基于三相級(jí)聯(lián)H橋變流器的配電網(wǎng)接地故障分相柔性消弧方法

郭謀發(fā)　游建章　張偉駿　楊耿杰　繆希仁

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院　福州　350116)

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基于三相級(jí)聯(lián)H橋變流器的配電網(wǎng)接地故障分相柔性消弧方法

郭謀發(fā)游建章張偉駿楊耿杰繆希仁

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院福州350116)

中性點(diǎn)非有效接地配電網(wǎng)長(zhǎng)期存在單相接地故障消弧難題，傳統(tǒng)柔性消弧方法利用實(shí)時(shí)檢測(cè)的電源電壓計(jì)算注入補(bǔ)償電流值，通過(guò)控制連接于配電網(wǎng)中性點(diǎn)的單個(gè)有源逆變器實(shí)現(xiàn)消弧，已有方法需進(jìn)行故障選相并且逆變器需通過(guò)Z型變壓器及升壓變接入配電網(wǎng)。提出基于三相級(jí)聯(lián)H橋變流器的配電網(wǎng)接地故障分相柔性消弧新方法，三相級(jí)聯(lián)H橋變流器通過(guò)連接電感直接掛接在各相線，發(fā)生接地故障時(shí)，利用實(shí)時(shí)檢測(cè)的相電壓計(jì)算注入補(bǔ)償電流值，分相控制級(jí)聯(lián)H橋變流器注入補(bǔ)償電流，控制故障點(diǎn)電壓為零，實(shí)現(xiàn)接地故障消弧。仿真結(jié)果表明該方法可靈活、有效地補(bǔ)償接地故障電流，抑制接地故障電弧重燃。且采用單相或三相級(jí)聯(lián)H橋變流器進(jìn)行故障消弧時(shí)，不需要進(jìn)行故障選相。

配電網(wǎng)單相接地故障分相柔性消弧級(jí)聯(lián)H橋變流器

0　引言

隨著配電網(wǎng)的不斷擴(kuò)大及電力電纜的大量使用，單相接地故障電流劇增，電弧難于自行熄滅，若不能得到有效抑制，易發(fā)展成永久性單相接地故障，且可能引起超過(guò)3倍相電壓的系統(tǒng)過(guò)電壓，導(dǎo)致健全相絕緣薄弱環(huán)節(jié)擊穿，造成相間短路。

