基于輪換消弧的配電網(wǎng)單相接地故障柔性調(diào)控方法

黃澤鈞，郭 祺，涂春鳴，侯玉超，姜 飛，盧柏樺

（1. 國家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心（湖南大學(xué)）,湖南省長沙市 410082；2. 長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,湖南省長沙市 410004；3. 廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,廣西壯族自治區(qū)南寧市 530023）

0 引言

配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,運行方式多樣,易發(fā)生多類故障,其中單相接地故障占的比重最大。隨著配電網(wǎng)中電力電子設(shè)備以及非線性負(fù)載的大量接入,接地故障電流中的有功含量和諧波含量大幅增加［1-3］。目前,配電網(wǎng)廣泛采用的消弧線圈只能補償接地故障電流的容性無功分量,不能對有功分量和諧波分量進行補償。發(fā)生單相接地故障時,如果只補償故障電流的無功分量,有功分量依舊可能維持電弧的燃燒［4-6］。若不對故障電流進行有效抑制,將可能導(dǎo)致故障蔓延,引發(fā)大面積、長時間停電事故,危及電網(wǎng)安全可靠運行［7-9］。

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,有源消弧技術(shù)可實現(xiàn)接地故障電流中無功功率、有功功率和諧波分量的全補償,極大程度地提高了配電網(wǎng)的接地故障調(diào)控能力。有源消弧技術(shù)主要分為中性點有源消弧和非中性點有源消弧兩類。中性點有源消弧技術(shù)將變流器安裝于電網(wǎng)中性點處［10-12］,具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)勢,在故障期間注入消弧電流,實現(xiàn)了對單相接地故障的有效抑制。但該方法通常只在電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時運行,設(shè)備利用率較低。非中性點有源消弧裝置直掛于電網(wǎng),不僅可工作于故障消弧模式,還可在電網(wǎng)正常時實現(xiàn)無功補償、諧波治理等功能,裝置利用率和實用性高,受到了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注［13-16］。

非中性點有源消弧變流器的直流側(cè)電壓穩(wěn)定是實現(xiàn)接地故障電流全補償?shù)挠辛ΡＵ?。目?非中性點有源消弧裝置的能量獲取方式主要為外加額外供能裝置、控制變流器從并網(wǎng)點吸收能量。在外加供能裝置方面,文獻［13］在每個H 橋模塊的直流側(cè)并聯(lián)儲能裝置,因此裝置整體成本較高。文獻［14］在文獻［13］的基礎(chǔ)上,僅在每相變流器的一個H 橋模塊直流側(cè)接入不可控整流裝置,并通過模型預(yù)測控制實現(xiàn)了級聯(lián)H 橋變流器直流側(cè)電壓平衡。該方法雖然減少了不可控整流裝置的數(shù)量,但控制復(fù)雜度高。在控制變流器從并網(wǎng)點吸收能量方面,文獻［15］通過控制變流器從電網(wǎng)吸收能量,維持了變流器直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。雖然無須加入額外的供能設(shè)備,但未考慮線路阻抗和對地電阻。文獻［16］通過在變流器公共連接點處接入單相級聯(lián)H 橋變流器,實現(xiàn)了直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。但該方法在接地故障電流有功分量較大的場合,變流器公共連接點電壓將發(fā)生較大偏移,進而影響直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定。因此,非中性點有源消弧方案如何在不依賴外加供能裝置的前提下,實現(xiàn)單相接地故障電流的全補償與直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定,值得深入研究與探討。

為此,本文提出了一種基于輪換消弧的配電網(wǎng)單相接地故障柔性調(diào)控方法。首先,分析了不同單相接地故障工況下,多功能消弧變流器直流側(cè)電容電壓的變化規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上對輪換消弧的過程進行了詳細(xì)分析。其次,分析了輪換消弧期間直流側(cè)電壓的變化規(guī)律,對多功能消弧變流器輪換消弧的參數(shù)進行了設(shè)計。推導(dǎo)了電壓調(diào)節(jié)時間的取值范圍,保證了直流側(cè)電容電壓在輪換周期結(jié)束前完全恢復(fù)。最后,通過仿真和實驗驗證了所提輪換消弧方法的正確性和可行性。

