CN104218563B - 一种中性点经多电平变流器接地的配电网故障消弧方法 - Google Patents

一种中性点经多电平变流器接地的配电网故障消弧方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种中性点经多电平变流器接地的配电网故障消弧方法。采用级联H桥型多电平变流器，通过电抗器直接连接在配电网的中性点处；在配电网发生单相接地故障初始时刻，综合运算生成所需注入的补偿电流，然后迅速投入多电平变流器，采用电流跟踪控制算法和PWM调制策略控制多电平变流器产生补偿电流并注入配电网中性点，以补偿故障点接地全电流，并强制故障相电压恒为0，瞬时性接地故障将自行消除，解决现有故障消弧技术消弧效果差的技术难题。

Description

一种中性点经多电平变流器接地的配电网故障消弧方法
技术领域
本发明涉及一种配电网接地故障消弧技术领域。
背景技术
配电网覆盖面广、深入用户终端、结构复杂、运行方式多变、随机故障频繁，其中约70％的配电网故障是瞬时性接地故障。随着配电网的不断延伸和扩展，故障点接地电流增大，瞬时性接地故障消弧能力差，接地电弧将难以自行熄灭，容易形成不稳定的断续燃烧现象，由此产生的间歇性电弧接地过电压幅值较高，可达相电压的2.5～3.5倍甚至更高，作用时间长，危害作用大，在一定条件下会引起多重故障，引发大面积停电，危及电网安全，影响社会稳定。
为限制接地故障电流，我国配电网一般采用中性点非有效接地方式，此时接地电流较小。一般认为，当接地电流小于5A时，大部分电弧能自然熄灭，接地电流越接近于0，对电弧熄灭越有利。
目前常见的各类消弧技术，包括自动调匝式消弧线圈、气隙可调式消弧线圈、直流偏磁式消弧线圈、三相五柱式消弧线圈、调容式消弧线圈、高短路阻抗式变压器式消弧线圈、消弧柜以及消弧线圈与接地故障转移装置配合使用的消弧方法等，均属于无源消弧技术。无源消弧技术只能补偿故障点无功残流，不能补偿有功电流和谐波电流，消弧效果有限。
随后，在无源消弧的基础上，逐渐出现了有源消弧技术，如瑞典的残流补偿装置、主从式二次侧调感零残流消弧线圈、柔性接地故障消弧技术、可适应线路结构动态变化的有源消弧技术等。瑞典的残流补偿装置是通过注入电流控制故障后配电网零序导纳等于故障前零序导纳，它利用了故障前的零序导纳，不能实时反映配电网结构的改变。主从式二次侧调感零残流消弧线圈在发生系统发生单相接地故障时，首先启动故障选线程序选出故障线路，然后利用故障线路的零序电流、正常状态下的系统对地电容、故障线路电容大小等进行故障全电流估算，对接地电流中谐波分量和有功分量进行补偿，实现零残流，而目前针对谐振接地系统而言，其选线技术不太完善，还存在错选、漏选等情况，若接地线路选错，则后续的工作都是朝着错误的方向继续前进。柔性接地故障消弧技术是一种基于STATCOM的零序电压柔性控制及故障电压消弧方法，该方法采用固定档位的消弧线圈与两/三电平的有源逆变器配合使用，向配电网注入零序电流，实现消弧，但配电网接地故障电流复杂，可能导致两/三电平有源逆变器的开关管频率高，损耗大。可适应线路结构动态变化的有源消弧技术在检测到单相接地故障发生时，分别向配电网注入任意两次电流，并测量母线处零序电压，利用两次注入电流和零序电压计算接地电阻，当接地电阻的计算值小于整定的接地电阻的边界时，采用电流消弧算法，否则，，采用电压消弧算法；该技术要先计算接地电阻的大小，再选择采用电流消弧算法或电压消弧算法，控制较为复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种中性点经多电平变流器接地的配电网故障消弧方法，解决现有故障消弧技术消弧效果差的技术难题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种中性点经多电平变流器接地的配电网故障消弧方法，包括以下步骤：
步骤S01：采用多电平变流器，通过电抗器直接连接在配电网的中性点处；