影響接地故障消弧的主要因素有：接地故障電流大小和間歇性電弧過(guò)電壓(包括故障相恢復(fù)電壓的初速度、恢復(fù)時(shí)間與恢復(fù)電壓幅值)[1]。因此配電網(wǎng)接地故障消弧方法可分為電流消弧法和電壓消弧法。電壓消弧法通過(guò)控制故障相恢復(fù)電壓，使故障相恢復(fù)電壓為零。傳統(tǒng)的“消弧柜”應(yīng)用電壓消弧原理，采用斷路器短路接地故障相，鉗制故障相電壓的方法，阻止故障電弧重燃。電流消弧法采用抑制接地故障殘流，減小介質(zhì)損傷和故障相恢復(fù)電壓的上升速度的方法，促進(jìn)故障消弧[2]。消弧線圈因其具有有效補(bǔ)償故障電容電流，促使電弧快速熄滅的優(yōu)點(diǎn)，在配電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。但是隨著配電網(wǎng)中非線性負(fù)荷的大量增加和電力電子設(shè)備的大量使用，接地故障電流中的諧波及有功分量隨之大幅增加[3-5]。而消弧線圈只能補(bǔ)償接地故障電流的無(wú)功分量且其本身的有功損耗增大了接地故障電流的有功分量，另外其調(diào)整困難，操作繁瑣，脫諧度測(cè)量困難，調(diào)諧不當(dāng)易產(chǎn)生諧振過(guò)電壓。因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)接地故障電流的補(bǔ)償展開(kāi)了深入的研究。文獻(xiàn)[3]提出一種基于變壓器和電力電子裝置的新型消弧線圈，通過(guò)控制變壓器二次負(fù)載，可以改變變壓器一次側(cè)的等效輸入阻抗，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電抗的目的。文獻(xiàn)[6-8]提出一種新型的高短路阻抗變壓器式消弧線圈，其一、二次繞組間的短路阻抗很大，二次繞組用晶閘管短接，通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角調(diào)節(jié)二次繞組中的短路電流，從而實(shí)現(xiàn)電抗值的可控調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[9]提出了一種主從式二次側(cè)調(diào)感的零殘流消弧線圈，自動(dòng)調(diào)匝式消弧線圈作為主消弧余電線圈，從消弧線圈通過(guò)單相電壓源式逆變器采用PWM控制技術(shù)生成補(bǔ)償電流，作為主調(diào)匝式消弧線圈的補(bǔ)充。文獻(xiàn)[10]將傳統(tǒng)的接地變壓器和消弧線圈合成一個(gè)整體，研制了三相五柱式消弧線圈，采用可控硅調(diào)節(jié)二次電感電流的方法，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)對(duì)地電容電流的自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償。文獻(xiàn)[2，11，12]提出基于零序電壓柔性控制的配電網(wǎng)接地故障消弧與保護(hù)新原理，在配電網(wǎng)發(fā)生接地故障的初始時(shí)刻，通過(guò)脈寬調(diào)制有源逆變器注入零序電流補(bǔ)償接地故障電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)零序電壓控制，達(dá)到瞬時(shí)故障消弧。文獻(xiàn)[13]提出能適應(yīng)線路結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的有源消弧算法，故障發(fā)生后，注入電流并測(cè)量母線零序電壓，計(jì)算接地電阻，接地電阻較大時(shí)，控制故障相電壓為零，接地電阻較小時(shí)，控制故障點(diǎn)電流為零[7]。

文獻(xiàn)[2，13]利用電源電壓計(jì)算注入補(bǔ)償電流值，采用開(kāi)環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，在故障消弧前都需進(jìn)行故障選相，故障選相錯(cuò)誤將造成接地故障電流增大，不僅無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障消弧，還增加了電弧重燃的機(jī)率。為此，考慮注入電流對(duì)零序電壓的影響，提出采用實(shí)時(shí)檢測(cè)相電壓計(jì)算注入電流值的方法，用母線三相電壓或零序電壓計(jì)算注入電流，該方法無(wú)需故障選相。

已有柔性消弧方法多采用單個(gè)逆變器單元作為消弧線圈的補(bǔ)充裝置，需要升壓變壓器經(jīng)Z型變壓器接入配電網(wǎng)，且其存在輸出電平數(shù)較少、開(kāi)關(guān)頻率較低、諧波含量高、輸出容量有限和直流側(cè)電容取源困難等問(wèn)題[14-17]。故在借鑒配電網(wǎng)靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVG)的技術(shù)思路基礎(chǔ)上，提出基于三相級(jí)聯(lián)H橋變流器的配電網(wǎng)接地故障分相柔性消弧新方法[18-21]。通過(guò)控制三相級(jí)聯(lián)H橋變流器分相(單相、兩相或三相)向配電網(wǎng)注入電流，補(bǔ)償接地故障電流，抑制故障相電壓為零，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)電弧故障的100%消弧。若僅用于故障消弧，相對(duì)于傳統(tǒng)消弧方法，所提的消弧方法成本較高；但通過(guò)切換控制系統(tǒng)及其控制策略等軟件調(diào)整方式，基于該方法的硬件裝置還可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償與諧波抑制、三相電壓不平衡及過(guò)電壓抑制等功能，綜合成本可在合理范圍內(nèi)。另外，對(duì)于可靠性，采用全電力電子器件的柔性消弧方法需要采取措施解決耐壓及保護(hù)等方面的問(wèn)題。如：當(dāng)級(jí)聯(lián)H橋變流器的某個(gè)基本單元故障時(shí)，可通過(guò)將該單元短接而使其退出工作，其他單元仍能正常工作，以提高其可靠性。

