CN114142451A - 配电网接地故障降压有源消弧电源及其控制方法 - Google Patents

配电网接地故障降压有源消弧电源及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种配电网接地故障降压有源消弧电源及其控制方法。其中有源消弧电源包括升压变压器T2、四象限变流功率模块、串联变压器T1、三相交流电源、输出滤波器、三个选相开关;T2二次侧的两出线端分别连接配电网中接地变压器Tz一次侧的中性点和大地,三相交流电源的a、b、c相输出端分别串联一选相开关后共接至一起形成接点J,接点J经变压器的副边绕组后连接至T2一次侧的其中一出线端,T2一次侧的另一出线端与三相交流电源的n相输出端相接;四象限变流功率模块包括三相PWM整流器、支撑电容C4、单相逆变器,三相PWM整流器自三相交流电源取电,其直流侧跨接支撑电容C4后接入单相逆变器,单相逆变器的输出经输出滤波器加载于变压器T1的原边两端。

Description

配电网接地故障降压有源消弧电源及其控制方法
技术领域
本发明涉及变流技术,尤其是一种配电网接地故障降压有源消弧电源及其控制方法。
背景技术
专利申请号为201110006701.2的发明专利曾提出了一种配电网接地故障消弧和保护方法,其方法是以故障相电压为控制目标,测量配电网三相电压和零序电压,检测接地故障和故障相,当接地故障发生时,通过向配电网注入电流,强制故障相电压为零和接地故障电流为零来实现瞬时故障的100%消弧。该专利发明人后来在此基础上新提出了发明专利申请号为201710544978.8的专利方法,即非有效接地系统接地故障相降压消弧的安全运行方法,其方法是在发生单相接地故障时,在非有效接地系统侧的母线与地,或线路与地,或中性点与地,或变压器非有效接地系统侧绕组的分接抽头与地之间外加电压源,降低故障相电压,使故障点电压低于接地电弧持续燃烧的电压,满足长时间不停电安全运行要求。针对该专利提到的外加的电压源的实现,专利申请号为201711022276.X的发明专利进一步提出了一种配电网有源消弧装置电压控制方法。该方法用于控制接于中性点与大地之间的有源消弧装置的输出电压,使其在单相接地故障时与故障相电压相反数保持一致,从而达到故障消弧的目的。其有源消弧装置由一个三相不可控整流器、单相逆变器、LC滤波器以及隔离变压器构成,其中整流器和逆变器经过直流电容器并联连接(参见图1)。控制方法的具体实现包括中性点电压外环和输出滤波器电感电流内环两部分。外环采用比例积分器与比例谐振控制器的组合形式,调节中性点电压以生成电流内环给定值;内环采用比例调节器调节输出滤波器电感电流,使其跟踪电流内环给定值,并通过输出滤波器电容电压前馈以达到提高电流控制精度的目的。
实际由于在配电网接地故障,等效接地电阻阻值非常小时,图1所示的有源消弧装置作为一个受控电压源,在向配电网中性点注入电流时,能量会从配电网经隔离变压器倒灌到有源消弧装置,因此,有源消弧装置为了防止直流侧过压,设置了过压保护电路,但是,配电网接地故障时间过长的话,过压保护装置的耗能电阻的容量会要求非常大,作为一种改进,申请号为201710958147.5的发明专利中,将有源消弧装置的三相二极管整流改成三相PWM整流,使直流侧的多余能量回馈到电网,如下图2所示。
从图1和图2可看出,在配电网单相接地故障时,有源消弧装置都需要逆变出单相交流电压从而通过隔离变压器向配电网中性点注入零序电流以实现流经接地故障点的电流为零。因有源消弧电源是基于电力电子器件来实现的,系统设计中尽可能减小其容量就可实现成本的大幅下降,且可增强装置工作可靠性。因此实际应用中,在配电网中性点另外安装传统的消弧线圈,由其补偿掉流经接地故障点的绝大部分容性无功电流,这样一来,有源消弧装置需要补偿的只是非常少的无功电流和全部的有功电流和谐波分量。为了进一步减小有源消弧电压电源的容量,这里提出一种新的有源消弧电源的电气结构及其控制方法。
发明内容
本发明提供一种配电网接地故障降压有源消弧电源及其控制方法,能够降低有源消弧电源的容量和成本,增强电源运行的可靠性。
为实现所述目的,本发明第一方面公开了一种配电网接地故障降压有源消弧电源,包括升压变压器T2、四象限变流功率模块、串联电抗器T1、三相交流电源、输出滤波器、三个选相开关;
