基于金屬性單相接地的功率前饋無差拍控制方法設計

虞申網

(江蘇省溧陽中等專業學校，江蘇溧陽 213300)

電能在人類生活中占據著極其重要的地位，是整個電力系統運作運行的基礎，而電力系統與國民經濟息息相關，一旦出現問題就會造成社會秩序的嚴重混亂。電力系統中最為關鍵的是配電網，它可直接連接用戶。而中性點接地方式的選擇對電網的穩定性有著重要影響[1-2]。中性點接地方式分成大電流接地方式和小電流接地方式[3-4]。大電流接地方式運用在110 kV 系統和220 kV 電力系統中，其整體的安全性較低，當單相接地出現故障時，需要及時切斷斷路器；小電流接地方式則往往運用在中壓配電網系統中，當單相接地出現故障后，故障自行運行一段時間后電弧會自動熄滅。這種方式產生的故障電流很小，不會對供電造成太大影響，為排除故障線路爭取了時間[5]。而在單相不接地發生故障時，系統在消弧線圈的作用下，系統線電壓仍能堅持運行1 h 左右，但會產生弧光和過電壓的問題，需要及時對故障點進行電流補償，以盡快排除故障。

消弧線圈接地系統(又稱諧振接地系統)[6-8]，其中消弧線圈是指帶空氣間隙的電感線圈。系統正常工作時，消弧線圈不會發生作用；但發生故障時，在電壓的作用下消弧線圈會產生感應電流，對接地點進行電流補償[9-11]。基于此，提出了一種基于金屬性單相接地的逆變結構，通過對這種帶消弧選線功能的三相四線逆變器結構進行仿真測試，結果顯示，這種結構結合功率前饋無差拍的控制方法，可有效解決配電網發生單相接地故障時排查難等問題。

1 系統結構

1.1 不接地系統單相接地故障穩態特征分析

當系統單相接地且發生故障時，三相電容電流會發生變化，當測量裝置監測到系統零序電壓達到一定值時，基于前饋無差拍控制方法的逆變結構會對消弧線圈進行調節，以消弧線圈的感應電流來補償并降低電弧重燃的可能性[12-14]。

以故障線路電容等效電路為例，根據故障的零序網絡和零序電壓電流方向，可將故障線路電流分為2 種[15]，零序電流和從故障點倒流的逆向電流。正向電流和零序電流不會因為故障點的變化而變化，而逆向電流則由故障點產生。電流公式為:

在系統單相接地情況下，需要通過采集正向電壓、零序電壓和逆向電壓來控制逆變電源的控制器。單相接地時發生故障，其接地點處電流為Im+In:其中Im是穩態時所有的電容電流之和；In則是故障時逆變電源輸出的補償電流。所有故障點處的電流大小IK為:

正常情況下該電路一般采用補償方式運行，隨著頻率增大，消弧線圈的補償作用減弱，電感電流變小，線路的電容電流增大。

圖1 故障線路電容等效電路

1.2 帶消弧線圈的逆變器結構分析

在逆變器結構中加入消弧線圈，具體結構如圖2 所示。圖2 方框內為逆變電源裝置，L1、L2、L33 條線路的相對地電容分別為C1、C2、C3，對地電容為C0，C4、C5為直流側穩壓電容器，且C4＝C5；E為直流電源。K為接地故障點，L為接地點過渡電阻線圈。當系統中線路L1的C相發生單相接地故障時，把故障點K和大地之間的電路當作外電路，電路開路時計算出來的電壓，即C相電源電動勢UC，而電容為框內所有電容之和:

圖2 帶消弧選線功能的逆變電源系統拓撲結構圖

1.3 輸入信號的電容電流檢測

在系統中輸入高頻信號，從而得到系統在正常運行時的對地電容Ck，計算方法如式(4)。一般在消弧線圈系統中輸入150 Hz 的功率。

式中:f為高頻信號頻率，π 為圓周率，UK為系統接地電壓，IK為系統接地電流。

發生故障后，逆變器的輸出電流為每條線路正常運行時的電流及故障點K的補償電流即:

單相接地故障時對地電容電流為:

此時，逆變器的電流主要由工頻、高頻以及接地補償3 部分組成。假設逆變器輸出功率為P，系統存在開關損耗。為了實時監控電流的快速跟蹤，提出一種無差拍控制電流方法，以實現電流的快速準確跟蹤指令。