1　配電網(wǎng)接地故障分相柔性消弧原理

1.1經(jīng)三相級(jí)聯(lián)H橋變流器接地的配電網(wǎng)

三相級(jí)聯(lián)H橋變流器每相均由多個(gè)單相H橋電壓源型變流器串聯(lián)得到，三相星形聯(lián)結(jié)，中性點(diǎn)采用直接接地的方式，使得各相級(jí)聯(lián)H橋變流器獨(dú)立運(yùn)行。其經(jīng)連接電感直接掛接于配電線路，如圖1所示，EA、 EB、 EC分別為配電網(wǎng)A、B、C三相電源電壓，UA、 UB、 UC分別為三相相電壓，U0為中性點(diǎn)電壓，rA、 rB、 rC分別為三相對(duì)地泄漏電阻，CA、 CB、 CC分別為三相對(duì)地等效電容，Rf為接地故障過(guò)渡電阻，IZ為變流器注入的總電流，IAz、 IBz、 ICz分別為三相變流器注入的電流，IA∑、 IB∑、 IC∑分別為三相對(duì)地電流，If為接地點(diǎn)故障電流，L為連接電感，S為三相高壓開(kāi)關(guān)。配電網(wǎng)的1段母線一般有多條出線，但可通過(guò)等效變換為圖1所示的簡(jiǎn)單配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。圖2為其等效電路圖，各電流方向以流入大地(即節(jié)點(diǎn)D)為正，流出為負(fù)。假設(shè)，A相發(fā)生接地故障，Uf為故障相電壓。控制三相級(jí)聯(lián)H橋變流器向配電網(wǎng)分相注入電流，改變?cè)撟⑷腚娏鞯拇笮『头较蚩梢种乒收舷嚯妷海茐碾娀≈厝紬l件，實(shí)現(xiàn)接地故障消弧。

圖1　經(jīng)三相級(jí)聯(lián)H橋變流器接地的配電網(wǎng)Fig.1　Distribution networks with three-phase cascaded H-bridge converter grounding

圖2　經(jīng)三相級(jí)聯(lián)H橋變流器接地的配電網(wǎng) 單相接地等效電路圖Fig.2　Equivalent circuit of single phase to ground fault for distribution networks with three-phase cascaded H-bridge converter grounding

1.2利用電源電壓計(jì)算注入補(bǔ)償電流

1.2.1投入單相級(jí)聯(lián)H橋變流器

對(duì)在圖2的節(jié)點(diǎn)D列寫(xiě)KCL方程，得

(IAΣ+IBΣ+ICΣ)-(IAz+IBz+ICz)=0

(1)

將電壓和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)代入式(1)，得

(2)

且設(shè)EA+EB+EC=0， C0A=C0B=C0C=C0， rA=rB=rC=r0， 則式(2)可整理為

(3)

又故障相電壓UA=U0+EA， 則

U0=UA-EA

(4)

將式(4)代入式(3)整理得

(5)

若注入補(bǔ)償電流值取

(6)

則式(5)的右邊為零，左邊的故障相電壓UA被限制為零。該方法通過(guò)抑制故障相恢復(fù)電壓實(shí)現(xiàn)消弧，可歸為電壓消弧法。

1.2.2投入兩相級(jí)聯(lián)H橋變流器

將式(4)代入式(2)得注入補(bǔ)償電流為

(7)

若使故障相電壓UA=0， 則注入補(bǔ)償電流須為

(8)

此時(shí)非故障相注入電流分別為

(9)

因此，若非故障相注入由式(9)算得的補(bǔ)償電流，則故障相電壓將被抑制為零。

1.2.3投入三相級(jí)聯(lián)H橋變流器

投入三相級(jí)聯(lián)H橋變流器時(shí)，故障相注入的補(bǔ)償電流為零，其理論分析和投入兩相級(jí)聯(lián)H橋變流器時(shí)相同，故不再贅述。

