CN114221320A - 一种互联配电网单相接地故障集成化消弧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种互联配电网单相接地故障集成化消弧方法，提供一种零轴分量完全可控的柔性互联设备，控制柔性互联设备各个并网端口的零轴分量能够阻隔互联配电网之间的零序通路或实现单相接地故障消弧；控制柔性互联设备各个并网端口的dq轴分量实现功率交互；利用零轴分量与dq轴分量相互解耦的关系实现多功能协同控制。本发明在互联配电网正常运行时，阻隔互联配电网之间的零序通路，同时实现功率交互功能，对互联配电网进行调控；在互联配电网发生单相接地故障时，同时实现接地故障消弧与功率交互，抑制故障的同时为故障区段下游负荷进行功率全补偿，若一段时间后故障未消失，切除故障区段线路，仍能够保障故障区段下游负荷的供电可靠性。

Description

一种互联配电网单相接地故障集成化消弧方法
技术领域
本发明涉及配电网安全设计技术领域，特别是一种互联配电网单相接地故障集成化消弧方法。
背景技术
配电网运行环境的复杂化容易引发单相接地故障。传统的经联络开关互联的配电网之间存在直接的电气联系，使接地故障的影响范围扩大，导致故障产生的不良程度进一步恶化。其中，弧光接地故障产生的弧光过电压将破坏互联配电网安全、稳定运行的条件，严重影响了用户的供电可靠性。为了缩小互联配电网中接地故障的影响范围，通常将联络开关直接断开，以达到隔离故障的目的。
然而，联络开关断开将无法对配电网进行调控，且联络开关仅能实现开断控制，对流过开关的功率具有不可控性，其机械机构的动作过程导致响应速度慢，全寿命周期中动作次数有限，合闸存在较大冲击电流。随着电力电子技术的发展，柔性互联设备被提出替代传统的联络开关，提供灵活、快速、精确的功率交换控制。柔性互联设备能够实现在自身容量范围内的无极差连续调节，精确控制流过的有功功率和无功功率，且电力电子器件无机械操作机构，能够快速响应，无动作次数限制，运行寿命长，对系统冲击小。
为了防止接地故障通过柔性互联设备影响到互联配电网，通常在柔性互联设备的并网端口安装换流变压器，阻隔互联配电网之间的零序通路。然而，变压器的造价高、体积大，不利于柔性互联设备的推广使用。同时，上述措施仅对接地故障进行隔离，未对接地故障进行主动抑制。因此，有必要对柔性互联设备的拓扑结构及其功能进行研究，实现对互联配电网单相接地故障的快速、精确消弧。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种互联配电网单相接地故障集成化消弧方法，能够预防接地故障的影响范围扩大，单相接地故障发生后能够快速精确地实现单相接地故障消弧，并实现精确的功率交互，保障互联配电网的安全性和负荷的供电可靠性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种互联配电网单相接地故障集成化消弧方法，提供一种零轴分量完全可控的柔性互联设备，包括以下步骤：
步骤S1:互联配电网正常运行时，将柔性互联设备每个并网端口的零轴分量均控制为零，阻隔互联配电网之间的零序通路；
互联配电网发生单相接地故障时，控制柔性互联设备故障配电网侧的并网端口零轴分量为故障电流全补偿值；
互联的多个配电网均发生单相接地故障时，同时控制柔性互联设备各个故障配电网侧的并网端口零轴分量为各自对应的故障电流全补偿值；
步骤S2:控制柔性互联设备各并网端口的dq轴分量，实现互联配电网之间的有功功率和无功功率交互；
步骤S3:利用零轴分量与dq轴分量相互解耦的关系，实现柔性互联设备零轴分量与dq轴分量的协同控制，在互联配电网正常运行时，阻隔互联配电网之间的零序通路，同时实现功率交互，对互联配电网进行调控；在互联配电网发生单相接地故障时，同时实现接地故障消弧与功率交互，抑制接地故障的同时为故障区段下游负荷进行功率全补偿，若一段时间后故障未消失，切除故障区段线路。
进一步的，所述零轴分量完全可控的柔性互联设备采用对称的背靠背式MMC为拓扑结构的多端口柔性互联设备，所述MMC采用半桥型子模块和全桥型子模块混合级联的形式，并网端口处均不连接换流变压器，直流侧经串联电容中点接地。
进一步的，所述互联配电网正常运行时，将柔性互联设备每个并网端口的零轴分量均控制为零，即控制各并网端口零轴电流为iZn＝0，阻隔互联配电网之间的零序通路，预防突发性接地故障影响到互联配电网，实现接地故障预隔离，其中，n＝1,2…m为各并网端口序号。
