基于有源逆變分相注入的電壓消弧與位移電壓抑制方法

梁洪湘，曾祥君，喻錕，向國杰，熊一帆

(長沙理工大學 電氣與信息工程學院，長沙 410114)

0 引 言

配電網結構復雜，運行環境多變，極易發生隨機故障，其中約70%配電網故障是瞬時性接地故障[1-5]。為提高供電可靠性，減小接地故障殘流與恢復電壓上升速度，我國配電網一般采用中性點經消弧線圈接地。與中性點有效接地相比，中性點經消弧線圈接地能有效提高供電可靠性，但同時也增大了中性點到大地的零序阻抗，當對地參數不對稱時中性點電壓將發生偏移，進而造成相電壓不對稱，影響供電質量。

交流電弧自然過零點后存在兩種恢復過程，第一種是介質強度的恢復過程，另一種是弧道間隙兩端電壓的恢復過程。當介質強度的恢復速度快于恢復電壓的上升速度時，電弧將就此熄滅，反之則重新燃燒。因此，可從減小故障殘流、減小故障點電壓的角度來分析滅弧方法。故障殘流越小，對絕緣介質的損害就越小，越有利于介質強度的恢復，對應的消弧方法稱之為電流消弧；故障點電壓越小，在暫態周期一樣的前提下同時刻的恢復電壓數值也越小，恢復電壓的上升速度就越慢，對應的消弧方法稱之為電壓消弧。

文獻[6-10]采用電流消弧。其中，文獻[6]提出采用自動跟蹤補償的消弧方法，實時檢測系統電容電流，根據電容電流數值動態調節消弧線圈電感值，從而保證補償后的殘流處于較為理想的數值。文獻[7]提出采用消弧線圈分散補償電容電流，以解決現有消弧線圈容量不足的問題。但上述兩種方法只能補償故障電流無功分量，無法補償故障電流的諧波分量與有功分量，無法實現故障電流全補償。文獻[8]提出采用主從逆變器補償故障電流，該方法由主逆變器補償直流分量與基波有功分量，從逆變器補償諧波分量，從而實現故障電流全補償。文獻[9]提出采用新型主從式消弧線圈進行消弧，該方法由采用隨調式與預調式結合的消弧線圈補償無功電流，由電壓式逆變器補償諧波分量與有功分量，從而實現故障電流的全補償。文獻[10]提出在線路首端掛接三相級聯H橋來補償故障電流，通過實時監測故障相電壓計算注入電流值，采用分相注入的方法實現故障相電流全補償。文獻[11-14]采用電壓消弧。其中，文獻[7-8]提出采用消弧線圈與接地故障轉移裝置配合來實現消弧，文獻[11]在故障轉移裝置投入前通過消弧線圈對無功分量進行補償，故障轉移裝置投入后通過鉗制故障相電壓來抑制電弧的重燃。文獻[12] 在故障轉移裝置投入前通過消弧線圈將故障殘流補償到較小的數值，再投入故障轉移裝置進行熄弧。文獻[11-12]所述方法當故障相判斷錯誤時，會引起兩相接地短路，擴大事故范圍。文獻[13-14]提出中性點經消弧線圈并聯有源逆變器實現消弧，通過有源逆變器的輸出電流調節零序電壓，鉗制故障相電壓為0 V，實現瞬時性故障100%熄弧。

我國的中低壓配電系統廣泛采用小電流接地方式[15-18]，而且現有消弧方法大多需要與消弧線圈配合使用，或需要增加額外的接地裝置，與中性點有效接地相比，增大了零序回路阻抗，當發生三相參數不對稱時，中性點將產生位移電壓，影響供電的質量。文獻[19]提出在相與相之間或相與地之間串聯電容，通過改變線路參數迫使三相參數對稱來抑制中性點電壓。但該方法投切電容時需要按組別投切，無法實現精確連續調節。文獻[20-23]通過柔性接地技術來抑制中性點電壓，有源逆變器經中性點向系統注入零序電流來實現對中性點位移電壓的調節，從而強迫三相線路相電壓平衡，實現對不平衡過電壓的抑制。

針對交流電弧熄弧機理以及采用非有效接地后只要三相參數不對稱就會產生中性點位移電壓的缺陷，借鑒現有柔性接地技術的特點[24-25]， 提出一種基于有源逆變分相注入的電壓消弧與中性點位移電壓抑制方法，在三相線路首端分別掛接有源逆變，通過脈寬調制信號控制有源逆變電路的輸出電流，實時監測配網的運行狀態，非故障狀態下三相參數不對稱時，通過有源逆變分相注入零序電流調控中性點電壓，鉗制中性點電壓為0 V，從而實現位移電壓抑制；當出現單相接地故障時，通過有源逆變向系統注入零序電流調控故障相電壓，鉗制故障相電壓為0 V，從而實現電壓消弧。

