比例諧振控制的配電網(wǎng)有源全補償消弧方法

滑軍杰,邵文權,程 遠,李 寧

(1.西安工程大學 電子信息學院,陜西 西安 710048;2.西安理工大學 自動化與信息工程學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

配電網(wǎng)結構復雜、運行方式多樣,各類事故頻發(fā),其中瞬時性接地故障占70%以上[1-3]。為提升供電可靠性,我國配電網(wǎng)采用中性點經(jīng)消弧線圈接地運行方式以補償接地故障時電容電流,從而加速電弧熄滅。由于接地故障時電流將進一步增大,導致經(jīng)消弧線圈補償后故障電流仍無法保證在可靠熄弧范圍內(nèi)[4]。較大故障殘流導致電弧無法自行熄滅,產(chǎn)生的弧光過電壓會造成設備的絕緣擊穿,甚至會使故障影響范圍擴大[5-7]。

為進一步減小故障殘流以加速故障電弧熄滅,近年來國內(nèi)外學者提出了全補償有源消弧方法[8-11]。其中采用單相有源濾波技術的全補償消弧[12-14]和柔性接地控制的故障消弧[15-16]均為電壓消弧方法,此類方法注入零序電流以強制故障點電壓為零實現(xiàn)消弧,但需引入大容量變壓器輔助輸出,成本高且體積大,控制系統(tǒng)較為復雜且穩(wěn)定性不高。采用多電平逆變器的故障消弧方法成為研究熱點[17-18],該方法為電力電子注入式電流消弧方法,摒棄消弧線圈的同時增大了逆變裝置容量,成本大大提高,且消弧成功率受電力電子裝置運行可靠性的制約。

綜上所述,本文采用消弧線圈配合級聯(lián)H橋的主從式全補償電流消弧方案,能夠克服上述方案存在的弊端;同時鑒于現(xiàn)有的逆變裝置多采用傳統(tǒng)PI、前饋PI的電流閉環(huán)控制策略[19-20],提出一種比例諧振電流控制策略,進一步實現(xiàn)殘流深度補償。仿真結果表明,PR控制能實現(xiàn)對注入電流的快速、精準跟蹤,有效補償接地殘流至可靠熄弧范圍。

1 有源全補償消弧原理

隨著城市配網(wǎng)電纜化日益普及導致補償后的感性殘流急劇增大,部分配電網(wǎng)接地故障電流經(jīng)消弧線圈補償后仍高達幾十安培[19],顯然無法滿足電弧可靠熄滅的條件(一般認為5A為可靠熄弧門檻值)。本文采用有源注入全補償故障殘流的方法,通過控制級聯(lián)H橋逆變器向中性點注入與故障殘流等幅、反相的電流達到全補償效果。圖1給出了級聯(lián)H橋逆變器有源注入的全補償消弧系統(tǒng)結構圖。

(1)

(2)

(3)

(4)

由式(4)可知,注入相應幅值、相位的電流能夠有效補償殘流中的有功、無功、諧波分量,彌補了消弧線圈無法實現(xiàn)全補償?shù)牟蛔?有效抑制了故障殘流以實現(xiàn)可靠熄弧。

2 電流閉環(huán)控制策略對比分析

有源消弧系統(tǒng)抑制故障殘流的效果很大程度上取決于對指令電流跟蹤的性能,為保證消弧可靠性,閉環(huán)控制系統(tǒng)需滿足對指令電流準確、快速跟蹤。對傳統(tǒng)PI、前饋PI跟蹤參考電流性能和抗干擾能力分析基礎上,提出一種基于PR控制的電流閉環(huán)控制策略,進一步實現(xiàn)接地殘流的深度補償。圖2給出傳統(tǒng)PI電流控制系統(tǒng)結構圖。

圖 2 傳統(tǒng)PI電流閉環(huán)控制系統(tǒng)

由圖2可知注入電流由參考電流和網(wǎng)側電壓共同作用,如式(5)所示:

(5)

由式(5)可知,由于開環(huán)增益并非無窮大,參考電流系數(shù)Gk1(s)≠1,故PI控制對參考電流的跟蹤存在穩(wěn)態(tài)誤差,且對并網(wǎng)有源消弧裝置,中性點電壓U0可視為外加干擾源,會對注入電流的精準度造成影響,網(wǎng)側干擾造成的誤差可量化為Gk2(s)·U0。

為了進一步減小網(wǎng)側電壓的干擾,改善注入電流的質(zhì)量,進一步引入前饋PI控制以消除網(wǎng)側電壓干擾。加入網(wǎng)壓前饋環(huán)節(jié)后,網(wǎng)側電壓對注入電流影響為

(6)

可知當反饋傳遞函數(shù)Gf(s)=-1/Gd(s)時,網(wǎng)側電壓對注入電流的影響消除,此時電流控制系統(tǒng)具有較強的抗網(wǎng)側干擾能力,但未從根本上解決穩(wěn)態(tài)誤差的問題。

