为零；
若电网没有出现故障，检测负载电流，控制级联H桥注入无功与负序补偿电流，计算零序电压值维持直流侧电压稳定。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判断电网是否出现故障，包括：
利用实时检测到的电网中的零序电压和电网的三相电压来判断；
若检测到零序电压或三相电压不对称，则说明电网出现故障；
若没有检测到零序电压且三相电压对称，则说明电网没有出现故障。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述控制级联H桥注入补偿电流，强制故障相电压为零之后，还包括：
经预设延时后，减小注入的补偿电流；
判断中心点电压是否成比例变化；
若中心点电压成比例变化，说明电弧已经熄灭，故障消失恢复正常运行；
若中心点电压没有成比例变化，根据三相电压中最小的电压选择出故障线路进行切除。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算零序电压值维持直流侧电压稳定，包括：
计算出每一相偏移的功率：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为正负序电压和正负序电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
(i=a、b、c)为每一相的有功偏差,
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为相电压负序分量的初始相位，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为负序电流的初相位；
利用零序电压产生功率等于各相偏移的功率，使得电压电流相位重新垂直，则说明维持直流侧电压稳定。
5.一种用于级联H桥进行无功补偿和故障消弧的控制系统，其特征在于，包括：
故障判断模块，用于判断电网是否出现故障；
第一控制模块，用于若电网出现故障，控制级联H桥注入补偿电流，强制故障相电压为零；
第二控制模块，用于若电网没有出现故障，检测负载电流，控制级联H桥注入无功与负序补偿电流，计算零序电压值维持直流侧电压稳定。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，
所述故障判断模块，具体用于利用实时检测到的电网中的零序电压和电网的三相电压来判断；若检测到零序电压或三相电压不对称，则说明电网出现故障；若没有检测到零序电压且三相电压对称，则说明电网没有出现故障。
7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括：
第三控制模块，用于经预设延时后，减小注入的补偿电流；
中心点电压检测模块，用于判断中心点电压是否成比例变化；
处理模块，用于若中心点电压没有成比例变化，根据三相电压中最小的电压选择出故障线路进行切除。
8.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第二控制模块，包括：
负载电流检测单元，用于若电网没有出现故障，检测负载电流，控制级联H桥注入无功与负序补偿电流；
运算单元，用于计算出每一相偏移的功率：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为正负序电压和正负序电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
(i=a、b、c)为每一相的有功偏差,
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为相电压负序分量的初始相位，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为负序电流的初相位；
控制执行单元，用于利用零序电压产生功率等于各相偏移的功率，使得电压电流相位重新垂直，则说明维持直流侧电压稳定。
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