CN116191386B

CN116191386B - 一种故障柔性消弧装置

Info

Publication number: CN116191386B
Application number: CN202310250474.0A
Authority: CN
Inventors: 胡俊峰; 王仕城; 徐正国; 范科; 王启行
Original assignee: Beijing Suoying Electric Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Suoying Electric Technology Co ltd
Priority date: 2023-03-14
Filing date: 2023-03-14
Publication date: 2023-11-14
Anticipated expiration: 2043-03-14
Also published as: CN116191386A

Abstract

本申请公开了一种故障柔性消弧装置，包括：第一开关组、第二开关组、储能变流器和控制器；第一开关组包括第一开关、第二开关和第三开关，第二开关组包括第四开关、第五开关和第六开关；储能变流器的第一端通过第一开关连接三相电源的第一相；储能变流器的第二端通过第二开关连接三相电源的第二相；储能变流器的第三端通过第三开关连接三相电源的第三相；控制器，用于若三相电源的第一相发生接地故障时，控制第一开关组和第二开关组中的部分开关闭合，使三相电源的第二相和/或第三相通过储能变流器接地。本申请利用储能变流器中的部分电路作为故障柔性消弧装置中的H桥电路，可以减少故障柔性消弧装置的成本。

Description

一种故障柔性消弧装置

技术领域

本申请涉及电路技术领域，尤其涉及一种故障柔性消弧装置。

背景技术

在配电网的不断扩大及电力电缆的大量使用下，三相电源的单相接地故障电流剧增。三相电源的单相接地故障可以产生电弧，该电弧难于自行熄灭，易引发火灾。根据工频熄弧理论可分析得出，间歇性电弧将产生3.5倍相电压的过电压，过电压会导致非故障相绝缘薄弱环节击穿，造成相间短路，也会造成供电设备绝缘击穿损坏。针对上述问题，相关技术中在三相电源中增加以电力电子设备为基础的故障柔性消弧装置，可以实现接地故障电流无功分量、有功分量和谐波分量的全补偿。但目前的故障柔性消弧装置需要在三相电源上额外多增加多个H桥子模块，使得故障柔性消弧装置的成本较高。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种故障柔性消弧装置，用于消除三相电源中接地故障产生的电弧。

为了实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下：

本申请实施例提供一种故障柔性消弧装置，包括：第一开关组、第二开关组、储能变流器和控制器；

第一开关组包括第一开关、第二开关和第三开关，第二开关组包括第四开关、第五开关和第六开关；

储能变流器的第一端通过第一开关连接三相电源的第一相；储能变流器的第二端通过第二开关连接三相电源的第二相；储能变流器的第三端通过第三开关连接三相电源的第三相；

储能变流器的第一端通过第四开关接地；储能变流器的第二端通过第五开关接地；储能变流器的第三端通过第六开关接地；

控制器，用于若三相电源的第一相发生接地故障时，控制第一开关组和第二开关组中的部分开关闭合，使三相电源的第二相和/或第三相通过储能变流器接地。

在一些可能的实施例中，控制器具体用于若三相电源的第一相发生接地故障时，控制第二开关和第四开关闭合，第一开关断开，使储能变流器的第二端的输出电流对三相电源的输出电流进行补偿。

在一些可能的实施例中，控制器具体用于若三相电源的第一相发生接地故障时，控制第三开关和第四开关闭合，第一开关断开，使储能变流器的第三端的输出电流对三相电源的输出电流进行补偿。

在一些可能的实施例中，控制器具体用于若三相电源的第一相发生接地故障时，控制第二开关、第三开关和第四开关均闭合，第一开关断开，使储能变流器的第二端的输出电流和变流器第三端的输出电流，对三相电源的输出电流进行补偿。

在一些可能的实施例中，控制器还用于若三相电源未发生接地故障，控制第一开关、第二开关和第三开关均闭合，第四开关、第五开关和第六开关均断开，使储能变流器对三相电源的输出电流进行调节。

在一些可能的实施例中，还包括：消弧辅助电感；

储能变流器的第一端通过第四开关连接消弧辅助电感的第一端；储能变流器的第二端通过第五开关连接消弧辅助电感的第一端；储能变流器的第三端通过第六开关连接消弧辅助电感的第一端；消弧辅助电感的第二端接地。

