CN113113905A - 一种基于对地参数双端测量及闭环控制的配电网消弧方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于对地参数双端测量及闭环控制的配电网消弧方法，其步骤为：通过柔性接地装置的注入变压器向配电网中性点注入一非工频及非工频整数倍的零序电流

测量消弧线圈内部电压互感器空载二次侧返回的零序电压

实时测算出配电网三相对地泄露电导∑g及对地电容∑C，进一步得到注入电流参考值

判断单相接地故障发生及故障相后，比较注入电流参考值

及实际注入值

Description

一种基于对地参数双端测量及闭环控制的配电网消弧方法

技术领域

本发明涉及一种基于对地参数双端测量及闭环控制的配电网消弧方法，适用于解决配电网发生单相接地故障后，故障电流难以全部补偿、消弧效果不佳的问题。

背景技术

配电网线路复杂，深入用户终端，极易发生随机故障，其中约70％的故障为单相接地故障，严重影响配电网安全稳定运行。随着配电网电缆线路占比升高及非线性电力电子设备的大量投入，接地故障电流值逐渐升高，其有功分量幅值就可高达13A。若不及时切除故障或对故障电流进行抑制，则故障可能会发展为弧光接地，导致故障蔓延，造成火烧连营事故，严重威胁人身和财产安全。因此，实现单相接地故障可靠消弧至关重要。

目前我国配电网广泛采用中性点经消弧线圈接地、中性点不接地等非有效接地方式来限制接地故障电流。而以配电网中性点接消弧线圈为代表的传统无源消弧技术难以补偿接地故障全部电流，原因在于该技术只能补偿接地故障电流的无功分量，无法补偿其有功分量(约占2％～8％)及谐波分量(约占5％)；并且消弧线圈体积庞大、调整困难、操作繁琐、易产生谐振过电压，该技术消弧效果十分有限。

为此，华中科技大学研发了磁通及变压器负载可控的消弧线圈，通过调控电力电子元件导通角控制消弧线圈等效电感值，进而控制其电感电流，但其采用了多组IGBT并联，导致其造价高，经济性较差且容易受系统谐波影响。

上海交通大学提出了恒阻尼率调匝消弧线圈，使得消弧线圈有载调匝时阻尼率保持恒定，并在消弧线圈二次侧接入阻尼电阻，防止系统发生谐振。上述两种方法虽可实现消弧线圈接入的电感值灵活可调，但归根结底，此类方法仅改进消弧线圈，原理上依然只能补偿故障电流中的容性无功分量，对有功分量及谐波分量无能为力，消弧效果依然有限。

瑞典的Swedish Neutral公司开发了GFN接地故障综合保护技术及装置，以故障线路零序导纳为切入点，故障后向配电网中性点注入电流，使故障馈线零序导纳回归正常值。该方法对地参数测量精度要求高且对装置的控制要求严格，且其设备价格昂贵，难以推广应用。

综上所述，国内外亟需一种基于对地参数双端测量及闭环控制的配电网消弧方法。

发明内容

针对配电网发生单相接地故障后，故障电流难以全部补偿、消弧效果不佳的问题，本发明提出了一种基于对地参数双端测量及闭环控制的配电网消弧方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案包括如下步骤：

1)通过柔性接地装置的注入变压器注入频率为非工频及非工频的整数倍的固定幅值和相角的零序电流

2)测量消弧线圈内部电压互感器空载二次侧返回零序电压

3)实时测算出配电网三相对地泄露电导∑g及对地电容∑C，继而得到注入电流参考值

4)判断配电网单相接地故障发生及故障相；

5)比较注入电流参考值及实际注入值，将两者差值经比例谐振控制器校正后得到PWM调制信号，再与三角载波比较得到逆变器IGBT脉冲驱动，控制IGBT的通断产生目标电流；

6)目标电流经滤波后通过柔性接地装置的注入变压器注入配电网中性点，抑制故障相电压为零，实现故障消弧。

本发明的有益效果在于：通过双电压互感器可精准测量配电网对地参数，且测量过程安全、测量结果快、可实现实时监测且不影响配电网正常运行，再结合比例谐振闭环控制，可实现单相接地故障快速可靠消弧，适用于不同过渡电阻故障情况，具有精度高、安全、简便的特点。

