黃澤鈞，郭 祺，涂春鳴，侯玉超，姜 飛，盧柏樺

（1. 國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心（湖南大學(xué)）,湖南省長(zhǎng)沙市 410082；2. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,湖南省長(zhǎng)沙市 410004；3. 廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,廣西壯族自治區(qū)南寧市 530023）

0 引言

配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,運(yùn)行方式多樣,易發(fā)生多類(lèi)故障,其中單相接地故障占的比重最大。隨著配電網(wǎng)中電力電子設(shè)備以及非線(xiàn)性負(fù)載的大量接入,接地故障電流中的有功含量和諧波含量大幅增加［1-3］。目前,配電網(wǎng)廣泛采用的消弧線(xiàn)圈只能補(bǔ)償接地故障電流的容性無(wú)功分量,不能對(duì)有功分量和諧波分量進(jìn)行補(bǔ)償。發(fā)生單相接地故障時(shí),如果只補(bǔ)償故障電流的無(wú)功分量,有功分量依舊可能維持電弧的燃燒［4-6］。若不對(duì)故障電流進(jìn)行有效抑制,將可能導(dǎo)致故障蔓延,引發(fā)大面積、長(zhǎng)時(shí)間停電事故,危及電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行［7-9］。

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,有源消弧技術(shù)可實(shí)現(xiàn)接地故障電流中無(wú)功功率、有功功率和諧波分量的全補(bǔ)償,極大程度地提高了配電網(wǎng)的接地故障調(diào)控能力。有源消弧技術(shù)主要分為中性點(diǎn)有源消弧和非中性點(diǎn)有源消弧兩類(lèi)。中性點(diǎn)有源消弧技術(shù)將變流器安裝于電網(wǎng)中性點(diǎn)處［10-12］,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì),在故障期間注入消弧電流,實(shí)現(xiàn)了對(duì)單相接地故障的有效抑制。但該方法通常只在電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)運(yùn)行,設(shè)備利用率較低。非中性點(diǎn)有源消弧裝置直掛于電網(wǎng),不僅可工作于故障消弧模式,還可在電網(wǎng)正常時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償、諧波治理等功能,裝置利用率和實(shí)用性高,受到了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注［13-16］。

非中性點(diǎn)有源消弧變流器的直流側(cè)電壓穩(wěn)定是實(shí)現(xiàn)接地故障電流全補(bǔ)償?shù)挠辛ΡＵ稀Ｄ壳?非中性點(diǎn)有源消弧裝置的能量獲取方式主要為外加額外供能裝置、控制變流器從并網(wǎng)點(diǎn)吸收能量。在外加供能裝置方面,文獻(xiàn)［13］在每個(gè)H 橋模塊的直流側(cè)并聯(lián)儲(chǔ)能裝置,因此裝置整體成本較高。文獻(xiàn)［14］在文獻(xiàn)［13］的基礎(chǔ)上,僅在每相變流器的一個(gè)H 橋模塊直流側(cè)接入不可控整流裝置,并通過(guò)模型預(yù)測(cè)控制實(shí)現(xiàn)了級(jí)聯(lián)H 橋變流器直流側(cè)電壓平衡。該方法雖然減少了不可控整流裝置的數(shù)量,但控制復(fù)雜度高。在控制變流器從并網(wǎng)點(diǎn)吸收能量方面,文獻(xiàn)［15］通過(guò)控制變流器從電網(wǎng)吸收能量,維持了變流器直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。雖然無(wú)須加入額外的供能設(shè)備,但未考慮線(xiàn)路阻抗和對(duì)地電阻。文獻(xiàn)［16］通過(guò)在變流器公共連接點(diǎn)處接入單相級(jí)聯(lián)H 橋變流器,實(shí)現(xiàn)了直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。但該方法在接地故障電流有功分量較大的場(chǎng)合,變流器公共連接點(diǎn)電壓將發(fā)生較大偏移,進(jìn)而影響直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定。因此,非中性點(diǎn)有源消弧方案如何在不依賴(lài)外加供能裝置的前提下,實(shí)現(xiàn)單相接地故障電流的全補(bǔ)償與直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定,值得深入研究與探討。

為此,本文提出了一種基于輪換消弧的配電網(wǎng)單相接地故障柔性調(diào)控方法。首先,分析了不同單相接地故障工況下,多功能消弧變流器直流側(cè)電容電壓的變化規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上對(duì)輪換消弧的過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)分析。其次,分析了輪換消弧期間直流側(cè)電壓的變化規(guī)律,對(duì)多功能消弧變流器輪換消弧的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。推導(dǎo)了電壓調(diào)節(jié)時(shí)間的取值范圍,保證了直流側(cè)電容電壓在輪換周期結(jié)束前完全恢復(fù)。最后,通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提輪換消弧方法的正確性和可行性。