所述升压变压器T2二次侧的两出线端分别连接所述配电网中接地变压器Tz一次侧的中性点和大地,所述三相交流电源的a、b、c相输出端分别串联一所述选相开关后共接至一起形成接点J,所述接点J经所述串联变压器T1二次侧后连接至所述升压变压器T2一次侧的其中一出线端,所述升压变压器T2一次侧的另一出线端与所述三相交流电源的n相输出端相接;
所述四象限变流功率模块包括三相PWM整流器、支撑电容C4、单相逆变器,所述三相PWM整流器自所述三相交流电源取电,其直流侧跨接所述支撑电容C4后接入所述单相逆变器,所述单相逆变器的输出经所述输出滤波器加载于所述串联变压器T1一次侧两端。
作为一种可选的实施方式,在本发明第一方面中,所述三相交流电源是所述接地变压器Tz的二次侧,所述三相交流电源的a、b、c相输出端即所述接地变压器Tz二次侧的a、b、c相输出端,所述三相交流电源的n相输出端即所述接地变压器Tz二次侧的n相输出端。
作为一种可选的实施方式,在本发明第一方面中,所述单相逆变器的输出经所述输出滤波器加载于所述串联变压器T1的一次侧,所述串联变压器T1的二次侧分别连接所述接点J与所述升压变压器T2一次侧的其中一出线端。
作为一种可选的实施方式,在本发明第一方面中,还包括预充电回路,其输入端与所述三相PWM整流器的输入端相接,输出端加载于所述支撑电容C4两端,用于在PWM整流启动前对所述支撑电容C4充电。
作为一种可选的实施方式,在本发明第一方面中,所述预充电回路包括三相整流桥DB、三相接触器K2、电阻R5与电阻R6,所述三相PWM整流器的输入端经三相接触器K2后与三相整流桥DB的输入端相接,三相整流桥DB的输出端分别串联电阻R5与电阻R6后加载于所述支撑电容C4两端。
作为一种可选的实施方式,在本发明第一方面中,所述接地变压器Tz,包括:
接地变压器Tz一次侧,具有绕制于三相铁心上的六个一次侧绕组A1、A2、B1、B2、C1、C2,其中三相铁心的每个铁心柱上分布两个所述一次侧绕组,且该两个一次侧绕组的匝数相等,六个所述一次侧绕组以Z型联结的方式进行接线;
接地变压器Tz二次侧,其拓扑结构与所述接地变压器Tz一次侧的拓扑结构相同,且两者相互对称。
作为一种可选的实施方式,在本发明第一方面中,所述配电网中接地变压器Tz一次侧的中性点经一消弧线圈连接至所述大地。
本发明第二方面公开了一种上述配电网接地故障降压有源消弧电源的控制方法,包括若检测到所述配电网的X相发生接地故障,所述X相为配电网A相、B相、C相中的其中一者,则:
仅闭合所述X相对应的选相开关,以及
根据所述X相的相电压调整所述四象限变流功率模块的输出幅度及相位,其中所述相位被配置为与所述X相的相电压相位相反。
作为一种可选的实施方式,在本发明第二方面中,所述四象限变流功率模块的输出幅度被配置为:
当配电网为A相接地故障时,输出幅度为:
Figure BDA0003364513460000041
当配电网为B相接地故障时,输出幅度为:
Figure BDA0003364513460000042
当配电网为C相接地故障时,输出幅度为:
Figure BDA0003364513460000043
式中,
k1为所述串联变压器T1的一次侧二次侧的匝数比;
k2为所述升压变压器T2的一次侧二次侧的匝数比;
k为所述接地变压器Tz的一次侧二次侧的匝数比;
Figure BDA0003364513460000051
Figure BDA0003364513460000052
依次配电网的A相电压、B相电压、C相电压。
作为一种可选的实施方式,在本发明第二方面中,在检测到所述配电网发生接地故障之前,控制所述配电网接地故障降压有源消弧电源工作于就绪态,所述就绪态包括:
在PWM整流启动前对所述支撑电容C4完成预充电;
控制所述单相逆变器的开关管实施脉冲封锁;
控制全部所述选相开关为关断状态。
本发明第三方面公开了一种电子设备,其中,该电子设备包括:
处理器;以及被安排成存储计算机可执行指令的存储器,可执行指令在被执行时使处理器执行所述的方法。
本发明第四方面公开了一种计算机可读存储介质,其中,计算机可读存储介质存储一个或多个程序,一个或多个程序当被处理器执行时,实现所述的方法。
相对于现有技术,本发明能够达到以下有益效果:
1)所需的四象限电源容量相比传统方法可减小到1/10,对于三相PWM整流到单相逆变这样的四象限变流器,PWM整流和单相逆变在控制上难以保证有功功率平衡,在直流侧易于形成2倍频的电压波动,电源容量越大,这个直流电压的波动幅度越大,这个波动将会造成单相逆变输出的电压含2倍频谐波,常规额办法是较大直流侧的支撑电容容量。当四象限电源容量相比传统方法大大减小后,在较小的直流支撑电容情况小,直流侧电压波动大为较小,使单相逆变侧的输出电压谐波大大减小,系统运行可靠性和使用寿命大为增加;