1.2.4錯(cuò)選故障相對(duì)利用電源電壓計(jì)算注入補(bǔ)償電流消弧方法的影響

假設(shè)配電網(wǎng)發(fā)生A相接地故障，若故障相誤選為B相，則投入單相和兩相級(jí)聯(lián)H橋變流器時(shí)計(jì)算得到的總注入電流都為

(10)

將式(10)代入式(5)，整理得

(11)

在沒(méi)有注入補(bǔ)償電流的情況下，由式(5)可知

(12)

1.3利用相電壓計(jì)算注入補(bǔ)償電流

1.3.1投入單相級(jí)聯(lián)H橋變流器

將UA=(U0+EA)代入式(3)，得

(13)

整理得

(14)

若取單相級(jí)聯(lián)H橋變流器的注入電流為

(15)

則由式(14)可知，故障相電壓UA被限制為零，接地點(diǎn)故障電流If也被限制為零。

1.3.2投入兩相級(jí)聯(lián)H橋變流器

因?yàn)?/p>

Ui=U0+Eii=A,B,C

(16)

設(shè)C0A=C0B=C0C=C0， rA=rB=rC=r0。

代入式(2)，整理得

(17)

進(jìn)一步整理式(17)可得

(18)

若取非故障相注入電流分別為

(19)

則式(18)中的故障相電壓UA被限制為零，抑制了電弧的重燃。

1.3.3投入三相級(jí)聯(lián)H橋變流器

式(17)中，若取三相級(jí)聯(lián)H橋變流器的注入電流分別為

(20)

則式(17)中的故障相電壓UA被限制為零，接地點(diǎn)故障電流If也被限制為零。

1.3.4錯(cuò)選故障相對(duì)利用相電壓計(jì)算注入補(bǔ)償電流消弧方法的影響

假設(shè)A相接地，實(shí)際錯(cuò)選為B相，投入兩相級(jí)聯(lián)H橋變流器時(shí)，非故障相注入總電流值為

(21)

將式(21)代入式(5)得

(22)

將式(16)代入式(22)，整理得

(23)

假設(shè)接地電阻Rf很小，則U0≈-EA， 將其代入式(23)，整理得

(24)

假設(shè)接地電阻Rf很大，則U0≈0， 將其代入式(23)，整理得

(25)

比較式(25)和式(12)可知，故障相選錯(cuò)的情況下，注入利用相電壓計(jì)算得到的補(bǔ)償電流與沒(méi)有注入補(bǔ)償電流相比，增大了故障相電壓，其變化情況如圖3所示。

圖3　故障相電壓變化情況Fig.3　Changes of fault phase voltage

投入單相級(jí)聯(lián)H橋變流器時(shí)，利用實(shí)測(cè)零序電壓計(jì)算注入補(bǔ)償電流值，沒(méi)有用到各相序信息；投入三相級(jí)聯(lián)H橋變流器時(shí)，計(jì)算三相注入補(bǔ)償電流值的方法相同，因此投入單相或三相級(jí)聯(lián)H橋變流器時(shí)，不受故障選相錯(cuò)誤的影響。

2　接地故障分相柔性消弧的實(shí)現(xiàn)

2.1實(shí)現(xiàn)步驟

控制單相或三相級(jí)聯(lián)H橋變流器注入補(bǔ)償電流都可實(shí)現(xiàn)接地故障消弧，且不受故障選相錯(cuò)誤的影響，因此僅采用單相級(jí)聯(lián)H橋變流器顯然更為經(jīng)濟(jì)，然而仍采用三相級(jí)聯(lián)H橋變流器的主要原因有：①當(dāng)其中某一相H橋設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，其他兩相可作為備用，提高了設(shè)備的可靠性；②三相級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器可拓展用于諧波抑制、無(wú)功補(bǔ)償和過(guò)電壓抑制等場(chǎng)合。

