基于双闭环控制的柔性接地装置消弧方法.doc

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1、第 卷第 年 期 月 电 力 科 学 与 技 术 学 报 基 于 双 闭 环 控 制 的 柔 性 接 地装 置 消 弧 方 法 ， ， ， ， 陈 锐 周 丰 翁洪杰 曾祥君 王 文 （ 广东电网 电力科学研究院，广东 广州 ； 长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 ） ： 摘 要 针对现有消弧方法中配电网电容电流等对地参数难 以精确测量导致消弧效果不佳的问 题，提 出一种比例 谐振与无差拍控制 结合的双闭环控制方法，通过中性点 电压和 注入电 流的闭 环反馈控 制，可抑制 故障相电 压和故 障电流为零，实现故障点可靠消弧。仿真和实验结果表明，基于双闭环控制的柔性接 地装置消弧 方法，

2、无需测量配 电网电容电流等对地参数，且不受接地电阻值大小的 影响，在单 相接地故 障发生 时，能快速、精确 地实现故 障点的 有功电流和无功电 流补偿，达到消弧。 关 键 词 ： 对地参数；故障电流； 消弧；单相接地故障；双闭环控制 ， ， ， ， （ ， ， ； ， ， ， ） ， ， 中 图分 类号 ： 文献 标识 码 ： 文 章编 号 ： （ ） ： ， ， ， ， ： ； ； ； ； 收稿日期 ： 基金项目 ：国家杰出青年科学基金（ ）；国家自然科学基金（ ； ）；广东电网公司科技项目（ ） ： （ ）， ， ， ， ； ： 通讯作者 曾祥君 男 博士 教授 主要从事电力系统微机保护与

3、控制的研究 电 力 科 学 与 技 术 学 报 年月 配 电网 的结 构庞 大且 复杂 ，运行 情况 各异 ，容 易 出 现各 类故 障，且故 障大部 分为 瞬时 性的 接地 故障 。 若 发生 单相 接地 故障 时瞬 时性 接地 故障 消弧效 果欠 佳 ，则 极有 可 能 产 生 弧 光 接 地 过 电 压 ，引 发 连 锁 事 故 ，甚 至出 现大范 围 断 电 ，影 响 电 网 正 常运 行 ，对社 点 的 无 功 和 有 功 电 流，实 现 单 相 接 地 故 障 消弧 。 配电网单相接地故障消弧机理 ： 会 产生 较大 的影 响。 配电 网柔 性接 地 装 置 单 相故 障 消 弧

4、原 理 配 电 中 国配 电网 一般 采用 中性 点非 有效 接地方 式对 单 相接 地故 障 电 流 进 行限 制 。 一 般认 为 ，当接 地 证 电弧 熄灭 ，接 地 电 流 越 接近 于 ，对 电 弧熄 灭 越有 利 。 传 统的 消弧 方法 按补 偿装 置分 类可 分为无 源和 有 源消 弧方 法。 无源 消弧 主要 是通 过接 入预调 式和 随 调式 消弧 线圈 补偿 故障 残流 ，减小 介质 损耗 ，并 抑 制 故障 相恢 复电 压 的 上升 速 度 ，促 进 瞬 时 接 地 故障 消 弧，但无 源电 压消 弧 方 法 只能 补 偿 故 障 点 的无 功 电 流，不能 补偿有 功

5、 电 流 ，消 弧 效 果 具 有局 限 性 ；有 源 电压 消弧 方法 以文 献提出 的方 法，即故 障前测 量 配电 网单 相对 地 泄 露电 阻 及 单 相 对 地电 容 、故障 后 测量 配电 网中 性点 阻抗 ，由此 计算 注入 电流 消弧 ， 以 及文 献提 出的 方法，即有 源全 补偿 消弧线 圈在 故 障前 通过 注入 信 号 法检 测 电 容 电 流、故 障 后 测量 消 弧线 圈的 补偿 度，由 此 计 算注 入 电 流 的 基 波 分量 地 电容 、电 流等 参数 进行测 量，但现 有配 电网 对地参 数 测量 精度 不高 ，难 以实现 故障 点电 流精 确补 偿。 笔