2)四象限变流电源主电路零部件发热减小,功率开关管的开关损耗与通态损耗大为减小,可以采取自然风冷方式,大大提高系统的工作可靠性和使用寿命;
3)对功率开关管要求的额定电流减小后,器件比较容易选型,过载能力加强;
4)装置体积可以做得更小,系统成本可大为降低。
所述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,而可依照说明书的内容予以实施,并且为了让本发明的所述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂,以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述,各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中,用相同的参考符号表示相同的台件。
在附图中:
图1为现有技术中有源消弧装置的电气示意图;
图2为现有技术中基于三相PWM整流的有源消弧装置的电气示意图;
图3为本发明的配电网接地故障降压有源消弧电源的电气示意图;
图4为本发明的兼作站用变的改进型接地变压器的结构示意图;
图5为本发明的兼作站用变的改进型接地变压器的电路拓扑图;
图6是在图3所示电路拓扑图上加注电参数符号;
图7为图6所示电路拓扑图的等效原理图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例,然而应当理解,可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开,并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例一
参见图3,是本发明的配电网接地故障降压有源消弧电源的电气示意图,包括升压变压器T2、四象限变流功率模块1、串联变压器2、三相交流电源、输出滤波器3、三个选相开关Tr1、Tr2和Tr3。
所述升压变压器T2二次侧的两出线端分别连接配电网中接地变压器Tz一次侧的中性点和大地,三相交流电源的a、b、c相输出端分别串联一选相开关后共接至一起形成接点J,接点J经串联变压器2的二次侧后连接至升压变压器T2一次侧的其中一出线端,升压变压器T2一次侧的另一出线端与三相交流电源的n相输出端相接。
本实施例中,作为示例的,三相交流电源的a、b、c相输出端分别串联一选相开关的方式可以是:a相输出端串联选相开关Tr1,b相输出端串联选相开关Tr2,c相输出端串联选相开关Tr3。也可以是其他连接方式,只需满足相输出端与选相开关的一一对应关系即可,此处不做限定。作为改进,选相开关Tr1、Tr2和Tr3可由双向晶闸管构成,在任何时刻都不允许两个或两个以上同时导通。
本实施例中,三相交流电源被配置为三相五线制,即3L+N+PE。
需要特别指出的是,有源消弧电源的电流是注入到配电网的中性点。我国电力系统中的6kV-35kV电网一般都采用中性点不接地的运行方式,电网中主变压器配电电压侧一般为三角形接线,没有中性点。在配电网无法直接引出中心线的情况下,可通过接地变压器Tz形成一个中性点。
所述四象限变流功率模块1包括三相PWM整流器、支撑电容C4、单相逆变器、,三相PWM整流器自三相交流电源取电,其直流侧跨接支撑电容C4后接入单相逆变器,单相逆变器的输出经输出滤波器3加载于电抗器件2两端。
其中,四象限变流功率模块1的功率半导体开关器件可以选用MOS、IGBT、晶闸管等,此处不做限定。作为改进的,优选使用IGBT,通过将功率半导体开关器件设置为IGBT,能够增强单管耐压能力,确保大功率环境下高速通断的可靠控制。
本实施例提供的有源消弧电源,通过选相电路,并基于串联变压器的将四象限变流器的输出与交流单相电源串联形成可控电压源的结构,所需的四象限电源容量相比传统方法可减小到1/10,对于三相PWM整流到单相逆变这样的四象限变流器,PWM整流和单相逆变在控制上难以保证有功功率平衡,在直流侧易于形成2倍频的电压波动,电源容量越大,这个直流电压的波动幅度越大,这个波动将会造成单相逆变输出的电压含2倍频谐波,常规额办法是较大直流侧的支撑电容容量。当四象限电源容量相比传统方法大大减小后,在较小的直流支撑电容情况小,直流侧电压波动大为较小,使单相逆变侧的输出电压谐波大大减小,系统运行可靠性和使用寿命大为增加。
