虞申網(wǎng)

(江蘇省溧陽(yáng)中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校，江蘇溧陽(yáng) 213300)

電能在人類(lèi)生活中占據(jù)著極其重要的地位，是整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)作運(yùn)行的基礎(chǔ)，而電力系統(tǒng)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)，一旦出現(xiàn)問(wèn)題就會(huì)造成社會(huì)秩序的嚴(yán)重混亂。電力系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的是配電網(wǎng)，它可直接連接用戶(hù)。而中性點(diǎn)接地方式的選擇對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性有著重要影響[1-2]。中性點(diǎn)接地方式分成大電流接地方式和小電流接地方式[3-4]。大電流接地方式運(yùn)用在110 kV 系統(tǒng)和220 kV 電力系統(tǒng)中，其整體的安全性較低，當(dāng)單相接地出現(xiàn)故障時(shí)，需要及時(shí)切斷斷路器；小電流接地方式則往往運(yùn)用在中壓配電網(wǎng)系統(tǒng)中，當(dāng)單相接地出現(xiàn)故障后，故障自行運(yùn)行一段時(shí)間后電弧會(huì)自動(dòng)熄滅。這種方式產(chǎn)生的故障電流很小，不會(huì)對(duì)供電造成太大影響，為排除故障線路爭(zhēng)取了時(shí)間[5]。而在單相不接地發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)在消弧線圈的作用下，系統(tǒng)線電壓仍能堅(jiān)持運(yùn)行1 h 左右，但會(huì)產(chǎn)生弧光和過(guò)電壓的問(wèn)題，需要及時(shí)對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行電流補(bǔ)償，以盡快排除故障。

消弧線圈接地系統(tǒng)(又稱(chēng)諧振接地系統(tǒng))[6-8]，其中消弧線圈是指帶空氣間隙的電感線圈。系統(tǒng)正常工作時(shí)，消弧線圈不會(huì)發(fā)生作用；但發(fā)生故障時(shí)，在電壓的作用下消弧線圈會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，對(duì)接地點(diǎn)進(jìn)行電流補(bǔ)償[9-11]?；诖耍岢隽艘环N基于金屬性單相接地的逆變結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)這種帶消弧選線功能的三相四線逆變器結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真測(cè)試，結(jié)果顯示，這種結(jié)構(gòu)結(jié)合功率前饋無(wú)差拍的控制方法，可有效解決配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)排查難等問(wèn)題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 不接地系統(tǒng)單相接地故障穩(wěn)態(tài)特征分析

當(dāng)系統(tǒng)單相接地且發(fā)生故障時(shí)，三相電容電流會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)測(cè)量裝置監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)零序電壓達(dá)到一定值時(shí)，基于前饋無(wú)差拍控制方法的逆變結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)消弧線圈進(jìn)行調(diào)節(jié)，以消弧線圈的感應(yīng)電流來(lái)補(bǔ)償并降低電弧重燃的可能性[12-14]。

以故障線路電容等效電路為例，根據(jù)故障的零序網(wǎng)絡(luò)和零序電壓電流方向，可將故障線路電流分為2 種[15]，零序電流和從故障點(diǎn)倒流的逆向電流。正向電流和零序電流不會(huì)因?yàn)楣收宵c(diǎn)的變化而變化，而逆向電流則由故障點(diǎn)產(chǎn)生。電流公式為:

在系統(tǒng)單相接地情況下，需要通過(guò)采集正向電壓、零序電壓和逆向電壓來(lái)控制逆變電源的控制器。單相接地時(shí)發(fā)生故障，其接地點(diǎn)處電流為Im+In:其中Im是穩(wěn)態(tài)時(shí)所有的電容電流之和；In則是故障時(shí)逆變電源輸出的補(bǔ)償電流。所有故障點(diǎn)處的電流大小IK為:

正常情況下該電路一般采用補(bǔ)償方式運(yùn)行，隨著頻率增大，消弧線圈的補(bǔ)償作用減弱，電感電流變小，線路的電容電流增大。

圖1 故障線路電容等效電路

1.2 帶消弧線圈的逆變器結(jié)構(gòu)分析

在逆變器結(jié)構(gòu)中加入消弧線圈，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。圖2 方框內(nèi)為逆變電源裝置，L1、L2、L33 條線路的相對(duì)地電容分別為C1、C2、C3，對(duì)地電容為C0，C4、C5為直流側(cè)穩(wěn)壓電容器，且C4＝C5；E為直流電源。K為接地故障點(diǎn)，L為接地點(diǎn)過(guò)渡電阻線圈。當(dāng)系統(tǒng)中線路L1的C相發(fā)生單相接地故障時(shí)，把故障點(diǎn)K和大地之間的電路當(dāng)作外電路，電路開(kāi)路時(shí)計(jì)算出來(lái)的電壓，即C相電源電動(dòng)勢(shì)UC，而電容為框內(nèi)所有電容之和:

圖2 帶消弧選線功能的逆變電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.3 輸入信號(hào)的電容電流檢測(cè)

在系統(tǒng)中輸入高頻信號(hào)，從而得到系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)的對(duì)地電容Ck，計(jì)算方法如式(4)。一般在消弧線圈系統(tǒng)中輸入150 Hz 的功率。

式中:f為高頻信號(hào)頻率，π 為圓周率，UK為系統(tǒng)接地電壓，IK為系統(tǒng)接地電流。

發(fā)生故障后，逆變器的輸出電流為每條線路正常運(yùn)行時(shí)的電流及故障點(diǎn)K的補(bǔ)償電流即:

單相接地故障時(shí)對(duì)地電容電流為:

此時(shí)，逆變器的電流主要由工頻、高頻以及接地補(bǔ)償3 部分組成。假設(shè)逆變器輸出功率為P，系統(tǒng)存在開(kāi)關(guān)損耗。為了實(shí)時(shí)監(jiān)控電流的快速跟蹤，提出一種無(wú)差拍控制電流方法，以實(shí)現(xiàn)電流的快速準(zhǔn)確跟蹤指令。

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，I為變頻恒流信號(hào)；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，存在逆向電流Im-Ik。將t時(shí)刻的電流信號(hào)標(biāo)記為參考電流，同時(shí)調(diào)節(jié)信號(hào)，計(jì)算出系統(tǒng)對(duì)地電容；系統(tǒng)一旦發(fā)生單相接地故障，就可對(duì)接地點(diǎn)進(jìn)行電容電流的補(bǔ)償并完成電流的無(wú)差跟蹤。

1.4 選線方法

基于金屬性單相接地功率前饋無(wú)差拍控制的逆變結(jié)構(gòu)，通常根據(jù)逆變輸出電源提供的電流I 來(lái)追蹤標(biāo)記電流并調(diào)節(jié)信號(hào)以實(shí)現(xiàn)無(wú)差拍的電流控制。根據(jù)以上分析得到，基于電流識(shí)別的選線方法首先要判斷是否發(fā)生接地故障，如果發(fā)生，即通過(guò)電流識(shí)別電容初值，然后計(jì)算電容，從而實(shí)現(xiàn)故障選線，具體流程如圖3 所示。

圖3 故障選線流程圖

2 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建如圖2 的仿真模型，以驗(yàn)證基于金屬性單相接地?zé)o差拍控制的逆變電源結(jié)構(gòu)的可行性。表1是本結(jié)構(gòu)在進(jìn)行仿真時(shí)需要用到的相關(guān)參數(shù)。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

根據(jù)以上參數(shù)對(duì)本結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真測(cè)試，驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)是否可以得到對(duì)地分布的電容值。將測(cè)試分為2 個(gè)階段，一個(gè)是系統(tǒng)正常運(yùn)行的階段，另一個(gè)是系統(tǒng)發(fā)生故障后單相接地并輸入高頻信號(hào)階段。圖4 是逆變電源輸入高頻前后的3u0 及3i0 的幅值變化圖。圖中可以看到，0～0.04 s 時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，3u0 和3i0 皆保持不變，但在0.04 s 后3u0 升高至5.7 V，3i0 升值0.25 A，頻率維持不變。根據(jù)式(5)可以計(jì)算出系統(tǒng)等效對(duì)地分布電容C＝7.9 μF，與設(shè)定值很接近。

圖4 3u0 及3i0 幅值變化圖

仿真模擬測(cè)試分為3 種狀態(tài)，第1 階段為系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，時(shí)間為0 s～0.02 s，第2 階段為系統(tǒng)處于無(wú)電流進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)B 相接地的狀態(tài)，時(shí)間為0.02 s～0.06 s，第3 階段為在系統(tǒng)機(jī)構(gòu)中增加消弧電線，時(shí)間為0.06 s～0.10 s。圖5 是系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬測(cè)試后的各個(gè)參數(shù)的變化曲線。從圖中可以看到第1 階段時(shí)，uA、uB、uC 為系統(tǒng)正常時(shí)的相電壓，3u0、ik 分別為0、0；第2 階段，uA、uC 線電壓為400 V，uB 為0，3u0 為3 倍的相電壓，ik 為非故障電容的電流總和。第3 階段時(shí)，3u0、uA、uB、uC 的值基本保持不變，但在消弧選線電流補(bǔ)償作用下，故障點(diǎn)電流只留逆變電源輸入的額外高頻信號(hào)，同時(shí)具有故障點(diǎn)電流補(bǔ)償及排除故障線等功能。

圖5 系統(tǒng)仿真模擬測(cè)試電流補(bǔ)償和選線功能的各參數(shù)變化曲線圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用型號(hào)為T(mén)MS320F2812 的DSP 數(shù)字控制器，驗(yàn)證帶消弧選線功能逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法的合理性。實(shí)驗(yàn)分為正常運(yùn)行以及單相接地2種情況，如圖6 所示，從圖中可以看到，在正常運(yùn)行時(shí)間段(0 s～0.03 s)，uA、uB、uC、3u0、ik 最大值分別為230 V、230 V、230 V、0 V、0 A。0.03 s～0.05 s時(shí)，系統(tǒng)處于未接地補(bǔ)償情況，此時(shí)，uA、uB、uC、3u0、ik 最大值變?yōu)闉? V、400 V、400 V、690 V、4.23 A。0.05 s～0.08 s，系統(tǒng)在A 相接地時(shí)，逆變電源有消弧和選線2 種功能狀態(tài)，若uA、uB、uC、3u0 不變，ik 由于消弧選線電流In的作用基本降為0，那么將只保留選線高頻信號(hào)。

圖7 為接地前后每條支路的高頻零序電流大小的變化關(guān)系。接地前，各支路高頻零序電流穩(wěn)定在51.3 mA。而接地后，故障支路的高頻零序電流從51.3 mA 增大至101.2 mA，而其他支路的高頻零序電流則由51.3 mA 減小至30.2 mA。因此，通過(guò)故障前后各支路高頻零序電流的變化可追蹤故障發(fā)生的支路。

圖6 各電氣參數(shù)最大值變化

圖7 接地前后各支路高頻零序電流大小變化圖

4 結(jié)語(yǔ)

本研究給出了一種帶消弧選線功能的逆變器結(jié)構(gòu)，通過(guò)結(jié)合基于金屬性單相接地的功率前饋無(wú)差拍控制方法，可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的電流補(bǔ)償功能以及選線的作用。隨后對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了這種無(wú)差拍控制方法的有效性。