1 基于有源逆變分相注入的電壓消弧原理分析

對圖1電路做虛線框所示的閉合封閉面，當開關Q閉合時，該封閉面的基爾霍夫電流方程為：

(1)

圖1 采用有源逆變分相注入技術的配電網電路圖Fig.1 Distribution network circuit diagram using active inverter separate-phase injection technology

由基爾霍夫電壓定律可知：

(2)

將式(2)代入式(1)后可得：

(3)

對式(3)進行進一步地整理，可得：

(4)

(5)

通過式(5)計算出注入電流數值后，可通過PWM脈寬調制信號控制有源逆變器的輸出電流。掛接在線路出口端的有源逆變可采取單相注入、兩相注入以及三相同時注入的方式保證故障相電壓為0 V。

當采用單相注入時，有源逆變的輸出電流需滿足：

(6)

采用單相注入時，所有的補償電流全部由一相的有源逆變提供，另外兩相有源逆變輸出電流為0，該種注入方法可適用于電壓等級較低或有源逆變裝置容量較大的情況，當其中一相的有源逆變發生故障而退出運行或其中一相的有源逆變進行檢修時，其余兩相的有源逆變可作為備用，保證檢修期間的有效熄弧能力。

當采用兩相注入時，有源逆變的輸出電流需滿足：

(7)

采用兩相注入時，理論上只需要注入電流之和滿足式(5)，各分相的有源逆變注入電流滿足式(7)即可，但是為了提高有源逆變的使用壽命以及簡化有源逆變的控制策略，提供電流的兩臺有源逆變所分擔的電流比例應該相同。該種注入方式適用于有源逆變裝置容量中等的情況，當注入電流的有源逆變中有一臺因故障或需要檢修而退出運行時，剩余的一臺有源逆變可作為備用，保證檢修期間的有效熄弧。

當采用三相共同注入時，有源逆變的輸出電流需滿足：

(8)

采用三相共同注入時，理論上只需要注入電流之和滿足式(5)，各分相的有源逆變輸出電流滿足式(8)即可，同樣為提高消弧裝置使用壽命及簡化控制策略，提供電流的三臺有源逆變所分擔的電流比例應該相同。

2 基于有源逆變分相注入的位移電壓抑制機理分析

對圖1所示電路做虛線框所示的封閉面，當開關Q斷開時，該封閉面的基爾霍夫電流方程為：

(9)

整理后可得：

(10)

(11)

有源逆變通過式(11)計算出注入電流數值后，可通過PWM脈寬調制信號控制有源逆變器的輸出電流。掛接在線路出口端的有源逆變可采取單相注入、兩相注入以及三相同時注入的方式保證中性點電壓為0 V。

當采用單相注入時，有源逆變的輸出電流需滿足：

(12)

當采用兩相注入時，有源逆變的輸出電流需滿足：

(13)

當采用三相共同注入時，有源逆變的輸出電流需滿足：

(14)

與通過有源逆變分相注入進行電壓消弧一樣，在實際應用時可根據配網電壓等級與有源逆變裝置容量選擇注入方式，當電壓等級較低或有源逆變容量較大時，可選擇單相注入；當配網電壓等級較低或有源逆變裝置容量較小時可選擇三相共同注入。在選擇兩相注入以及三相共同注入時，為提高有源逆變裝置的使用壽命以及簡化控制策略，動作的有源逆變裝置所輸出的電流應保持一致。

3 有源逆變的運行策略分析

由前面的內容可知，通過有源逆變分相注入可鉗制故障相電壓或中性點電壓為0 V，從而在配電網發生單相接地故障后實現電壓熄弧，抑制電弧的重新燃燒；在配電網三相對地參數不對稱時有效抑制中性點位移電壓產生。但是鉗制故障相電壓為0 V和鉗制中性點電壓為0 V所需要注入的電流值并不相同，在注入前需要判斷配電網是處于單相接地故障狀態還是三相不平衡狀態，再以此制定有源逆變的運行策略。

現有消弧裝置大多以零序電壓作為啟動量，當零序電壓超過某一限定值之后就認為系統已經發生了接地故障，但當三相線路對地參數不平衡時，中性點也會出現位移電壓，此時如果按單相接地故障處理，將進一步加劇不對稱狀態。借鑒現有柔性接地技術實現不平衡過電壓抑制的方法，選擇以阻尼率作為判斷單相接地故障和三相線路參數不對稱的依據，圖1所示的配電網阻尼率d的表達為：