6、者在 配电 网柔 性接 地控 制的 有源 电压消 弧思 想 研究 的基 础 上 ，提 出 一 种基 于 双 闭 环 控 制 的柔 性 接地 装置 消 弧方 法 ，该 方法 无 需 测 量 配 电网 电 容 、电 流等 阻抗 参数 ，不 受接 地 电 阻 值 大 小的 影 响 ， 根 据中 性点 电压 和注 入电 流值 的反 馈实 时补偿 故障 网零 序电 压可 由配 电网 零序 电流柔 性控 制在 发生 单 相接 地故 障时 ，通 过向 中 性 点 注 入 一可 控 的 零 序 电 流，调控 零序回 路的 电压 分布 ，使 故障 点电压 下降 至 所示 。 等效 为可 控电 流源 的整 流逆变

7、 电路 与消 弧线 圈 供电 ，逆 变器输 出 的可 控 交 流 电 流 经变 压 器 注 入 中 性点 ，调 节注入 电 流的 幅 值 及 相 位 即可 实 现 对 故 障 点电 压的 控制 。 根据 配电 网的 结 构、参 数 及 相 关 电路 原 理 可 推 导出 注入 支路 电流 ： 图 配电网单相接地故障有源消弧示意 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 对地电容 ，消 弧 线 圈 接 于 中 性 点 与 地 之 间 ，接 地故 障发 生在 相， 为接 地电 阻。 同时 并联 于中 性点 与地 之间 ，三相 电源 经 调压 后 为整 流电 路提 供 电 源，得 到 直

8、流 电 压 为 逆 变 器 第卷第期 陈 锐，等：基于双闭环控制的柔性接地装置消弧方法 为 实现 单 相 接 地 故 障 消 弧，保 证 故 障 点 电 压 为 零 为 输 出电 压， 为中 性 点电 压， 为 ），应调 节 中 性 点 电 压 ，此时 注 入 滤波 电感 电 流 。根 据 图 的 电 压、电 流 关 系 式， 电 流为 （ ）。 在一 个控 制周 期内 的数 学关 系为 （） 。 （） （ ） 。 （ ） 将 带 入式 ，可 实 现 抑制 故 障 点 电 压 至 零的 目 的 ， 、 。 把式 （）带入式 （），可 得 此 时不 存在 接地 故障 电流 故障 电流 的无 功

9、有功 分 量 同时 得到 补偿 。该 方法 弥补 了现 有消 弧技术 的不 足 ，可 从源 头上 实现故 障消 弧。 （） 式中 ； 为 采 样 时 刻的 电 流 ， 为 下 一 采样 时刻 的参 考电 流 ； 为 开关 管的 占空 比 ； 为 采 双闭环控制方法 样周期。 为 实现 柔性 接 地 装置 对 单 相 接 地 故障 的 快 速 ， 、 比例 谐振 与无 差拍 控制 结合的 双闭 环传 递函 数 可 靠消 弧 笔者 提出 比 例 谐 振和 无 差 拍 控 制 相 结合 。 为 为扰 动电流 理论 值： 的 双闭 环控 制方 法 该方 法以 无差 拍控 制器作 为电 （ ）。 （ ）

10、 流 内环 控制 器 ，比例 谐 振 控 制器 作 为 电 压 外 环 控制 器 ，电 流内 环为 电压 外环 提供 参考 电流 。 ，电压 外环 因此 ，传 递函数 的函 数值 可由 式（）得到 ： 。 （ ） 控 制中 性点 电压 比 例谐 振控 制能 够对 特定频 率信 ， ； 号 实现 零稳 态误 差控 制 、 消 除谐 波影 响 ， 无差 拍控制 、 经过 拉斯 变换 后可 得： 响 应速 度快 控制 精 度 高 两 者 的 结 合 能快 速 可靠 （） 。 （ ） 实 现接 地故 障消 弧 。 （ ） （ ） 设 计比 例谐 振控 制器 时要 考虑 实际 谐振频 率与 理 想谐 振