配電網(wǎng)接地故障柔性消弧新方法的流程如圖4所示。實(shí)時(shí)檢測(cè)配電網(wǎng)母線三相電壓和零序電壓；配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，每隔一定的時(shí)間間隔測(cè)量其對(duì)地的等效電容和泄漏電阻值；結(jié)合檢測(cè)的零序電壓及三相電壓綜合判斷是否發(fā)生單相接地故障；在故障發(fā)生的初始時(shí)刻，利用式(15)經(jīng)綜合運(yùn)算生成指令電流，控制三相級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器分相注入補(bǔ)償電流，強(qiáng)制故障相電壓為0；一定延時(shí)后，逐漸減少注入電流至0，若中性點(diǎn)電壓成比例減小，則說(shuō)明故障點(diǎn)已經(jīng)熄弧，配電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行；否則利用選線裝置隔離故障饋線。

圖4　配電網(wǎng)接地故障分相柔性消弧流程圖Fig.4　Flow chart of separate-phase flexible arc-suppression of earth-fault in distribution networks

2.2級(jí)聯(lián)H橋變流器的主電路及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1主電路

1)H橋單元數(shù)目的選擇。

H橋單元數(shù)目與電力電子開(kāi)關(guān)器件的耐壓水平、電網(wǎng)電壓、直流側(cè)電容電壓等有關(guān)。①開(kāi)關(guān)管的耐壓水平：開(kāi)關(guān)管的耐壓水平越高，則級(jí)聯(lián)的數(shù)目越少；②電網(wǎng)電壓：為確保級(jí)聯(lián)H橋不被擊穿，級(jí)聯(lián)H橋的整體耐壓水平應(yīng)高于非故障相電壓的峰值，并考慮留有一定裕度；③直流側(cè)電容電壓：注入電流由級(jí)聯(lián)H橋交流側(cè)輸出電壓與電網(wǎng)電壓的差值共同作用于連接電感而產(chǎn)生，而交流側(cè)輸出電壓由開(kāi)關(guān)函數(shù)和直流側(cè)電容電壓共同決定，因此要使得注入電流在任何時(shí)候都能得到控制，級(jí)聯(lián)H橋變流器的輸出電壓峰值必須大于電源電壓峰值。

2)連接電感的參數(shù)設(shè)計(jì)。

級(jí)聯(lián)H橋變流器的連接電感具有實(shí)現(xiàn)可控電氣量的轉(zhuǎn)換和作為一階低通濾波器兩個(gè)作用。連接電感適當(dāng)取大能夠較好地抑制開(kāi)關(guān)諧波分量，同時(shí)考慮到若要實(shí)現(xiàn)對(duì)故障電流諧波分量的補(bǔ)償，則級(jí)聯(lián)H橋變流器注入電流中包含有諧波分量，其對(duì)注入電流變化率要求較高，此時(shí)電感量應(yīng)取小，因此，連接電感取值應(yīng)在動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果和抑制開(kāi)關(guān)諧波間折中選擇。

3)直流側(cè)電容器的參數(shù)設(shè)計(jì)。

級(jí)聯(lián)H橋變流器直流側(cè)應(yīng)有一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓作為逆變?cè)矗洳恍枰敵龃罅坑泄β剩虼耍绷鱾?cè)使用懸浮電容來(lái)提供直流電壓支撐即可。電容器的參數(shù)設(shè)計(jì)主要考慮級(jí)聯(lián)H橋變流器注入電流和開(kāi)關(guān)函數(shù)引起的直流側(cè)電壓波動(dòng)問(wèn)題。

4)級(jí)聯(lián)H橋變流器注入容量設(shè)計(jì)。

非有效接地配電網(wǎng)的單相接地故障電流大小隨配電網(wǎng)規(guī)模、結(jié)構(gòu)的不同而有所區(qū)別，文獻(xiàn)[10]指出某城市電容電流達(dá)400多安培，IGBT可承受600A甚至更高的電流。級(jí)聯(lián)H橋變流器的注入容量與接地故障電流大小密切相關(guān)。因此，實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)配電網(wǎng)具體情況估算該網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生最嚴(yán)重單相接地故障時(shí)的接地故障電流大小。變流器的最大注入電流須大于該接地故障電流，并留有一定裕度。據(jù)此設(shè)計(jì)相應(yīng)的級(jí)聯(lián)H橋單元數(shù)目、連接電感和直流側(cè)電容等參數(shù)。