步骤S02：通过分析向配电网中性点注入的补偿电流在整个配电网络中的分布情况，可知无论配电网发生金属性接地故障或是电阻接地故障，注入补偿电流中的有功分量和无功分量值都是相同的，与故障接地电阻无关；
步骤S03：当检测配电网处于正常运行的情况时，每隔一定的时间间隔，采用基于注入信号的接地电流检测原理计算得到配电网等效对地电容C∑和配电网对地泄露电阻r∑，并进行保存；
步骤S04：当检测到配电网发生单相接地故障时，判断故障相，测量中性点的零序电压，采用快速傅里叶算法求出零序电压中的各次谐波电压，得到接地故障电流的谐波分量，并根据故障前系统保存的所述配电网等效对地电容C∑和配电网对地泄露电阻r∑，综合运算生成所需注入的补偿电流
步骤S05：以综合运算生成的补偿电流为指令电流，投入多电平变流器，采用电流跟踪控制算法和PWM调制策略控制多电平变流器产生补偿电流并注入配电网中性点，以补偿故障点接地全电流，并强制故障相电压恒为0，瞬时性接地故障将自行消除；
步骤S06：一定延时后，判断故障是否消失，若故障消失，判断为瞬时性故障，配电网恢复正常运行；否则，判断为永久性故障，启动选线装置进行接地故障选线保护。
在本发明实施例中，所述多电平变流器为级联H桥型多电平变流器。
在本发明实施例中，所述步骤S02中，补偿电流中的基波分量表达式为其中为故障相电源电动势，C∑＝Ca+Cb+Cc，1/r∑＝1/ra+1/rb+1/rc，ω＝2πf，Ca、Cb、Cc分别为配电网A、B、C三相等效对地电容，ra、rb、rc分别为配电网A、B、C三相对地泄露电阻。
在本发明实施例中，所述步骤S03中基于注入信号的接地电流检测原理为：每隔一定的时间间隔，利用多电平变流器向中性点处注入零序电流同时测量中性点电压改变注入的零序电流为再次测量中性点零序电压得到通过和计算得到配电网等效对地电容C∑和配电网对地泄露电阻r∑，其表达式如下，
在本发明实施例中，所述步骤S04中，当配电网发生单相接地故障时，采用快速傅里叶算法求出零序电压中的各次谐波电压如下：
其中，为中性点电压的第n次谐波电压的相量,接地故障电流中的谐波分量全部来自电网的谐波电流，谐波电流表达式为：
再根据保存的配电网等效对地电容和配电网对地泄露电阻值，综合运算生成所需注入补偿电流表达式为：
为故障相电源电动势。
在本发明实施例中，所述步骤S05中，采用电流跟踪控制算法和PWM调制策略控制多电平变流器产生并注入补偿电流的基本工作原理为：当配电网发生单相接地故障时，对应电网中性点会出现一个中性点零序电压该电压与多电平变流器两端的可控电压共同作用于连接的电抗器上，则存在如下的数学关系：
L为所述电抗器的电感，
电流跟踪控制算法采用PI控制算法，其可以控制与不同相位、不同幅值的PWM调制采用载波相移调制策略产生控制各个功率器件的PWM信号，最终实现产生任意需要的零序补偿电流。
在本发明实施例中，所述步骤S06中，判断故障是否消失的方法为，逐渐减少注入电流至0，检测零序电压随注入电流的变化而变化的情况，如果零序电压的变化与注入电流的变化成正比，表明故障点已消弧，判断为瞬时性故障；否则，判断为永久性故障。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用级联H桥型多电平变流器的电路拓扑结构，相比于两/三电平有源逆变器的拓扑结构而言，无需输出变压器，功率容量大，器件开关频率低、损耗小，易于模块化，电平数越高时输出波形的谐波含量越低。
2、通过分析向配电网中性点注入的补偿电流在整个配电网络中的分布情况，可知无论配电网发生金属性接地故障或是电阻接地故障，注入补偿电流中的有功分量和无功分量值与接地故障电阻无关。
3、在故障消弧技术方面，本发明提出的基于注入信号的接地电流检测原理与快速傅立叶算法结合计算接地故障全电流的方法，不仅能测量电网对地电容电流，还能对故障电流的有功分量和谐波分量进行准确测量，并强制故障相电压恒为0，具有无需调节消弧线圈、原理清晰、易于实现、应用范围广等优点。
附图说明
图1是中性点经多电平变流器接地的配电网故障消弧方法示意图(以C相发生单相接地故障为例)。
图2是中性点经多电平变流器接地的故障消弧总体控制框图。