进一步的，所述互联配电网发生单相接地故障时，控制柔性互联设备故障配电网侧的并网端口零轴分量为故障电流全补偿值，实现配电网单相接地故障消弧，具体为：
根据基尔霍夫电流定律，故障电流全补偿值由故障配电网的故障相电源电压eXn与配电网对地参数rn和cn计算得到，即
Figure BDA0003423849080000031
其中，n为故障配电网序号，X为故障相序。
进一步的，所述多个配电网均发生接地故障时，根据各个故障配电网的故障相电源电压eXn与配电网对地参数rn和cn计算出各自对应的并网端口零轴分量参考值，即
Figure BDA0003423849080000041
其中，变量n为各故障配电网序号，同时控制柔性互联设备各个故障配电网侧的并网端口零轴分量为各自对应计算的参考值，实现互联配电网多重接地故障消弧。
进一步的，所述步骤S2具体为:在旋转坐标系下，将瞬时功率参考值代入配电网正常运行和接地故障时的dq轴参考电流计算公式，即
Figure BDA0003423849080000042
其中，udn和uqn分别为多端口柔性互联设备各个并网端口三相电压在旋转坐标系下的量，pnref和qnref分别为有功功率和无功功率参考值。
同时应保证互联配电网之间交互的功率之和为零，即满足功率守恒定律,控制柔性互联设备各个并网端口的dq轴分量为各自对应计算的参考值，实现互联配电网之间的有功功率和无功功率交互。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明能够预防接地故障的影响范围扩大，在发生单相接地故障后，能够快速精确地实现单相接地故障消弧，保障互联配电网的安全稳定运行；
2、本发明能够实现多功能协同控制，不仅能够抑制单相接地故障，同时能够实现互联配电网之间的功率交互，保障负荷的供电可靠性。
附图说明
图1为本发明实施中的多端口柔性互联设备拓扑结构；
图2为本发明实施中的互联配电网正常运行时的零序等效电路；
图3为本发明实施中互联的其中一个配电网单相接地故障零序等效电路；
图4为本发明实施中互联的其中一个配电网发生单相接地故障时的消弧效果；
图5为本发明实施中互联的两个配电网均发生单相接地故障时的零序等效电路；
图6为本发明实施中互联的两个配电网均发生单相接地故障时的消弧效果；
图7为本发明实施例中互联配电网之间的有功功率和无功功率交互波形；
图8为本发明实施例中互联配电网功率交互与单相接地故障消弧协同控制效果；
图9为本发明实施例中互联的10kV配电网模型结构。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种互联配电网单相接地故障集成化消弧方法，提供一种零轴分量完全可控的柔性互联设备，具体包括以下步骤：
步骤S1:互联配电网正常运行时，将柔性互联设备每个并网端口的零轴分量均控制为零，阻隔互联配电网之间的零序通路；
互联配电网发生单相接地故障时，控制柔性互联设备故障配电网侧的并网端口零轴分量为故障电流全补偿值；
互联的多个配电网均发生单相接地故障时，同时控制柔性互联设备各个故障配电网侧的并网端口零轴分量为各自对应的故障电流全补偿值；
步骤S2:控制柔性互联设备各并网端口的dq轴分量，实现互联配电网之间的有功功率和无功功率交互；
步骤S3:利用零轴分量与dq轴分量相互解耦的关系，实现柔性互联设备零轴分量与dq轴分量的协同控制，在互联配电网正常运行时，阻隔互联配电网之间的零序通路，同时实现功率交互，对互联配电网进行调控；在互联配电网发生单相接地故障时，同时实现接地故障消弧与功率交互，抑制接地故障的同时为故障区段下游负荷进行功率全补偿，若一段时间后故障未消失，切除故障区段线路。
在本实施例中，通过控制柔性互联设备各个并网端口的零轴分量能够阻隔互联配电网之间的零序通路或实现单相接地故障消弧；控制柔性互联设备各个并网端口的dq轴分量，实现互联配电网之间的有功功率和无功功率交互；利用零轴分量与dq轴分量相互解耦的关系，实现零轴分量与dq轴分量的协同控制。在互联配电网正常运行时，阻隔互联配电网之间的零序通路，同时实现功率交互功能，对互联配电网进行调控；在互联配电网发生单相接地故障时，同时实现接地故障消弧与功率交互，抑制故障的同时为故障区段下游负荷进行功率全补偿，若一段时间后故障未消失，切除故障区段线路，仍能够保障故障区段下游负荷的供电可靠性。柔性互联的多个配电网均发生单相接地故障时，同时控制柔性互联设备各个故障配电网侧的并网端口零轴分量，实现互联配电网多重接地故障消弧
