比例諧振控制的配電網(wǎng)有源全補(bǔ)償消弧方法

滑軍杰,邵文權(quán),程 遠(yuǎn),李 寧

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

0 引 言

配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行方式多樣,各類(lèi)事故頻發(fā),其中瞬時(shí)性接地故障占70%以上[1-3]。為提升供電可靠性,我國(guó)配電網(wǎng)采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行方式以補(bǔ)償接地故障時(shí)電容電流,從而加速電弧熄滅。由于接地故障時(shí)電流將進(jìn)一步增大,導(dǎo)致經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償后故障電流仍無(wú)法保證在可靠熄弧范圍內(nèi)[4]。較大故障殘流導(dǎo)致電弧無(wú)法自行熄滅,產(chǎn)生的弧光過(guò)電壓會(huì)造成設(shè)備的絕緣擊穿,甚至?xí)构收嫌绊懛秶鷶U(kuò)大[5-7]。

為進(jìn)一步減小故障殘流以加速故障電弧熄滅,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了全補(bǔ)償有源消弧方法[8-11]。其中采用單相有源濾波技術(shù)的全補(bǔ)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(lèi)方法注入零序電流以強(qiáng)制故障點(diǎn)電壓為零實(shí)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(fù)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(diǎn)[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(shí)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(yùn)行可靠性的制約。

綜上所述,本文采用消弧線圈配合級(jí)聯(lián)H橋的主從式全補(bǔ)償電流消弧方案,能夠克服上述方案存在的弊端;同時(shí)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(jìn)一步實(shí)現(xiàn)殘流深度補(bǔ)償。仿真結(jié)果表明,PR控制能實(shí)現(xiàn)對(duì)注入電流的快速、精準(zhǔn)跟蹤,有效補(bǔ)償接地殘流至可靠熄弧范圍。

1 有源全補(bǔ)償消弧原理

隨著城市配網(wǎng)電纜化日益普及導(dǎo)致補(bǔ)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(bǔ)償后仍高達(dá)幾十安培[19],顯然無(wú)法滿(mǎn)足電弧可靠熄滅的條件(一般認(rèn)為5A為可靠熄弧門(mén)檻值)。本文采用有源注入全補(bǔ)償故障殘流的方法,通過(guò)控制級(jí)聯(lián)H橋逆變器向中性點(diǎn)注入與故障殘流等幅、反相的電流達(dá)到全補(bǔ)償效果。圖1給出了級(jí)聯(lián)H橋逆變器有源注入的全補(bǔ)償消弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

(1)

(2)

(3)

(4)

由式(4)可知,注入相應(yīng)幅值、相位的電流能夠有效補(bǔ)償殘流中的有功、無(wú)功、諧波分量,彌補(bǔ)了消弧線圈無(wú)法實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償?shù)牟蛔?有效抑制了故障殘流以實(shí)現(xiàn)可靠熄弧。

2 電流閉環(huán)控制策略對(duì)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(duì)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(mǎn)足對(duì)指令電流準(zhǔn)確、快速跟蹤。對(duì)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(chǔ)上,提出一種基于PR控制的電流閉環(huán)控制策略,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)接地殘流的深度補(bǔ)償。圖2給出傳統(tǒng)PI電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(cè)電壓共同作用,如式(5)所示:

(5)

由式(5)可知,由于開(kāi)環(huán)增益并非無(wú)窮大,參考電流系數(shù)Gk1(s)≠1,故PI控制對(duì)參考電流的跟蹤存在穩(wěn)態(tài)誤差,且對(duì)并網(wǎng)有源消弧裝置,中性點(diǎn)電壓U0可視為外加干擾源,會(huì)對(duì)注入電流的精準(zhǔn)度造成影響,網(wǎng)側(cè)干擾造成的誤差可量化為Gk2(s)·U0。

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

(6)

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

采用PI控制器時(shí),開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)按照I型二階最佳系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì),此時(shí)校正后開(kāi)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(kāi)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(mǎn)足穩(wěn)定性條件,開(kāi)環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。正弦電流作為輸入的情況下,開(kāi)環(huán)系統(tǒng)作為I型系統(tǒng),穩(wěn)態(tài)誤差由開(kāi)環(huán)增益決定,由圖3可知工頻ω=314 rad/s時(shí)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(wèn)題,影響注入電流跟蹤精準(zhǔn)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(shí)際工況下網(wǎng)側(cè)頻率發(fā)生偏移時(shí)導(dǎo)致跟蹤性能下降,故引入準(zhǔn)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(dòng)時(shí)增益過(guò)小的問(wèn)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(kāi)環(huán)系統(tǒng)伯德圖

由圖4可以看出,系統(tǒng)滿(mǎn)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(jìn)一步增大了校正后開(kāi)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(chǔ)上削弱了中性點(diǎn)電壓波動(dòng)的干擾,但未從根本上解決穩(wěn)態(tài)誤差的問(wèn)題,引入PR控制器不僅消除了網(wǎng)側(cè)干擾,而且在特定頻率下的高增益也進(jìn)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(zhǔn)度更高。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)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(bǔ)償仿真模型并進(jìn)行驗(yàn)證。

圖 5 配電網(wǎng)有源全補(bǔ)償消弧系統(tǒng)仿真模型

圖5中有源全補(bǔ)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(shí)刻跟蹤并注入電流,仿真采用2個(gè)H橋級(jí)聯(lián)的形式(工程中受開(kāi)關(guān)耐壓等級(jí)要求適當(dāng)增加級(jí)數(shù))。其中指令電流的快速、準(zhǔn)確生成決定著殘流抑制的效果,需實(shí)時(shí)測(cè)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(jì)算得出指令電流。

圖6分別給出不同控制方法下對(duì)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(duì)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(shí)際注入電流基本重合實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差,仿真下跟蹤效果更佳。

按上述參數(shù)搭建仿真模型,設(shè)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(bǔ)償裝置。圖7為過(guò)渡電阻為100 Ω時(shí),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(shí)有源消弧裝置向中性點(diǎn)注入補(bǔ)償電流,PI控制作用下此時(shí)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(bǔ)償;PR控制作用下故障殘流幾乎被全補(bǔ)償至0,較PI控制補(bǔ)償精度得到進(jìn)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(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)配電網(wǎng)故障殘流較大，難以可靠熄弧的問(wèn)題,在分析故障殘流電流特征的基礎(chǔ)上,提出一種基于比例諧振控制的有源全補(bǔ)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(zhǔn)度更高,有利于進(jìn)一步提升故障殘流的補(bǔ)償精度,具有一定實(shí)用價(jià)值。由于目前該方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)諧波電流的零誤差跟蹤,筆者下一步將針對(duì)多頻率特征的故障殘流的無(wú)靜差跟蹤策略進(jìn)行深入研究。