在一些可能的实施例中，储能变流器为级联型储能变流器，储能变流器包括第一级联簇、第二级联簇和第三级联簇；

第一级联簇的第一端连接第二级联簇的第一端和第三级联簇第一端；

第一级联簇的第二端为储能变流器的第一端，第二级联簇的第二端为储能变流器的第二端，第三级联簇的第二端为储能变流器的第三端。

在一些可能的实施例中，第一级联簇、第二级联簇和第三级联簇分别包括多个H桥子模块，每个H桥子模块中均包括储能电池。

在一些可能的实施例中，还包括：限流电阻；

限流电阻的第一端通过第四开关连接储能变流器；限流电阻的第二端接地。

在一些可能的实施例中，第一开关组和/或第二开关组中的任意一个开关包括电子开关和机械开关，电子开关和机械开关并联。

通过上述技术方案可知，本申请具有以下有益效果：

本申请实施例提供了一种故障柔性消弧装置，包括：第一开关组、第二开关组、储能变流器和控制器；第一开关组包括第一开关、第二开关和第三开关，第二开关组包括第四开关、第五开关和第六开关；储能变流器的第一端通过第一开关连接三相电源的第一相；储能变流器的第二端通过第二开关连接三相电源的第二相；储能变流器的第三端通过第三开关连接三相电源的第三相；储能变流器的第一端通过第四开关接地；储能变流器的第二端通过第五开关接地；储能变流器的第三端通过第六开关接地；控制器，用于若三相电源的第一相发生接地故障时，控制第一开关组和第二开关组中的部分开关闭合，使三相电源的第二相和/或第三相通过储能变流器接地。

由此可知，本申请实施例提供的故障柔性消弧装置，在三相电源发生接地故障时，控制第一开关组和第二开关组中的部分开关闭合，使三相电源通过故障柔性消弧装置中的储能变流器接地，构成三相电源至地的电弧补偿回路。如此，本申请实施例提供的方案可以利用储能变流器中的部分电路作为故障柔性消弧装置中的H桥电路，因此无需额外在三相电源上增加多个H桥电路，从而可以减少故障柔性消弧装置的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种故障柔性消弧装置的示意图；

图2为本申请实施例提供的一种故障柔性消弧装置的电路图。

具体实施方式

为了帮助更好地理解本申请实施例提供的方案，在介绍本申请实施例提供的方法之前，先介绍本申请实施例方案的应用的场景。

为了解决上述的技术问题，本申请实施例提供了一种故障柔性消弧装置，包括：第一开关组、第二开关组、储能变流器和控制器；第一开关组包括第一开关、第二开关和第三开关，第二开关组包括第四开关、第五开关和第六开关；储能变流器的第一端通过第一开关连接三相电源的第一相；储能变流器的第二端通过第二开关连接三相电源的第二相；储能变流器的第三端通过第三开关连接三相电源的第三相；储能变流器的第一端通过第四开关接地；储能变流器的第二端通过第五开关接地；储能变流器的第三端通过第六开关接地；控制器，用于若三相电源的第一相发生接地故障时，控制第一开关组和第二开关组中的部分开关闭合，使三相电源的第二相和/或第三相通过储能变流器接地。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请实施例作进一步详细的说明。

参见图1，该图为本申请实施例提供的一种故障柔性消弧装置的示意图。

如图1所示，本申请实施例提供的故障柔性消弧装置，包括：第一开关组101、第二开关组102、储能变流器103和控制器(图中未画出)；

第一开关组101包括第一开关Q1、第二开关Q2和第三开关Q3，第二开关组包括第四开关Q4、第五开关Q5和第六开关Q6。

储能变流器103的第一端通过第一开关Q1连接三相电源的第一相Ea；储能变流器103的第二端通过第二开关Q2连接三相电源的第二相Eb；储能变流器103的第三端通过第三开关Q3连接三相电源的第三相Ec；

储能变流器103的第一端通过第四开关Q4接地；储能变流器103的第二端通过第五开关Q5接地；储能变流器103的第三端通过第六开关Q6接地；

控制器，用于若三相电源的第一相Ea发生接地故障时，控制第一开关组101和第二开关组102中的部分开关闭合，使三相电源的第二相和/或第三相通过储能变流器103接地。

需要说明的是，本申请实施例中的三相电源可以为电网。本申请实施例提供的故障柔性消弧装置，在三相电源发生接地故障时，控制第一开关组101和第二开关组102中的部分开关闭合，使三相电源通过储能变流器103接地，构成三相电源至地的电弧补偿回路。如此，本申请实施例提供的方案可以利用储能变流器103中的部分电路作为故障柔性消弧装置中的H桥电路，因此无需额外在三相电源上增加多个H桥电路，从而可以减少故障柔性消弧装置的成本。