1 消弧原理

含多功能消弧變流器的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,三相多功能消弧變流器對稱分布,各相橋臂可獨立運行。

圖1 含多功能消弧變流器的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Distribution network topology with multifunctional arc suppression converter

圖1 中,E?a、E?b、E?c分 別 為A、B、C 三 相 電 源 電壓；I?a、I?b、I?c分別為A、B、C 三相電網(wǎng)電 流；U?sa、U?sb、U?sc分別為A、B、C 三相多功能消弧變流器并網(wǎng)點電壓；U?inva、U?invb、U?invc分別為A、B、C 三相變流器輸出電 壓；I?ca、I?cb、I?cc分 別 為A、B、C 三 相 變 流 器 的 電 流；U?o為 電 網(wǎng) 中 性 點 電 壓；Udc為 直 流 側(cè) 電 容 電 壓；rA、rB、rC分別為A、B、C 三相線路對地電阻；C0A、C0B、C0C分別為A、B、C 三相線路對地電容；Cdc為直流側(cè)電容；Rf為接地故障過渡電阻。

多功能消弧變流器在電網(wǎng)正常運行時,工作于無功補償模式,可有效實現(xiàn)無功補償；在電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時,工作于消弧模式,可實現(xiàn)對接地故障電流的全補償,達(dá)到柔性消弧的目的。

圖2 所示為配電網(wǎng)等效電路圖。單相接地故障發(fā)生后,接地故障點與大地、配電網(wǎng)對地電阻和電容形成回路,配電網(wǎng)對地電流流經(jīng)故障點形成故障電流。變流器可以等效為電流源,并向電網(wǎng)注入消弧電流,進而有效抑制故障電流。

圖2 配電網(wǎng)等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of distribution network

假設(shè)C 相發(fā)生單相接地故障,對D點列寫KCL方程,并代入電壓和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可得:

若考慮三相對地參數(shù)不平衡和接地故障電流諧波工況,消弧電流修正為:

式中:I?h為接地故障電流的諧波分量。

此外,考慮三相對地參數(shù)不平衡工況的對地參數(shù)測量方法可參考文獻［17-20］。

若考慮三相電壓不平衡工況,消弧電流修正為:

因此,只需要根據(jù)具體工況,控制多功能消弧變流器注入相應(yīng)的消弧電流,接地故障電流即可得到有效抑制。目前,基于單相/兩相/三相多功能消弧變流器注入消弧電流的方式均吸引了眾多學(xué)者的關(guān)注。在完全消弧的前提下,由于故障相并網(wǎng)點電壓接近于0,導(dǎo)致實際運行中很難維持故障相多功能消弧變流器正常運行,故本文選擇非故障相注入消弧電流。

2 不同單相接地故障工況下多功能消弧變流器直流側(cè)電容電壓的變化規(guī)律

由式（2）可知,消弧電流的相位取決于線路對地參數(shù),配電網(wǎng)線路對地電阻r0和電容C0的不同會導(dǎo)致消弧電流I?z發(fā)生變化,進而導(dǎo)致不同單相接地故障下,多功能消弧變流器消弧時的變流器直流側(cè)電容電壓的變化規(guī)律不同。

當(dāng)A 相多功能消弧變流器進行消弧時,直流側(cè)電容交換的有功功率Pdca為:

式中:Izsa為A 相多功能消弧變流器消弧時的有功電流有效值；Eca為C 相和A 相之間的電壓有效值；α為A 相消弧時的功率因數(shù)角。

當(dāng)B 相多功能消弧變流器進行消弧時,直流側(cè)電容交換的有功功率Pdcb為:

式中:Izsb為B 相多功能消弧變流器消弧時的有功電流有效值；Ecb為C 相和B 相之間的電壓有效值；β為B 相消弧時的功率因數(shù)角。

消弧期間的相量圖如圖3 所示。

圖3 消弧期間的相量圖Fig.3 Phasor diagram during arc suppression

圖中:β-α=60°。當(dāng)只考慮線對地電阻時,即C0=0,此時α=-30°,β=30°。僅考慮線對地電容時,即r0=∞,此時α=60°,β=120°。根據(jù)配電網(wǎng)對地參數(shù)的不同,將單相接地故障工況分為:工況1（-30°<α<30°,30°<β<90°）和 工 況2（30°<α<60°,90°<β<120°）。對于工況1,若采用非故障相A 相進行單相消弧,此時Pdca>0,A 相多功能消弧變流器向電網(wǎng)注入有功功率,直流側(cè)電壓下降；若采用非故障相B 相進行單相消弧,此時Pdcb>0,B 相多功能消弧變流器向電網(wǎng)注入有功功率,直流側(cè)電壓下降。當(dāng)配電網(wǎng)處于工況2 時,若采用非故障相A 相進行單相消弧,由式（5）可知,此時Pdca>0,多功能消弧變流器的A 相變流器向電網(wǎng)注入有功功率,直流側(cè)電壓下降；若采用非故障相B 相進行單相消弧,由式（6）可知,此時Pdcb<0,多功能消弧變流器的B 相變流器從電網(wǎng)吸收有功功率,直流側(cè)電壓上升。

3 輪換消弧原理

由第2 章分析可知,采用任意一個非故障相多功能消弧變流器進行消弧均不能使直流側(cè)電容電壓達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)?；诖?本文提出了一種基于輪換消弧的配電網(wǎng)單相接地故障柔性調(diào)控方法?？刂埔粋€非故障相多功能消弧變流器進行消弧,另一相多功能消弧變流器恢復(fù)變流器直流側(cè)電壓,一段時間后進行交換,并以此循環(huán)往復(fù)。輪換消弧期間,消弧電流只在對地回路中流通,穩(wěn)壓電流只在兩相多功能消弧變流器之間流通,接地電阻并未流過電流?？偟膩碚f,采用兩個非故障相多功能消弧變流器相互協(xié)調(diào)配合,既有效抑制了接地故障電流,同時也維持了直流側(cè)電容電壓的相對穩(wěn)定。

假定配電網(wǎng)C 相發(fā)生單相接地故障,A 相和B相多功能消弧變流器進行輪換消弧。定義承擔(dān)消弧任務(wù)的非故障相為消弧相,承擔(dān)電壓恢復(fù)任務(wù)的非故障相為穩(wěn)壓相。

當(dāng)發(fā)生單相接地故障時,配電網(wǎng)通常處于工況2［21-22］,下文將以此工況為例對整個輪換消弧過程進行詳細(xì)分析。

輪換消弧非故障相多功能消弧變流器直流側(cè)電容電壓的波形如圖4 所示。圖中,udca和udcb分別為A相和B 相多功能消弧變流器的直流側(cè)電容電壓。T0～T1期間電網(wǎng)正常運行；T1～T2為第1 個輪換周期；T2～T3為第2 個輪換周期；T4時刻故障消除。

圖4 輪換消弧非故障相多功能消弧變流器直流側(cè)電容電壓波形Fig.4 DC-link capacitance voltage waveforms of nonfault phase of multi-functional arc suppression converter with rotating arc suppression

T0～T1期間A、B 兩相多功能消弧變流器工作在無功補償模式,此時直流側(cè)電容電壓維持穩(wěn)定。

T1時刻C 相發(fā)生單相接地故障,T1～T2期間A相多功能消弧變流器先進行消弧,直流側(cè)電壓下降,此時由于B 相電壓未發(fā)生變化,B 相多功能消弧變流器直流側(cè)電壓不變。一段時間后切換為B 相多功能消弧變流器進行消弧,直流側(cè)電壓上升,而A 相多功能消弧變流器進行穩(wěn)壓,直流側(cè)電壓恢復(fù)至穩(wěn)定值。

T2～T3期間A 相多功能消弧變流器先進行消弧,直流側(cè)電壓下降,而B 相多功能消弧變流器進行穩(wěn)壓。一段時間后切換為B 相多功能消弧變流器進行消弧時,此時B 相多功能消弧變流器進行消弧,直流側(cè)電壓上升,而A 相多功能消弧變流器進行穩(wěn)壓。