图3是本发明的流程图。
图4是中性点经多电平变流器接地的配电网发生单相接地故障前后故障点的电流波形图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明一种中性点经多电平变流器接地的配电网故障消弧方法，包括以下步骤：
步骤S01：采用多电平变流器，通过电抗器直接连接在配电网的中性点处；
步骤S02：通过分析向配电网中性点注入的补偿电流在整个配电网络中的分布情况，可知无论配电网发生金属性接地故障或是电阻接地故障，注入补偿电流中的有功分量和无功分量值都是相同的，与故障接地电阻无关；
步骤S03：当检测配电网处于正常运行的情况时，每隔一定的时间间隔，采用基于注入信号的接地电流检测原理计算得到配电网等效对地电容C∑和配电网对地泄露电阻r∑，并进行保存；
步骤S04：当检测到配电网发生单相接地故障时，判断故障相，测量中性点的零序电压，采用快速傅里叶算法求出零序电压中的各次谐波电压，得到接地故障电流的谐波分量，并根据故障前系统保存的所述配电网等效对地电容C∑和配电网对地泄露电阻r∑，综合运算生成所需注入的补偿电流
步骤S05：以综合运算生成的补偿电流为指令电流，投入多电平变流器，采用电流跟踪控制算法和PWM调制策略控制多电平变流器产生补偿电流并注入配电网中性点，以补偿故障点接地全电流，并强制故障相电压恒为0，瞬时性接地故障将自行消除；
步骤S06：一定延时后，判断故障是否消失，若故障消失，判断为瞬时性故障，配电网恢复正常运行；否则，判断为永久性故障，启动选线装置进行接地故障选线保护。
本发明具体实施例中，所述多电平变流器为级联H桥型多电平变流器，步骤S03中所述配电网等效对地电容和配电网对地泄露电阻进行数值保存时，系统采用堆栈先进先出原则。
图1为本发明的中性点经多电平变流器接地的配电网故障消弧方法示意图，分别为配电网三相电源电压，为中性点位移电压，ra、rb、rc分别为配电网A、B、C三相对地泄露电阻，Ca、Cb、Cc分别为三相等效对地电容，Rd为接地故障过渡电阻，K为单相高压开关。
当开关K断开时，配电网中性点不接地，C相发生金属性单相接地故障时(Rd＝0)，则C相对地电压变为零，而其他两相的对地电压升高为倍，即：
那么零序电压为：
假定Ca＝Cb＝Cc＝C0、ra＝rb＝rc＝r0，则非故障相中流向故障点的零序电流为：
那么从接地点流回的接地故障电流为：
其中，C∑和r∑为配电网等效对地电容和配电网对地泄露电阻，C∑＝Ca+Cb+Cc＝3C0，1/rΣ＝1/ra+1/rb+1/rc＝3/r0。此时，如果注入电流取值为与接地故障电流大小相等、方向相反的电流：
那么当开关K闭合，投入多电平变流器向中性点注入补偿电流，由于金属性接地相当于故障相被短接，补偿电流将全部流向故障点，因此可补偿故障点的接地全电流，使残流为零。
当开关K断开时，配电网中性点不接地，C相发生电阻接地故障时(Rd≠0)，中性点电压发生位移为则各相电压和各相流向故障点的电流为：
根据KCL定律可知，接地故障电流为：
此时，闭合开关K，投入多电平变流器向中性点注入补偿电流补偿电流将只有一部分流经故障点，下面分析补偿电流在整个网络中的分布情况。
由于补偿电流的注入，中性点电压将发生变化并导致各相的零序电流都发生变化。设中性点电压改变量为则：
各相流向故障点的零序电流改变量为：
故障点的接地故障电流改变量为：
根据KCL定律可知，补偿电流在整个网络中的分布情况为：
如果令补偿后的接地故障电流为0，那么：
将代入补偿电流表达式中整理得：
由于因此则：
此处，为不考虑谐波情况下得到的补偿电流，因此实际为补偿电流的基波分量。对比金属性故障接地注入补偿电流的有功、无功分量与电阻接地故障注入补偿电流的有功、无功分量可知，系统注入补偿电流中的有功分量与无功分量值是相同的，与故障接地电阻无关。
由补偿电流的基波分量的表达式知，补偿电流的基波分量需根据故障相电源电动势、配电网等效对地电容和配电网对地泄露电阻进行计算。在配电网发生单相故障时，通过判断故障相求得故障相电源电动势；在配电网正常运行时，采用基于注入信号的接地电流检测原理求得配电网等效对地电容和配电网对地泄露电阻。