四象限电源容量减小后,四象限变流电源主电路零部件发热减小,功率开关管的开关损耗与通态损耗大为减小,因而可以采取自然风冷方式,大大提高系统的工作可靠性和使用寿命。并且,对功率开关管要求的额定电流减小后,器件比较容易选型,过载能力加强,此外,装置的体积也可以做得更小,系统成本可大为降低。
作为一种可选的实施方式,可以将三相交流电源配置为是接地变压器Tz的二次侧,此时,三相交流电源的a、b、c相输出端即接地变压器Tz二次侧的a、b、c相输出端,三相交流电源的n相输出端即接地变压器Tz二次侧的n相输出端。
在该可选实施方式中,接地变压器Tz兼作站用变使用,其低压输出的三相380Vac,可为有源消弧电源提供电网电源,实现供电自循环,避免三相交流电源外置导致装置的体积、成本的增加。
作为改进的,在该可选实施方式中,参见图4、图5,接地变压器Tz的电路拓扑结构设置为包括三相铁心、接地变压器二次侧、接地变压器一次侧。
所述接地变压器一次侧,为了引出配电网的中性点N,设置为由绕制于三相铁心上的六个一次侧绕组A1、A2、B1、B2、C1、C2组成,其中三相铁心的每个铁心柱上分布两个所述一次侧绕组,且该两个一次侧绕组的匝数相等。例如,三相铁心的A相铁心柱的一次侧由上至下分布A1、A2,A1、A2匝数相等,同理B相铁心柱分布B1、B2,C相铁心柱分布C1、C2。
如此分布后,对一次侧绕组A1、A2、B1、B2、C1、C2反极性串联成星形绕组,即以Z型联结的方式进行接线,具体而言,接地变压器一次侧的接线方式进一步设置为:
所述一次侧绕组A1的末端与一次侧绕组C2的末端相连;
所述一次侧绕组B1的末端与一次侧绕组A2的末端相连;
所述一次侧绕组C1的末端与一次侧绕组B2的末端相连;
所述一次侧绕组A2、B2、C2的首端相连形成接地变的中性点N;
所述一次侧绕组A1、B1、C1的首端与三相配电网相连接。
图5中,绕组旁的原点用以表示同名端,以同名端为绕组的首端,而另一端称为末端。
在该可选实施方式中,为了消除输出相电压依次与一次侧的相电压矢量相差的30度电角度,接地变压器二次侧的拓扑结构设置得与接地变压器一次侧的拓扑结构相同,且两者相互对称。
具体地,接地变压器二次侧由绕制于三相铁心上的六个二次侧绕组A3、A4、B3、B4、C3、C4组成,其中三相铁心的每个铁心柱上分布两个所述二次侧绕组,且该两个二次侧绕组的匝数相等。例如,三相铁心的A相铁心柱的二次侧由上至下分布A3、A4,A3、A4匝数相等,同理B相铁心柱分布B3、B4,C相铁心柱分布C3、C4。
对于接地变压器二次侧,同样将A3、A4、B3、B4、C3、C4反极性串联成星形绕组,即以Z型联结的方式进行接线,具体而言,接地变压器二次侧的接线方式进一步设置为:
所述二次侧绕组A4的末端与二次侧绕组C3的末端相连;
所述二次侧绕组B4的末端与二次侧绕组A3的末端相连;
所述二次侧绕组C4的末端与二次侧绕组B3的末端相连;
所述二次侧绕组A3、B3、C3的首端相连形成接地变的中性点n;
所述二次侧绕组A4、B4、C4的首端作为低压三相输出端。
该可选实施方式提供的兼作站用变的改进型接地变压器,在传统的接地变基础上进行了改进,能够实现低压输出相电压矢量
Figure BDA0003364513460000101
与高压输入侧电网电压的相电压矢量
Figure BDA0003364513460000102
依次分别同相位。
该可选实施方式中,在匝数设置上,设置各个所述一次侧绕组的匝数Np相等,各个所述二次侧绕组的匝数Ns相等,使提供的兼作站用变的改进型接地变压器形成全对称结构,能够提升接地变压器的可靠性能及工作稳态。
在该可选实施方式中,设一次侧的各绕组匝数为Np,低压输出侧的匝数为Ns,匝数比k=Np/Ns,根据图4、图5的接线和绕组同名端关系,忽略漏感影响,可以得出以下矢量关系:
Figure BDA0003364513460000103
亦即,二次侧输出相电压与一次侧对应相同相位,而其幅值大小为一次侧对应相的1/k倍。
在该可选实施方式中,配电网中接地变压器Tz一次侧的中性点进一步设置为经一消弧线圈连接至大地,用于补偿掉流经接地故障点的绝大部分容性无功电流。
单相逆变器的输出经输出滤波器3加载于串联变压器T1的一侧次,串联变压器T1的二侧次分别连接接点J与升压变压器T2一次侧的其中一出线端。
