梁洪湘，曾祥君，喻錕，向國(guó)杰，熊一帆

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114)

0 引 言

配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行環(huán)境多變，極易發(fā)生隨機(jī)故障，其中約70%配電網(wǎng)故障是瞬時(shí)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(fù)電壓上升速度，我國(guó)配電網(wǎng)一般采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地。與中性點(diǎn)有效接地相比，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地能有效提高供電可靠性，但同時(shí)也增大了中性點(diǎn)到大地的零序阻抗，當(dāng)對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱時(shí)中性點(diǎn)電壓將發(fā)生偏移，進(jìn)而造成相電壓不對(duì)稱，影響供電質(zhì)量。

交流電弧自然過零點(diǎn)后存在兩種恢復(fù)過程，第一種是介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過程，另一種是弧道間隙兩端電壓的恢復(fù)過程。當(dāng)介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度快于恢復(fù)電壓的上升速度時(shí)，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(diǎn)電壓的角度來分析滅弧方法。故障殘流越小，對(duì)絕緣介質(zhì)的損害就越小，越有利于介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)，對(duì)應(yīng)的消弧方法稱之為電流消??；故障點(diǎn)電壓越小，在暫態(tài)周期一樣的前提下同時(shí)刻的恢復(fù)電壓數(shù)值也越小，恢復(fù)電壓的上升速度就越慢，對(duì)應(yīng)的消弧方法稱之為電壓消弧。

文獻(xiàn)[6-10]采用電流消弧。其中，文獻(xiàn)[6]提出采用自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償?shù)南》椒?，?shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)電容電流，根據(jù)電容電流數(shù)值動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)消弧線圈電感值，從而保證補(bǔ)償后的殘流處于較為理想的數(shù)值。文獻(xiàn)[7]提出采用消弧線圈分散補(bǔ)償電容電流，以解決現(xiàn)有消弧線圈容量不足的問題。但上述兩種方法只能補(bǔ)償故障電流無功分量，無法補(bǔ)償故障電流的諧波分量與有功分量，無法實(shí)現(xiàn)故障電流全補(bǔ)償。文獻(xiàn)[8]提出采用主從逆變器補(bǔ)償故障電流，該方法由主逆變器補(bǔ)償直流分量與基波有功分量，從逆變器補(bǔ)償諧波分量，從而實(shí)現(xiàn)故障電流全補(bǔ)償。文獻(xiàn)[9]提出采用新型主從式消弧線圈進(jìn)行消弧，該方法由采用隨調(diào)式與預(yù)調(diào)式結(jié)合的消弧線圈補(bǔ)償無功電流，由電壓式逆變器補(bǔ)償諧波分量與有功分量，從而實(shí)現(xiàn)故障電流的全補(bǔ)償。文獻(xiàn)[10]提出在線路首端掛接三相級(jí)聯(lián)H橋來補(bǔ)償故障電流，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)故障相電壓計(jì)算注入電流值，采用分相注入的方法實(shí)現(xiàn)故障相電流全補(bǔ)償。文獻(xiàn)[11-14]采用電壓消弧。其中，文獻(xiàn)[7-8]提出采用消弧線圈與接地故障轉(zhuǎn)移裝置配合來實(shí)現(xiàn)消弧，文獻(xiàn)[11]在故障轉(zhuǎn)移裝置投入前通過消弧線圈對(duì)無功分量進(jìn)行補(bǔ)償，故障轉(zhuǎn)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(xiàn)[12] 在故障轉(zhuǎn)移裝置投入前通過消弧線圈將故障殘流補(bǔ)償?shù)捷^小的數(shù)值，再投入故障轉(zhuǎn)移裝置進(jìn)行熄弧。文獻(xiàn)[11-12]所述方法當(dāng)故障相判斷錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)引起兩相接地短路，擴(kuò)大事故范圍。文獻(xiàn)[13-14]提出中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)有源逆變器實(shí)現(xiàn)消弧，通過有源逆變器的輸出電流調(diào)節(jié)零序電壓，鉗制故障相電壓為0 V，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)性故障100%熄弧。