基于注入信号的接地电流检测原理具体如下：
在系统正常运行情况下，每隔一定的时间间隔(如2s)，闭合开关K，利用级联H桥型多电平变流器向中性点处注入零序电流此时测量中性点的零序电压得两者之间的关系用公式表达如下：
改变注入的零序电流为此时中性点的零序电压将发生变化，经过测量得则和之间的数学关系式如下：
将上述两式相减并整理得：
其中，为已知量，可测量得知，因此通过上式得到配电网的等效对地电容C∑和配电网对地泄露电阻r∑为：
将检测到的C∑和r∑进行保存，在配电网发生单相接地故障情况下，可运算生成补偿的接地故障电流基波分量。
当故障接地电流中的谐波分量较大时，应考虑对谐波分量进行补偿。由于系统是采用中性点经多电平变流器接地的方式，不存在消弧线圈，因此系统的谐波分量全部来自电网。当配电网发生单相接地故障时，采用快速傅里叶算法求出零序电压中的各次谐波电压如下：
其中，为中性点电压的第n次谐波电压的相量。接地故障电流中的谐波分量全部来自电网的谐波电流，谐波电流表达式为：
综合运算生成所需注入补偿电流表达式为：
在接地电流的谐波分量中，5次谐波含量最大，因此主要检测5次谐波分量进行补偿，使谐波分量限制在一定范围，既保证计算的补偿电流的精确度，又减少运算量。
以综合运算生成的补偿电流作为指令电流，然后迅速投入多电平变流器，采用PI控制算法和载波相移调制策略控制多电平变流器产生并注入补偿电流该工作过程的基本原理为：当配电网发生单相接地故障时，对应电网中性点会出现一个中性点零序电压该电压与多电平变流器两端的可控电压共同作用于连接的电抗器上，则存在如下的数学关系：
L为所述电抗器的电感，
PI控制算法可以控制与不同相位、不同幅值的PI调节器的传递函数Gr(s)为：
其中，Kp为比例系数；Ki为积分系数。再采用载波相移调制策略产生控制各个功率器件的PWM信号，实现产生所需的补偿电流，其调制策略的基本思想是：在Lx个以级联H桥为单位的多电平变流器中，使用共同的调制波(周期为2π)，将各级联H桥单位的三角载波的相位相互错开2π/(LxKc)(Kc为载波比)，利用SPWM技术中的波形生成方式和多重化技术中的波形叠加结构产生相移SPWM波形。
投入多电平变流器进行消弧后，经过一定时间延时(如10s)，进行接地故障判断，如果故障点已消弧，则故障消弧，那么改变注入的补偿电流，零序电压也会成比例变化，二者的数学表达式为：
为零序电压的变化值，
所以，减少注入的补偿电流至零，如果零序电压成比例变化，则表明故障点已消弧，判断为瞬时性故障；否则，判断为永久性故障，进行接地故障选线保护。
图2是中性点经多电平变流器接地的故障消弧总体控制框图，多电平变流器的电路拓扑用一个虚框和一个单位的变流器来表示。系统总体的控制框图包括三个部分：电流跟踪控制技术、PWM调制策略和电压均衡控制。系统在电流跟踪控制采用PI控制算法，使得多电平变流器产生的补偿电流能够实时得跟踪其指令电流的变化；PWM调制策略采用载波相移调制策略，它是一种适用于大功率变流器的开关调制策略，其产生控制各个功率器件的PWM信号，最终实现产生需要的零序补偿电流；由于各级联单元直流侧电容是相互独立的，其元件参数、逆变桥损耗、脉冲延时等差异的影响，都会导致直流侧电容电压的不平衡，因此需要在总体设计上增加一个电压均衡控制，控制方式采用PI控制，包括平衡控制和均值控制。
图3是本发明的流程图。首先实时监测配电网三相电压和零序电压；当零序电压大于10％相电压，判断接地故障发生，比较三相电压大小，判断电压最低相为故障相。当配电网发生单相接地故障时，利用级联H桥型多电平变流器向配电网注入电流，补偿故障点接地全电流，并强制故障相电压恒为0；经过一定延时后(如10s)，减少注入电流至零，若中性点电压成比例减小，则说明故障点已经消弧，配电网恢复正常运行；否则判断为永久性接地故障，启动选线保护装置。
为了验证本发明所描述的中性点经多电平变流器接地的配电网消弧方法的可行性，采用PSCAD/EMTDC和MATLAB软件对图1所示的配电网进行了仿真分析。表1为配电网线路参数和级联H桥型多电平变流器的参数设置。