在本实施例中，零轴分量完全可控的柔性互联设备采用对称的“背靠背”式MMC为拓扑结构的多端口柔性互联设备，如图1所示，MMC采用半桥型子模块和全桥型子模块混合级联的形式，并网端口处均不连接换流变压器，直流侧经串联电容中点接地，创造完全可控的零序通路。
在本实施例中，如图2所示，为经双端口柔性互联设备互联的配电网正常运行时的零序等效电路，将柔性互联设备两个并网端口的零轴分量均控制为零，即控制各并网端口零轴电流为iZ1＝iZ2＝0，阻隔互联配电网之间的零序通路，预防突发性接地故障影响到互联配电网，实现接地故障预隔离。同理，多端口柔性互联设备控制每个并网端口零轴电流为iZn＝0，其中，n＝1,2…m为各并网端口序号。
在本实施例中，如图3所示，为经双端口柔性互联设备互联的其中一个配电网发生单相接地故障时的零序等效电路，控制柔性互联设备故障配电网侧的并网端口零轴分量为故障电流全补偿值。根据基尔霍夫电流定律，故障电流全补偿值由故障配电网的故障相电源电压eC2与配电网对地参数r2和c2计算得到，即
Figure BDA0003423849080000081
实现配电网单相接地故障消弧，如图4所示。非故障配电网侧并网端口零轴分量保持为零，即iZ1＝0。同理，经多端口柔性互联设备互联的其中一个配电网发生单相接地故障时，控制柔性互联设备故障配电网侧的并网端口零轴分量为
Figure BDA0003423849080000082
其中，n为故障配电网的序号，X为故障相序。其余非故障配电网侧的并网端口零轴分量保持为零。
在本实施例中，如图5所示，为经双端口柔性互联设备互联的两个配电网均发生单相接地故障时的零序等效电路。根据两个故障配电网的故障相电源电压eC1、eC2与配电网对地参数r1、r2和c1、c2计算出并网端口各自对应的零轴分量参考值，同时控制柔性互联设备两个故障配电网侧的并网端口零轴分量分别为
Figure BDA0003423849080000083
和
Figure BDA0003423849080000084
实现互联配电网双重接地故障消弧，如图6所示。同理，经多端口柔性互联设备互联的多个配电网均发生接地故障时，根据各个故障配电网的故障相电源电压eXn与配电网对地参数rn和cn计算出并网端口各自对应的零轴分量参考值，即
Figure BDA0003423849080000091
其中，变量n为各故障配电网的序号。通过同时控制多端口柔性互联设备各个故障配电网侧的并网端口零轴分量，实现互联配电网多重接地故障消弧。其余非故障配电网侧的并网端口零轴分量保持为零。
在本实施例中，步骤S2具体为：在旋转坐标系下，将瞬时功率参考值代入配电网正常运行和接地故障时的dq轴参考电流通用计算公式，即
Figure BDA0003423849080000092
该公式通过联立瞬时功率理论公式得到。其中，udn和uqn分别为多端口柔性互联设备各个并网端口三相电压在旋转坐标系下的量，pnref和qnref分别为有功功率和无功功率参考值。
同时，应保证互联配电网之间交互的功率之和为零，即满足功率守恒定律。通过控制柔性互联设备各个并网端口的dq轴分量为各自对应计算的参考值，实现互联配电网之间的有功功率和无功功率交互，如图7所示。
在本实施例中，步骤S3具体为：
根据零轴分量与dq轴分量相互解耦的关系，柔性互联设备零轴分量控制与dq轴分量控制相互独立，能够实现多功能的协同控制。在互联配电网正常运行时，控制零轴分量阻隔互联配电网之间的零序通路，预防突发性接地故障影响到互联配电网，实现接地故障预隔离，同时控制dq轴分量实现功率交互，对互联配电网进行调控。在互联配电网发生单相接地故障时，控制零轴分量对接地故障进行主动抑制，同时控制dq轴分量实现功率交互，为故障区段下游负荷进行功率全补偿，若一段时间后故障未消失，切除故障区段线路，仍能够保障故障区段下游负荷的供电可靠性
根据零轴分量与dq轴分量相互解耦的关系，柔性互联设备零轴分量控制与dq轴分量控制相互独立，能够实现多功能的协同控制。如图8所示为经双端口柔性互联设备互联的配电网功率交互与接地故障消弧协同控制的效果，在互联配电网正常运行时，控制零轴分量阻隔互联配电网之间的零序通路，预防突发性接地故障影响到互联配电网，实现接地故障预隔离；同时，控制dq轴分量实现功率交互，对互联配电网进行调控。在互联配电网发生单相接地故障时，控制零轴分量对接地故障进行主动抑制；同时，控制dq轴分量实现功率交互，为故障区段下游负荷进行功率全补偿，若一段时间后故障未消失，切除故障区段线路，仍能够保障故障区段下游负荷的供电可靠性。经多端口柔性互联设备互联的配电网功率交互与单相接地故障消弧协同控制的实施方法同理。
