丁維銘 趙兵 賈俊杰

摘?要：本文設(shè)計(jì)了一種用于不接地配電網(wǎng)中容性電流補(bǔ)償?shù)娜嘧兞髌骺刂撇呗?。利用希爾伯特變換將接地故障時(shí)三相電流分解為正負(fù)零序分量，建立逆變器的平均狀態(tài)空間模型，并給出電流控制算法。最后通過(guò)在Matlab中建立模型仿真對(duì)所設(shè)計(jì)控制算法進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng);單相接地;逆變器;電流控制

一、緒論

隨著補(bǔ)償需求的提出，大多情況下，我國(guó)中壓系統(tǒng)采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈或電阻接地的方法[1]。然而，由機(jī)械部件構(gòu)成的消弧線圈會(huì)產(chǎn)生損耗使得維護(hù)工作頻繁，耗費(fèi)較多資源[2]。很多情況下由于消弧線圈與系統(tǒng)電容電抗存在誤差，不能夠完全匹配[3];而一旦過(guò)補(bǔ)償或者欠補(bǔ)償會(huì)導(dǎo)致中性點(diǎn)不對(duì)稱(chēng)的情況出現(xiàn)[4]。為了消除解決問(wèn)題，本文提出了一種用于配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的可進(jìn)行電流補(bǔ)償?shù)娜嘧兞髌骺刂扑惴?，?duì)于發(fā)生單相接地故障的容性電流進(jìn)行補(bǔ)償，降低故障電流的影響。

二、逆變器控制研究

為了有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)中性點(diǎn)不接地配電網(wǎng)系統(tǒng)故障電流的補(bǔ)償，本文設(shè)計(jì)了一種用于不接地配電網(wǎng)中容性電流補(bǔ)償?shù)娜嘧兞髌骺刂撇呗?，采用與GTI（grid-tie inverter，并網(wǎng)電流型逆變器）近似的能夠快速準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)控制電流的控制方法。接下來(lái)將著重研究該控制方式的性能。

本文所采用的抗干擾能力較強(qiáng)的電流型有源補(bǔ)償控制方式是將配網(wǎng)系統(tǒng)得到的濾波電感電流值作為閉環(huán)的負(fù)反饋信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較好的動(dòng)態(tài)特性[5]。與之對(duì)應(yīng)的是電壓型的補(bǔ)償控制方式，該方法將故障電壓、故障電流等電氣量作為參考量，計(jì)算H橋的各項(xiàng)參數(shù)從而控制補(bǔ)償裝置注入的補(bǔ)償電流實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，這會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)對(duì)于擾動(dòng)的反應(yīng)能力變差，也無(wú)法有效抑制諧波電壓[6]。通過(guò)比較本文采用了電流型控制方式來(lái)構(gòu)建精確的閉環(huán)控制回路。

將H橋級(jí)聯(lián)逆變器近似為一階慣性環(huán)節(jié)，用U·f0表示中性點(diǎn)得到得擾動(dòng)量，接下來(lái)用圖1表示將上述系統(tǒng)簡(jiǎn)化后的傳遞函數(shù)框圖。

圖中：Iins表示被控量，I*ins表示目標(biāo)補(bǔ)償電流（混合了基波和諧波），G1s表補(bǔ)償裝置，Kpwm為數(shù)字控制器的放大倍數(shù)，T表示控制器開(kāi)關(guān)周期的一半，Uf0表示作用在中性點(diǎn)單相接地故障處的擾動(dòng)電壓，1/sL表示連接電感的等效傳遞函數(shù)。

考慮到控制系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，由于閉環(huán)增益C（s）存在局限性，這會(huì)使得Uf0在基波和主要諧波處補(bǔ)償電流與目標(biāo)補(bǔ)償電流會(huì)存在幅值差和相角差，系統(tǒng)的故障點(diǎn)處電流會(huì)發(fā)生畸變。所以在補(bǔ)償控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中必須要考慮到補(bǔ)償?shù)木群蛣?dòng)態(tài)性能，盡量避免上述問(wèn)題的出現(xiàn)。