1 消弧原理

含多功能消弧變流器的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,三相多功能消弧變流器對(duì)稱(chēng)分布,各相橋臂可獨(dú)立運(yùn)行。

圖1 含多功能消弧變流器的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Distribution network topology with multifunctional arc suppression converter

圖1 中,E?a、E?b、E?c分 別 為A、B、C 三 相 電 源 電壓；I?a、I?b、I?c分別為A、B、C 三相電網(wǎng)電 流；U?sa、U?sb、U?sc分別為A、B、C 三相多功能消弧變流器并網(wǎng)點(diǎn)電壓；U?inva、U?invb、U?invc分別為A、B、C 三相變流器輸出電 壓；I?ca、I?cb、I?cc分 別 為A、B、C 三 相 變 流 器 的 電 流；U?o為 電 網(wǎng) 中 性 點(diǎn) 電 壓；Udc為 直 流 側(cè) 電 容 電 壓；rA、rB、rC分別為A、B、C 三相線(xiàn)路對(duì)地電阻；C0A、C0B、C0C分別為A、B、C 三相線(xiàn)路對(duì)地電容；Cdc為直流側(cè)電容；Rf為接地故障過(guò)渡電阻。

多功能消弧變流器在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),工作于無(wú)功補(bǔ)償模式,可有效實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償；在電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí),工作于消弧模式,可實(shí)現(xiàn)對(duì)接地故障電流的全補(bǔ)償,達(dá)到柔性消弧的目的。

圖2 所示為配電網(wǎng)等效電路圖。單相接地故障發(fā)生后,接地故障點(diǎn)與大地、配電網(wǎng)對(duì)地電阻和電容形成回路,配電網(wǎng)對(duì)地電流流經(jīng)故障點(diǎn)形成故障電流。變流器可以等效為電流源,并向電網(wǎng)注入消弧電流,進(jìn)而有效抑制故障電流。

圖2 配電網(wǎng)等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of distribution network

假設(shè)C 相發(fā)生單相接地故障,對(duì)D點(diǎn)列寫(xiě)KCL方程,并代入電壓和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可得:

若考慮三相對(duì)地參數(shù)不平衡和接地故障電流諧波工況,消弧電流修正為:

式中:I?h為接地故障電流的諧波分量。

此外,考慮三相對(duì)地參數(shù)不平衡工況的對(duì)地參數(shù)測(cè)量方法可參考文獻(xiàn)［17-20］。

若考慮三相電壓不平衡工況,消弧電流修正為:

因此,只需要根據(jù)具體工況,控制多功能消弧變流器注入相應(yīng)的消弧電流,接地故障電流即可得到有效抑制。目前,基于單相/兩相/三相多功能消弧變流器注入消弧電流的方式均吸引了眾多學(xué)者的關(guān)注。在完全消弧的前提下,由于故障相并網(wǎng)點(diǎn)電壓接近于0,導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行中很難維持故障相多功能消弧變流器正常運(yùn)行,故本文選擇非故障相注入消弧電流。

2 不同單相接地故障工況下多功能消弧變流器直流側(cè)電容電壓的變化規(guī)律

由式（2）可知,消弧電流的相位取決于線(xiàn)路對(duì)地參數(shù),配電網(wǎng)線(xiàn)路對(duì)地電阻r0和電容C0的不同會(huì)導(dǎo)致消弧電流I?z發(fā)生變化,進(jìn)而導(dǎo)致不同單相接地故障下,多功能消弧變流器消弧時(shí)的變流器直流側(cè)電容電壓的變化規(guī)律不同。

當(dāng)A 相多功能消弧變流器進(jìn)行消弧時(shí),直流側(cè)電容交換的有功功率Pdca為:

式中:Izsa為A 相多功能消弧變流器消弧時(shí)的有功電流有效值；Eca為C 相和A 相之間的電壓有效值；α為A 相消弧時(shí)的功率因數(shù)角。

當(dāng)B 相多功能消弧變流器進(jìn)行消弧時(shí),直流側(cè)電容交換的有功功率Pdcb為:

式中:Izsb為B 相多功能消弧變流器消弧時(shí)的有功電流有效值；Ecb為C 相和B 相之間的電壓有效值；β為B 相消弧時(shí)的功率因數(shù)角。

