CN113872146B - 一种中性点混合式接地故障调控装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种中性点混合式接地故障调控装置及方法,该装置由有源变流器和可调消弧线圈LP串联构成,并接入配电网中性点。一种中性点混合式接地故障调控方法包括以下步骤:S1:将中性点混合式接地故障调控装置接入配电网;S2:判断配电网的故障状况;S3:计算消弧电流;S4:调控中性点混合式接地故障调控装置注入消弧电流;S5:根据消弧情况判断故障是否消除。本发明能有效降低有源变流器的容量和直流侧电压等级,成本低;无需测量对地参数,消弧效果好,可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及配电网技术领域,具体是涉及一种中性点混合式接地故障调控装置及方法。
背景技术
随着配电网中非线性负载及电缆线路占比不断增加,接地故障电流增大,电弧难以自行熄灭,易引起配电网停电事故。消弧线圈作为无源消弧装置具有低成本、高可靠等特性,被广泛应用于配电网中。但其仅能补偿接地故障中的无功分量,无法补偿有功及谐波分量,补偿效果有限。与无源消弧相比,有源消弧可实现接地故障电流全补偿。现有有源消弧装置主要有中性点注入式和三相直挂式结构,但都存在有源容量大、成本高等问题。
在消弧控制方法方面,按被控对象可分为电流消弧方法与电压消弧方法。现有电流消弧方法往往需要测量线路对地参数,消弧效果受对地参数测量精度影响;现有电压消弧方法受线路阻抗和负载电流影响,在低阻接地故障时,故障残流大、消弧效果差。
为解决纯有源消弧装置成本高的问题,现已提出一种降容式有源消弧装置,如图1所示。其采用有源变流器和消弧线圈并联配合形式,在接地故障发生时,消弧线圈补偿接地故障电流中的大部分无功电流,有源变流器补偿剩余无功、有功及谐波电流。因此,该结构可有效降低有源消弧装置的容量,大大降低了设备成本。由于消弧时配电网中性点电压较高,全桥式有源变流器不能直接并于配电网中相点,故有源变流器需连接升压变压器。升压变压器具有体积大、成本高等特点,增加了消弧装置的投入成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,克服上述背景技术的不足,提供一种中性点混合式接地故障调控装置及方法,能有效降低有源变流器的容量和直流侧电压等级,成本低;无需测量对地参数,消弧效果好,可靠性高。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是,一种中性点混合式接地故障调控装置,由有源变流器和可调消弧线圈LP串联构成,并接入配电网中性点。
进一步,所述有源变流器包括直流源Udc、全桥电路和滤波电感L,所述全桥电路的交流侧一端连接到滤波电感L,交流侧另一端连接到地;所述全桥电路的直流侧一端连接到直流源Udc的正极,直流侧另一端连接到直流源Udc的负极;所述可调消弧线圈LP一端与滤波电感L相连,另一端与配电网中性点相连。
进一步,所述全桥电路包括第一IGBT模块S1、第二IGBT模块S2、第三IGBT模块S3和第四IGBT模块S4,所述全桥电路的交流侧一端通过第一IGBT模块S1发射极和第三IGBT模块S3集电极的节点连接到滤波电感L,全桥电路的交流侧另一端通过第二IGBT模块S2发射极和第四IGBT模块S4集电极的节点连接到地;所述全桥电路的直流侧一端通过第一IGBT模块S1集电极和第二IGBT模块S2集电极的节点连接到直流源Udc的正极,全桥电路的直流侧另一端通过第三IGBT模块S3发射极和第四IGBT模块S4发射极的节点连接到直流源Udc的负极。
一种中性点混合式接地故障调控方法,包括以下步骤:
S1:将中性点混合式接地故障调控装置接入配电网;
S2:判断配电网的故障状况;
S3:计算消弧电流
S4:调控中性点混合式接地故障调控装置注入消弧电流