（一）正負(fù)零序分解算法

本文采用廣義對(duì)稱(chēng)分量法和和希爾伯特變換，按照正、負(fù)、零序分量將三相系統(tǒng)電流分解，表達(dá)式如式（1）—（3）所示。

正負(fù)零序分解算法可表示為圖2所示。其中前向通道GHilb環(huán)節(jié)為對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行-π/2平移后的寬頻帶數(shù)字希爾伯特濾波器。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地情況時(shí)，逆變器需補(bǔ)償接地電流。該種補(bǔ)償方式可以使得單相接地故障發(fā)生后故障電流經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)玫降碾娏餍再|(zhì)為感性電流，其大小與正常相容性電流接近，而零序電壓相位與正常相的零序電壓相位關(guān)系相同。

按照式（1）—（3）可將逆變器參考電流分解為正負(fù)零序，為逆變器控制提供參考信號(hào)。

（二）逆變器控制算法

根據(jù)逆變器拓?fù)?，其平均狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型可以描述為：

三、仿真分析

為了分析控制算法的性能，利用Matlab軟件搭建了補(bǔ)償控制算法模型并且對(duì)三相逆變器補(bǔ)償電容電流進(jìn)行了仿真。

仿真分析了兩種模式：無(wú)變流器的A相單相接地故障和有變流器的A相單相接地故障。無(wú)變流器時(shí)的電網(wǎng)電流和接地故障電流波形如圖3所示。加入逆變器補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流和接地故障電流波形如圖4所示。

由圖4可以看出，當(dāng)逆變器投入時(shí)，電網(wǎng)電流不平衡被消除，接地故障電流快速衰減至零，補(bǔ)償控制算法得以幫助發(fā)生單相接地故障的電弧迅速降低，使得系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

四、結(jié)論

本章從電容性故障電流補(bǔ)償?shù)耐負(fù)?、原理、補(bǔ)償流程和仿真驗(yàn)證四個(gè)方面進(jìn)行了研究，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種不接地配電網(wǎng)逆變器補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)了逆變器輸出補(bǔ)償接地故障時(shí)電容電流。設(shè)計(jì)了正負(fù)零序信號(hào)提取算法，建立了逆變器平均狀態(tài)空間模型，并給出了電流控制算法。通過(guò)驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明接地故障電流快速衰減，補(bǔ)償控制算法得以幫助發(fā)生單相接地故障的電弧迅速降低，實(shí)現(xiàn)了精確快速補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]劉健，張志華，李云閣，芮俊.基于故障相接地的配電網(wǎng)單相接地故障自動(dòng)處理[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2020，44（12）：169-180.

[2]劉渝根，王建南，米宏偉，馬晉佩.10kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的優(yōu)化研究[J].高電壓技術(shù)，2015，41（10）：3355-3362.

[3]薛永端，李娟，徐丙垠.中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)小電流接地故障暫態(tài)等值電路及暫態(tài)分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35（22）：5703-5714.

[4]Winter，K.M.The RCC Ground Fault Neutralizer-A novel scheme for fast earth-fault protection[C]，2005：v3-68-v3-68.

[5]Wang W，Zeng X，Yan L，et al.Principle and Control Design of Active Ground-Fault Arc Suppression Device for Full Compensation of Ground Current[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2017，64（6）：4561-4570.

[6]Tian J，Chen Q，Cheng L，et al.Arc-suppression coil based on transformer with controlled load[J].Electric Power Applications Iet，2011，5（8）：644-653.

作者簡(jiǎn)介：丁維銘（1971—?），男，漢族，山東鄒城人，本科，技師，研究方向：安全生產(chǎn)檢測(cè)檢驗(yàn);趙兵（1976—?），男，漢族，山東鄒城人，專(zhuān)科，助理工程師，研究方向：安全生產(chǎn)檢測(cè)檢驗(yàn);賈俊杰（1963—?），男，漢族，山東臨沂人，本科，高級(jí)工程師，研究方向：安全生產(chǎn)檢測(cè)檢驗(yàn)。