2.2.2控制系統(tǒng)

級(jí)聯(lián)H橋變流器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由電壓PI控制器、電流PI控制器、載波相移PWM調(diào)制模塊、開(kāi)關(guān)分配模塊、參考電流計(jì)算模塊、檢測(cè)模塊等組成。

圖5　三相級(jí)聯(lián)H橋變流器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5　Structure of control system of three phase cascaded H-bridge converter

3　仿真分析

3.1經(jīng)三相級(jí)聯(lián)H橋變流器接地的配電網(wǎng)的建模

采用PSCAD仿真軟件對(duì)圖1所示的10 kV配電網(wǎng)建模，阻尼率取1.5%，r0=30 kΩ， C0=7μF。

H橋單元的開(kāi)關(guān)器件選用理想IGBT器件，由2.2節(jié)分析可知，級(jí)聯(lián)H橋整體耐壓應(yīng)滿足

UHΣ_max>Ufmax=3.2Uphm

(26)

式中，Ufmax為非故障相過(guò)電壓峰值，不超過(guò)相電壓峰值Uphm的3.2倍。

選用的單個(gè)理想IGBT的耐壓v=7 kV，實(shí)際應(yīng)用可適當(dāng)增加級(jí)聯(lián)數(shù)目以降低單個(gè)開(kāi)關(guān)器件的耐壓并實(shí)現(xiàn)故障冗余，則級(jí)聯(lián)H橋數(shù)目N為

(27)

算得級(jí)聯(lián)數(shù)目N≈3.7，取為4。

仿真得到的故障電流暫態(tài)峰值Iz_Tmax可達(dá)200 A，暫態(tài)分量的振蕩頻率最大值wf取3 kHz，電源過(guò)電壓持續(xù)時(shí)間短，故電源電壓的最大值Ufmax_w取為線電壓峰值，直流側(cè)電容電壓Udc取4 kV，則連接電感為

(28)

電壓波動(dòng)系數(shù)σ取5%，載波頻率fs取2 500 Hz，則直流側(cè)電容為

(29)

將具體參數(shù)代入式(28)和式(29)，可算得：連接電感值應(yīng)小于0.003 H，考慮其抑制諧波的作用，經(jīng)調(diào)試，確定為0.1 H；直流側(cè)電容應(yīng)大于400 mF，考慮留有一定的裕度，確定為1 000 mF。

3.2配電網(wǎng)接地故障電流的分相補(bǔ)償分析

對(duì)圖1所示的10 kV配電網(wǎng)進(jìn)行單相、兩相和三相級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器投入時(shí)的接地故障消弧仿真，考慮不同相發(fā)生單相接地故障，不同接地電阻和電弧接地等情況。將線路參數(shù)代入式(15)、式(19)和式(20)，可得出注入補(bǔ)償電流Iz的值。為了比較注入補(bǔ)償電流前后的接地故障電流的變化，在發(fā)生接地故障0.1 s后注入補(bǔ)償電流。若0.1 s時(shí)發(fā)生接地故障，則在0.2 s時(shí)注入補(bǔ)償電流。采用控制論電弧模型模擬接地電弧變化的動(dòng)態(tài)特性。所得結(jié)果如圖6～圖11和表1所示。

圖6　不同相經(jīng)1 000 Ω電阻接地時(shí)故障相電壓波形 (投入B相級(jí)聯(lián)H橋變流器)Fig.6　Fault phase voltage waveform with high resistance grounding fault in different phases(phase B cascaded H-bridge converter is input)

圖7　不同相經(jīng)1 000 Ω電阻接地時(shí)故障電流波形 (投入B相級(jí)聯(lián)H橋變流器)Fig.7　Fault current waveform with high resistance grounding fault in different phases(phase B cascaded H-bridge converter is input)