作为一种可能的实施方式，本申请实施例提供的控制器可以用于若三相电源的第一相Ea发生接地故障时，控制第二开关Q2和第四开关Q4闭合，第一开关Q1断开，使储能变流器103的第二端的输出电流对三相电源的输出电流进行补偿。需要说明的是，此时三相电源的第二相Eb通过第二开关Q2、储能变流器103和第四开关Q4构成接地补偿回路，对接地故障产生的电弧进行补偿。

作为另一种可能的实施方式，控制器具体用于若三相电源的第一相Ea发生接地故障时，控制第三开关Q3和第四开关Q4闭合，第一开关Q1断开，使储能变流器103的第三端的输出电流对三相电源的输出电流进行补偿。需要说明的是，此时三相电源的第三相Ec通过第三开关Q3、储能变流器103和第四开关Q4构成接地补偿回路，对接地故障产生的电弧进行补偿。

作为另一种可能的实施方式，控制器具体用于若三相电源的第一相Ea发生接地故障时，控制第二开关Q2、第三开关Q3和第四开关Q4均闭合，第一开关Q1断开，使储能变流器103的第二端的输出电流和储能变流器103第三端的输出电流，对三相电源的输出电流进行补偿。需要说明的是，此时三相电源的第二相Eb通过第二开关Q2、第三相Ec通过第三开关Q3、储能变流器103和第四开关Q4构成接地补偿回路，对接地故障产生的电弧进行补偿。

需要说明的是，若三相电源的第二相Eb或第三相Ec发生故障，本申请实施例中的控制器的控制逻辑与第一相Ea发生故障的控制逻辑类似，本申请实施例在此不做赘述。

在本申请实施例中，控制器还用于若三相电源未发生接地故障，控制第一开关Q1、第二开关Q2和第三开关Q3均闭合，第四开关Q4、第五开关Q5和第六开关Q6均断开，使储能变流器103中的电池通过第一开关Q1、第二开关Q2和第三开关Q3进行充放电，对三相电源的输出电流进行调节。

参见图2，该图为本申请实施例提供的一种故障柔性消弧装置的电路图。

如图2所示，Ea、Eb、Ec为三相电源，其中Ea为第一相，Eb为第二相，Ec为第三相。Ua、Ub、Uc可以为电网的三相相电压。U0可以为电网中性点电压。Rg1、Rg2、Rg3分别为三相对地泄漏电阻，Cg1、Cg2、Cg3分别为三相对地等效电容。Li1～Li3为母线上的线路的等效电感，Ri1～Ri3为母线上的线路的等效内阻。IA、IB、IC分别为三相变流器注入的电流。Iga、Igb、Igc分别为三相对地电流。L1、L2、L3为连接电感。LH为消弧功能辅助电感。RH为接地限流电阻。

第一开关组和/或第二开关组中的任意一个开关可以包括一个电子开关和一个机械开关，且电子开关和机械开关并联。如图2所示，K1和T1组成第一开关，K2和T2组成第二开关、K3和T3组成第三开关，K4和T4组成第四开关，K5和T5组成第五开关，K6和T6组成第六开关。其中K1～K6为机械开关，T1～T6为电子开关。机械开关用于提高设备的可靠性，在实际的应用中，机械开关通常保持断开状态，仅当并联在机械开关的电子开关Tx故障情况下，机械旁路开关Kx才根据控制需要实现开通和关断，提高设备的可靠性。例如，仅当T1故障时，K1才根据控制需要实现开通和关断。

储能变流器103可以包括第一级联簇113、第二级联簇123和第三级联簇133；第一级联簇113的第一端连接第二级联簇123的第一端和第三级联簇133第一端。第一级联簇113的第二端为储能变流器103的第一端，第二级联簇的第二端为储能变流器103的第二端，第三级联簇的第二端为储能变流器103的第三端。第一级联簇113、第二级联组123和第三级联簇133分别由N+1个H桥子模块组成。N为正整数。每个H桥子模块可以由4个绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)和储能电池组成。