(15)

當配電網處于非接地故障時，可認為過渡電阻Rf=+∞，當發生單相接地故障時Rf≠∞，此時阻尼率會增大，故障前后阻尼率的變化為：

(16)

因此可通過實時監測系統的阻尼率，當阻尼率發生突變或阻尼率d>0.15時，認為發生了單相接地故障，否則認為零序電壓產生的原因是三相線路參數不對稱[10]。當發生單相接地故障時，依據式(5)～式(8)向系統注入零序電流實現電壓消弧；當出現三相不平衡過電壓時，依據式(11)～式(14)向系統注入零序電流實現位移電壓抑制。

綜上所述，有源逆變運行策略的流程圖見圖2。

4 仿真分析

為充分驗證所提電壓消弧及位移電壓抑制方法的適用性及有效性，將仿真分為三個部分：第一部分為配電網發生單相接地故障時電壓消弧分析;第二部分為三相線路參數不對稱時對位移電壓的抑制分析;第三部分為在不對稱配電網先進行位移電壓抑制，發生單相接地故障后再進行電壓消弧，上述三種仿真情景下系統電壓等級為10 kV。

4.1 電壓消弧分析

在MATLAB上搭建圖1所示的模型，仿真時間設置為0.5 s，在0.1 s時發生故障，0.2 s時有源逆變向系統注入零序電流，線路電壓等級為10 kV，仿真的參數設置如表1所示[7]。

表1 仿真情景1線路參數Tab.1 Simulation scenario 1 line parameters

當采用單相注入時(以A相為特殊相)，各注入相有源逆變輸出電流波形如圖3所示，故障相電壓及故障相電流如圖4所示。

圖3 單相注入時有源逆變輸出電流波形Fig.3 Active inverter output current waveform during single phase injection

圖4 單相注入時故障相電壓及故障電流波形Fig.4 Fault phase voltage and current waveform during single phase injection

當采用兩相注入時(以A相為特殊相)，各注入相有源逆變輸出電流波形如圖5所示，故障相電壓及故障相電流如圖6所示。

圖5 兩相注入時有源逆變輸出電流波形Fig.5 Active inverter output current waveform during two-phase injection

圖6 兩相注入時故障相電壓及故障電流波形Fig.6 Fault phase voltage and current waveform during two-phase injection

當采用三相注入時，各注入相有源逆變輸出電流波形如圖7所示，故障相電壓及故障相電流如圖8所示。

圖7 三相注入時有源逆變輸出電流波形Fig.7 Active inverter output current waveform during three-phase injection

圖8 三相共同注入時故障相電壓及故障電流波形Fig.8 Fault phase voltage and current waveform during three-phase injection

由圖3～圖8可知，不管是單相注入、兩相注入還是三相共同注入，在0.2 s注入電流后故障相電壓能被快速鉗制到0 V，故障相電流也能被快速補償，從而實現熄弧。

4.2 位移電壓抑制分析

同樣在MATLAB上搭建圖1所示的模型，仿真時間設置為0.5 s，在0.2 s時有源逆變向系統注入零序電流，仿真的線路參數設置如表2所示。

當采用單相注入時(以A相為特殊相)，各注入相有源逆變輸出的電流波形如圖9所示，中性點電壓波形及三相電壓有效值波形如圖10所示。

表2 仿真情景2線路參數Tab.2 Simulation scenario 2 line parameters

圖9 有源逆變輸出電流波形(單相注入時)Fig.9 Active inverter output current waveform during single-phase injection

圖10 中性點電壓及相電壓有效值波形單相注入時Fig.10 Neutral point voltage and phase voltage RMS waveform during single-phase injection

當采用兩相注入時(以A相為特殊相)，各注入相有源逆變輸出的電流波形如圖11所示，中性點電壓波形及三相電壓有效值波形如圖12所示。

當采用三相共同注入時，各注入相有源逆變輸出電流波形如圖13所示，中性點電壓波形及三相電壓有效值波形如圖14所示。

圖11 有源逆變輸出電流波形(兩相注入時)Fig.11 Active inverter output current waveform during two-phase injection

圖12 兩相注入時中性點電壓及相電壓有效值波形Fig.12 Neutral point voltage and phase voltage RMS waveform during two-phase injection

圖13 有源逆變輸出電流波形(三相注入時)Fig.13 Active inverter output current waveform during three-phase injection

圖14 三相注入時中性點電壓及相電壓有效值波形Fig.14 Neutral point voltage and phase voltage RMS waveform during three-phase injection