附图说明

图1为配电网单相接地故障有源消弧示意图。

图2为配电网对地参数部分零序等效电路图。

图3为配电网等效电路图。

图4为配电网简化等效电路图。

图5为系统闭环控制框图。

图6为校正前系统开环Bode图。

图7为k_R取不同值时PR控制器校正后的系统开环Bode图。

图8为经PR控制器校正后的系统开环Bode图。

图9为R_f＝50Ω时故障点电流及三相电压波形图。

图10为R_f＝800Ω时故障点电流及三相电压波形图。

图11位R_f＝2000Ω时故障点电流及三相电压波形图。

具体实施方式

为了使本发明实施的技术方案与实现的功能更加清晰明了，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，

为交流电源；为直流电压；C_dc和R_dc分别为直流侧电容和电阻；为逆变器两端电压；L₀为滤波电感；L_P为消弧线圈；R_h为消弧线圈阻尼电阻；P表示柔性接地装置的注入变压器，变比为k₁，用于通过PWM有源逆变器向配电网中性点注入特定幅值和相位的零序电流；Q表示消弧线圈内部电压互感器，变比为k₂，用于实时监测消弧线圈两端电压；为中性点电压；表示配电网n相电源电动势(n＝A,B,C表示相序)；M表示母线；x表示母线上出线总条数(图中只画出了线路1的对地泄露电导和对地电容，其余线路的省略)； g_mn表示线路m(m＝1,2,x)的n相对地泄露电导；C_mn表示线路m的n相对地电容；R_f为单相接地故障过渡电阻。

假设单相接地故障发生在配电网线路1的C相，由基尔霍夫电流定律可知配电网中性点注入电流可表示为：

式中：Y_n表示配电网n相对地导纳，

Y_mn＝g_mn+jωC_mn；ω为工频角频率。

设配电网三相电源对称，且正常运行时配电网不平衡度一般低于2％，可近似视为三相平衡，则有

将

代入，式(1)可变形为：

为实现故障消弧，需抑制故障相电压

令配电网三相对地导纳∑Y＝Y_A+Y_B+Y_C，将∑Y＝∑g+jω∑C代入，此时注入电流的参考值可表示为：

式中：∑g,∑C分别为配电网三相对地泄露电导和对地电容。

由式(3)可知，注入电流参考值与接地故障过渡电阻无关，只与配电网故障相电源电压、消弧线圈及其阻尼电阻以及配电网对地参数有关。而故障相电源电压大小、消弧线圈电感值及其阻尼电阻值均为已知量，因此，配电网对地参数的精确计算是影响配电网单相接地故障可靠消弧的关键。

化简图1中对地参数测量部分，其等效电路如图2所示。由图2可知，当向配电网中性点注入零序电流

时，消弧线圈内部电压互感器空载二次侧实时监测到的零序电压

归算到一次侧的值为

即

易知，流过消弧线圈的电流

为：

其中，ω₁为非工频且非工频整数倍的角频率。

故配电网三相对地导纳为：

设

此时配电网三相对地导纳可变形为：

即：

故可求得配电网三相对地泄露电导及对地电容表达式分别如下：

在得到对地参数精准测量值的基础上，结合发生单相接地故障时对控制系统的要求，进一步提出了基于比例谐振(PR)控制器的闭环控制方法，并考虑了故障线路扰动情况。该方法降低了控制系统对参数的敏感性，减小过渡电阻阻值变化范围较大对系统的影响；同时还可提高控制系统的快速性，以便及时抑制故障电流，确保故障可靠消弧。

装设柔性接地装置后的配电网等效电路图如图3所示。为了便于分析，将配电网侧参数等效至柔性接地装置侧，则有：L_Ps＝L_P/k₁ ²，R_hs＝R_h/k₁ ²， C_s＝k₁ ²∑C，g_s＝k₁ ²∑g，R_fs＝R_f/k₁ ²。将

视为控制系统扰动，并将图3中所有电阻、电感、电容等效为导纳y₁，等效电路图如图4所示。其中： y₁＝L₀+[C_s//g_s//(L_Ps+R_hs)//R_fs]。

根据图4可得系统闭环控制框图如图5所示。以中性点注入电流为控制目标，其中：

为注入电流的参考值，为实现故障消弧，其数值应等于式(3)；

为注入电流的实际值；G_PR为PR控制器传递函数；G_inv为逆变器传递函数； G₁为中性点电压与注入电流之间的传递函数。表达式分别如下：

G_inv＝K_inv (11)

式中：M₁＝R_fL_PsC_s；M₂＝R_fC_sR_hs+R_fg_sL_Ps；M₃＝R_fg_sR_hs+R_f+1；N₁＝L₀R_fC_sL_Ps；

N₂＝L₀R_f(C_sR_hs+g_sL_Ps)+L₀L_Ps；

N₃＝L₀R_hs+g_sR_hsL₀R_f+L₀R_f+L_PsR_f；

N₄＝R_hsR_f。

上式中：k_P和k_R分别为PR控制器的比例系数和谐振系数；ω_c为系统截止频率；ω₀为系统谐振频率；K_inv为考虑到直流侧电压稳定且开关频率足够高时，等效逆变器得到的比例环节，取值为10；系统参数具体设置如表1所示。

根据表1数据得到校正前原系统开环传递函数为：

G_c＝G_inv·G₁ (13)