消弧期間的相量圖如圖3 所示。

圖3 消弧期間的相量圖Fig.3 Phasor diagram during arc suppression

圖中:β-α=60°。當(dāng)只考慮線(xiàn)對(duì)地電阻時(shí),即C0=0,此時(shí)α=-30°,β=30°。僅考慮線(xiàn)對(duì)地電容時(shí),即r0=∞,此時(shí)α=60°,β=120°。根據(jù)配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)的不同,將單相接地故障工況分為:工況1（-30°<α<30°,30°<β<90°）和 工 況2（30°<α<60°,90°<β<120°）。對(duì)于工況1,若采用非故障相A 相進(jìn)行單相消弧,此時(shí)Pdca>0,A 相多功能消弧變流器向電網(wǎng)注入有功功率,直流側(cè)電壓下降；若采用非故障相B 相進(jìn)行單相消弧,此時(shí)Pdcb>0,B 相多功能消弧變流器向電網(wǎng)注入有功功率,直流側(cè)電壓下降。當(dāng)配電網(wǎng)處于工況2 時(shí),若采用非故障相A 相進(jìn)行單相消弧,由式（5）可知,此時(shí)Pdca>0,多功能消弧變流器的A 相變流器向電網(wǎng)注入有功功率,直流側(cè)電壓下降；若采用非故障相B 相進(jìn)行單相消弧,由式（6）可知,此時(shí)Pdcb<0,多功能消弧變流器的B 相變流器從電網(wǎng)吸收有功功率,直流側(cè)電壓上升。

3 輪換消弧原理

由第2 章分析可知,采用任意一個(gè)非故障相多功能消弧變流器進(jìn)行消弧均不能使直流側(cè)電容電壓達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)?；诖?本文提出了一種基于輪換消弧的配電網(wǎng)單相接地故障柔性調(diào)控方法?？刂埔粋€(gè)非故障相多功能消弧變流器進(jìn)行消弧,另一相多功能消弧變流器恢復(fù)變流器直流側(cè)電壓,一段時(shí)間后進(jìn)行交換,并以此循環(huán)往復(fù)。輪換消弧期間,消弧電流只在對(duì)地回路中流通,穩(wěn)壓電流只在兩相多功能消弧變流器之間流通,接地電阻并未流過(guò)電流?？偟膩?lái)說(shuō),采用兩個(gè)非故障相多功能消弧變流器相互協(xié)調(diào)配合,既有效抑制了接地故障電流,同時(shí)也維持了直流側(cè)電容電壓的相對(duì)穩(wěn)定。

假定配電網(wǎng)C 相發(fā)生單相接地故障,A 相和B相多功能消弧變流器進(jìn)行輪換消弧。定義承擔(dān)消弧任務(wù)的非故障相為消弧相,承擔(dān)電壓恢復(fù)任務(wù)的非故障相為穩(wěn)壓相。

當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),配電網(wǎng)通常處于工況2［21-22］,下文將以此工況為例對(duì)整個(gè)輪換消弧過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析。

輪換消弧非故障相多功能消弧變流器直流側(cè)電容電壓的波形如圖4 所示。圖中,udca和udcb分別為A相和B 相多功能消弧變流器的直流側(cè)電容電壓。T0～T1期間電網(wǎng)正常運(yùn)行；T1～T2為第1 個(gè)輪換周期；T2～T3為第2 個(gè)輪換周期；T4時(shí)刻故障消除。

圖4 輪換消弧非故障相多功能消弧變流器直流側(cè)電容電壓波形Fig.4 DC-link capacitance voltage waveforms of nonfault phase of multi-functional arc suppression converter with rotating arc suppression

T0～T1期間A、B 兩相多功能消弧變流器工作在無(wú)功補(bǔ)償模式,此時(shí)直流側(cè)電容電壓維持穩(wěn)定。

T1時(shí)刻C 相發(fā)生單相接地故障,T1～T2期間A相多功能消弧變流器先進(jìn)行消弧,直流側(cè)電壓下降,此時(shí)由于B 相電壓未發(fā)生變化,B 相多功能消弧變流器直流側(cè)電壓不變。一段時(shí)間后切換為B 相多功能消弧變流器進(jìn)行消弧,直流側(cè)電壓上升,而A 相多功能消弧變流器進(jìn)行穩(wěn)壓,直流側(cè)電壓恢復(fù)至穩(wěn)定值。

