簡(jiǎn)玉婕，郭謀發(fā)，游建章

（福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108）

0 引言

單相接地故障占配電網(wǎng)故障總數(shù)的80%以上，且易轉(zhuǎn)化為弧光接地故障［1］，持續(xù)燃燒的接地電弧會(huì)引起全系統(tǒng)過(guò)電壓，易損壞設(shè)備，甚至引發(fā)火災(zāi)及停電［2］。

有源（柔性）消弧技術(shù)具有可補(bǔ)償接地故障電流中大幅增加的有功電流分量和諧波電流分量，提高系統(tǒng)的消弧能力，促使故障點(diǎn)電弧熄滅，有效避免接地電弧電流能量及燃弧過(guò)電壓對(duì)系統(tǒng)絕緣造成威脅，進(jìn)而引起故障擴(kuò)大等優(yōu)點(diǎn)［3］。目前，基于電力電子技術(shù)的有源消弧方法已有一定的成果，例如：福州大學(xué)學(xué)者提出了基于配電網(wǎng)三相級(jí)聯(lián)H 橋CHB（Cascaded H-Bridge）變流器的柔性自適應(yīng)消弧方法［4］；中國(guó)石油大學(xué)及山東理工大學(xué)學(xué)者提出了適應(yīng)線路參數(shù)動(dòng)態(tài)變化的全補(bǔ)償新算法［5］；瑞典中立公司開(kāi)發(fā)的接地故障綜合補(bǔ)償裝置［6-7］，長(zhǎng)沙理工大學(xué)［8］、武漢大學(xué)［9-11］等單位研發(fā)的殘流全補(bǔ)償裝置等均已實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。采用有源電力電子裝置實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)單相接地故障消弧已有理論支撐和應(yīng)用案例，保障了其技術(shù)可行性和可靠性。

文獻(xiàn)［12］提出一種配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)單相CHB變流器接地的有源消弧方法，其無(wú)需借助消弧線圈即可實(shí)現(xiàn)接地故障消弧。然而，單個(gè)CHB 模塊作為有源消弧裝置存在耐壓低、輸出電平數(shù)少、諧波含量高、容量有限和直流側(cè)電容供電困難等問(wèn)題［13-16］。文獻(xiàn)［4，17］借鑒靜止無(wú)功補(bǔ)償器技術(shù)思路，提出將星形接地的三相CHB 變流器經(jīng)連接電感直接掛于配電網(wǎng)各相線，通過(guò)分相注入補(bǔ)償電流實(shí)現(xiàn)接地故障消弧。三相裝置中各相CHB 變流器獨(dú)立運(yùn)行，在耐壓能力、輸出電平數(shù)、設(shè)備容量等方面都優(yōu)于單相裝置，但設(shè)備造價(jià)升高。文獻(xiàn)［4，12，17］的思路對(duì)間歇性弧光接地故障的消弧效果均不佳，對(duì)此，文獻(xiàn)［9］提出一種基于磁控消弧線圈和有源補(bǔ)償器的全補(bǔ)償消弧方法，不僅降低了有源補(bǔ)償器的配置容量，并且能有效阻止間歇性接地故障電弧重燃。另有廣西大學(xué)、長(zhǎng)沙理工大學(xué)、湖南大學(xué)學(xué)者聯(lián)合研發(fā)的配電網(wǎng)接地故障相主動(dòng)降壓成套裝置，可迅速抑制弧光重燃，避免弧光過(guò)電壓及電纜火災(zāi)事故，該裝置已通過(guò)性能檢測(cè)并實(shí)現(xiàn)掛網(wǎng)運(yùn)行［8］。

然而，上述研究中的柔性消弧裝置存在功能單一、僅能在接地故障時(shí)發(fā)揮效用、利用效率低、成本偏高等問(wèn)題，若能集成其他實(shí)用功能，將更有利于推廣應(yīng)用。文獻(xiàn)［18-19］基于傳統(tǒng)三相換流器增設(shè)新的橋臂并提出新的控制策略，使其具備功率補(bǔ)償、有源電力濾波、接地故障電流補(bǔ)償?shù)刃鹿δ?。文獻(xiàn)［20］在接地變壓器系統(tǒng)側(cè)Y形繞組的不同位置設(shè)置分接抽頭，通過(guò)調(diào)節(jié)故障相的接地抽頭檔位達(dá)到接地故障主動(dòng)辨識(shí)、選線、消除的目的。文獻(xiàn)［18-20］的方法雖無(wú)需增設(shè)新的消弧裝置，但需對(duì)配電網(wǎng)已有設(shè)備進(jìn)行改造才能實(shí)現(xiàn)多功能的目標(biāo)需求，這對(duì)已投入運(yùn)行的配電網(wǎng)和已安裝并網(wǎng)的電力設(shè)備而言并不實(shí)際。文獻(xiàn)［21］針對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的CHB 型電力電子變壓器PET（Power Electronic Transformer），提出一種虛擬接地阻抗控制方法，實(shí)現(xiàn)PET 與消弧線圈間的緊密配合及可靠消弧，并提出負(fù)序電流注入法用于增加消弧線圈的容量，但該文獻(xiàn)未涉及利用同一PET 實(shí)現(xiàn)消除配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱、辨識(shí)接地故障相、平衡功率振蕩等方面的研究。