特别的，为验证所提一种互联配电网单相接地故障集成化消弧方法的有效性，利用MATLAB/SIMULINK软件分别搭建了经双端口和多端口柔性互联设备互联的10kV配电网仿真模型。其中，经双端口柔性互联设备互联的10kV配电网模型结构如图9所示。两种模型的仿真结果均表明，本实施例的方法能够预防接地故障的影响范围扩大，在发生单相接地故障后，能够快速精确地实现单相接地故障消弧，保障互联配电网的安全稳定运行。同时，多功能的协同控制，不仅能够抑制接地故障，而且能够实现互联配电网之间的功率交互，保障负荷的供电可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种互联配电网单相接地故障集成化消弧方法，其特征在于，提供一种零轴分量完全可控的柔性互联设备，包括以下步骤：
步骤S1:互联配电网正常运行时，将柔性互联设备每个并网端口的零轴分量均控制为零，阻隔互联配电网之间的零序通路；
互联配电网发生单相接地故障时，控制柔性互联设备故障配电网侧的并网端口零轴分量为故障电流全补偿值；
互联的多个配电网均发生单相接地故障时，同时控制柔性互联设备各个故障配电网侧的并网端口零轴分量为各自对应的故障电流全补偿值；
步骤S2:控制柔性互联设备各并网端口的dq轴分量，实现互联配电网之间的有功功率和无功功率交互；
步骤S3:利用零轴分量与dq轴分量相互解耦的关系，实现柔性互联设备零轴分量与dq轴分量的协同控制，在互联配电网正常运行时，阻隔互联配电网之间的零序通路，同时实现功率交互，对互联配电网进行调控；在互联配电网发生单相接地故障时，同时实现接地故障消弧与功率交互，抑制接地故障的同时为故障区段下游负荷进行功率全补偿，若一段时间后故障未消失，切除故障区段线路。
2.根据权利要求1所述的一种互联配电网单相接地故障集成化消弧方法，其特征在于，所述零轴分量完全可控的柔性互联设备采用对称的背靠背式MMC为拓扑结构的多端口柔性互联设备，所述MMC采用半桥型子模块和全桥型子模块混合级联的形式，并网端口处均不连接换流变压器，直流侧经串联电容中点接地。
3.根据权利要求2所述的一种互联配电网单相接地故障集成化消弧方法，其特征在于，所述互联配电网正常运行时，将柔性互联设备每个并网端口的零轴分量均控制为零，即控制各并网端口零轴电流为iZn＝0，阻隔互联配电网之间的零序通路，预防突发性接地故障影响到互联配电网，实现接地故障预隔离，其中，n＝1,2…m为各并网端口序号。
4.根据权利要求2所述的一种互联配电网单相接地故障集成化消弧方法，其特征在于，所述互联配电网发生单相接地故障时，控制柔性互联设备故障配电网侧的并网端口零轴分量为故障电流全补偿值，实现配电网单相接地故障消弧，具体为：
根据基尔霍夫电流定律，故障电流全补偿值由故障配电网的故障相电源电压eXn与配电网对地参数rn和cn计算得到，即
Figure FDA0003423849070000021
其中，n为故障配电网序号，X为故障相序。
5.根据权利要求2所述的一种互联配电网单相接地故障集成化消弧方法，其特征在于，所述多个配电网均发生接地故障时，根据各个故障配电网的故障相电源电压eXn与配电网对地参数rn和cn计算出各自对应的并网端口零轴分量参考值，即
Figure FDA0003423849070000022
其中，变量n为各故障配电网序号，同时控制柔性互联设备各个故障配电网侧的并网端口零轴分量为各自对应计算的参考值，实现互联配电网多重接地故障消弧。
6.根据权利要求1所述的一种互联配电网单相接地故障集成化消弧方法，其特征在于，所述步骤S2具体为:在旋转坐标系下，将瞬时功率参考值代入配电网正常运行和接地故障时的dq轴参考电流计算公式，即
Figure FDA0003423849070000031
其中，udn和uqn分别为多端口柔性互联设备各个并网端口三相电压在旋转坐标系下的量，pnref和qnref分别为有功功率和无功功率参考值。
同时应保证互联配电网之间交互的功率之和为零，即满足功率守恒定律,控制柔性互联设备各个并网端口的dq轴分量为各自对应计算的参考值，实现互联配电网之间的有功功率和无功功率交互。
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