T2～T3期間A 相多功能消弧變流器先進(jìn)行消弧,直流側(cè)電壓下降,而B(niǎo) 相多功能消弧變流器進(jìn)行穩(wěn)壓。一段時(shí)間后切換為B 相多功能消弧變流器進(jìn)行消弧時(shí),此時(shí)B 相多功能消弧變流器進(jìn)行消弧,直流側(cè)電壓上升,而A 相多功能消弧變流器進(jìn)行穩(wěn)壓。

T3～T4期間按照第2 個(gè)輪換周期的輪換順序循環(huán)進(jìn)行輪換消弧,多功能消弧變流器直流側(cè)電壓變化規(guī)律和第2 個(gè)輪換周期相同。

T4時(shí)刻后A、B 兩相多功能消弧變流器工作于無(wú)功補(bǔ)償模式,直流電壓開(kāi)始恢復(fù)至穩(wěn)定值。

為進(jìn)一步說(shuō)明輪換消弧時(shí)的功率流動(dòng)情況,圖5 給出了第2 個(gè)輪換周期后的能量流動(dòng)圖。

圖5 中,紅色實(shí)線(xiàn)表示消弧補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率,藍(lán)色實(shí)線(xiàn)表示消弧補(bǔ)償?shù)挠泄β?藍(lán)色虛線(xiàn)表示穩(wěn)壓時(shí)交換的有功功率。

如圖5（a）所示,當(dāng)A 相進(jìn)行消弧時(shí),B 相多功能消弧變流器可以控制為穩(wěn)壓模式。此時(shí),A 相多功能消弧變流器向電網(wǎng)和對(duì)地電阻提供有功功率,同時(shí)A 相多功能消弧變流器和電網(wǎng)吸收對(duì)地電容產(chǎn)生的無(wú)功功率,B 相多功能消弧變流器輸出一定有功功率維持直流側(cè)電壓。

如圖5（b）所示,當(dāng)B 相進(jìn)行消弧時(shí),A 相多功能消弧變流器可以控制為穩(wěn)壓模式。此時(shí),電網(wǎng)向B相多功能消弧變流器和對(duì)地電阻提供有功功率,B相多功能消弧變流器和電網(wǎng)吸收對(duì)地電容產(chǎn)生的無(wú)功功率,A 相多功能消弧變流器吸收一定有功功率維持直流側(cè)電壓。

圖5 第2 個(gè)輪換周期后的能量流動(dòng)圖Fig.5 Energy flow diagram after the second rotation cycle

4 輪換消弧參數(shù)計(jì)算

由第3 章分析可知,多功能消弧變流器進(jìn)行輪換消弧時(shí),兩個(gè)非故障相的直流側(cè)電壓與輪換周期密切相關(guān)。為保證消弧期間非故障直流側(cè)電容電壓的完全恢復(fù),本章將對(duì)輪換消弧期間的控制參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

由圖4 可知,在第2 個(gè)輪換周期后,多功能消弧變流器直流側(cè)電壓呈周期性變化,本章以第2 個(gè)輪換周期為例進(jìn)行分析。第2 個(gè)輪換周期的非故障相多功能消弧變流器直流側(cè)電壓波形如圖6 所示。

圖6 第2 個(gè)輪換周期的非故障相多功能消弧變流器直流側(cè)電容電壓波形Fig.6 DC-link capacitance voltage waveforms of nonfault phase of multi-functional arc suppression converter in the second rotation cycle

圖6 中,Udc0為直流側(cè)電壓穩(wěn)定值,Udc1為B 相作為消弧相進(jìn)行消弧時(shí)直流側(cè)電壓的上升值,Udc2為A 相作為消弧相進(jìn)行消弧時(shí)直流側(cè)電壓的下降值,td為A 相消弧時(shí)間,tr為B 相消弧時(shí)間,tc為直流側(cè)電壓恢復(fù)時(shí)間。

假定T2～Tch期間A 相作為消弧相進(jìn)行單相消弧,電壓從穩(wěn)定值Udc0下降到Udc2,此時(shí)B 相作為穩(wěn)壓相將電壓從Udc1恢復(fù)至穩(wěn)定值Udc0。在Tch時(shí)刻進(jìn)行輪換,此時(shí)A 相由消弧相轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓相,B 相由穩(wěn)壓相轉(zhuǎn)換為消弧相。假定Tch～T3期間,A 相將電壓從Udc2恢復(fù)至穩(wěn)定值Udc0,B 相進(jìn)行單相消弧,電壓從穩(wěn)定值Udc0上升到Udc1。