PET 作為一種新型電力電子設(shè)備，在電能質(zhì)量控制、直流輸出、故障自愈［22］等方面均勝過(guò)傳統(tǒng)變壓器。本文從提高電力電子裝備利用率、實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備多場(chǎng)景應(yīng)用角度出發(fā)，考慮配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱、負(fù)荷變化、接地故障等引起的配電網(wǎng)電能質(zhì)量變差、穩(wěn)定性下降等問(wèn)題［23-24］，以輸入級(jí)變流器為模塊化多電平換流器MMC（Modular Multilevel Converter）拓?fù)涞腜ET 為研究對(duì)象，提出一種配電網(wǎng)接地故障集成化消弧方法。在PET 輸入級(jí)的MMC 直流側(cè)電容中點(diǎn)設(shè)置接地支路，配合α β0 坐標(biāo)系下多變量解耦控制，通過(guò)調(diào)控0 軸電壓實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱補(bǔ)償以及單相接地故障下的故障相辨識(shí)和自適應(yīng)消弧，調(diào)控α、β軸電壓實(shí)現(xiàn)源端功率平衡。MATLAB／Simulink 仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所提方法的有效性。

1 PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

含PET 的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。PET 的整體結(jié)構(gòu)分為輸入級(jí)、隔離級(jí)和輸出級(jí)［25］。PET 輸入級(jí)中，MMC各子模塊SM（SubModule）間緊密配合，實(shí)現(xiàn)10 kV 交流配電網(wǎng)與中壓直流電網(wǎng)間的電能互換。PET隔離級(jí)由雙有源橋DAB（Dual Active Bridge）直流變換器模塊組成，DAB模塊包含串聯(lián)H橋逆變器、高頻變壓器及并聯(lián)H 橋整流器，可實(shí)現(xiàn)中壓直流電網(wǎng)與低壓直流電網(wǎng)間的電能互換，且具有電氣隔離的功能。低壓直流電網(wǎng)經(jīng)PET 輸出級(jí)與低壓交流配電網(wǎng)、智能微電網(wǎng)或負(fù)荷實(shí)現(xiàn)電能互換。圖1中：EA、EB、EC為三相電源電壓；UA、UB、UC為三相線路電壓；U00為配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的不對(duì)稱零序電壓；U0為配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的零序電壓；IAZ、IBZ、ICZ為PET 輸入級(jí)MMC 向配電網(wǎng)注入的電流；IAgi、IBgi、ICgi（i=1，2，…，n）為第i條線路三相對(duì)地電流；IF為故障電流；pi、qi分別為第i條線路所需有功、無(wú)功功率；RF為故障電阻；K1為PET 并網(wǎng)開(kāi)關(guān)；RiA、RiB、RiC和CiA、CiB、CiC分別為第i條線路的三相對(duì)地電阻和三相對(duì)地電容；CX為MMC 直流側(cè)接地電容；Larm為橋臂電感；Lse為連接電感；C1和C2分別為DAB 模塊的均壓電容和平波電容；N為MMC 半橋臂中SM數(shù)量。

圖1 含PET的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topology of distribution network with PET

1.2 接地點(diǎn)設(shè)置

與10 kV 配電網(wǎng)相連的PET 輸入級(jí)MMC（以下進(jìn)行分析時(shí)簡(jiǎn)稱MMC）是本文的主要控制對(duì)象。MMC 的電路拓?fù)渲袩o(wú)接地點(diǎn)不僅會(huì)造成設(shè)備安全隱患，且阻斷了零序電流通路，導(dǎo)致消弧功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因而設(shè)置MMC 接地點(diǎn)是必要的。MMC 直流側(cè)接地方式可分為經(jīng)箝位電阻中點(diǎn)接地和經(jīng)直流側(cè)電容中點(diǎn)接地2 種。經(jīng)箝位電阻中點(diǎn)接地需采用千歐乃至兆歐級(jí)別阻值的電阻，幾乎阻斷了零序電流通路；經(jīng)直流電容中點(diǎn)接地可能改變正常運(yùn)行配電網(wǎng)的小電流接地性質(zhì)，需控制MMC 對(duì)地（零序）電流以保證配電網(wǎng)接地性質(zhì)不變。由圖1 可知，本文中PET 采用MMC 經(jīng)直流側(cè)接地電容中點(diǎn)接地的方式運(yùn)行，10 kV 配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后，MMC 向故障電網(wǎng)注入零序補(bǔ)償電流，其能量來(lái)源于分布式電源或儲(chǔ)能元件（從PET 中壓直流側(cè)或低壓直流側(cè)接入）。分布式電源和儲(chǔ)能元件的接入使PET 實(shí)現(xiàn)故障消弧的同時(shí)，保持對(duì)其所帶低壓側(cè)電網(wǎng)或負(fù)荷的正常能量供應(yīng)。配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)零序電流通路如圖2 所示。由圖可知，補(bǔ)償電流（實(shí)線箭頭）來(lái)源于PET，經(jīng)配電網(wǎng)流向故障線路，抵消故障線路流向故障點(diǎn)的零序電流（帶方塊實(shí)線箭頭）及配電網(wǎng)各線路流向故障點(diǎn)的零序電流（虛線箭頭），實(shí)現(xiàn)單相接地故障消弧。