S5:根据消弧情况判断故障是否消除。
进一步,步骤S1中,所述中性点混合式接地故障调控装置由有源变流器和可调消弧线圈LP串联构成,并接入配电网中性点。
进一步,所述有源变流器包括直流源Udc、全桥电路和滤波电感L,所述全桥电路的交流侧一端连接到滤波电感L,交流侧另一端连接到地;所述全桥电路的直流侧一端连接到直流源Udc的正极,直流侧另一端连接到直流源Udc的负极;所述可调消弧线圈LP一端与滤波电感L相连,另一端与配电网中性点相连。
进一步,步骤S2中,判断配电网的故障状况具体包括以下步骤:
S2-1:配电网正常运行时,检测配电网中性点电压及电源出口端的三相线路电流
S2-2:短时延迟后,再次检测配电网中性点电压及电源出口端的三相线路电流
S2-3:计算三相线路电流变化量;
其中,为a相线路电流变化量;为b相线路电流变化量;为c相线路电流变化量;
S2-4:当三相线路电流变化量为零或大小相同,判定配电网未发生接地故障,更新配电网中性点电压及电源出口端三相线路电流的检测数据;当三相线路电流变化量中一相的相位与另外两相相反且幅值明显大于另外两相,判定配电网发生接地故障,并判定该相为故障相,故障相记为
进一步,步骤S3中,利用故障前中性点电压故障前电源出口端的三相线路电流故障后中性点电压故障后电源出口端的三相线路电流计算消弧电流具体包括以下步骤:
S3-1:根据基尔霍夫电流定律,消弧电流三相线路对地电流故障点电流满足
其中,
其中,为三相电源电压;为中性点电压,为故障点电流;Ya、Yb、Yc为三相线路对地导纳,Rf为接地故障电阻;
S3-2:将式(2)代入式(1),得到
其中,Ya=1/ra+jωCa、Yb=1/rb+jωCb、Yc=1/rc+jωCc,ra、rb、rc为三相线路对地电阻,Ca、Cb、Cc为三相线路对地电容;
S3-3:故障相为a相时,使故障点电流为0,则故障点电压为0即消弧电流为
S3-4:根据基尔霍夫电流定律方程,配电网故障前,线路电流满足
式(5)中,为故障前三相线路对地电流;为三相负载电流;
配电网故障后,线路电流满足
式(6)中,为故障后三相线路对地电流;
S3-5:联立式(5)、式(6),得到故障前后线路电流的变化量为
S3-6:将式(7)代入式(4),得消弧电流为
进一步,步骤S4中,调控中性点混合式接地故障调控装置的有源变流器,控制注入步骤S3计算出的消弧电流
进一步,步骤S4中,根据消弧情况判断故障是否消除的具体方法为:短时消弧后,减小中性点混合式接地故障调控装置注入的消弧电流,若配电网中性点电压线性变化,判断接地故障消除;否则判定为永久性接地故障,隔离故障线路。进一步,
与现有技术相比,本发明的优点如下:
(1)本发明中性点混合式接地故障调控装置能有效降低有源变流器的容量和直流侧电压等级,无需升压变压器,能进一步降低设备成本。
(2)本发明中性点混合式接地故障调控方法只需测量故障前后线路电流和中性点电压变化量即可求出消弧电流参考值,无需测量对地参数,消弧效果好,可靠性高。
附图说明
图1是现有降容式有源消弧装置。
图2是本发明中性点混合式接地故障调控装置的拓扑结构示意图。
图3是图2所示实施例装置的拓扑结构的等效电路图。
图4是图3的消弧功率流向图。
图5是图4的消弧向量图。
图6是本发明消弧流程图。
图7是本发明中性点混合式接地故障调控方法中接地故障电阻为50Ω的单相接地故障仿真图。
图8是本发明中性点混合式接地故障调控方法中接地故障电阻为500Ω的单相接地故障仿真图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
针对现有有源消弧装置高成本问题,本发明提出一种中性点混合式接地故障调控装置及方法。在装置层面,相比现有消弧调控装置进一步降低了装置成本;在控制层面,相比传统电流消弧方法无需测量线路参数,提高了消弧精度。