11、的 偏差 ，其 传递函 数 为 忽略 扰动 影响 ，双闭 环传 递函 数为 （） 。 （ ） （） （） 。 （ ） 式中 ， ， 配 电 网 的 中 性 点 参 考 电 压 为 ，实 际 电 压 值 ，传 递函 数 中 取 ， ， ，改 为 ，经 过比 例谐振 控制 器后 得到 参考 电流 ： 变接 地电 阻 的 值，分 别做 波特 图，如图 所示 。 （ ）（ ）。 （） 从图 中分析 得 知 ，在 接 地 电 阻 值变 化 的 情 况 式 中 ， 和 分别 为 比 例和 谐 振 系数 ， ； 是 截 止频 。 下，基波 频率附 近的 增益 始终 较大 ，其 余频段 增益 趋 近于 零 ，

12、说明 比例 谐振 与无 差拍 结 合 的双 闭 环 控 的输 出电 压， （ （）， （） ， ， ， （） （） （） 率 通 过改 变 可 以改 变带 宽 取 、 制能 够有 效减 小稳 态误 差、滤 除谐 波，提高 有源系 统 ， 无 差拍 控制 具 有 响应 速 度 快 ， 控 制 精 度 高 的优 ， 抑制 精度 。 点 如 图 所 示 为 直 流 母 线 电 压 为 逆 变 桥 图 双闭环传递函数框图 电 力 科 学 与 技 术 学 报 年月 仿真分析 采用 软 件 搭建 如 图 所 示 的 配电 网模 型，并进 行 仿 真 分析 。 为 验 证基 于 双 闭 环 控制 的柔 性接

13、 地装 置消 弧方 法 的特 性 ，即无 需 测 量配 电网 对地 参数 和在 接地 电阻值 不确 定的 情况 下 能达 到快 速 消弧 的 目 的 。在 改 变 配电 网 参 数 （对 地 分 别 进 行 仿 真 分 析。 设 置 单 相 接 地 故 障 发 生 在 图 双闭环控制系统波特图 ，并在 时 投入 有 源消 弧 装置 ，通 过 注 入 ， 电 流 补 偿 接 地 故 障 残 流，配 电 网 仿 真 参 数 如 表 所示 。 配 电网 单相 接地 故 障 消 弧 流 程如 图 所 示 其 表 配电网仿真参数 具 体步 骤：检测 装置 实时对 ， ， 三相以 及中 性点 电 压数 据

14、进 行采 集 当中 性点 电 压超 过 相 电 压 组别 接地方式 电阻值 电容值 时 ，判 断为 接 地 故 障，并 通 过 比 较 ， ； ， 的 幅 值 判 断相 电压 最小相 为故 障相 ， 选 取故 障相 电源电 经柔性 接地装 动 势的 相反 数作 为 参 考电 压 在 故 障 发 生 的 初 始时 置接地 ， ， 刻 ，通 过双 闭环 控制 向 配 电 网中 性 点 注 入 一 特定 幅 值 和相 位的 电流 ，抑 制 故 障 相电 压 和 故 障 点 电 流为 零 ，达 到消 弧的 目的 。 经消弧线圈 配合柔性接 地装置接地 各种 配电 网仿 真参 数条 件下的 故障 电流

15、仿真 结 果如 图 所示 。不 同接 地方 式和 相应配 电网 对 、 ） ， 图 有源消弧流程 地参 数的 故障 前电 流和 柔性 接地装 置投 入后 的故 障 到， ， ，下 降幅 度分 别达 ， 地装 置后 的 ， ， ，下 降 幅 度 分 别 达 ， ， 。 电容 和对 地电 阻的 参 数 后，单 相 接 地 故障 点 电 流 值 发生 变化 ，但 柔性接 地装 置投 入后 ，都 能够快 速有 效 地补 偿故 障点 电流 ，使故 障点 电流 接近 零，实现可 靠 圈接 地的 配电 网中 ，消 弧 线 圈 可 以 达补 偿 故 障 电 流 的目 的，但是补 偿 范 围 有限 ，且 不能

16、补 偿 有 功 电 流， ， （ ）， ， ， ， ； （ ）， ， ， ， ； ， 第卷第期 陈 锐，等：基于双闭环控制的柔性接地装置消弧方法 投 入柔 性接 地装 置后 ，同时 补偿 有功 和无 功电 流，实 现 故障 点电 流的 精 确 补偿 ，在配 电 网 接 地 电 阻值 不 确 定的 情况 下，达到 快速可 靠消 弧的 目的 。 图 组参数下的故障点电流波形 图 组参数下的故 障点电流波形 图 组参数下的故障点电流波形 图 组参数下的故 障点电流波形 组别 电流 后故障电流 入后故障电流 经柔性接地 无消弧 装置接地 线圈 经消弧线圈 配合柔性接 图 组参数下的故 障点电流波形 地