由圖9～圖14可知，在有源逆變注入電流前，中性點電壓存在偏移，從而導致三相電壓不平衡，會導致A相與C相的相電壓過高，在0.2 s注入電流后(不管是單相注入、兩相注入還是三相共同注入)中性點電壓能快速鉗制到0 V，A、B、C三相的相電壓被強迫對稱，三相電壓的有效值由互不相等變為相等，從而驗證了所提位移電壓抑制方法的有效性。

4.3 不對稱電網位移電壓抑制及電壓消弧分析

此部分仿真的線路參數與表2一致，電壓等級為10 kV，接地故障的過渡電阻設置為200 Ω，仿真時間設置為0.5 s。仿真情景為：仿真一開始配電網處于三相不平衡狀態，在0.2 s時注入電流，鉗制中性點電壓為0 V，抑制三相不平衡過電壓；在0.3 s時A相發生單相接地故障；0.4 s時有源逆變改變注入電流的數值，對故障相電壓進行調節，鉗制故障相電壓為0 V。

由4.1、 4.2仿真內容可知，有源逆變單相注入、兩相注入、三相共同注入的電壓消弧以及三相不平衡過電壓的抑制效果一致，因此，此部分內容的仿真僅以三相共同注入為例進行說明。有源逆變輸出的電流波形如圖15所示。

圖15 仿真情景3有源逆變輸出電流波形Fig.15 Active inverter output current waveform of simulation scenario 3

故障電流波形如圖16所示。

圖16 仿真情景3故障電流波形Fig.16 Fault current waveform of simulation scenario 3

三相電壓有效值波形如圖17所示。

圖17 仿真情景3相電壓有效值波形Fig.17 Phase RMS waveform of simulation scenario 3

中性點電壓波形為如圖18所示。

圖18 仿真情景3中性點電壓波形Fig.18 Neutral point voltage waveform of simulation scenario 3

線路對地泄露電流有效值波形、對地分布電流有效值波形如圖19所示。

圖19 對地泄露電流有效值及分布電流有效值波形Fig.19 Earth leakage current RMS and distributed current RMS waveform

阻尼率波形如圖20所示。

圖20 仿真情景3阻尼率波形Fig.20 Damping rate waveform of simulation scenario 3

由圖15～圖20可知，仿真一開始配電網處于三相不平衡狀態，中性點電壓存在偏移，相電壓有效值不相等，三相電壓處于不對稱狀態，A相、C相電壓偏高而B相電壓偏低；0.2 s時有源逆變向不平衡系統注入電流，中性點電壓在較短時間內被抑制到0 V，三相電壓有效值變為相等，相電壓由不對稱變為對稱，配電網系統由不平衡狀態變為平衡狀態； 0.3 s后發生單相接地故障，阻尼率發生突變，在0.3 s以前阻尼率數值在0.15以內，0.3 s后阻尼率超過了0.15，與此同時相電壓重新由對稱狀態變為不對稱，中性點電壓發生偏移；0.4 s后有源逆變改變運行狀態，改變注入電流的數值對故障電流進行補償，在較短時間內將故障相電壓抑制到0 V，非故障相電壓上升到線電壓，中性點電壓變為故障相電壓的相反數，此時由于線電壓對稱，不會影響系統的正常供電，且由于故障相電壓被鉗制到0 V，故障點將不存在電弧重燃的條件。

5 結束語

提出了一種基于有源逆變分相注入的電壓消弧與位移電壓抑制方法，通過在線路首端分別掛接有源逆變對中性點電壓或故障相電壓進行調節，以阻尼率作為判別接地故障或三相不平衡的依據。該方法可在配電網處于單相接地故障狀態時進行電壓熄弧，在配電網處于非正常運行狀態時進行位移電壓抑制。仿真結果表明，該方法具有較好的電壓消弧以及位移電壓抑制能力，注入方式靈活、可靠性較高、適應性強。與現有消弧方法或位移電壓抑制方法相比具有以下優勢：

(1)與利用消弧線圈消弧相比，所提方法不僅可補償故障電流無功分量，還可補償故障電流有功分量，可實現故障電流全補償；

(2)與現有單相柔性接地技術相比，所提方法可靠性更高，當某一相有源逆變發生故障或需要檢修時，該相有源逆變退出運行期間仍然可保證電壓消弧或不平衡過電壓抑制能力；

(3)與現有分相柔性消弧技術相比，所提方法對每相注入電流的要求更為靈活，控制策略更為簡單，當每相注入電流相等時，只需為一相設計控制器即可。此外，所提方法還可應用于不平衡配電網的故障消弧，使用范圍更加廣泛；

(4)與現有在相間、相對地投切電容器組改變線路對地參數以抑制中性點電壓技術相比，所提方法可實現精確、連續調節。