基于逆變器的配電網接地故障電流補償算法研究

丁維銘 趙兵 賈俊杰

摘?要：本文設計了一種用于不接地配電網中容性電流補償的三相變流器控制策略。利用希爾伯特變換將接地故障時三相電流分解為正負零序分量，建立逆變器的平均狀態空間模型，并給出電流控制算法。最后通過在Matlab中建立模型仿真對所設計控制算法進行了驗證。

關鍵詞：配電網;單相接地;逆變器;電流控制

一、緒論

隨著補償需求的提出，大多情況下，我國中壓系統采用中性點經消弧線圈或電阻接地的方法[1]。然而，由機械部件構成的消弧線圈會產生損耗使得維護工作頻繁，耗費較多資源[2]。很多情況下由于消弧線圈與系統電容電抗存在誤差，不能夠完全匹配[3];而一旦過補償或者欠補償會導致中性點不對稱的情況出現[4]。為了消除解決問題，本文提出了一種用于配電網發生單相接地故障時的可進行電流補償的三相變流器控制算法，對于發生單相接地故障的容性電流進行補償，降低故障電流的影響。

二、逆變器控制研究

為了有效地實現對中性點不接地配電網系統故障電流的補償，本文設計了一種用于不接地配電網中容性電流補償的三相變流器控制策略，采用與GTI（grid-tie inverter，并網電流型逆變器）近似的能夠快速準確跟蹤目標控制電流的控制方法。接下來將著重研究該控制方式的性能。

本文所采用的抗干擾能力較強的電流型有源補償控制方式是將配網系統得到的濾波電感電流值作為閉環的負反饋信號對系統進行調節，使得系統實現較好的動態特性[5]。與之對應的是電壓型的補償控制方式，該方法將故障電壓、故障電流等電氣量作為參考量，計算H橋的各項參數從而控制補償裝置注入的補償電流實現閉環控制，這會導致網絡對于擾動的反應能力變差，也無法有效抑制諧波電壓[6]。通過比較本文采用了電流型控制方式來構建精確的閉環控制回路。

將H橋級聯逆變器近似為一階慣性環節，用U·f0表示中性點得到得擾動量，接下來用圖1表示將上述系統簡化后的傳遞函數框圖。

圖中：Iins表示被控量，I*ins表示目標補償電流（混合了基波和諧波），G1s表補償裝置，Kpwm為數字控制器的放大倍數，T表示控制器開關周期的一半，Uf0表示作用在中性點單相接地故障處的擾動電壓，1/sL表示連接電感的等效傳遞函數。

考慮到控制系統的整體穩定性，由于閉環增益C（s）存在局限性，這會使得Uf0在基波和主要諧波處補償電流與目標補償電流會存在幅值差和相角差，系統的故障點處電流會發生畸變。所以在補償控制系統的設計中必須要考慮到補償的精度和動態性能，盡量避免上述問題的出現。

（一）正負零序分解算法

本文采用廣義對稱分量法和和希爾伯特變換，按照正、負、零序分量將三相系統電流分解，表達式如式（1）—（3）所示。

正負零序分解算法可表示為圖2所示。其中前向通道GHilb環節為對輸入信號進行-π/2平移后的寬頻帶數字希爾伯特濾波器。

當系統出現單相接地情況時，逆變器需補償接地電流。該種補償方式可以使得單相接地故障發生后故障電流經過補償得到的電流性質為感性電流，其大小與正常相容性電流接近，而零序電壓相位與正常相的零序電壓相位關系相同。

按照式（1）—（3）可將逆變器參考電流分解為正負零序，為逆變器控制提供參考信號。

（二）逆變器控制算法

根據逆變器拓撲，其平均狀態空間數學模型可以描述為：

三、仿真分析

為了分析控制算法的性能，利用Matlab軟件搭建了補償控制算法模型并且對三相逆變器補償電容電流進行了仿真。

仿真分析了兩種模式：無變流器的A相單相接地故障和有變流器的A相單相接地故障。無變流器時的電網電流和接地故障電流波形如圖3所示。加入逆變器補償后的電網電流和接地故障電流波形如圖4所示。

由圖4可以看出，當逆變器投入時，電網電流不平衡被消除，接地故障電流快速衰減至零，補償控制算法得以幫助發生單相接地故障的電弧迅速降低，使得系統恢復穩態運行。

四、結論

本章從電容性故障電流補償的拓撲、原理、補償流程和仿真驗證四個方面進行了研究，進一步設計了一種不接地配電網逆變器補償算法，實現了逆變器輸出補償接地故障時電容電流。設計了正負零序信號提取算法，建立了逆變器平均狀態空間模型，并給出了電流控制算法。通過驗證，仿真結果表明接地故障電流快速衰減，補償控制算法得以幫助發生單相接地故障的電弧迅速降低，實現了精確快速補償的目的。

參考文獻：

[1]劉健，張志華，李云閣，芮俊.基于故障相接地的配電網單相接地故障自動處理[J].電力系統自動化，2020，44（12）：169-180.

[2]劉渝根，王建南，米宏偉，馬晉佩.10kV配電網中性點接地方式的優化研究[J].高電壓技術，2015，41（10）：3355-3362.

[3]薛永端，李娟，徐丙垠.中性點經消弧線圈接地系統小電流接地故障暫態等值電路及暫態分析[J].中國電機工程學報，2015，35（22）：5703-5714.

[4]Winter，K.M.The RCC Ground Fault Neutralizer-A novel scheme for fast earth-fault protection[C]，2005：v3-68-v3-68.

[5]Wang W，Zeng X，Yan L，et al.Principle and Control Design of Active Ground-Fault Arc Suppression Device for Full Compensation of Ground Current[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2017，64（6）：4561-4570.

[6]Tian J，Chen Q，Cheng L，et al.Arc-suppression coil based on transformer with controlled load[J].Electric Power Applications Iet，2011，5（8）：644-653.

作者簡介：丁維銘（1971—?），男，漢族，山東鄒城人，本科，技師，研究方向：安全生產檢測檢驗;趙兵（1976—?），男，漢族，山東鄒城人，專科，助理工程師，研究方向：安全生產檢測檢驗;賈俊杰（1963—?），男，漢族，山東臨沂人，本科，高級工程師，研究方向：安全生產檢測檢驗。