17、装置接地 实验结果 ， 为了 验证 有源 消弧 装置 双闭环 控制 方法 的实 用 。 性 研制 一台实 验 样 机 并 对其 进 行 调 试 样 机 实 物 如图 所示 ，由三 相 整 流 模块 、 、 、 、 模 块 电 压 采 样 板 电 源 模 块 输 出 电 感 电 容 等 图 组参数下的故 障点电流波形 模块 组成 ，其 中，采 样板 实时 采集 配电网 三相 电压 和 中性 点电 压，并且 以中 性 点 电 压 作 为电 压 外 环 的 实 、 故障 消弧线圈投入 柔性接地装置投 接地方式 控 制 模 块、 时反 馈量 ，通 过 端 口 输 送到 控 制 模块， 电 力 科 学

18、与 技 术 学 报 年月 经 过数 据处 理 控制 的 通断 时 间 ，配 合整 流 逆 表 注入电流前 、 后配电网参数对比 变 模块 ，得 到一 幅值 和相位 可控 的电 流 ，最后 经过输 出 电感 电容 滤波 后，注入配 电网 中性 点，达到 单相接 地 故障 消弧 的目 的 。 采 用电 能质 量 分 析仪 记 录 实 验 波 形和 数 据 ，如 装置投入前 装置投入后 相电压 相电压 相电压 故障点电流 分析 实验 所得 波形 数据 ，可得 故障 电流 抑制 幅度 ，达 到，因此 ，投入 基 于 双 闭 环 控 制 的 柔 性 接 地 装置 能够 强 迫 接 地 故 障 相 电 压

19、 和 故 障 点 电 流 接 近 零，在不 需测量 配 电网 对 地 电 容 和 电阻 参 数 的 情 况 下，对故 障点电 流的 进行 有功 和无 功补 偿，实现配 电 网单 相接 地故 障的 可 靠 消 弧，验 证 了 柔性 接 地 装 置 有源 消弧 方法 的正 确性 和可 行性 。 结语 图 实验样机 基于 配电 网柔 性 接 地 技 术，笔 者 提出 基 于 双 闭 环控 制的 消弧 方法 ，研制 了实 验样 机，并取 得了良 好 的实 验效 果，且价格 优势 明显 ，下 一步 将在南 方电 网 试运 行。 该消 弧技 术具 有如 下特 点： ）配 电网 接地 故障 时，柔 性注 入

20、零 序电 流，补 偿 故障 有功 和无 功电 流，抑 制故 障点 电流 为零 ，实现 接 地故 障的 彻底 消弧 ） ； 、 ， 采 用电 压外 环 电 流内 环的 双闭 环控 制策 略 响应 速度 快，控制精 度高 ； 故障 的快 速消 弧困 难的 问题 。 ，能 解决 单 相 接 地 参考 文献 ： 曾祥君 胡京莹， ，王 媛媛 ，等基 于柔性 接地 技术的 配电 网三相不平衡过电压抑制方法中 国电机工程 学报， ， （）： 图 模拟配电网单相接地故障实验波形 刘宝稳，李晓波 基于 失谐量 的消弧 线圈跟 踪调谐 方法 ， ， （）： ， ， 。 ） ， ， ， ， ， （）： 电力系统保护与控制 ， 第卷第期 陈 锐，等：基于双闭环控制的柔性接地装置消弧方法 ， ， （）： 申科，王建赜，蔡兴 国，等 动态 电压恢 复器 比例谐 振控 曾祥君，王媛媛，李建，等 基于配 电网柔 性接 地控制 的 制电力自动化设备， ， （）： 故障消弧与馈 线保 护 新原 理 中国 电 机工 程 学报， ， ， ， ， （ ）： ， ， ， ， ， （）： ， ， ， ， ， （ ）： 朱荣伍 电压型 伍小杰 杨艳 整 流 器 等采用比例谐振调节 器的单 相 曲轶龙，董一脉，谭伟璞，等 基于 单相有 源滤 波技术 的 ， ， ， 新型消弧线圈的研 究 继电器， ， （）： ， ， ， ，