在该可选的实施方式中,由于四象限电源的输出经小容量的串联变压器T1隔离后输出电压,而不是直接经升压变压器T2连接到配电网中性点与大地之间。四象限电源的直流电流输出分量控制比较易于实现,而与此同时升压变压器T2不会出现电流的直流分量,避免出现升压变压器T2因可能的直流电流分量引起变压器饱和,进而引起谐波进入接地变压器Tz和配电网。
作为另一种可选的实施方式,所提供的有源消弧电源还包括预充电回路5,其输入端与三相PWM整流器的输入端相接,输出端加载于支撑电容C4两端,用于在PWM整流启动前对支撑电容C4充电。
具体地,预充电回路5包括三相整流桥DB、三相接触器K2、电阻R5与电阻R6,三相PWM整流器的输入端经三相接触器K2后与三相整流桥DB的输入端相接,三相整流桥DB的输出端分别串联电阻R5与电阻R6后加载于支撑电容C4两端。
在该可选的实施方式中,通过预充电回路5在PWM整流启动前对支撑电容C4充电,能够使直流侧母线电压已经在PWM整流控制下恒定在额定工作电压,提升系统可靠性。
作为另一种可选的实施方式,所提供的有源消弧电源还可以在四象限变流功率模块1的输入端处设置输入LC滤波器4,用于实施输入滤波。
以及,还可以在每个选通开关处串联一保险丝进行防过流保护。
本实施例还提供上述配电网接地故障降压有源消弧电源的控制方法,包括包括若检测到配电网的X相发生接地故障,X相为配电网A相、B相、C相中的其中一者,则:
仅闭合X相对应的选相开关,以及
根据X相的相电压调整四象限变流功率模块1的输出幅度及相位,其中相位被配置为与X相的相电压相位相反。
具体而言,参见图6,假定升压变压器T2的一次侧(低压侧)的输入电压为
Figure BDA0003364513460000111
二次侧(高压侧)加到接地变压器Tz的中性点和大地的电压为
Figure BDA0003364513460000112
有源消弧电源的单相逆变器输出的电压为
Figure BDA0003364513460000121
其经串联变压器T1后的输出电压为
Figure BDA0003364513460000122
Tr1、Tr2和Tr3中的任何一个导通后,使串联变压器T1二次侧左端的电压为
Figure BDA0003364513460000123
显然,存在以下矢量关系:
Figure BDA0003364513460000124
设升压变压器T2的一次侧(低压侧)与二次侧(高压侧)的匝数比为:
Figure BDA0003364513460000125
忽略漏抗压降和线路压降等,可近似得如下电压矢量幅值数量关系:
Figure BDA0003364513460000126
图7为图6的等效原理图,图6所示的
Figure BDA0003364513460000127
外加电压源加到中性点与地之间,有
Figure BDA0003364513460000128
如图7所示,设配电网的三相相电压依次为
Figure BDA0003364513460000129
忽略线路阻抗压降等,可近似认为
Figure BDA00033645134600001210
结合结合图示的电压矢量参考正方向和公式(1),有
Figure BDA00033645134600001211
Figure BDA00033645134600001212
发生单相接地故障时的接地相对地电压为
Figure BDA0003364513460000131
中性点对地电压为
Figure BDA0003364513460000132
则有
Figure BDA0003364513460000133
Figure BDA0003364513460000134
为接地故障相相电压,比如,接地故障发生在C相,则
Figure BDA0003364513460000135
Figure BDA0003364513460000136
参考发明专利申请号为201710544978.8的专利方法,在发生接地故障时,在接地变压器的中性点与地之间外加电压源(为零序电源),该电压源与配电网故障相电源相位相反,主动调控故障相对地电压,只要将故障相点压控制到电弧重燃电压以下,就可以消除故障电流为零,实现主动电压消弧。比如如图6所示,在C相出现接地故障情况下,根据为了使故障相对地电压幅值降到电弧重燃电压以下,理想的情况是降到0,这里重点讨论接地故障相对地电压降到0时的相关电压矢量数量关系。
要实现
Figure BDA0003364513460000137
Figure BDA0003364513460000138
根据公式(4),即需