4.1 A 相消弧時(shí)間td計(jì)算

定義電壓波動(dòng)系數(shù)S為:

式中:idca為A 相多功能消弧變流器直流側(cè)電容電流；N為級(jí)聯(lián)數(shù)目。

根據(jù)瞬時(shí)有功功率平衡關(guān)系,聯(lián)立式（10）、式（11）可得:

4.2 B 相消弧時(shí)間tr計(jì)算

當(dāng)采用B 相進(jìn)行消弧時(shí),直流側(cè)電容處于充電狀態(tài)。假設(shè)B 相相電壓和注入電流均為正弦波,即:

假設(shè)B 相直流側(cè)電容的初始電壓為Udc0,解微分方程,為方便求解tr,忽略較小的二倍頻正弦量得到直流側(cè)電容電壓udcb為:

4.3 電壓恢復(fù)時(shí)間tc計(jì)算

穩(wěn)壓相多功能消弧變流器控制框圖如附錄A圖A1 所示。圖中,Udc.ref和Udc分別為穩(wěn)壓相多功能消弧變流器直流側(cè)電壓參考值和實(shí)際值；KP1和KI1分別為電壓外環(huán)比例系數(shù)和積分系數(shù)；KP2和KI2分別為電流內(nèi)環(huán)比例系數(shù)和積分系數(shù)；KPWM為變流器等效增益,為了簡(jiǎn)化分析這里取KPWM為1；L為濾波電感；m為調(diào)制比,為簡(jiǎn)化分析msinθ取為1；E為穩(wěn)壓相相電壓；PLL 為鎖相環(huán)。

根據(jù)附錄A 圖A1 所示控制框圖,通常忽略電流環(huán)的慣性時(shí)間常數(shù),將電流環(huán)近似看成放大倍數(shù)為1 的比例環(huán)節(jié)［23］,可以得到直流側(cè)電容電壓參考值到實(shí)際值的閉環(huán)傳遞函數(shù)Gdc(s)為:

式中:ωn為自然振蕩角頻率；ζ為阻尼比。

為避免穩(wěn)壓相多功能消弧變流器在恢復(fù)電壓時(shí)產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象,本文將穩(wěn)壓相電壓恢復(fù)過(guò)程設(shè)置為過(guò)阻尼,從而使下一個(gè)輪換周期的電壓初始值與上一個(gè)輪換周期的最終值相同。由式（22）得到單位階躍響應(yīng)的表達(dá)式為:

對(duì)式（22）進(jìn)行拉普拉斯反變換,得到系統(tǒng)在時(shí)域下的階躍響應(yīng)為:

由于式（25）括號(hào)內(nèi)包含兩項(xiàng)衰減的指數(shù)項(xiàng),在工程上,ζ≥1.5 時(shí),由于后一項(xiàng)衰減速度遠(yuǎn)大于前一項(xiàng)［24-25］,此時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)為:

直流側(cè)電容電壓恢復(fù)至95%Udc以?xún)?nèi)可認(rèn)為直流電壓基本恢復(fù)穩(wěn)定［26-27］。由式（26）可計(jì)算出穩(wěn)壓相多功能消弧變流器直流側(cè)電容電壓從Udc1或Udc2恢復(fù)至99%Udc0時(shí)的響應(yīng)時(shí)間tc為:

為了保證在tr和td時(shí)間內(nèi),穩(wěn)壓相多功能消弧變流器直流側(cè)電容電壓已經(jīng)恢復(fù)至參考電壓,根據(jù)式（14）、式（21）、式（27）,可得tc、tr和td滿(mǎn)足:

為進(jìn)一步研究多功能消弧變流器直流側(cè)電壓穩(wěn)定值Udc0和波動(dòng)系數(shù)S對(duì)輪換消弧參數(shù)的影響,附錄A 圖A2 給出了tr和td的變化規(guī)律。從圖中可以看出,當(dāng)電壓波動(dòng)系數(shù)越小時(shí),tr和td越小,即多功能消弧變流器的輪換速度越快,為協(xié)調(diào)切換時(shí)間與電壓波動(dòng)系數(shù)S的關(guān)系,需要合理設(shè)置電壓波動(dòng)系數(shù)以滿(mǎn)足直流側(cè)電壓波動(dòng)范圍和控制器響應(yīng)時(shí)間的要求。同時(shí),為滿(mǎn)足式（28）,需要穩(wěn)壓相多功能消弧變流器直流側(cè)電壓恢復(fù)速度快,因此需要合理設(shè)置控制參數(shù)。