圖8　不同相發(fā)生金屬性接地時(shí)故障電流波形 (投入B相級(jí)聯(lián)H橋變流器)Fig.8　Fault current waveform with directly grounding fault in different phases(phase B cascaded H-bridge converter is input)

圖9　不同相發(fā)生電弧接地時(shí)故障電流波形 (投入B相級(jí)聯(lián)H橋變流器)Fig.9　Fault current waveform with arc grounding fault in different phases(phase B cascaded H-bridge converter is input)

通過(guò)控制任意一相級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器(文中選擇B相)，向配電網(wǎng)注入利用式(15)計(jì)算得到的補(bǔ)償電流值。分別設(shè)置級(jí)聯(lián)H橋變流器投入相和非投入相發(fā)生高阻接地、金屬性接地和電弧接地，得到圖6所示的故障相電壓波形和圖7～圖9所示的故障電流波形，注入電流前，存在較大的故障電流，注入電流后，故障電流基本被抑制為零。

圖10　A相經(jīng)不同電阻接地時(shí)故障電流波形 (投入B、C兩相級(jí)聯(lián)H橋變流器)Fig.10　Fault current waveform with different resistance grounding fault of phase A(phase B and C cascaded H-bridge converter is input)

圖11　A相經(jīng)不同電阻接地時(shí)故障電流波形 (投入三相級(jí)聯(lián)H橋變流器)Fig.11　Fault current waveform with different resistance grounding fault of phase A(three phase cascaded H-bridge converter is input)

投入非故障相級(jí)聯(lián)H橋變流器(文中選擇B、C兩相)，向配電網(wǎng)注入利用式(19)計(jì)算得到的補(bǔ)償電流值，設(shè)置非投入相發(fā)生金屬性和高阻接地，得到圖10所示的故障電流波形。注入電流前，故障電流大，注入電流后，故障電流基本被抑制為零。

投入三相級(jí)聯(lián)H橋變流器，向配電網(wǎng)注入利用式(20)計(jì)算得到的補(bǔ)償電流，設(shè)置A相發(fā)生金屬性和高阻接地，得到圖11所示的故障電流波形。注入電流前，存在較大故障電流，注入電流后，故障電流基本被抑制為零。

3.3故障選相錯(cuò)誤的影響分析

表1　不同情況下投入級(jí)聯(lián)H橋變流器前后的故障電流Tab.1　Comparison of fault currents before and after inputting cascaded H-bridge converter in different cases

圖12　利用電源電壓計(jì)算補(bǔ)償電流值情況下 選相錯(cuò)誤時(shí)故障電流波形Fig.12　Fault currents with error fault-phase selecting and using the power supply voltage to calculate the compensation current value

圖13　利用相電壓計(jì)算補(bǔ)償電流值情況下 選相錯(cuò)誤時(shí)故障電流波形Fig.13　Fault currents with error fault-phase selecting and using the real-time measurement of phase voltage to calculate the compensation current value

3.4配電線路采用分布參數(shù)時(shí)接地故障電流分相補(bǔ)償分析

為驗(yàn)證所提消弧方法在配電線路采用分布參數(shù)時(shí)的有效性，利用PSCAD/EMTDC軟件搭建如圖14所示的含6條饋線的柔性接地配電網(wǎng)。主變壓器T1仿真模塊采用型號(hào)為SZ-31500/110/10的110 kV變壓器的參數(shù)，連接組別為Yd11；配電變壓器TLn仿真模塊采用型號(hào)為S11-MR-1000/10/0.4的10 kV變壓器的參數(shù)，連接組別為Dy11，主要參數(shù)見(jiàn)表2。線路仿真采用Bergeron模型，主要參數(shù)見(jiàn)表3，OL表示架空線路，CL表示電纜線路，其后數(shù)字分別表示出線號(hào)和線路長(zhǎng)度。仿真結(jié)果如圖15所示。配電網(wǎng)發(fā)生單相金屬性接地和高阻接地故障，0.1 s后控制單相級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器注入補(bǔ)償電流，接地故障電流基本被抑制為零。