参照图2,本实施例中性点混合式接地故障调控装置由有源变流器和可调消弧线圈LP串联构成,并接入配电网中性点。有源变流器包括直流源Udc、全桥电路和滤波电感L,全桥电路包括4个全控型器件-绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)模块:第一IGBT模块S1、第二IGBT模块S2、第三IGBT模块S3、第四IGBT模块S4,全桥电路包括第一IGBT模块S1、第二IGBT模块S2、第三IGBT模块S3和第四IGBT模块S4,全桥电路的交流侧一端通过第一IGBT模块S1发射极和第三IGBT模块S3集电极的节点连接到滤波电感L,全桥电路的交流侧另一端通过第二IGBT模块S2发射极和第四IGBT模块S4集电极的节点连接到地;全桥电路的直流侧一端通过第一IGBT模块S1集电极和第二IGBT模块S2集电极的节点连接到直流源Udc的正极,全桥电路的直流侧另一端通过第三IGBT模块S3发射极和第四IGBT模块S4发射极的节点连接到直流源Udc的负极;可调消弧线圈LP一端与滤波电感L相连,另一端与配电网中性点相连。
工作原理分析:
为简化分析,可将有源变流器等效为受控电流源,如图3所示。其中为三相电源电压,为中性点电压;为有源变流器注入电流即消弧电流,为电源出口端的三相线路电流,为三相负载电流,为三相线路对地电流,为故障点电流;ra、rb、rc为三相线路对地电阻,Ca、Cb、Cc为三相线路对地电容,Rf为接地故障电阻。在配电网发生接地故障以后,有源变流器注入感性无功电流以补偿配电网对地电容电流,从而将故障点电流抑制为0,消弧期间功率流动图如图4所示。可调消弧线圈LP可承担消弧期间所需的大部分感性无功电流,故有效降低了有源变流器的容量,有功功率和剩余的无功功率则由有源变流器提供。
在接地故障期间,有源变流器注入消弧电流以抑制故障相电压为零(即)以实现消弧,矢量关系向量图如图5所示。消弧期间主要考虑无功分量,暂且忽略有功分量,故消弧电流滞后于中性点电压由于消弧线圈呈现感性,使其可以承受一个超前消弧电流的电压从而有效降低有源变流器输出电压的幅值,达到降低有源变流器容量的效果。
根据基尔霍夫电流定律(KCL),消弧电流三相线路对地电流故障点电流满足
其中,
其中,Ya、Yb、Yc为三相线路对地导纳;
将式(2)代入式(1),则
其中,Ya=1/ra+jωCa、Yb=1/rb+jωCb、Yc=1/rc+jωCc。以故障相为a相举例说明,要使故障点电流为0,则故障点电压为0(即)。可得注入补偿电流为
因此,若满足式(4),则故障点电流被抑制为0,可实现完全消弧。由式(4)可知,注入电流的计算中含有对地参数,故传统电流消弧方法需先测量对地参数,其较为繁琐且消弧效果会受对地参数测量结果的影响。
根据基尔霍夫电流定律方程,故配电网故障前,线路电流满足
式(5)中,为故障前三相线路电流;为故障前三相线路对地电流;为故障前中性点电压。。
忽略消弧期间的负荷波动,配电网故障后,线路电流满足
式(6)中,为故障后三相线路电流,为故障后三相线路对地电流;为故障后中性点电压。
联立式(5)、式(6),得故障前后线路电流的变化量为
将式(7)代入式(4),可得
由式(8)可知,只需根据线路电流变化量和中性点电压变化量即可求出注入电流,无需测量线路对地参数。
当b、c相发生接地故障时,同理可以求出对应消弧电流这里不再赘述。
消弧实现流程如图6所示。首先,检测线路电流和中性点电压并保存,延迟之后,再次检测线路电流和中性点电压并保存。然后,判断是否发生接地故障,若未发生故障,则更新数据;若发生接地故障,判断故障相,利用式(8)计算注入电流。短时延迟后,判断故障是否消除,若故障消除,配电网恢复正常运行;若为永久性故障,则隔离故障线路。
因此,本实施例基于上述消弧原理,提出一种中性点混合式接地故障调控方法,包括以下步骤:
S1:将中性点混合式接地故障调控装置接入配电网;
S2:判断配电网的故障状况;
S3:计算消弧电流
S4:调控中性点混合式接地故障调控装置注入消弧电流