我國(guó)的中低壓配電系統(tǒng)廣泛采用小電流接地方式[15-18]，而且現(xiàn)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(diǎn)有效接地相比，增大了零序回路阻抗，當(dāng)發(fā)生三相參數(shù)不對(duì)稱時(shí)，中性點(diǎn)將產(chǎn)生位移電壓，影響供電的質(zhì)量。文獻(xiàn)[19]提出在相與相之間或相與地之間串聯(lián)電容，通過改變線路參數(shù)迫使三相參數(shù)對(duì)稱來抑制中性點(diǎn)電壓。但該方法投切電容時(shí)需要按組別投切，無法實(shí)現(xiàn)精確連續(xù)調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[20-23]通過柔性接地技術(shù)來抑制中性點(diǎn)電壓，有源逆變器經(jīng)中性點(diǎn)向系統(tǒng)注入零序電流來實(shí)現(xiàn)對(duì)中性點(diǎn)位移電壓的調(diào)節(jié)，從而強(qiáng)迫三相線路相電壓平衡，實(shí)現(xiàn)對(duì)不平衡過電壓的抑制。

針對(duì)交流電弧熄弧機(jī)理以及采用非有效接地后只要三相參數(shù)不對(duì)稱就會(huì)產(chǎn)生中性點(diǎn)位移電壓的缺陷，借鑒現(xiàn)有柔性接地技術(shù)的特點(diǎn)[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(diǎn)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(diào)制信號(hào)控制有源逆變電路的輸出電流，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，非故障狀態(tài)下三相參數(shù)不對(duì)稱時(shí)，通過有源逆變分相注入零序電流調(diào)控中性點(diǎn)電壓，鉗制中性點(diǎn)電壓為0 V，從而實(shí)現(xiàn)位移電壓抑制；當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，通過有源逆變向系統(tǒng)注入零序電流調(diào)控故障相電壓，鉗制故障相電壓為0 V，從而實(shí)現(xiàn)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(duì)圖1電路做虛線框所示的閉合封閉面，當(dāng)開關(guān)Q閉合時(shí)，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(shù)的配電網(wǎng)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(duì)式(3)進(jìn)行進(jìn)一步地整理，可得：

(4)

(5)

通過式(5)計(jì)算出注入電流數(shù)值后，可通過PWM脈寬調(diào)制信號(hào)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(shí)注入的方式保證故障相電壓為0 V。

當(dāng)采用單相注入時(shí)，有源逆變的輸出電流需滿足：

(6)

采用單相注入時(shí)，所有的補(bǔ)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(jí)較低或有源逆變裝置容量較大的情況，當(dāng)其中一相的有源逆變發(fā)生故障而退出運(yùn)行或其中一相的有源逆變進(jìn)行檢修時(shí)，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(dāng)采用兩相注入時(shí)，有源逆變的輸出電流需滿足：

(7)

采用兩相注入時(shí)，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(jiǎn)化有源逆變的控制策略，提供電流的兩臺(tái)有源逆變所分擔(dān)的電流比例應(yīng)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(dāng)注入電流的有源逆變中有一臺(tái)因故障或需要檢修而退出運(yùn)行時(shí)，剩余的一臺(tái)有源逆變可作為備用，保證檢修期間的有效熄弧。

當(dāng)采用三相共同注入時(shí)，有源逆變的輸出電流需滿足：

(8)

采用三相共同注入時(shí)，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(jiǎn)化控制策略，提供電流的三臺(tái)有源逆變所分擔(dān)的電流比例應(yīng)該相同。

2 基于有源逆變分相注入的位移電壓抑制機(jī)理分析

對(duì)圖1所示電路做虛線框所示的封閉面，當(dāng)開關(guān)Q斷開時(shí)，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(jì)算出注入電流數(shù)值后，可通過PWM脈寬調(diào)制信號(hào)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(shí)注入的方式保證中性點(diǎn)電壓為0 V。

當(dāng)采用單相注入時(shí)，有源逆變的輸出電流需滿足：

(12)

當(dāng)采用兩相注入時(shí)，有源逆變的輸出電流需滿足：

(13)

當(dāng)采用三相共同注入時(shí)，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(jìn)行電壓消弧一樣，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)配網(wǎng)電壓等級(jí)與有源逆變裝置容量選擇注入方式，當(dāng)電壓等級(jí)較低或有源逆變?nèi)萘枯^大時(shí)，可選擇單相注入；當(dāng)配網(wǎng)電壓等級(jí)較低或有源逆變裝置容量較小時(shí)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(shí)，為提高有源逆變裝置的使用壽命以及簡(jiǎn)化控制策略，動(dòng)作的有源逆變裝置所輸出的電流應(yīng)保持一致。