Figure BDA0003364513460000139
得到
Figure BDA00033645134600001310
设串联变压器T1的一次侧二次侧的匝数比为:
Figure BDA00033645134600001311
忽略因漏抗引起的一次与二次侧相位偏移,则
Figure BDA00033645134600001312
从而得到四象限变流电源的单相输出电压矢量与配电网故障相的数量关系式为:
Figure BDA00033645134600001313
其中,根据前面公式
Figure BDA00033645134600001314
上面公式(5)分三种情况改写:
当配电网为A相接地故障时,Tr1双向开关闭合,
Figure BDA00033645134600001315
Figure BDA00033645134600001316
Figure BDA00033645134600001317
Figure BDA00033645134600001318
有:
Figure BDA00033645134600001319
当配电网为B相接地故障时,Tr2双向开关闭合,
Figure BDA0003364513460000141
Figure BDA0003364513460000142
Figure BDA0003364513460000143
Figure BDA0003364513460000144
有:
Figure BDA0003364513460000145
当配电网为C相接地故障时,Tr3双向开关闭合,
Figure BDA0003364513460000146
Figure BDA0003364513460000147
Figure BDA0003364513460000148
Figure BDA0003364513460000149
有:
Figure BDA00033645134600001410
发生单相接地故障时的接地相对地电压为
Figure BDA00033645134600001411
中性点对地电压为
Figure BDA00033645134600001412
则有
Figure BDA00033645134600001413
Figure BDA00033645134600001414
为接地故障相相电压,比如,如图6所示,接地故障发生在C相,则
Figure BDA00033645134600001415
Figure BDA00033645134600001416
参考发明专利申请号为201710544978.8的专利方法,在发生接地故障时,在接地变压器的中性点与地之间外加电压源(为零序电源),该电压源与配电网故障相电源相位相反,主动调控故障相对地电压,只要将故障相点压控制到电弧重燃电压以下,就可以消除故障电流为零,实现主动电压消弧。比如如图5所示,在C相出现接地故障情况下,根据
Figure BDA00033645134600001417
为了使故障相对地电压
Figure BDA00033645134600001418
幅值降到电弧重燃电压以下,理想的情况是降到0(此时
Figure BDA00033645134600001419
),使此时接地故障点对地电压足够小,从而使流经接地电阻的电流小到自动息弧。
整个系统接地故障灭弧的主要过程顺序为:
1)电网接地故障发生前,有源消弧电源工作于就绪态,这个就绪态亦即,四象限变流功率模块1的直流侧完成预充电,直流侧母线电压已经在PWM整流控制下恒定在额定工作电压,单相逆变侧的开关管脉冲封锁,输出电压
Figure BDA00033645134600001420
幅值为0。双向晶闸管选相开关Tr1、Tr2、Tr3都被控制为关断状态。
2)作为上位机控制的接地故障检测与选线接地装置,通过一定的手段自动检测接地故障在什么时候发生,并通过自动选线装置判断是哪一相发生了接地故障(已有公开的相关资料介绍这方面的技术,这里不再阐述)。自动检测相关物理量,并经计算和向有源故障电源控制系统发出电压源输出指令电压幅值和相位。目的是使接地故障相对地电压
Figure BDA0003364513460000151
的幅值降到电弧重燃电压以下(理想的情况是降到0)。
3)有源消弧电源的控制系统接收来自上位机的输出电压和相位指令,以及发生接地故障的是哪一相的信息,控制Tr1到T3中的某一个合上,比如,参见图3,如果配电网是C相接地故障,则仅控制Tr3开通(如果配电网是B相接地故障,则仅Tr2开通;如果配电网是A相接地故障,则仅Tr1开通),在选相开关开通的同时,四象限变流功率模块1的单相逆变侧进入电压源控制模式,其输出电压幅值和相位可以根据上位机的输出电压和相位指令的要求做相应自调整。