圖2 配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的零序通路Fig.2 Zero-sequence path under single-phase grounding fault of distribution network

2 原理分析

2.1 系統(tǒng)的零序通路

利用有源電力電子裝置實(shí)現(xiàn)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障消弧的前提是裝置與配電網(wǎng)間存在零序電流通路。本文將MMC 直流側(cè)電容中點(diǎn)接地，構(gòu)建裝置與配電網(wǎng)間的零序通路。根據(jù)戴維南定理和諾頓定理對(duì)MMC 工作電路進(jìn)行簡(jiǎn)化，如附錄A 圖A1所示。已知MMC 與10 kV 配電網(wǎng)間交換的能量實(shí)際來(lái)源于其中壓直流側(cè)或低壓直流側(cè)電網(wǎng)接入的分布式電源或儲(chǔ)能元件，為便于分析，圖A1 中將MMC等效為內(nèi)阻抗為ZP、輸出電流為-IZ0的對(duì)地電流源，其中IZ0為MMC 向配電網(wǎng)注入的三相電流總和，即IZ0=IAZ+IBZ+ICZ；ZP如式（1）所示。

式中：Y為配電網(wǎng)總對(duì)地導(dǎo)納，Y=YA+YB+YC。假設(shè)YA=YB=YC，即YAEA+YBEB+YCEC=0，得到配電網(wǎng)發(fā)生A 相接地故障時(shí)的零序等效電路如圖3（b）所示。發(fā)生金屬性接地故障時(shí)RF=0，此時(shí)若不控制MMC 的對(duì)地電流，則認(rèn)為圖3（b）中的可控電流源開(kāi)路，IZ0=-U0/ΖP，MMC 等效于掛接在配電網(wǎng)的一條對(duì)地電阻為ZP的線路，IF如式（3）所示。

圖3 配電網(wǎng)A相接地故障等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit of distribution network with phase-A grounding fault

由CP、LP特點(diǎn)可知，ZP取值減小，會(huì)引起單相接地故障時(shí)IF增大，極端情況下增幅可達(dá)十?dāng)?shù)倍。若控制IZ0大小，使MMC 等效為可控電流源，通過(guò)大地與故障配電網(wǎng)形成回路，則當(dāng)IZ0=YAUA+YBUB+YCUC時(shí)，IF=0。

綜上所述，本文中MMC 采用經(jīng)直流側(cè)電容中點(diǎn)接地的方式運(yùn)行，通過(guò)控制MMC 對(duì)地電流，不僅能有效避免配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)IF突增，還能實(shí)現(xiàn)故障消弧。未執(zhí)行消弧時(shí)，此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的PET 還可實(shí)現(xiàn)其他功能集成，包括配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱補(bǔ)償、對(duì)地參數(shù)測(cè)量和故障選相等，此時(shí)MMC 對(duì)地電流小且可控，不會(huì)改變系統(tǒng)小電流接地的性質(zhì)。此外，PET 可作為配電網(wǎng)中的“能量路由器”［26］，在其中壓直流側(cè)或低壓直流側(cè)接入分布式電源或儲(chǔ)能元件，可保障其對(duì)被補(bǔ)償電網(wǎng)及所帶負(fù)荷進(jìn)行正常能量供應(yīng)，且PET本身具備電氣隔離功能，因而對(duì)其MMC 的功能復(fù)用不影響副邊電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

2.2 配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱補(bǔ)償原理

實(shí)際配電網(wǎng)中存在三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱現(xiàn)象，即使配電網(wǎng)正常運(yùn)行，中性點(diǎn)電位仍會(huì)發(fā)生偏移。首先分析MMC 對(duì)正常運(yùn)行配電網(wǎng)中性點(diǎn)電位偏移的補(bǔ)償原理，以便后續(xù)分析MMC 實(shí)現(xiàn)單相接地故障選相、自適應(yīng)消弧等功能的原理。

圖3（a）中，配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，故障支路開(kāi)斷，IF=0，此時(shí)的零序電壓用U00表示，由式（2）可得：

綜上所述，每隔一段時(shí)間將IZ0控制為微小的高頻零序電流信號(hào)，用于測(cè)量C；由于此時(shí)IZ0很小且不含基波量，可同步測(cè)量U00。將測(cè)得的C、U00代入式（7），并聯(lián)立式（6）求解得出MMC 用于補(bǔ)償正常運(yùn)行配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱的輸出電流。

2.3 單相接地故障選相和自適應(yīng)消弧原理

假設(shè)MMC 進(jìn)行配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱補(bǔ)償時(shí)，突發(fā)A相接地故障，聯(lián)立式（2）、（6）得：