S5:根据消弧情况判断故障是否消除。
步骤S1中,中性点混合式接地故障调控装置为本实施例装置所描述的调控装置。
步骤S2中,判断配电网的故障状况具体包括以下步骤:
S2-1:配电网正常运行时,检测配电网中性点电压及电源出口端的三相线路电流
S2-2:短时延迟后,再次检测配电网中性点电压及电源出口端的三相线路电流本实施例中,短时延迟为延迟1个工频周期。
S2-3:计算三相线路电流变化量;
其中,为a相线路电流变化量;为b相线路电流变化量;为c相线路电流变化量。
S2-4:当三相线路电流变化量为零或大小相同,判定配电网未发生接地故障,更新配电网中性点电压及电源出口端三相线路电流的检测数据;当三相线路电流变化量中一相的相位与另外两相相反且幅值明显大于另外两相,判定配电网发生接地故障,并判定该相为故障相,故障相记为 为a、b、c相中的一相,本实施例中,为a相。所述明显大于理论上为这一相幅值A1是另外两相幅值A2、A3的和,实际应用中,明显大于可表示为A1≥0.6(A2+A3)。
步骤S3中,利用故障前中性点电压故障前电源出口端的三相线路电流故障后中性点电压故障后电源出口端的三相线路电流计算消弧电流具体包括以下步骤:
S3-1:根据基尔霍夫电流定律,消弧电流三相线路对地电流故障点电流满足
其中,
其中,为三相电源电压;为中性点电压,为故障点电流;Ya、Yb、Yc为三相线路对地导纳,Rf为接地故障电阻;
S3-2:将式(2)代入式(1),得到
其中,Ya=1/ra+jωCa、Yb=1/rb+jωCb、Yc=1/rc+jωCc,ra、rb、rc为三相线路对地电阻,Ca、Cb、Cc为三相线路对地电容;
S3-3:故障相为a相时,使故障点电流为0,则故障点电压为0即消弧电流为
S3-4:根据基尔霍夫电流定律方程,配电网故障前,线路电流满足
式(5)中,为故障前三相线路对地电流;为三相负载电流。
忽略消弧期间的负荷波动,配电网故障后,线路电流满足
式(6)中,为故障后三相线路对地电流。
S3-5:联立式(5)、式(6),得故障前后线路电流的变化量为
S3-6:将式(7)代入式(4),可得消弧电流
由式(8)可知,只需根据线路电流变化量和中性点电压变化量即可求出消弧电流,无需测量线路对地参数。
在具体应用中,当b、c相发生接地故障时,同理可以求出对应消弧电流这里不再赘述。
步骤S4中,调控中性点混合式接地故障调控装置的有源变流器,控制注入步骤S3计算出的消弧电流
步骤S5中,根据消弧情况判断故障是否消除的具体方法为:短时消弧后,减小中性点混合式接地故障调控装置注入的消弧电流,若配电网中性点电压线性变化,判断接地故障消除;否则判定为永久性接地故障,隔离故障线路,本实施例中,短时消弧的时间为10个工频周期,在具体应用中,可为3~15个工频周期。
为更好证明本发明所提调控装置及方法的有效性,以下结合仿真实例进行验证。按照图1所示配电网结构图,在MATLAB/Simulink中搭建仿真模拟平台,仿真参数如表1所示。
表1仿真参数
图7、8分别给出接地故障电阻为50Ω和500Ω的单相接地故障仿真图,在0.1-0.2s,配电网正常运行;在0.2s,配电网a相发生接地故障;为对比消弧效果,调控装置在0.3s投入运行。当Rf=50Ω时,消弧前中性点电压故障电流消弧后中性点电压故障电流当Rf=500Ω时,消弧前中性点电压故障电流消弧后中性点电压故障电流通过仿真看出,消弧时调控装置的有源变流器输出电压的基波分量其远小于并网点中性点电压。因此,本发明所提调控装置及方法有效降低了有源变流器的容量。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型,倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。
Claims (6)