表1
针对不同故障电阻，配电网仿真测试结果如表2所示。发生单相接地故障后，通过控制注入的零序补偿电流，可限制接地故障电流趋近于0，可靠熄灭电弧。
表2
图4是在中性点经多电平变流器接地的配电网中，在t＝0.1s时，系统发生单相接地故障(接地故障电阻为100Ω)，为了比较注入零序补偿电流前后的接地故障电流大小，此处仿真特意推迟投入级联H桥型多电平变流器，即在t＝0.2s时刻，注入补偿的零序电流，此后可观察到故障点残流大幅度降低甚至接近于0，补偿效果较好。
以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种中性点经多电平变流器接地的配电网故障消弧方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S01：采用多电平变流器，通过电抗器直接连接在配电网的中性点处；
步骤S02：通过分析向配电网中性点注入的补偿电流在整个配电网络中的分布情况，可知无论配电网发生金属性接地故障或是电阻接地故障，注入补偿电流中的有功分量和无功分量值都是相同的，与故障接地电阻无关；
步骤S03：当检测配电网处于正常运行的情况时，每隔一定的时间间隔，采用基于注入信号的接地电流检测原理计算得到配电网等效对地电容C∑和配电网对地泄露电阻r∑，并进行保存；
步骤S04：当检测到配电网发生单相接地故障时，判断故障相，测量中性点的零序电压，采用快速傅里叶算法求出零序电压中的各次谐波电压，得到接地故障电流的谐波分量，并根据故障前系统保存的所述配电网等效对地电容CΣ和配电网对地泄露电阻r∑，综合运算生成所需注入的补偿电流
步骤S05：以综合运算生成的补偿电流为指令电流，投入多电平变流器，采用电流跟踪控制算法和PWM调制策略控制多电平变流器产生补偿电流并注入配电网中性点，以补偿故障点接地全电流，并强制故障相电压恒为0，瞬时性接地故障将自行消除；
步骤S06：一定延时后，判断故障是否消失，若故障消失，判断为瞬时性故障，配电网恢复正常运行；否则，判断为永久性故障，启动选线装置进行接地故障选线保护；
所述步骤S03中基于注入信号的接地电流检测原理为：每隔一定的时间间隔，利用多电平变流器向中性点处注入零序电流同时测量中性点电压改变注入的零序电流为再次测量中性点零序电压得到通过和计算得到配电网等效对地电容C∑和配电网对地泄露电阻r∑，其表达式如下，
<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>&amp;Sigma;</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>&amp;omega;</mi> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>Im</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mover> <mi>I</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mi>i</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mover> <mi>I</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mi>i</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mover> <mi>U</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mn>0</mn> <mi>i</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mover> <mi>U</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mn>0</mn> <mi>i</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>