为辅助理解本实施例设计所产生的技术优势,下述进行示例说明。
比如,设配电网额定线电压为10.5kV,其相电压为6062V,根据图4、5,为得到额定380V的三相交流电压,接地变压器Tz的匝数比
Figure BDA0003364513460000152
取升压变压器T2的一次侧与二次侧匝数比k2为0.0577(即350/6062),取串联变压器T1的一次侧与二次侧匝数比k1为1,
参考图2的情况,有源消弧装置三相输入为380V额定,考虑输入电压波动,单相逆变输出的额定电压取350V以下为宜,此时升压变压器的低压侧额定电压取350V的话,则升压变压器T2的匝数比取
Figure BDA0003364513460000153
也就是说,在T2的一次侧与二次侧的匝数比为0.0577的情况下,图2所示的有源逆变装置的输出电压为350V(有效值)时,可以实现在升压变压器T2的高压侧形成6062V的交流电压,大小刚好与配电网相电压
Figure BDA0003364513460000154
有效值相等。
采用本专利提出的图3的结构,在串联变压器T1一次与二次侧匝数变比为1的情况下,在将某双向晶闸管选相开关开通时,将有一个220V的相电压与串联变压器的同相位的输出电压串联,作为升压变压器T2的输入电压,这时,四象限功率模块中的单相逆变部分相对图2而言,在同为实现在升压变压器T2的高压侧形成6062V的交流电压时,根据公式(6)到(8)计算,图3所示的四象限变流电源逆变经串联变压器输出的电压只要输出130V的交流电压。可见,在同样的输出电流情况下,图3相对图2,单相逆变额定输出电压降低到差不多1/3,意味着对四象限功率模块的额定功率容量要求减小了差不多2/3,比如原来需要一个50kVA的从三相变换到单相的四象限变流电源,经采取图3的系统结构,这个四象限变流电源容量20kVA就够了。
进一步改进,如果将升压变压器T2的低压测注入额定电压设计为相电压220V左右(此时升压变压器T2的匝数比取
Figure BDA0003364513460000161
则采取图3的有源消弧电源结构,四象限变流电源的输出电流会相对需要增大到1.59倍,即350/220),但根据公式(6)到(8)计算输出电压接近零。因考虑到实际变压器因漏感、发热损耗及带有功负载的情况,变压器一次侧与二次侧的端电压并未严格同相位或反相位,幅值大小变比与一次侧与二次侧匝数比有极小差异。因此,为了实现升压变压器串入到节点变中性点与大地之间的电压幅值与配电网接地故障相相电压一致,相位相反,需要图3所示的四象限变流电源逆变经串联变压器输出的电压有效值比零稍大,一般在20V左右就足够了,另外四象限变流电源逆变需要配合系统对单相逆变输出电压进行相应相位控制调节。总的来说,将升压变压器T2的低压测注入额定电压设计为相电压220V后,进一步将串联变压器T1的一次侧与二次侧匝数比从1改成17.5(即350/20),在升压变压器T2串入到节点变中性点与大地之间的电压源额定容量需求为50kVA时,T2的一次侧电压220V,电流227A,则四象限变流电源额定容量需求为4545VA(即227×20),其输出额定电压为350V,额定电流约为13A,其相比图2所示结构四象限变流电源在同样额定电压为350V情况下的额定电流需求143A减小到了约1/10。
四象限变流电源容量额定电流降到了极小,这样带来一系列好处:
1)主电路零部件发热减小,功率开关管的开关损耗与通态损耗大为减小,可以采取自然风冷方式,大大提高系统的工作可靠性和使用寿命。
2)对功率开关管要求的额定电流减小后,器件比较容易选型,过载能力加强。
3)装置体积可以做得更小,系统成本可大为降低。
4)系统运行可靠性和使用寿命大为增加。
最后应说明的是:本发明实施例公开仅为本发明较佳实施例而已,仅用于说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解;其依然可以对前述各项实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或替换,并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各项实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.配电网接地故障降压有源消弧电源,其特征在于,包括升压变压器T2、四象限变流功率模块、串联变压器T1、三相交流电源、输出滤波器、三个选相开关;