當系統正常運行時，I為變頻恒流信號；當系統發生單相接地故障時，存在逆向電流Im-Ik。將t時刻的電流信號標記為參考電流，同時調節信號，計算出系統對地電容；系統一旦發生單相接地故障，就可對接地點進行電容電流的補償并完成電流的無差跟蹤。

1.4 選線方法

基于金屬性單相接地功率前饋無差拍控制的逆變結構，通常根據逆變輸出電源提供的電流I 來追蹤標記電流并調節信號以實現無差拍的電流控制。根據以上分析得到，基于電流識別的選線方法首先要判斷是否發生接地故障，如果發生，即通過電流識別電容初值，然后計算電容，從而實現故障選線，具體流程如圖3 所示。

圖3 故障選線流程圖

2 仿真與實驗驗證

搭建如圖2 的仿真模型，以驗證基于金屬性單相接地無差拍控制的逆變電源結構的可行性。表1是本結構在進行仿真時需要用到的相關參數。

表1 系統仿真參數

根據以上參數對本結構進行模擬仿真測試，驗證該結構是否可以得到對地分布的電容值。將測試分為2 個階段，一個是系統正常運行的階段，另一個是系統發生故障后單相接地并輸入高頻信號階段。圖4 是逆變電源輸入高頻前后的3u0 及3i0 的幅值變化圖。圖中可以看到，0～0.04 s 時系統處于穩定狀態，3u0 和3i0 皆保持不變，但在0.04 s 后3u0 升高至5.7 V，3i0 升值0.25 A，頻率維持不變。根據式(5)可以計算出系統等效對地分布電容C＝7.9 μF，與設定值很接近。

圖4 3u0 及3i0 幅值變化圖

仿真模擬測試分為3 種狀態，第1 階段為系統處于正常狀態，時間為0 s～0.02 s，第2 階段為系統處于無電流進行補償時B 相接地的狀態，時間為0.02 s～0.06 s，第3 階段為在系統機構中增加消弧電線，時間為0.06 s～0.10 s。圖5 是系統進行仿真模擬測試后的各個參數的變化曲線。從圖中可以看到第1 階段時，uA、uB、uC 為系統正常時的相電壓，3u0、ik 分別為0、0；第2 階段，uA、uC 線電壓為400 V，uB 為0，3u0 為3 倍的相電壓，ik 為非故障電容的電流總和。第3 階段時，3u0、uA、uB、uC 的值基本保持不變，但在消弧選線電流補償作用下，故障點電流只留逆變電源輸入的額外高頻信號，同時具有故障點電流補償及排除故障線等功能。

圖5 系統仿真模擬測試電流補償和選線功能的各參數變化曲線圖

3 實驗結果

實驗采用型號為TMS320F2812 的DSP 數字控制器，驗證帶消弧選線功能逆變器拓撲結構和控制方法的合理性。實驗分為正常運行以及單相接地2種情況，如圖6 所示，從圖中可以看到，在正常運行時間段(0 s～0.03 s)，uA、uB、uC、3u0、ik 最大值分別為230 V、230 V、230 V、0 V、0 A。0.03 s～0.05 s時，系統處于未接地補償情況，此時，uA、uB、uC、3u0、ik 最大值變為為0 V、400 V、400 V、690 V、4.23 A。0.05 s～0.08 s，系統在A 相接地時，逆變電源有消弧和選線2 種功能狀態，若uA、uB、uC、3u0 不變，ik 由于消弧選線電流In的作用基本降為0，那么將只保留選線高頻信號。

圖7 為接地前后每條支路的高頻零序電流大小的變化關系。接地前，各支路高頻零序電流穩定在51.3 mA。而接地后，故障支路的高頻零序電流從51.3 mA 增大至101.2 mA，而其他支路的高頻零序電流則由51.3 mA 減小至30.2 mA。因此，通過故障前后各支路高頻零序電流的變化可追蹤故障發生的支路。

圖6 各電氣參數最大值變化

圖7 接地前后各支路高頻零序電流大小變化圖

4 結語

本研究給出了一種帶消弧選線功能的逆變器結構，通過結合基于金屬性單相接地的功率前饋無差拍控制方法，可實現配電網的電流補償功能以及選線的作用。隨后對這種結構進行仿真，驗證了這種無差拍控制方法的有效性。