5 輪換消弧流程及控制策略

輪換消弧流程圖和控制策略分別如附錄A 圖A3 和圖A4 所示,首先完成單相接地故障判斷,鑒于目前關(guān)于單相接地故障檢測(cè)的研究較多且相對(duì)成熟,本文不再詳細(xì)論述。根據(jù)實(shí)際需求確定電壓波動(dòng)系數(shù)S和多功能消弧變流器直流側(cè)電壓穩(wěn)定值Udc0。根據(jù)式（2）計(jì)算出消弧電流,進(jìn)而計(jì)算出非故障相注入消弧電流時(shí)的有功分量Izsa、Izsb。根據(jù)式（14）、式（21）計(jì)算出A 相多功能消弧變流器的消弧時(shí)間td和B 相多功能消弧變流器的消弧時(shí)間tr。通過(guò)合理設(shè)置控制器參數(shù),并根據(jù)式（27）計(jì)算穩(wěn)壓相電壓恢復(fù)時(shí)間tc,進(jìn)而滿(mǎn)足式（28）。

當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí),故障相多功能消弧變流器退出運(yùn)行,本文選擇A 相作為消弧相進(jìn)行單相消弧。此時(shí),將消弧電流和穩(wěn)壓電流信號(hào)作為參考值與電流實(shí)際值送入電流比例-積分（PI）控制器,經(jīng)過(guò)載波移相脈寬調(diào)制（PWM）后形成開(kāi)關(guān)信號(hào)。經(jīng)過(guò)td時(shí)間后切換工作狀態(tài),原有的消弧相切換為穩(wěn)壓相,穩(wěn)壓相多功能消弧變流器不再承擔(dān)消弧任務(wù),此時(shí)穩(wěn)壓相多功能消弧變流器通過(guò)電壓環(huán)PI 控制器控制直流側(cè)電壓恢復(fù)至參考電壓。

采用輪換消弧方法,延時(shí)一段時(shí)間后,減少注入的消弧電流,若中性點(diǎn)電壓成比例下降,說(shuō)明故障消除；反之,則說(shuō)明故障仍然存在,此時(shí)需要隔離故障饋線(xiàn)。

6 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及功能的有效性和可行性,基于圖1 和附錄A 圖A4 搭建了MATLAB 仿真模型,仿真參數(shù)如附錄A 表A1 所示。

假設(shè)C 相發(fā)生單相接地故障,非故障相A 相和B 相多功能消弧變流器進(jìn)行輪換消弧,根據(jù)輪換參數(shù)計(jì)算流程,有以下步驟。

步驟1:根據(jù)電壓紋波系數(shù)S和直流側(cè)電壓參考值Udc0,計(jì)算此時(shí)直流側(cè)電壓波動(dòng)約為112 V。

步驟2:根據(jù)工況2 的相量圖計(jì)算可得Izsa=46.18 A,Izsb=32.55 A。

步驟3:根據(jù)S和Udc0計(jì)算可得tr=0.06 s,td=0.04 s。

步驟4:設(shè)計(jì)控制器參數(shù),KP1=4,KI1=50,KP2=1 000,KI2=1。

步驟5:根據(jù)控制器參數(shù)對(duì)穩(wěn)壓時(shí)間進(jìn)行校驗(yàn),ζ=3.16,ωn=79.06 rad/s,tc=0.039 s,由 于tc≤min(tr,td),滿(mǎn)足輪換條件,控制器參數(shù)設(shè)置合理。

步驟6:選取A 相變流器先進(jìn)行消弧,此時(shí)A 相先作為消弧相,B 相先作為穩(wěn)壓相。

0.8～0.85 s 期間,多功能消弧變流器工作在無(wú)功補(bǔ)償模式,0.85 s 時(shí)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障（以C 相發(fā)生單相接地故障為例）；0.85～0.913 s 期間,多功能消弧變流器不動(dòng)作；0.913～1.3 s 期間,A 相和B 相采用輪換消弧控制策略進(jìn)行消弧,1.3 s 時(shí)接地故障消除,多功能消弧變流器又工作在無(wú)功補(bǔ)償模式。