式中：K=ωCRF。

由式（8）可得，單相接地故障發(fā)生后，U0與故障相電源電壓EA間的夾角θ因K的不同而變化，如附錄A 圖A2（a）所示。圖中：U0沿藍(lán)色半圓弧邊界變化，當(dāng)K趨于0 時(shí)，θ趨于180°；隨著K的增大，θ趨于90°。以EA作為參考電壓，相角為0°，定義U0的相角為θ0，則由圖A2（a）—（c）可知，發(fā)生A相接地故障時(shí)90°＜θ0＜180°，發(fā)生B 相接地故障時(shí)-30°＜θ0＜60°，發(fā)生C 相接地故障時(shí)-150°＜θ0＜-60°，該特征可作為故障選相判據(jù)。但因G可忽略、Y的測(cè)量誤差、參數(shù)不對(duì)稱補(bǔ)償誤差等主客觀因素的存在，該判據(jù)在K極大或極小時(shí)都易失效。

以10 kV 配電網(wǎng)為例，假設(shè)故障相為A 相，則K與A相接地故障后|UA|、|UB|、|UC|、|U0|間的關(guān)系如附錄A 圖A3所示。由圖可知：當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生低阻接地故障時(shí)，K值小，故障相電壓幅值|UA|出現(xiàn)明顯跌落，遠(yuǎn)小于非故障相電壓幅值|UB|、|UC|；隨著K的增大，|UA|上升，并始終保持在|UB|、|UC|之間，該特征可作為K極大或極小時(shí)的故障選相判據(jù)。

綜上所述，對(duì)不同故障電阻采用不同選相判據(jù)，可有效降低選相失誤率。由式（9）可知，|U0|與K負(fù)相關(guān)，通過(guò)設(shè)定閾值UT1、UT2，比較故障后|U0|與UT1、UT2間的大小關(guān)系，可將故障分為低阻區(qū)、中阻區(qū)和高阻區(qū)故障。為中阻區(qū)預(yù)留15°的角度誤判裕度，則有：

故障選相步驟總結(jié)如下：

1）單相接地故障發(fā)生后，測(cè)量零序電壓并得到其幅值|U0|、相角θ0；

2）若|U0|≥UT1，則判定故障落在低阻區(qū)，三相中電壓幅值最低相為故障相；

3）若UT2＜|U0|＜UT1，則判定故障落在中阻區(qū)，90°＜θ0＜180°時(shí)A 相為故障相，-30°＜θ0＜60°時(shí)B 相為故障相，-150°＜θ0＜-60°時(shí)C相為故障相；

4）若|U0|≤UT2，則判定故障落在高阻區(qū)，三相中電壓幅值居中相為故障相。

進(jìn)行故障選相后，需完成故障消弧工作。若使故障發(fā)生后IF=0，則由式（2）可得：

電壓消弧法的控制目標(biāo)是故障相電壓為0，因而通過(guò)實(shí)時(shí)控制u0=-eA（其中：eA為故障相電源電壓瞬時(shí)值；u0為故障后零序電壓瞬時(shí)值）得到零序參考電流瞬時(shí)值iz0實(shí)現(xiàn)消弧。電流消弧法的控制目標(biāo)是故障電流為0，因而對(duì)-(eA+u00)（其中u00為不對(duì)稱零序電壓瞬時(shí)值，由測(cè)量得到）與Y進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算得到iz0。電壓消弧法能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化，但在故障電阻較小時(shí)消弧效果易受負(fù)荷電流影響［9］；電流消弧法的消弧效果穩(wěn)定，不易受負(fù)荷電流影響，但對(duì)高阻接地故障補(bǔ)償響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)［27］。結(jié)合2 種消弧方法的特點(diǎn)，本文提出采用自適應(yīng)消弧法實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)單相接地故障消弧。故障選相時(shí)已對(duì)故障所屬區(qū)間作出判定，對(duì)低阻區(qū)故障選用電流消弧法，對(duì)中、高阻區(qū)故障選用電壓消弧法。相比單一消弧方法，自適應(yīng)消弧法能夠充分發(fā)揮電壓消弧法和電流消弧法的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步降低故障風(fēng)險(xiǎn)和故障切除難度。

2.4 功率平衡原理

設(shè)配電網(wǎng)交流母線上的三相電壓瞬時(shí)值為uA、uB、uC，三相電流瞬時(shí)值為iA、iB、iC，通過(guò)Clark 變換，得到αβ0坐標(biāo)系下配電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值uα、uβ、u0如式（13）所示。

假設(shè)源端的有功、無(wú)功出力參考值分別為pref、qref，代入式（15）可求得源端輸出電流參考值iα_ref、iβ_ref。為保障源端的有功、無(wú)功出力恒定，MMC 應(yīng)向配電網(wǎng)增加注入的用于源端功率補(bǔ)償?shù)摩力?坐標(biāo)系下的參考電流izα、izβ可表示為：

現(xiàn)代配電網(wǎng)正從傳統(tǒng)單向輻射狀供電向潮流雙向流動(dòng)方向發(fā)展［28］。PET 作為一種多功能性新型電力電子設(shè)備，有能力充當(dāng)電力系統(tǒng)中統(tǒng)一潮流控制器的角色，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)間潮流的優(yōu)化配置和能源的充分消納。本節(jié)針對(duì)PET對(duì)配電網(wǎng)源端功率的平衡能力進(jìn)行了研究，由本節(jié)分析可知，若以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為參照，控制PET 的MMC 對(duì)因負(fù)荷投入、接地故障等擾動(dòng)引發(fā)的功率缺額進(jìn)行補(bǔ)償，可及時(shí)有效抑制源端功率振蕩。