作为一个示例，储能变流器103为级联型储能变流器。假设三相电源连接的电网正常情况下，T1～T3电子开关闭合，T4～T6电子开关断开，K1～K6机械旁路开关断开，储能变流器103处于有功和无功控制模式。电网发生接地故障，假如第三相Ec接地，T3断开，T6闭合，T1、T2保持闭合，T4～T5、K1～K6均保持断开，储能变流器103处于有源消弧模式。第一相电网经过T1、L1、第一级联簇113、中性点N、第三级联簇133、L3、T6、消弧辅助电感LH、限流电阻RH连接到大地构成单相接地补偿回路1。作为另一种可能的实施方式，第二相电网经过T2、L2、第二相级联簇、中性点N、第三相级联簇133、L3、T6、消弧辅助电感LH、限流电阻RH连接到大地构成单相接地补偿回路2。作为另一种可能的实施方式，第一相电网经过T1、L1、第一级联簇113、中性点N，第二相电网经过T2、L2、第二级联簇123、中性点N，与第三级联簇133、L3、T6、消弧辅助电感LH、限流电阻RH连接到大地构成两相接地补偿回路。第一相或第二相接地故障同理也能构成单相接地补偿和两相接地补偿回路。单相接地补偿回路1、单相接地补偿回路2和两相接地补偿回路可以互为备用，增加设备的冗余，提高故障柔性消弧装置的可靠性。

需要说明的是，与三相电源连接的储能变流器的电池容量可能都比较大，导致所需的充放电电流也比较大。电流流过连接电感L1、L2、L3会产生电压降，较大的连接电感电压降需要较高的直流电压，使直流侧电压范围利用率较低，大的电感值会造成成本的增加，所以储能变流器的电感的感值一般都比较小。三相电源单相接地故障下，由于接地过程中大地有内阻和接触电阻，接地电流一般都小于正常的储能变流器的额定电流。例如，储能变流器的额定电流可能在几百～几千A，而小的接地电流就容易产生电弧，通常来说5A的接地电流就需要补偿。在接地电流较小的情况下，原来储能变流器的连接电感L1、L2、L3电感值较小，比较难以实现精准控制。

作为一种可能的实施方式，本申请可以增加设计了消弧功能辅助电感LH。储能变流器103的第一端通过第四开关连接消弧辅助电感LH的第一端；储能变流器103的第二端通过第五开关连接消弧辅助电感LH的第一端；储能变流器103的第三端通过第六开关连接消弧辅助电感LH的第一端；消弧辅助电感LH的第二端接地。需要说明的是，由于本申请实施例在故障柔性消弧装置中增加了消弧功能辅助电感LH后，在三相电源发送接地故障时，三相电源的接地回路的电感值较大，可以实现较为精准的消弧控制。在实际的应用中，接地回路中还可以包括限流电阻。限流电阻的第一端可以连接消弧辅助电感的第二端；限流电阻的第二端接地。

需要说明的是，当三相电源发生接地故障，如果出现中性点电压低的情况，无法满足变流器直流侧电容充电的需求，需要降压变压器和整流电路从配电线路上获取直流侧电源，或者直流侧采用电池来解决直流侧电源问题。低阻接地故障时，非故障相电压接近于线电压，故障相电压接近于零，因此，接地补偿回路中每相变流器的承受电压需不低于线电压，应投入较多的电力电子元件。

在本申请实施例中，由于本申请中三相电源发生接地故障时，非故障相电压接近于线电压，非故障相电压是故障前相电压的1.732倍，故障柔性消弧装置工作的接地补偿回路在消弧模式时要满足1.732倍的正常相电压耐压要求。根据上述实施例可知，消弧模式时接地补偿回路是由某两相级联簇串联构成，耐压达到2倍，满足故障时1.732倍的正常相电压耐压要求，所以不需要额外增加每一相级联簇的H桥子模块，每一相级联簇的H桥子模块数量按照储能变流器要求设计即可，可以实现储能变流器和有源消弧的装置一体化，提高设备利用率，节约成本。

在本申请实施例中的储能变流器处于消弧模式时，对接地点由基尔霍夫定律可得：

IA+IB+IC-Iga-Igb-Igc-If＝0 (1)

式(1)中，Ia、Ib、Ic为变流器注入电流，Iga、Igb、Igc为各相对地电流，If是接地故障点电流。消弧的原理是将接地故障点电流抑制为零，即If＝0，则有变流器的注入电流等于三相对地电流之和，假设第三相发生了接地故障，则有Ic＝0，根据式(1)可推到为Ia+Ib＝Iga+Igb+Igc，只需要控制变流器电流Ia+Ib等于三相对地电流之和就能将故障点电流抑制为零，便可以实现故障消弧功能。

在本申请实施例中的储能变流器处于储能变流器模式(有功和无功控制)时。三相电网电压Ua、Ub、Uc进行abc/dq变换，得到dq旋转坐标系下的直流分量Ud、Uq，dq坐标系下的方程为：