所述升压变压器T2二次侧的两出线端分别连接所述配电网中接地变压器Tz一次侧的中性点和大地,所述三相交流电源的a、b、c相输出端分别串联一所述选相开关后共接至一起形成接点J,所述接点J经所述变压器T1副边后连接至所述升压变压器T2一次侧的其中一出线端,所述升压变压器T2一次侧的另一出线端与所述三相交流电源的n相输出端相接;
所述四象限变流功率模块包括三相PWM整流器、支撑电容C4、单相逆变器,所述三相PWM整流器自所述三相交流电源取电,其直流侧跨接所述支撑电容C4后接入所述单相逆变器,所述单相逆变器的输出经所述输出滤波器加载于所述变压器T1原边两端。
2.如权利要求1所述的配电网接地故障降压有源消弧电源,其特征在于:
所述三相交流电源是所述接地变压器Tz的二次侧,所述三相交流电源的a、b、c相输出端即所述接地变压器Tz二次侧的a、b、c相输出端,所述三相交流电源的n相输出端即所述接地变压器Tz二次侧的n相输出端。
3.如权利要求1所述的配电网接地故障降压有源消弧电源,其特征在于:
所述电抗器件为串联变压器T1,所述单相逆变器的输出经所述输出滤波器加载于所述串联变压器T1的一次侧,所述串联变压器T1的二次侧分别连接所述接点J与所述升压变压器T2一次侧的其中一出线端。
4.如权利要求1所述的配电网接地故障降压有源消弧电源,其特征在于:
还包括预充电回路,其输入端与所述三相PWM整流器的输入端相接,输出端加载于所述支撑电容C4两端,用于在PWM整流启动前对所述支撑电容C4充电。
5.如权利要求4所述的配电网接地故障降压有源消弧电源,其特征在于:
所述预充电回路包括三相整流桥DB、三相接触器K2、电阻R5与电阻R6,所述三相PWM整流器的输入端经三相接触器K2后与三相整流桥DB的输入端相接,三相整流桥DB的输出端分别串联电阻R5与电阻R6后加载于所述支撑电容C4两端。
6.如权利要求4所述的配电网接地故障降压有源消弧电源,其特征在于,所述接地变压器Tz,包括:
接地变压器Tz一次侧,具有绕制于三相铁心上的六个一次侧绕组A1、A2、B1、B2、C1、C2,其中三相铁心的每个铁心柱上分布两个所述一次侧绕组,且该两个一次侧绕组的匝数相等,六个所述一次侧绕组以Z型联结的方式进行接线;
接地变压器Tz二次侧,其拓扑结构与所述接地变压器Tz一次侧的拓扑结构相同,且两者相互对称。
7.如权利要求1-6任一项所述的配电网接地故障降压有源消弧电源,其特征在于:
所述配电网中接地变压器Tz一次侧的中性点经一消弧线圈连接至所述大地。
8.如权利要求1-6任一项所述配电网接地故障降压有源消弧电源的控制方法,其特征在于,包括若检测到所述配电网的X相发生接地故障,所述X相为配电网A相、B相、C相中的其中一者,则:
仅闭合所述X相对应的选相开关,以及
根据所述X相的相电压调整所述四象限变流功率模块的输出幅度及相位,其中所述相位被配置为与所述X相的相电压相位相反。
9.如权利要求8所述的控制方法,其特征在于,所述四象限变流功率模块的输出幅度被配置为:
1)当配电网为A相接地故障时,输出幅度为:
Figure FDA0003364513450000031
2)当配电网为B相接地故障时,输出幅度为:
Figure FDA0003364513450000032
3)当配电网为C相接地故障时,输出幅度为:
Figure FDA0003364513450000033
式中,
k1为所述串联变压器T1的一次侧二次侧的匝数比;
k2为所述升压变压器T2的一次侧二次侧的匝数比;
k为所述接地变压器Tz的一次侧二次侧的匝数比;
Figure FDA0003364513450000034
Figure FDA0003364513450000035
依次配电网的A相电压、B相电压、C相电压。
10.如权利要求8所述的控制方法,其特征在于,在检测到所述配电网发生接地故障之前,控制所述配电网接地故障降压有源消弧电源工作于就绪态,所述就绪态包括:
在PWM整流启动前对所述支撑电容C4完成预充电;
控制所述单相逆变器的开关管实施脉冲封锁;
控制全部所述选相开关为关断状态。
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