2.5 集成化原理

由2.2—2.4 節(jié)原理分析可知，0 軸參考量iz0與α、β軸參考量izα、izβ間相互解耦，基于0 軸控制的配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱補(bǔ)償、單相接地故障選相、自適應(yīng)消弧功能分別在配電網(wǎng)正常運(yùn)行、接地故障初期、故障相辨識(shí)后投入，基于α、β軸控制的功率平衡功能則始終與其余功能同步運(yùn)行。電流參考量iz0、izα、izβ經(jīng)控制器控制后分別生成電壓參考信號(hào)u0_ref、uα_ref、uβ_ref，再經(jīng)Clark 反變換至abc坐標(biāo)系下，生成用于載波移相脈寬調(diào)制CPS-PWM（Carrier Phase Shifted Pulse Width Modulation）的三相參考信號(hào)，控制MMC三相支路向配電網(wǎng)注入電流。下一節(jié)將對(duì)控制方法作進(jìn)一步分析。

3 集成化控制的實(shí)現(xiàn)

3.1 實(shí)現(xiàn)步驟

配電網(wǎng)接地故障集成化消弧方法的實(shí)現(xiàn)流程如附錄A 圖A4 所示。將MMC 直流側(cè)電容中點(diǎn)接地，并網(wǎng)后MMC 等效為一個(gè)可控的對(duì)地電流源。配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)算法控制使MMC 每隔一段時(shí)間向配電網(wǎng)注入微小的高頻零序電流，用于參數(shù)C和不對(duì)稱零序電壓U00的測(cè)量，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電網(wǎng)三相電壓和零序電壓用于各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)。MMC 可對(duì)正常配電網(wǎng)參數(shù)不對(duì)稱引起的中性點(diǎn)電位偏移現(xiàn)象進(jìn)行補(bǔ)償；一旦判斷發(fā)生單相接地故障，MMC 以零序電壓與三相電壓間關(guān)系為依據(jù)對(duì)故障相進(jìn)行辨識(shí)，此時(shí)仍沿用上一次對(duì)地參數(shù)測(cè)量時(shí)同步測(cè)得的U00進(jìn)行參數(shù)不對(duì)稱補(bǔ)償；選相結(jié)束后，以零序電壓幅值大小為投切條件實(shí)現(xiàn)接地故障自適應(yīng)消弧。執(zhí)行配電網(wǎng)不對(duì)稱補(bǔ)償、單相接地故障選相、自適應(yīng)消弧時(shí)均生成0 軸參考量，執(zhí)行功率補(bǔ)償時(shí)生成α軸、β軸參考量。最后，對(duì)各軸上參考量進(jìn)行控制生成參考電壓信號(hào)，經(jīng)CPS-PWM 后控制MMC 向配電網(wǎng)注入綜合補(bǔ)償電流。若MMC 執(zhí)行故障消弧功能，則應(yīng)在消弧補(bǔ)償電流注入后的一段時(shí)間里，逐步減少0 軸補(bǔ)償量并測(cè)量配電網(wǎng)零序電壓是否成比例變化：若成比例變化，則判斷故障為瞬時(shí)性接地故障，配電網(wǎng)已恢復(fù)正常運(yùn)行，停止消弧補(bǔ)償；否則判斷故障為永久性接地故障，觸發(fā)故障保護(hù)裝置動(dòng)作，對(duì)故障饋線進(jìn)行隔離。

3.2 0軸電壓控制策略

由2.2 節(jié)分析可知，配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，由MMC向配電網(wǎng)注入高頻零序電流，并測(cè)量其對(duì)應(yīng)的高頻零序電壓，利用式（5）計(jì)算配電網(wǎng)等效對(duì)地電容C，同時(shí)測(cè)量不對(duì)稱零序電壓U00；聯(lián)立式（6）、（7）計(jì)算配電網(wǎng)不對(duì)稱補(bǔ)償參考電流值，控制MMC 向配電網(wǎng)注入該值電流，可補(bǔ)償配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱引起的中性點(diǎn)電位偏移。由2.3節(jié)分析可知，單相接地故障發(fā)生時(shí)，測(cè)量零序電壓幅值|U0|和相角θ0，將故障劃分為低阻、中阻、高阻區(qū)故障，并根據(jù)選相判據(jù)進(jìn)行故障相辨識(shí)。選相結(jié)束后啟動(dòng)自適應(yīng)消弧，電流消弧法適用于低阻接地故障，iz0由-(eA+u00)與Y進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算得到。電壓消弧法適用于中、高阻接地故障，iz0由比例積分微分PID（Proportional Integral Derivative）控制器對(duì)u0+eA=0 進(jìn)行控制后生成。綜上所述，基于0軸的控制結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。圖中，f為配電網(wǎng)基頻，且f=50 Hz。配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，MMC執(zhí)行配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱補(bǔ)償，此時(shí)開(kāi)關(guān)S置于端子3。一旦接收到單相接地故障發(fā)生信號(hào)，MMC 啟動(dòng)故障選相功能，此時(shí)S 不動(dòng)作。待選相完成后，S 切換至端子1，并依照故障電阻的大小選擇消弧方法：當(dāng)判斷故障落在中、高阻區(qū)時(shí)，選擇電壓消弧法，S1向端子4 閉合；當(dāng)判斷故障落在低阻區(qū)時(shí)，選擇電流消弧法，S1向端子5閉合。若S置于端子2，則表示正在測(cè)量配電網(wǎng)參數(shù)C和不對(duì)稱零序電壓U00，ih為微小的高頻零序電流瞬時(shí)信號(hào)。最終，iz0經(jīng)外環(huán)控制器生成0軸電壓參考信號(hào)u0_ref。