三相电流Ia、Ib、Ic进行abc/dq变换，得到dq旋转坐标系下的直流分量Id、Iq，dq坐标系下的方程为：

可以得到功率方程为：

P＝U_d*I_d+U_q*I_q式 (4)

Q＝U_q*I_d-U_d*I_q式 (5)

其中，P为有功功率，Q为无功功率，ω为系统角频率，ωt的旋转角度和电压保持一致时则有Uq为零，由式(4)(5)可知，通过分别控制Id、Iq的大小可以实现有功和无功的控制。

综上所述，本申请实施例提供的故障柔性消弧装置，在三相电源发生接地故障时，控制第一开关组和第二开关组中的部分开关闭合，使三相电源通过故障柔性消弧装置中的储能变流器接地，构成三相电源至地的电弧补偿回路。如此，本申请实施例提供的方案可以利用储能变流器103中的部分电路作为故障柔性消弧装置中的H桥电路，因此无需额外在三相电源上增加多个H桥电路，从而可以减少故障柔性消弧装置的成本。而且本申请还利用消弧辅助电感进一步提高了对接地故障产生的电弧消除的准确性。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法中的全部或部分步骤可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者诸如媒体网关等网络通信设备，等等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种故障柔性消弧装置，其特征在于，包括：第一开关组、第二开关组、储能变流器和控制器；

所述第一开关组包括第一开关、第二开关和第三开关，所述第二开关组包括第四开关、第五开关和第六开关；

所述储能变流器的第一端通过所述第一开关连接三相电源的第一相；所述储能变流器的第二端通过所述第二开关连接所述三相电源的第二相；所述储能变流器的第三端通过所述第三开关连接所述三相电源的第三相；

所述储能变流器的第一端通过所述第四开关接地；所述储能变流器的第二端通过所述第五开关接地；所述储能变流器的第三端通过所述第六开关接地；

所述控制器，用于若所述三相电源的第一相发生接地故障时，控制所述第一开关组和所述第二开关组中的部分开关闭合，使所述三相电源的第二相和/或第三相通过所述储能变流器接地；

其中，所述控制所述第一开关组和所述第二开关组中的部分开关闭合，使所述三相电源的第二相和/或第三相通过所述储能变流器接地，包括：

控制所述第二开关和所述第四开关闭合，所述第一开关断开，使所述储能变流器的第二端的输出电流对所述三相电源的输出电流进行补偿；

或，控制所述第三开关和所述第四开关闭合，所述第一开关断开，使所述储能变流器的第三端的输出电流对所述三相电源的输出电流进行补偿；

或，控制所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关均闭合，所述第一开关断开，使所述储能变流器的第二端的输出电流和所述变流器第三端的输出电流，对所述三相电源的输出电流进行补偿。

2.根据权利要求1所述的故障柔性消弧装置，其特征在于，所述控制器还用于若所述三相电源未发生接地故障，控制所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关均闭合，所述第四开关、所述第五开关和所述第六开关均断开，使所述储能变流器对所述三相电源的输出电流进行调节。

3.根据权利要求1所述的故障柔性消弧装置，其特征在于，还包括：消弧辅助电感；

所述储能变流器的第一端通过所述第四开关连接所述消弧辅助电感的第一端；所述储能变流器的第二端通过所述第五开关连接所述消弧辅助电感的第一端；所述储能变流器的第三端通过所述第六开关连接所述消弧辅助电感的第一端；所述消弧辅助电感的第二端接地。

4.根据权利要求1所述的故障柔性消弧装置，其特征在于，所述储能变流器为级联型储能变流器，所述储能变流器包括第一级联簇、第二级联簇和第三级联簇；

所述第一级联簇的第一端连接所述第二级联簇的第一端和所述第三级联簇第一端；

所述第一级联簇的第二端为所述储能变流器的第一端，所述第二级联簇的第二端为储能变流器的第二端，所述第三级联簇的第二端为储能变流器的第三端。

5.根据权利要求4所述的故障柔性消弧装置，其特征在于，所述第一级联簇、所述第二级联簇和所述第三级联簇分别包括多个H桥子模块，每个H桥子模块中均包括储能电池。

6.根据权利要求1所述的故障柔性消弧装置，其特征在于，还包括：限流电阻；

所述限流电阻的第一端通过所述第四开关连接所述储能变流器；所述限流电阻的第二端接地。

7.根据权利要求1-6任一项所述的故障柔性消弧装置，其特征在于，所述第一开关组和/或所述第二开关组中的任意一个开关包括电子开关和机械开关，所述电子开关和所述机械开关并联。