其Bode图如图6所示。考虑消弧线圈阻尼电阻后，提高了注入电流的计算精度，但同时增加了系统传递函数G₁的阶数，增加了控制难度。由图6可知，校正前原系统开环截止频率为2×10⁴rad/s，基频处增益为2.67，相角裕度为91.9°；而一个稳定可靠的控制系统，其相角裕度应为45°左右。原系统相角裕度过高，基频处增益偏低，系统稳态误差大，不满足柔性接地装置的控制要求，需进行校正。

经PR控制器校正后系统的开环传递函数为：

G_s＝G_PR·G_c (14)

PR控制器的比例系数k_P可根据公式法确定：

根据式(15)，可计算得出PR控制器的比例系数k_P＝0.1。

确定比例系数k_P后，可根据劳斯判据确定谐振系数k_R的取值范围。图7 所示为k_P＝0.1，k_R分别取0.3、3、30、300的系统开环Bode图。由图可知，k_R分别取4个不同取值时，系统均处于稳定状态。k_R越大，系统中频段的增益越大，而相角裕度随着k_R的增大而减小，综合考虑，取k_R＝3。

当k_P＝0.1，k_R＝3时，系统开环Bode图如图8所示。可知，经PR控制器校正后的系统，开环截止频率为4.25×10⁴rad/s，相角裕度为46.1°，基频处增益为30.56，满足柔性接地装置的控制要求。

为了验证本发明的可行性，利用PSIM搭建如图1所示的10kV配电网，设置母线出线为3条，本实施例中，基本仿真参数如表1所示。

运用本发明所提对地参数双端测量方法对配电网对地参数进行测算，固定消弧线圈阻尼电阻为10Ω，通过柔性接地装置的注入变压器向配电网中性点注入一幅值为10A，相角为0°的特征频率电流信号，从消弧线圈内部电压互感器的空载二次侧测量返回的该特征频率下电压信号，结合式(8)和式(9)即可测算出配电网对地参数，测量结果如表2所示，可知测量误差均低于0.5％。

根据表3数据，在接下来的仿真中，选取f＝75Hz的对地参数测量结果进行注入电流参考值的计算。在仿真模型中设置故障发生位置为线路1的C相，故障发生时间为0.04s，在0.08s时投入柔性接地装置，仿真时长0.25s。分别模拟过渡电阻为50Ω、800Ω、2000Ω的单相接地故障，故障点电流及三相电压的波形图分别如图9-图11所示，仿真结果如表3所示。可以看出，系统在0.04s 前稳定运行，0.04s故障发生后，故障点电流明显增大，故障相电压减小，非故障相电压增大。0.08s投入柔性接地装置后，故障点电流和故障相电压明显减小，大约经0.06s后趋近于零，由此可见本方法响应速度快；且在不同过渡电阻条件下，故障电流可抑制到0.6A以下，故障相电压可抑制到32V以下，抑制率高达99.69％，消弧效果显著。

表1系统参数

表2不同特征频率下对地参数测量结果

表3仿真结果

Claims (5)

1.一种基于对地参数双端测量及闭环控制的配电网消弧方法，应用于解决配电网发生单相接地故障后故障电流难以全部补偿、消弧效果不佳的问题，包括如下步骤：

1)通过柔性接地装置的注入变压器注入特定频率ω₁下固定幅值和相角的零序电流

2)测量消弧线圈内部电压互感器空载二次侧返回零序电压

3)实时测算出配电网三相对地泄露电导∑g及对地电容∑C，继而得到注入电流参考值

4)判断配电网单相接地故障发生及故障相；

5)比较注入电流参考值

及实际注入值

将两者差值经比例谐振控制器校正后得到PWM调制信号，再与三角载波比较得到逆变器IGBT脉冲驱动，控制IGBT的通断产生目标电流；

6)目标电流经滤波后通过柔性接地装置的注入变压器注入配电网中性点，抑制故障相电压为零，实现故障消弧。

2.根据权利要求1所述的基于对地参数双端测量及闭环控制的配电网消弧方法，其特征在于步骤1)所述的注入的零序电流

其频率ω₁为非工频及非工频的整数倍。

3.根据权利要求1所述的基于对地参数双端测量及闭环控制的配电网消弧方法，其特征在于步骤3)所述的三相对地泄露电导∑g及对地电容∑C的计算公式分别为：

和

其中

L_P为消弧线圈电感值；R_h为消弧线圈阻尼电阻；k₂为消弧线圈内部电压互感器变比。

4.根据权利要求1所述的基于对地参数双端测量及闭环控制的配电网消弧方法，其特征在于步骤3)所述的注入电流参考值

的计算公式为：

其中

为配电网C相电源电压；ω为工频角频率。

5.根据权利要求1所述的基于对地参数双端测量及闭环控制的配电网消弧方法，其特征在于步骤6)所述的注入的目标电流为工频。

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