圖4 基于0軸的控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Control diagram based on 0 axis

3.3 α、β軸電壓控制策略

本文采用Clark 變換對(duì)多變量進(jìn)行解耦。位于α β0 坐標(biāo)系下的izα、izβ為正弦信號(hào)，且與原abc坐標(biāo)系下三相電流有相同的頻率特性，因而采用準(zhǔn)比例諧振Quasi-PR（Quasi Proportional Resonant）控制器對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行無(wú)靜差跟蹤。Quasi-PR控制器傳遞函數(shù)GPR(s)為：

式中：Kp和Kr分別為比例系數(shù)和諧振系數(shù)；ω0和ωc分別為諧振頻率和截止頻率。Kp和Kr分別用于增加控制精度和降低系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，是經(jīng)仿真測(cè)試選擇的較優(yōu)值，本文仿真模型中取Kp=300、Kr=10。Quasi-PR 控制器在ω0處具有最大增益，且相角裕度趨于無(wú)窮大，因此，令ω0=2πf(f=50 Hz)，使Quasi-PR控制器對(duì)配電網(wǎng)工頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤。由于測(cè)量采樣具有不確定性，送入Quasi-PR 控制器的信號(hào)可能會(huì)發(fā)生小幅度的頻率波動(dòng)，需通過(guò)改變?chǔ)豤增加控制器的帶寬，Quasi-PR 控制器的帶寬為ωc/π。仿真中以《供電營(yíng)業(yè)規(guī)則》第五十三條規(guī)定“電力系統(tǒng)非正常狀況下供電頻率允許偏差±1.0 Hz”為標(biāo)準(zhǔn)，取ωc=2π≈6.3 rad／s。

基于α軸、β軸的控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 基于α軸、β軸的控制結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Control block diagram based on α axis and β axis

4 仿真分析

為驗(yàn)證本文所提集成化消弧方法的可行性和有效性，在MATLAB／Simulink 仿真環(huán)境中搭建10 kV配電網(wǎng)的仿真模型，如附錄A 圖A5所示。模型包含6 條饋線，模擬正常運(yùn)行配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱現(xiàn)象以及單相接地故障、負(fù)荷投入等事件發(fā)生，部分仿真參數(shù)、線路參數(shù)分別如附錄A表A1、A2所示。

4.1 正常運(yùn)行配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱補(bǔ)償

在圖A5 所示的配電網(wǎng)A 相、B 相、C 相分別并聯(lián)3、4、3 μF 對(duì)地電容模擬正常運(yùn)行配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱現(xiàn)象?？刂芃MC 向配電網(wǎng)母線注入頻率為300 Hz、幅值為0.5 A（實(shí)際注入電流值為0.495 7 A）的高頻零序電流信號(hào)，經(jīng)測(cè)量得到母線處對(duì)應(yīng)的高頻零序電壓幅值為16.85 V，代入式（5）后計(jì)算得到C≈15.61 μF（實(shí)際配電網(wǎng)中C=15.64 μF）。0.205 s時(shí)，MMC 開(kāi)始向正常運(yùn)行的配電網(wǎng)注入電流，用于補(bǔ)償對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱引起的配電網(wǎng)中性點(diǎn)電位偏移，相關(guān)波形如附錄A 圖A6所示。補(bǔ)償后中性點(diǎn)電位偏移量由500 V 降至0左右，三相電壓幅值差距縮小并趨于相等，三相電壓波形不平衡現(xiàn)象基本消除，由此驗(yàn)證本文所提方法能有效補(bǔ)償正常運(yùn)行配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱引起的中性點(diǎn)電位偏移。

4.2 單相接地故障選相和自適應(yīng)消弧

單相接地故障發(fā)生后，首先對(duì)故障相進(jìn)行辨識(shí)。仿真模擬配電網(wǎng)不同故障相、不同故障電阻下的單相接地故障，故障點(diǎn)設(shè)置為圖A5 中的F處。不同故障情況下的電壓參數(shù)和故障選相結(jié)果如表1 所示。從表1中|UA|、|UB|、|UC|和U0間數(shù)值關(guān)系和選相結(jié)果可知，2.3 節(jié)對(duì)故障選相判據(jù)的推導(dǎo)是合理正確的，也證明了采用本文方法進(jìn)行配電網(wǎng)故障相辨識(shí)時(shí)準(zhǔn)確性高。

