CN105977947B - 一种配电网有源消弧装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种配电网有源消弧装置及其电流控制方法，该装置通过向配电网中性点注入工频电流来达到接地故障消弧的目的。注入电流的幅值和相位通过两次向中性点注入特定的电流，并结合相应的计算方法来得到。注入电流控制器由比例谐振控制器构成，将注入电流偏差信号通过比例谐振控制器得到调制信号，再经三角载波调制后驱动逆变器开关管产生逆变电流，经滤波电路后输出至配电网中性点。该装置响应速度快、灵敏度高、造价低，可以实现瞬时接地故障快速、可靠灭弧。
Description
技术领域
本发明属于电力***继电保护技术领域，特别涉及一种配电网有源消弧装置。
背景技术
电力***是一个非线性、大规模的复杂***，配电网深入用户终端，运行环境多变，易发生随机故障，其中约70％的故障是瞬时性接地故障。由于配电网对地存在电容和泄漏电阻，因此接地故障电流为电容电流和阻性泄漏电流。为限制接地故障电流，我国配电网一般采用中性点不接地、经消弧线圈接地、经电阻接地等中性点非有效接地运行方式。随着城乡电网发展，电容电流增大，瞬时性接地故障消弧能力变差，故障点的电弧难以自行熄灭，易产生故障过电压，引起多重事故，甚至造成大面积停电，危及电网安全，影响社会稳定。
影响接地故障消弧的因素有：故障电流、间歇电弧过电压(包括故障相电压的恢复初速度、恢复时间与幅值)。故障电流越小，介质损伤越小，越有利于故障消弧；故障相电压的恢复初速度越慢、恢复时间越长、幅值越小，越难重新击穿绝缘介质，阻止电弧重燃，越有利于故障消弧。
当前配电网故障消弧一般采用随调式消弧线圈装置来实现，该装置通过调节消弧线圈触头以动态改变接入容量来进行电容电流补偿，在调节精度和响应速度等方面难以满足快速可靠熄弧的要求。因此，如何快速准确的实现消弧目的，保障配电网安全稳定的运行，成为亟待解决的难题。
发明内容
为解决上述配电网消弧方法中存在的技术问题，本发明提出了一种配电网有源消弧装置，该装置解决了配电网接地故障电流快速可靠抑制的难题。在配电网接地故障发生时，迅速向中性点注入电流，强迫故障点电压为零，实现瞬时故障可靠消弧。其拓扑结构图如图1所示。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下几个步骤：
1)测量配电网三相电压和中性点电压，判断接地故障发生与否；
2)当判断接地故障发生时，由配电网有源消弧装置向配电网中性点注入两次电流，以确定进行故障电流补偿的参考电流；
3)将配电网有源消弧装置实际输出电流与参考电流的差值经比例谐振控制器产生调制波，通过三角波调制方法来控制逆变器开关管的通断以向配电网注入电流，强制故障点电压和接地故障电流为零。
考虑到在谐振频率处，比例谐振控制器的增益是无穷大的，而在非谐振频率时增益下降明显，在现实情况中元器件的参数不能准确测量以及数字控制器的精度制约，谐振频率处的增益不可能达到无穷大。所以在设计比例谐振控制器时要考虑实际谐振频率与理想谐振的偏差，综合上述分析取传递函数为：
式中kp和kr分别为比例系数和谐振系数，比例谐振控制器传递函数示意图如图2所示。输出电流偏差值经过比例谐振控制器后得到调制波Ur，如式所示
其中I*为注入中性点的参考电流，I为中性点实际电流，在得到调制波后，将其与三角载波比较后生成逆变器开关管驱动脉冲，以控制有源消弧装置向配电网中性点注入电流。
为了得到注入电流参考值，本发明提出了两次注入电流的参考电流生成方法，通过两次注入幅值不同，相位相同的电流来确定参考电流。
针对图1所示的配电网，假定单相接地故障发生在C相，由基尔霍夫定律可知
设配电网三相电压和对地参数均对称,则有
假设故障点电压UC＝0,此时的注入电流值即为参考电流，该电流可表示为
假设在式(4)中，
则式(4)可表示为
Ii＝UNY1+ECY2 (7)
分两次将相位相同，幅值不同的工频电流Ii1、Ii2注入中性点，分别测量相应的中性点电压UN1、UN2。Ii1由装置安装时的电容电流结合式(5)来确定；Ii2取为Ii1的70％，将Ii1和Ii2代入式(7)，计算得到
结合式(5)、式(6)和式(8)可得：
其中△Ii＝Ii1-Ii2，△UN＝UN1-UN2。
本发明的技术效果是：
(1)该装置响应速度快、灵敏度高、造价低，可以实现瞬时接地故障快速、可靠灭弧；
(2)参考电流生成方法仅需向中性点注入两次电流，无需测量配电网对地参数，具有简便、迅速、操作性强的特点；
(3)所采用的比例谐振控制器可以弥补输出电流实际频率与控制器谐振频率之间的偏差引起的稳态精度偏低问题，保证了输出电流的控制精度。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为配电网有源消弧装置拓扑结构图；
图2为比例谐振控制示意图；
图3为配电网有源消弧装置程序运行流程图。
图4为第一次注入电流时中性点电压与注入电流波形图；
图5为第二次注入电流时中性点电压与注入电流波形图；；
图6为参考电流与中性点采样电流波形图；
图7为故障相电压仿真动态波形图；
图8为故障电流仿真动态波形图。
具体实施方式
配电网有源消弧装置软件流程图如图3所示。首先连续测量配电网三相电压和零序电压，当零序电压大于15％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，并测量故障相电压；通过有源消弧装置向配电网中性点注入电流Ii1，测量中性点电压的幅值和相位，延时1s后向配电网中性点注入电流Ii2，再次测量中性点电压，并通过关系式(3)得到最优参考电流；将参考电流和采用电流的差值经比例谐振控制器得到调制信号，再与三角载波比较后得到IGBT驱动脉冲，控制IGBT的通断产生逆变电流；逆变电流经滤波电路滤波后通过注入变压器注入配电网中性点，抑制故障点电压到零，达到消弧的目的。
为了验证本发明所描述的配电网有源消弧装置的有效性，在PSIM9.0仿真软件中搭建了两次注入电流仿真模型，其仿真结果如图6至图8所示。从动态波形可以看出，控制***对故障点电压的响应速度很快，通过观测发现，该***对于故障点电压及故障电流的调整时间为1ms左右，远远小于随调式消弧线圈长达 3～5个周波的响应时间。从图7与图8可以看出，投入有源消弧装置后，故障点电压UC大小由214V抑制到3.7V，故障电流If大小由21.3A降低到0.68A，消弧效果明显，验证了本发明所提原理及方法的有效性。
Claims (1)
1.一种配电网有源消弧装置，其特征在于：包括不可控整流器、逆变器、控制电路、滤波电路、注入变压器，所述不可控整流器接于接地变压器副边，为逆变器提供稳定的直流电压；所述逆变器由控制电路提供驱动脉冲，产生特定的工频电流，经滤波电路滤波后通过注入变压器注入配电网中性点，从而抑制故障点电压，实现消弧的目的；
所述的配电网有源消弧装置用于：分两次将工频电流Ii1、Ii2注入中性点，分别测量相应的中性点电压UN1、UN2，结合故障相电压E，通过关系式
I*＝(Ii2UN1-Ii1UN2-ΔIiE)/ΔUN得到参考输出电流；
两次注入的电流均为工频，且相角相同，幅值不同，第一次注入的电流值根据***对地参数确定，第二次注入电流的幅值为第一次注入电流的70％。
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