3 有源逆變的運(yùn)行策略分析

由前面的內(nèi)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(diǎn)電壓為0 V，從而在配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后實(shí)現(xiàn)電壓熄弧，抑制電弧的重新燃燒；在配電網(wǎng)三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱時(shí)有效抑制中性點(diǎn)位移電壓產(chǎn)生。但是鉗制故障相電壓為0 V和鉗制中性點(diǎn)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(wǎng)是處于單相接地故障狀態(tài)還是三相不平衡狀態(tài)，再以此制定有源逆變的運(yùn)行策略。

現(xiàn)有消弧裝置大多以零序電壓作為啟動(dòng)量，當(dāng)零序電壓超過某一限定值之后就認(rèn)為系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生了接地故障，但當(dāng)三相線路對(duì)地參數(shù)不平衡時(shí)，中性點(diǎn)也會(huì)出現(xiàn)位移電壓，此時(shí)如果按單相接地故障處理，將進(jìn)一步加劇不對(duì)稱狀態(tài)。借鑒現(xiàn)有柔性接地技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(shù)不對(duì)稱的依據(jù)，圖1所示的配電網(wǎng)阻尼率d的表達(dá)為：

(15)

當(dāng)配電網(wǎng)處于非接地故障時(shí)，可認(rèn)為過渡電阻Rf=+∞，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)Rf≠∞，此時(shí)阻尼率會(huì)增大，故障前后阻尼率的變化為：

(16)

因此可通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的阻尼率，當(dāng)阻尼率發(fā)生突變或阻尼率d>0.15時(shí)，認(rèn)為發(fā)生了單相接地故障，否則認(rèn)為零序電壓產(chǎn)生的原因是三相線路參數(shù)不對(duì)稱[10]。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，依據(jù)式(5)～式(8)向系統(tǒng)注入零序電流實(shí)現(xiàn)電壓消??；當(dāng)出現(xiàn)三相不平衡過電壓時(shí)，依據(jù)式(11)～式(14)向系統(tǒng)注入零序電流實(shí)現(xiàn)位移電壓抑制。

綜上所述，有源逆變運(yùn)行策略的流程圖見圖2。

4 仿真分析

為充分驗(yàn)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(gè)部分：第一部分為配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)電壓消弧分析;第二部分為三相線路參數(shù)不對(duì)稱時(shí)對(duì)位移電壓的抑制分析;第三部分為在不對(duì)稱配電網(wǎng)先進(jìn)行位移電壓抑制，發(fā)生單相接地故障后再進(jìn)行電壓消弧，上述三種仿真情景下系統(tǒng)電壓等級(jí)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(shí)間設(shè)置為0.5 s，在0.1 s時(shí)發(fā)生故障，0.2 s時(shí)有源逆變向系統(tǒng)注入零序電流，線路電壓等級(jí)為10 kV，仿真的參數(shù)設(shè)置如表1所示[7]。

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

當(dāng)采用單相注入時(shí)(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(shí)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(shí)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(dāng)采用兩相注入時(shí)(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(shí)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(shí)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(dāng)采用三相注入時(shí)，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(shí)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(shí)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(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)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(shí)間設(shè)置為0.5 s，在0.2 s時(shí)有源逆變向系統(tǒng)注入零序電流，仿真的線路參數(shù)設(shè)置如表2所示。

當(dāng)采用單相注入時(shí)(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(diǎn)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(shù)Tab.2 Simulation scenario 2 line parameters

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

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

當(dāng)采用兩相注入時(shí)(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(diǎn)電壓波形及三相電壓有效值波形如圖12所示。

當(dāng)采用三相共同注入時(shí)，各注入相有源逆變輸出電流波形如圖13所示，中性點(diǎn)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(shí))Fig.11 Active inverter output current waveform during two-phase injection

圖12 兩相注入時(shí)中性點(diǎn)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(shí))Fig.13 Active inverter output current waveform during three-phase injection