附錄A 圖A5（a）為采用傳統(tǒng)有源消弧方式［28］的直流側(cè)電容電壓波形,在0.8～0.913 s 期間,A、B、C三相變流器的直流側(cè)電壓維持在7 000 V,0.85 s 時(shí)發(fā)生單相接地故障,0.913 s 時(shí)非故障相B 相注入消弧電流。由于變流器直流側(cè)電容能量有限,難以持續(xù)輸出消弧所需的有功功率,直流側(cè)電壓不斷下降。附錄A 圖A5（b）為采用傳統(tǒng)有源消弧方式的故障電流波形,0.85 s 時(shí)電網(wǎng)發(fā)生C 相接地故障,0.85～0.913 s 期間多功能消弧變流器不動(dòng)作。在0.913～1.105 s 期間,變流器可以有效地進(jìn)行消弧,隨著變流器直流側(cè)電壓的不斷降低,此時(shí)接地故障電流不斷增加,變流器失去消弧效果。

附錄A 圖A6（a）為采用所提輪換消弧方式的直流側(cè)電容電壓波形,0.913～0.941 s 期間,A 相作為消弧相注入消弧電流,B 相作為穩(wěn)壓相穩(wěn)定電壓。在輪換初期內(nèi),由于B 相多功能消弧變流器并未開(kāi)始消弧,因此B 相多功能消弧變流器直流側(cè)電壓不發(fā)生改變。0.941 s 時(shí)進(jìn)行輪換,0.941～1.022 s 期間,B 相作為消弧相注入消弧電流,A 相作為穩(wěn)壓相將直流側(cè)電壓恢復(fù)至穩(wěn)定值。至此,第1 個(gè)輪換周期結(jié)束,開(kāi)始進(jìn)入下一個(gè)輪換周期,循環(huán)往復(fù)。1.3 s時(shí)接地故障消除,此時(shí)多功能消弧變流器又切換到無(wú)功補(bǔ)償模式,A、B、C 三相多功能消弧變流器電壓又恢復(fù)至穩(wěn)定值。相比于傳統(tǒng)有源消弧方式,輪換消弧方式實(shí)現(xiàn)了變流器直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。為證明所提輪換消弧方法在不同類(lèi)型的接地故障下依然適用,本文分別對(duì)間歇性電弧接地、經(jīng)10 Ω 電阻接地和經(jīng)1 000 Ω 電阻接地的情況進(jìn)行仿真,故障電流波形如附錄A 圖A6（b）所示。從圖中可以看出,在0.913 s 采用輪換消弧策略后,不同接地類(lèi)型下的故障電流都得到了有效抑制。

電網(wǎng)電壓Eb和電流Ib波形如附錄A 圖A7 所示。圖A7 中,Eb=5 774 V,Ib=125 A,且電網(wǎng)電壓和電流同相位,由此表明多功能消弧變流器具有良好的無(wú)功補(bǔ)償效果。

A、B、C 三相多功能消弧變流器向電網(wǎng)注入的電流Ica、Icb、Icc波形如附錄A 圖A8 所 示。從圖A8 中可以看出,當(dāng)多功能消弧變流器工作在無(wú)功補(bǔ)償模式時(shí),多功能消弧變流器向電網(wǎng)注入無(wú)功補(bǔ)償電流,補(bǔ)償負(fù)載側(cè)的無(wú)功功率。當(dāng)進(jìn)行輪換消弧時(shí),故障相多功能消弧變流器不注入電流,非故障相（A 相和B 相）輪換注入消弧電流,此時(shí)非故障相注入的電流除了消弧電流外,還包含穩(wěn)壓相流過(guò)的電流,以提供穩(wěn)壓相直流側(cè)電壓恢復(fù)所需的有功功率。

為驗(yàn)證配電網(wǎng)三相線(xiàn)路對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱(chēng)工況下所提輪換消弧方法的可行性,分別取A、B、C 三相對(duì)地電容參數(shù)為14.5、16.5、12.5 μF,接地故障電阻Rf=100 Ω,其他參數(shù)與附錄A 表A1 保持一致。從附錄A 圖A9（a）中看出,線(xiàn)路對(duì)地參數(shù)不同導(dǎo)致線(xiàn)路對(duì)地電流Iga、Igb、Igc不對(duì)稱(chēng),從附錄A 圖A9（b）和圖A9（c）中看出,0.913～1.3 s 期間,A 相和B 相多功能消弧變流器進(jìn)行輪換消弧。1.3 s 時(shí)接地故障消除,此時(shí)多功能消弧變流器又切換到無(wú)功補(bǔ)償模式,A、B、C 三相多功能消弧變流器電壓又恢復(fù)至穩(wěn)定值,并且接地故障電流得到有效抑制。