表1 不同故障情況下的電壓參數(shù)和故障選相結(jié)果Table 1 Voltage parameters and fault phase selection results under different fault conditions

成功辨識(shí)故障相后，PET 開(kāi)始進(jìn)行單相接地故障消弧。對(duì)電壓消弧法和電流消弧法在故障電阻分別為10、1 000 Ω 時(shí)的消弧效果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如附錄A圖A7所示，圖中消弧補(bǔ)償電流均從0.3 s時(shí)刻開(kāi)始注入。圖A7（a）中故障電阻為10 Ω，補(bǔ)償前故障電流有效值為30.37 A，采用電流消弧法補(bǔ)償約0.005 s 后故障電流有效值降低至1.124 A，而采用電壓消弧法消弧后故障電流有效值始終超過(guò)10 A，這是因?yàn)楣收想娮枧c線路阻抗相近，電壓消弧法性能受負(fù)荷電流影響而不及電流消弧法。圖A7（b）中故障電阻為1 000 Ω，2 種消弧方法最終均能使故障電流有效值降低至0.4 A 以下，其中電壓消弧法的響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)約為0.003 s，相比之下電流消弧法的響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)要高出數(shù)十倍。這說(shuō)明電流消弧法適用于低阻區(qū)故障，電壓消弧法適用于中、高阻區(qū)故障。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證自適應(yīng)消弧法的有效性，仿真分析了不同故障電阻、故障相情況下消弧前后的故障電流瞬時(shí)值iF、MMC 注入的消弧補(bǔ)償電流瞬時(shí)值i0和故障相電壓瞬時(shí)值uA的波形，結(jié)果如附錄A 圖A8 所示。由圖可見(jiàn)，經(jīng)自適應(yīng)消弧后，故障相電壓在短時(shí)間內(nèi)被抑制，故障電流迅速降至0 左右。消弧前、后故障電流有效值IRMSF1、IRMSF2如表2 所示，可見(jiàn)本文所提自適應(yīng)消弧法對(duì)故障電流的補(bǔ)償率高于93%。綜上所述，自適應(yīng)消弧法對(duì)不同故障情況的適應(yīng)性強(qiáng)且消弧效果良好。

4.3 源端功率平衡

為驗(yàn)證PET 對(duì)源端功率的平衡效果，設(shè)置圖A5所示的配電網(wǎng)原有功負(fù)荷pL=4 MW、無(wú)功負(fù)荷qL=2 Mvar，仿真0.2 s 時(shí)向配電網(wǎng)投入負(fù)荷和發(fā)生單相接地故障，PET 功率平衡效果如附錄A 圖A9 所示，具體分析如下。

1）0.2 s時(shí)向配電網(wǎng)投入0.5 Mvar負(fù)荷。

若此時(shí)PET 不進(jìn)行功率補(bǔ)償，由于電感對(duì)電流的阻礙作用，配電網(wǎng)源端有功p和無(wú)功q立即發(fā)生嚴(yán)重振蕩，三相電流波形伴有不平衡現(xiàn)象，直至0.5 s不平衡現(xiàn)象仍存在，如圖A9（a）左圖所示。若投入負(fù)荷的同時(shí)PET 進(jìn)行功率補(bǔ)償，源端功率并未出現(xiàn)振蕩，三相電流波形也不存在不平衡現(xiàn)象，如圖A9（a）右圖所示。

2）0.2 s 時(shí)向配電網(wǎng)投入1.0+j0.5 MV·A 阻感性負(fù)荷。

若此時(shí)PET 不進(jìn)行功率補(bǔ)償，由于阻感性負(fù)載中電阻會(huì)增加阻尼率，配電網(wǎng)源端功率和三相電流雖發(fā)生振蕩但并不明顯，源端無(wú)功在負(fù)荷投入瞬間有明顯突增，如圖A9（b）左圖所示（圖中省略了三相電流）。若投入負(fù)荷的同時(shí)PET進(jìn)行功率補(bǔ)償，源端功率振蕩被迅速抑制，源端無(wú)功未有突增現(xiàn)象，如圖A9（b）右圖所示。

3）0.2 s時(shí)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障。

若此時(shí)PET 不進(jìn)行功率補(bǔ)償，配電網(wǎng)源端功率和三相電流均發(fā)生明顯振蕩，如圖A9（c）左圖所示。若發(fā)生單相接地故障的同時(shí)PET 進(jìn)行功率補(bǔ)償，配電網(wǎng)源端并未出現(xiàn)功率振蕩，三相電流波形也不存在不平衡現(xiàn)象，如圖A9（c）右圖所示。

上述結(jié)果驗(yàn)證了本文所提功率平衡方法能夠有效抑制負(fù)荷投入或單相接地故障引起的配電網(wǎng)源端功率振蕩。

4.4 多功能的集成化實(shí)現(xiàn)

為驗(yàn)證功率平衡與自適應(yīng)消弧功能的協(xié)同效果，仿真設(shè)置pL=4 MW、qL=2 Mvar，并仿真負(fù)荷投入和發(fā)生單相接地故障，結(jié)果如圖6 所示。圖中負(fù)荷1、2的容量分別為0.5 Mvar、1+j0.5 MV·A。