采用PI控制器時,開環(huán)傳遞函數(shù)按照I型二階最佳系統(tǒng)進行參數(shù)設計,此時校正后開環(huán)系統(tǒng)及PI控制器的伯德圖如圖3所示。

圖 3 PI控制器及校正后開環(huán)系統(tǒng)伯德圖

從圖3可以看出,校正后系統(tǒng)幅值和相角裕度均滿足穩(wěn)定性條件,開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。正弦電流作為輸入的情況下,開環(huán)系統(tǒng)作為I型系統(tǒng),穩(wěn)態(tài)誤差由開環(huán)增益決定,由圖3可知工頻ω=314 rad/s時增益較小,穩(wěn)態(tài)誤差不可避免且較大。

為了解決上述2種控制策略均存在穩(wěn)態(tài)誤差的問題,影響注入電流跟蹤精準度,本文采用比例諧振控制器,傳遞函數(shù)如式(7)所示：

(7)

考慮到PR控制器在非諧振頻率處增益很小,實際工況下網(wǎng)側頻率發(fā)生偏移時導致跟蹤性能下降,故引入準PR控制器,傳遞函數(shù)如式(8)所示：

(8)

式中：ωc為截止頻率。引入截止頻率ωc增加了系統(tǒng)的帶寬,有效抑制了系統(tǒng)頻率波動時增益過小的問題,且隨著ωc增大帶寬越大。圖4給出PR控制器及校正后系統(tǒng)伯德圖。

圖 4 比例諧振控制器及校正后開環(huán)系統(tǒng)伯德圖

由圖4可以看出,系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性條件,且PR控制器在諧振頻率處具有較高幅值增益,進一步增大了校正后開環(huán)系統(tǒng)的增益,有利于大幅減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

綜上所述,前饋PI在傳統(tǒng)PI的基礎上削弱了中性點電壓波動的干擾,但未從根本上解決穩(wěn)態(tài)誤差的問題,引入PR控制器不僅消除了網(wǎng)側干擾,而且在特定頻率下的高增益也進一步削弱了穩(wěn)態(tài)誤差,較傳統(tǒng)PI、前饋PI跟蹤指令電流精準度更高。

3 仿真驗證

為了驗證基于PR控制的配電網(wǎng)單相接地故障有源消弧方法的有效性,利用Matlab搭建了如圖5所示的配電網(wǎng)有源全補償仿真模型并進行驗證。

圖 5 配電網(wǎng)有源全補償消弧系統(tǒng)仿真模型

圖5中有源全補償消弧裝置與消弧線圈并聯(lián)接入接地變壓器,故障發(fā)生時刻跟蹤并注入電流,仿真采用2個H橋級聯(lián)的形式(工程中受開關耐壓等級要求適當增加級數(shù))。其中指令電流的快速、準確生成決定著殘流抑制的效果,需實時測量配電網(wǎng)三相電壓和零序電壓,并判斷是否發(fā)生單相接地故障,若發(fā)生接地故障,按式(5)計算得出指令電流。

圖6分別給出不同控制方法下對參考電流的跟蹤情況。PI控制器下電流跟蹤情況如圖6(a)所示，PR控制器下電流跟蹤情況如圖6(b)所示。

(a) PI控制電流跟蹤

(b) PR控制電流跟蹤

對比分析圖6(a)、(b)可知,PI控制下的電流跟蹤性能較差,存在明顯幅值和相位的偏差,PR控制下參考電流與實際注入電流基本重合實現(xiàn)無靜差,仿真下跟蹤效果更佳。

按上述參數(shù)搭建仿真模型,設定系統(tǒng)0.2 s發(fā)生單相接地故障,0.1 s后投入有源補償裝置。圖7為過渡電阻為100 Ω時,PI和PR控制下故障殘流特征波形圖。

由圖7(a)、(b)可以看出,0.3 s時有源消弧裝置向中性點注入補償電流,PI控制作用下此時故障殘流得到抑制但仍有較大殘流,故障殘流未得到有效補償;PR控制作用下故障殘流幾乎被全補償至0,較PI控制補償精度得到進一步提高,有利于故障電弧的可靠熄滅。

(a) PI控制下故障殘流波形圖

(b) PR控制下故障殘流波形圖

4 結 語

本文針對配電網(wǎng)故障殘流較大，難以可靠熄弧的問題,在分析故障殘流電流特征的基礎上,提出一種基于比例諧振控制的有源全補償消弧方案。該方案利用特定頻率的高增益以消除穩(wěn)態(tài)誤差,較常采用的傳統(tǒng)PI、前饋PI控制策略跟蹤精準度更高,有利于進一步提升故障殘流的補償精度,具有一定實用價值。由于目前該方法無法實現(xiàn)諧波電流的零誤差跟蹤,筆者下一步將針對多頻率特征的故障殘流的無靜差跟蹤策略進行深入研究。