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其中，ω为角频率且ω＝2πf；
所述步骤S04中，当配电网发生单相接地故障时，采用快速傅里叶算法求出零序电压中的各次谐波电压如下：
<mrow> <msub> <mover> <mi>U</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>&amp;infin;</mi> </munderover> <msub> <mover> <mi>U</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mn>0</mn> <mi>n</mi> </mrow> </msub> </mrow>
其中，为中性点电压的第n次谐波电压的相量,接地故障电流中的谐波分量全部来自电网的谐波电流，谐波电流表达式为：
<mrow> <msub> <mover> <mi>I</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>h</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>j&amp;omega;C</mi> <mi>&amp;Sigma;</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>2</mn> </mrow> <mi>&amp;infin;</mi> </munderover> <mi>n</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mover> <mi>U</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mn>0</mn> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>,</mo> </mrow>
再根据保存的配电网等效对地电容和配电网对地泄露电阻值，综合运算生成所需注入补偿电流表达式为：
为故障相电源电动势。
2.根据权利要求1所述的一种中性点经多电平变流器接地的配电网故障消弧方法，其特征在于：所述多电平变流器为级联H桥型多电平变流器。
3.根据权利要求1所述的一种中性点经多电平变流器接地的配电网故障消弧方法，其特征在于：所述步骤S02中，补偿电流中的基波分量表达式为其中为故障相电源电动势，CΣ0＝Ca+Cb+Cc，1/rΣ0＝1/ra+1/rb+1/rc，Ca、Cb、Cc分别为配电网A、B、C三相等效对地电容，ra、rb、rc分别为配电网A、B、C三相对地泄露电阻。
4.根据权利要求1所述的一种中性点经多电平变流器接地的配电网故障消弧方法，其特征在于：所述步骤S05中，采用电流跟踪控制算法和PWM调制策略控制多电平变流器产生并注入补偿电流的基本工作原理为：当配电网发生单相接地故障时，对应电网中性点会出现一个中性点零序电压该电压与多电平变流器两端的可控电压共同作用于连接的电抗器上，则存在如下的数学关系：
L为所述电抗器的电感，
电流跟踪控制算法采用PI控制算法，其可以控制与不同相位、不同幅值的PWM调制采用载波相移调制策略产生控制各个功率器件的PWM信号，最终实现产生任意需要的零序补偿电流。
5.根据权利要求1所述的一种中性点经多电平变流器接地的配电网故障消弧方法，其特征在于：所述步骤S06中，判断故障是否消失的方法为，逐渐减少注入电流至0，检测零序电压随注入电流的变化而变化的情况，如果零序电压的变化与注入电流的变化成正比，表明故障点已消弧，判断为瞬时性故障；否则，判断为永久性故障。
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