圖6 功率平衡與自適應(yīng)消弧協(xié)同效果Fig.6 Synergy effect of PET’s power balance and adaptive arc suppression functions

由圖6可知：0.15 s時(shí)負(fù)荷1投入、0.2 s時(shí)單相接地故障發(fā)生，由于PET進(jìn)行實(shí)時(shí)功率補(bǔ)償，配電網(wǎng)源端功率并未發(fā)生振蕩；0.25 s時(shí)PET啟動(dòng)自適應(yīng)消弧將故障電流抑制到0 左右，且未對(duì)功率平衡效果造成影響；0.3 s 時(shí)負(fù)荷2 投入，源端功率繼續(xù)保持平衡，且消弧效果并未受影響。由此可見(jiàn)，功率補(bǔ)償效果的穩(wěn)定性不會(huì)因進(jìn)行自適應(yīng)消弧而減退；自適應(yīng)消弧的同時(shí)進(jìn)行功率補(bǔ)償也并不影響消弧性能。更進(jìn)一步可知，基于0 軸的控制與基于α、β軸的控制間相互解耦、互不干擾。

為進(jìn)一步驗(yàn)證多種功能在PET上的集成化應(yīng)用效果，仿真設(shè)置pL=4 MW、qL=2 Mvar，并在配電網(wǎng)A相、B 相、C 相分別并聯(lián)3、4、3 μF 對(duì)地電容，驗(yàn)證結(jié)果如圖7所示。

圖7 集成化方法有效性驗(yàn)證結(jié)果Fig.7 Effectiveness verification results of integrated method

由圖7 可見(jiàn)：0.15～0.3 s 內(nèi)配電網(wǎng)正常運(yùn)行；0.15 s 時(shí)PET 補(bǔ)償配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱引起的中性點(diǎn)電位偏移；0.25 s 時(shí)，線路6 上有純感性負(fù)荷投入，在PET的實(shí)時(shí)功率補(bǔ)償下，配電網(wǎng)源端的有功p、無(wú)功q均未發(fā)生振蕩。0.3～0.4 s 時(shí)，線路5 的C 相發(fā)生接地故障且此時(shí)PET 尚未啟動(dòng)消弧補(bǔ)償，IRMSF1高達(dá)29.71 A；0.38 s 時(shí)，PET 對(duì)故障相進(jìn)行辨識(shí)后判斷C相發(fā)生故障，并判定故障落在低阻區(qū)；0.4 s時(shí)，PET啟動(dòng)消弧補(bǔ)償，采用的是電流消弧法，此后iF被迅速被抑制，IRMSF2=1.183 A。PET 對(duì)地電流（零序電流i0）在未執(zhí)行消弧時(shí)很小，且配電網(wǎng)單相接地故障發(fā)生后，穩(wěn)態(tài)iF并未因直流側(cè)接地點(diǎn)的存在而增大，說(shuō)明MMC 直流側(cè)電容中點(diǎn)接地不改變系統(tǒng)小電流接地性質(zhì)。

綜上所述，本文所提單相接地故障集成化消弧方法是有效的。

5 結(jié)論

本文以輸入級(jí)為MMC 拓?fù)涞腜ET 作為研究對(duì)象，在MMC 直流電容中點(diǎn)設(shè)置接地支路，配合αβ0坐標(biāo)系下多變量解耦控制，提出一種配電網(wǎng)接地故障集成化消弧方法，實(shí)現(xiàn)了一套PET 裝置在多場(chǎng)景下的靈活應(yīng)用，所得結(jié)論如下。

1）分析了接地點(diǎn)設(shè)置的意義和影響，得出PET輸入級(jí)MMC 直流側(cè)電容中點(diǎn)接地為其多功能集成化的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造條件，且不影響小電流接地系統(tǒng)性質(zhì)。

2）基于0 軸的電壓調(diào)控可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱補(bǔ)償、單相接地故障選相、自適應(yīng)消弧等功能。不對(duì)稱補(bǔ)償改善了正常運(yùn)行配電網(wǎng)中性點(diǎn)電位偏移和三相電壓波形不平衡現(xiàn)象，有效提高了供電質(zhì)量。通過(guò)比對(duì)中性點(diǎn)與三相電壓間關(guān)系劃分故障區(qū)間并采用不同選相判據(jù)，可有效提高選相正確率，實(shí)現(xiàn)故障相精準(zhǔn)辨識(shí)。自適應(yīng)消弧法的響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)短且消弧效果好，有利于降低故障風(fēng)險(xiǎn)和故障切除難度。

3）基于α、β軸的電壓調(diào)控可實(shí)現(xiàn)PET對(duì)功率缺額的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，確保了配電網(wǎng)源端功率平衡，維持了配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本文尚未充分考慮設(shè)備的容量配置問(wèn)題，亦無(wú)抑制間歇性電弧重燃的有效對(duì)策。下一步將設(shè)計(jì)多臺(tái)電力電子設(shè)備協(xié)同控制的優(yōu)化方案，在不影響設(shè)備正常工作的前提下充分利用其冗余容量；同時(shí)從破壞故障電弧重燃條件的角度出發(fā)，對(duì)消弧方法做進(jìn)一步優(yōu)化。

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