1.一种中性点混合式接地故障调控方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1:将中性点混合式接地故障调控装置接入配电网;
S2:判断配电网的故障状况;
S3:计算消弧电流
S4:调控中性点混合式接地故障调控装置注入消弧电流
S5:根据消弧情况判断故障是否消除;
步骤S2中,判断配电网的故障状况具体包括以下步骤:
S2-1:配电网正常运行时,检测配电网中性点电压及电源出口端的三相线路电流
S2-2:短时延迟后,再次检测配电网中性点电压及电源出口端的三相线路电流
S2-3:计算三相线路电流变化量;
其中,为a相线路电流变化量;为b相线路电流变化量;为c相线路电流变化量;
S2-4:当三相线路电流变化量为零或大小相同,判定配电网未发生接地故障,更新配电网中性点电压及电源出口端三相线路电流的检测数据;当三相线路电流变化量中一相的相位与另外两相相反且幅值明显大于另外两相,判定配电网发生接地故障,并判定该相为故障相,故障相记为
步骤S3中,利用故障前中性点电压故障前电源出口端的三相线路电流故障后中性点电压故障后电源出口端的三相线路电流计算消弧电流具体包括以下步骤:
S3-1:根据基尔霍夫电流定律,消弧电流三相线路对地电流故障点电流满足
其中,
其中,为三相电源电压;为中性点电压,为故障点电流;Ya、Yb、Yc为三相线路对地导纳,Rf为接地故障电阻;
S3-2:将式(2)代入式(1),得到
其中,Ya=1/ra+jωCa、Yb=1/rb+jωCb、Yc=1/rc+jωCc,ra、rb、rc为三相线路对地电阻,Ca、Cb、Cc为三相线路对地电容;
S3-3:故障相为a相时,使故障点电流为0,则故障点电压为0即消弧电流为
S3-4:根据基尔霍夫电流定律方程,配电网故障前,线路电流满足
式(5)中,为故障前三相线路对地电流;为三相负载电流;
配电网故障后,线路电流满足
式(6)中,为故障后三相线路对地电流;
S3-5:联立式(5)、式(6),得到故障前后线路电流的变化量为
S3-6:将式(7)代入式(4),得消弧电流为
2.如权利要求1所述的中性点混合式接地故障调控方法,其特征在于:步骤S4中,调控中性点混合式接地故障调控装置的有源变流器,控制注入步骤S3计算出的消弧电流
3.如权利要求1所述的中性点混合式接地故障调控方法,其特征在于:步骤S4中,根据消弧情况判断故障是否消除的具体方法为:短时消弧后,减小中性点混合式接地故障调控装置注入的消弧电流,若配电网中性点电压线性变化,判断接地故障消除;否则判定为永久性接地故障,隔离故障线路。
4.一种应用于权利要求1-3之一所述的中性点混合式接地故障调控方法的中性点混合式接地故障调控装置,其特征在于:由有源变流器和可调消弧线圈LP串联构成,并接入配电网中性点。
5.如权利要求4所述的中性点混合式接地故障调控装置,其特征在于:所述有源变流器包括直流源Udc、全桥电路和滤波电感L,所述全桥电路的交流侧一端连接到滤波电感L,交流侧另一端连接到地;所述全桥电路的直流侧一端连接到直流源Udc的正极,直流侧另一端连接到直流源Udc的负极;所述可调消弧线圈LP一端与滤波电感L相连,另一端与配电网中性点相连。
6.如权利要求5所述的中性点混合式接地故障调控装置,其特征在于:所述全桥电路包括第一IGBT模块S1、第二IGBT模块S2、第三IGBT模块S3和第四IGBT模块S4,所述全桥电路的交流侧一端通过第一IGBT模块S1发射极和第三IGBT模块S3集电极的节点连接到滤波电感L,全桥电路的交流侧另一端通过第二IGBT模块S2发射极和第四IGBT模块S4集电极的节点连接到地;所述全桥电路的直流侧一端通过第一IGBT模块S1集电极和第二IGBT模块S2集电极的节点连接到直流源Udc的正极,全桥电路的直流侧另一端通过第三IGBT模块S3发射极和第四IGBT模块S4发射极的节点连接到直流源Udc的负极。
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