圖14 三相注入時(shí)中性點(diǎn)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(diǎn)電壓存在偏移，從而導(dǎo)致三相電壓不平衡，會(huì)導(dǎo)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(diǎn)電壓能快速鉗制到0 V，A、B、C三相的相電壓被強(qiáng)迫對(duì)稱，三相電壓的有效值由互不相等變?yōu)橄嗟?，從而?yàn)證了所提位移電壓抑制方法的有效性。

4.3 不對(duì)稱電網(wǎng)位移電壓抑制及電壓消弧分析

此部分仿真的線路參數(shù)與表2一致，電壓等級(jí)為10 kV，接地故障的過渡電阻設(shè)置為200 Ω，仿真時(shí)間設(shè)置為0.5 s。仿真情景為：仿真一開始配電網(wǎng)處于三相不平衡狀態(tài)，在0.2 s時(shí)注入電流，鉗制中性點(diǎn)電壓為0 V，抑制三相不平衡過電壓；在0.3 s時(shí)A相發(fā)生單相接地故障；0.4 s時(shí)有源逆變改變注入電流的數(shù)值，對(duì)故障相電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，鉗制故障相電壓為0 V。

由4.1、 4.2仿真內(nèi)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(nèi)容的仿真僅以三相共同注入為例進(jìn)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(diǎn)電壓波形為如圖18所示。

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

線路對(duì)地泄露電流有效值波形、對(duì)地分布電流有效值波形如圖19所示。

圖19 對(duì)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(wǎng)處于三相不平衡狀態(tài)，中性點(diǎn)電壓存在偏移，相電壓有效值不相等，三相電壓處于不對(duì)稱狀態(tài)，A相、C相電壓偏高而B相電壓偏低；0.2 s時(shí)有源逆變向不平衡系統(tǒng)注入電流，中性點(diǎn)電壓在較短時(shí)間內(nèi)被抑制到0 V，三相電壓有效值變?yōu)橄嗟?，相電壓由不?duì)稱變?yōu)閷?duì)稱，配電網(wǎng)系統(tǒng)由不平衡狀態(tài)變?yōu)槠胶鉅顟B(tài)； 0.3 s后發(fā)生單相接地故障，阻尼率發(fā)生突變，在0.3 s以前阻尼率數(shù)值在0.15以內(nèi)，0.3 s后阻尼率超過了0.15，與此同時(shí)相電壓重新由對(duì)稱狀態(tài)變?yōu)椴粚?duì)稱，中性點(diǎn)電壓發(fā)生偏移；0.4 s后有源逆變改變運(yùn)行狀態(tài)，改變注入電流的數(shù)值對(duì)故障電流進(jìn)行補(bǔ)償，在較短時(shí)間內(nèi)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(diǎn)電壓變?yōu)楣收舷嚯妷旱南喾磾?shù)，此時(shí)由于線電壓對(duì)稱，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常供電，且由于故障相電壓被鉗制到0 V，故障點(diǎn)將不存在電弧重燃的條件。

5 結(jié)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(duì)中性點(diǎn)電壓或故障相電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以阻尼率作為判別接地故障或三相不平衡的依據(jù)。該方法可在配電網(wǎng)處于單相接地故障狀態(tài)時(shí)進(jìn)行電壓熄弧，在配電網(wǎng)處于非正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)進(jìn)行位移電壓抑制。仿真結(jié)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(yīng)性強(qiáng)。與現(xiàn)有消弧方法或位移電壓抑制方法相比具有以下優(yōu)勢(shì)：

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

(2)與現(xiàn)有單相柔性接地技術(shù)相比，所提方法可靠性更高，當(dāng)某一相有源逆變發(fā)生故障或需要檢修時(shí)，該相有源逆變退出運(yùn)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(xiàn)有分相柔性消弧技術(shù)相比，所提方法對(duì)每相注入電流的要求更為靈活，控制策略更為簡(jiǎn)單，當(dāng)每相注入電流相等時(shí)，只需為一相設(shè)計(jì)控制器即可。此外，所提方法還可應(yīng)用于不平衡配電網(wǎng)的故障消弧，使用范圍更加廣泛；

(4)與現(xiàn)有在相間、相對(duì)地投切電容器組改變線路對(duì)地參數(shù)以抑制中性點(diǎn)電壓技術(shù)相比，所提方法可實(shí)現(xiàn)精確、連續(xù)調(diào)節(jié)。