表2　變壓器參數(shù)Tab.2　Parameters of transformer

表3　線路參數(shù)Tab.3　Parameters of lines

圖14　經(jīng)三相級(jí)聯(lián)H橋變流器接地的配電網(wǎng)仿真模型Fig.14　Simulation of distribution networks with three-phase cascaded H-bridge converter grounding

圖15　經(jīng)不同電阻接地時(shí)故障電流波形 (投入B相級(jí)聯(lián)H橋變流器)Fig.15　Fault current waveforms with different grounding resistance(phase B cascaded H-bridge converter is input)

4　結(jié)論

提出一種基于三相級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器的配電網(wǎng)接地故障分相柔性消弧新方法。在分析利用電源電壓計(jì)算單相或兩相注入補(bǔ)償電流的方法及選相錯(cuò)誤對(duì)該方法在故障消弧應(yīng)用中的不利影響的基礎(chǔ)上，提出一種利用實(shí)測(cè)相電壓計(jì)算補(bǔ)償電流的新方法。理論分析和仿真結(jié)果表明：該方法在金屬性接地、高阻接地和電弧接地等不同類(lèi)型接地故障及不同相發(fā)生接地故障等情況下，都能有效補(bǔ)償接地故障電流，實(shí)現(xiàn)故障消弧。該方法具有不必進(jìn)行故障選相，三相級(jí)聯(lián)H橋變流器無(wú)需經(jīng)Z型變壓器、升壓變壓器接入配電網(wǎng)以及可拓展用于無(wú)功補(bǔ)償?shù)葓?chǎng)合的優(yōu)點(diǎn)，其原理清晰、使用靈活且易于實(shí)現(xiàn)。下一步將研發(fā)基于三相級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器的分相柔性消弧裝置樣機(jī)，對(duì)提出的消弧方法進(jìn)行驗(yàn)證。

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Separate-Phase Flexible Arc-Suppression Method of Earth-Fault in Distribution Systems Based on Three-Phase Cascaded H-Bridge Converter

Guo MoufaYou JianzhangZhang WeijunYang GengjieMiao Xiren

(College of Electrical Engineering and AutomationFuzhou UniversityFuzhou350116China)

Arc extinguishing of grounding faults is difficult for neutral non-effective grounding distribution networks.In traditional flexible arc-suppression method，the real-time measured source voltage is used to calculate the compensation current，which is injected by single active converter connected to the neutral point in distribution networks to compensate the fault current.Whereas，the zigzag transformer and the boosting transformer are used for converter to integrate into the power distribution network and faulty phase detection is necessary.In order to improve the above mentioned way，a novel method for earth-fault separate-phase flexible arc-suppression in distribution systems based on three-phase cascaded H-bridge converteris proposed in this paper.The three-phase cascaded H-bridge converters are connected to the distribution networks directly inductance.When a single-phase-to-ground fault occurred，the real-time measured phase voltage is used to calculate the compensation current.Then，the compensation current is injected by the three-phase cascaded H-bridge converter without the zigzag transformer and the boosting transformer.Therefore，the voltage of the fault phase is controlled to be zero and the fault arc is suppressed.The simulation verifies that the proposed principle is able to compensate the fault current flexibly and effectively，and restrain the restriking of earth-fault arc.Furthermore，faulty phase detection is unnecessary for single-phase or three-phase cascaded H-bridge converter to suppress the fault arc.

Distribution networks，single phase to ground fault，separat-phase flexible arc-suppression，cascade H-bridge converter

2015-05-26改稿日期2015-07-23

TM726.1

郭謀發(fā)男，1973年生，碩士，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化。

E-mail：gmf@fzu.edu.cn(通信作者)

游建章男，1990年生，碩士研究生，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)自動(dòng)化。

E-mail：282304815@qq.com

國(guó)家自然科學(xué)基金(51377023,51677030)和福建省自然科學(xué)基金(2016J01218)資助項(xiàng)目。