為了驗(yàn)證多功能消弧變流器補(bǔ)償接地故障電流諧波分量的能力,在系統(tǒng)零序回路中增加諧波電流源ih=7sin（5ωt）,接地故障電阻Rf=100 Ω,其他參數(shù)與附錄A 表A1 保持一致。從附錄A 圖A10 中看出,0.85 s 時(shí)電網(wǎng)發(fā)生C 相接地故障,0.85～0.913 s期間,多功能消弧變流器不動(dòng)作,A、B、C 三相變流器的直流側(cè)電壓維持在7 000 V。0.913 s 時(shí)非故障相多功能消弧變流器同時(shí)補(bǔ)償了單相接地故障電流中的基波分量和諧波分量,接地故障電流依然可以得到有效抑制。

為驗(yàn)證配電網(wǎng)三相電壓不對(duì)稱(chēng)工況下所提輪換消弧方法的可行性,分別取A、B、C 三相電源電壓峰值為7 756.75、8 165、8 573.25 V,接地故障電阻Rf=100 Ω,其余參數(shù)與附錄A 表A1 保持一致。從附錄A 圖A11 中看出,0.913 s 時(shí)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障,此時(shí)非故障相多功能消弧變流器輪換注入消弧電流,在三相電壓不平衡工況下接地故障電流依然得到了有效抑制。

7 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提輪換消弧方法的正確性和有效性,基于第6 章的仿真模型搭建了RTLAB 硬 件 在 環(huán) 實(shí) 驗(yàn) 平 臺(tái)［29-30］,如 附 錄A 圖A12 所示。取電壓紋波系數(shù)為2.4%,其余實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真參數(shù)保持一致。

由附錄A 圖A13 可見(jiàn),當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),多功能消弧變流器進(jìn)行輪換消弧,此時(shí)故障相電壓Ug和故障電流Ig被有效抑制,實(shí)現(xiàn)了消弧的功能。

由附錄A 圖A14 可見(jiàn),當(dāng)多功能消弧變流器進(jìn)行輪換消弧時(shí),在不外加直流源的情況下,直流側(cè)電容電壓同樣維持了穩(wěn)定,保證多功能消弧變流器有效地進(jìn)行故障電流全補(bǔ)償。

由附錄A 圖A15 可見(jiàn),當(dāng)A 相和B 相多功能消弧變流器工作在無(wú)功補(bǔ)償模式時(shí),多功能消弧變流器向電網(wǎng)注入無(wú)功補(bǔ)償電流,補(bǔ)償負(fù)載側(cè)的無(wú)功功率。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),A 相和B 相多功能消弧變流器交替注入消弧電流和穩(wěn)壓電流,在實(shí)現(xiàn)單相接地故障抑制的同時(shí),使直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。

由附錄A 圖A16 可見(jiàn),當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),多功能消弧變流器工作在無(wú)功補(bǔ)償模式,此時(shí)B 相電網(wǎng)電壓和電流同相位,實(shí)現(xiàn)了無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

8 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有消弧方案在進(jìn)行故障電流全補(bǔ)償時(shí)變流器直流側(cè)能量獲取困難的突出問(wèn)題,本文提出了一種基于輪換消弧的配電網(wǎng)單相接地故障柔性調(diào)控方法。

1）多功能消弧變流器能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償功能和消弧功能,大大提高了設(shè)備的利用率和實(shí)用性。后續(xù)將在本文所提輪換消弧方法的基礎(chǔ)上,對(duì)無(wú)功補(bǔ)償和消弧的同時(shí)運(yùn)行問(wèn)題展開(kāi)深入研究。

2）本文針對(duì)不同的單相接地故障工況,分析了不同工況下多功能消弧變流器直流側(cè)電容電壓的變化規(guī)律,并通過(guò)2 個(gè)非故障相多功能消弧變流器的協(xié)調(diào)配合,交替進(jìn)行消弧和穩(wěn)壓。與傳統(tǒng)消弧方法相比,所提方法能實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定,保證了消弧期間多功能消弧變流器對(duì)接地故障電流的補(bǔ)償效果。后續(xù)將研究?jī)上喽喙δ芟∽兞髌鞯娜嵝郧袚Q問(wèn)題,以降低多功能消弧變流器的時(shí)間響應(yīng)對(duì)消弧效果的影響。

3）所提輪換消弧方法不需要外加整流裝置提供能量,并且在接地故障有功分量較大時(shí)多功能消弧變流器也能實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。

4）所提輪換消弧方法依賴(lài)對(duì)地參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量,為避免線(xiàn)路參數(shù)未知或不準(zhǔn)對(duì)消弧的影響,在后續(xù)工作中將考慮把輪換消弧的思想應(yīng)用在電壓消弧方法中。

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