T3～T4期間按照第2 個輪換周期的輪換順序循環(huán)進行輪換消弧,多功能消弧變流器直流側(cè)電壓變化規(guī)律和第2 個輪換周期相同。

T4時刻后A、B 兩相多功能消弧變流器工作于無功補償模式,直流電壓開始恢復(fù)至穩(wěn)定值。

為進一步說明輪換消弧時的功率流動情況,圖5 給出了第2 個輪換周期后的能量流動圖。

圖5 中,紅色實線表示消弧補償?shù)臒o功功率,藍(lán)色實線表示消弧補償?shù)挠泄β?藍(lán)色虛線表示穩(wěn)壓時交換的有功功率。

如圖5（a）所示,當(dāng)A 相進行消弧時,B 相多功能消弧變流器可以控制為穩(wěn)壓模式。此時,A 相多功能消弧變流器向電網(wǎng)和對地電阻提供有功功率,同時A 相多功能消弧變流器和電網(wǎng)吸收對地電容產(chǎn)生的無功功率,B 相多功能消弧變流器輸出一定有功功率維持直流側(cè)電壓。

如圖5（b）所示,當(dāng)B 相進行消弧時,A 相多功能消弧變流器可以控制為穩(wěn)壓模式。此時,電網(wǎng)向B相多功能消弧變流器和對地電阻提供有功功率,B相多功能消弧變流器和電網(wǎng)吸收對地電容產(chǎn)生的無功功率,A 相多功能消弧變流器吸收一定有功功率維持直流側(cè)電壓。

圖5 第2 個輪換周期后的能量流動圖Fig.5 Energy flow diagram after the second rotation cycle

4 輪換消弧參數(shù)計算

由第3 章分析可知,多功能消弧變流器進行輪換消弧時,兩個非故障相的直流側(cè)電壓與輪換周期密切相關(guān)。為保證消弧期間非故障直流側(cè)電容電壓的完全恢復(fù),本章將對輪換消弧期間的控制參數(shù)進行計算。

由圖4 可知,在第2 個輪換周期后,多功能消弧變流器直流側(cè)電壓呈周期性變化,本章以第2 個輪換周期為例進行分析。第2 個輪換周期的非故障相多功能消弧變流器直流側(cè)電壓波形如圖6 所示。

圖6 第2 個輪換周期的非故障相多功能消弧變流器直流側(cè)電容電壓波形Fig.6 DC-link capacitance voltage waveforms of nonfault phase of multi-functional arc suppression converter in the second rotation cycle

圖6 中,Udc0為直流側(cè)電壓穩(wěn)定值,Udc1為B 相作為消弧相進行消弧時直流側(cè)電壓的上升值,Udc2為A 相作為消弧相進行消弧時直流側(cè)電壓的下降值,td為A 相消弧時間,tr為B 相消弧時間,tc為直流側(cè)電壓恢復(fù)時間。

假定T2～Tch期間A 相作為消弧相進行單相消弧,電壓從穩(wěn)定值Udc0下降到Udc2,此時B 相作為穩(wěn)壓相將電壓從Udc1恢復(fù)至穩(wěn)定值Udc0。在Tch時刻進行輪換,此時A 相由消弧相轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓相,B 相由穩(wěn)壓相轉(zhuǎn)換為消弧相。假定Tch～T3期間,A 相將電壓從Udc2恢復(fù)至穩(wěn)定值Udc0,B 相進行單相消弧,電壓從穩(wěn)定值Udc0上升到Udc1。

4.1 A 相消弧時間td計算

定義電壓波動系數(shù)S為:

式中:idca為A 相多功能消弧變流器直流側(cè)電容電流；N為級聯(lián)數(shù)目。

根據(jù)瞬時有功功率平衡關(guān)系,聯(lián)立式（10）、式（11）可得:

4.2 B 相消弧時間tr計算

當(dāng)采用B 相進行消弧時,直流側(cè)電容處于充電狀態(tài)。假設(shè)B 相相電壓和注入電流均為正弦波,即:

假設(shè)B 相直流側(cè)電容的初始電壓為Udc0,解微分方程,為方便求解tr,忽略較小的二倍頻正弦量得到直流側(cè)電容電壓udcb為:

4.3 電壓恢復(fù)時間tc計算

穩(wěn)壓相多功能消弧變流器控制框圖如附錄A圖A1 所示。圖中,Udc.ref和Udc分別為穩(wěn)壓相多功能消弧變流器直流側(cè)電壓參考值和實際值；KP1和KI1分別為電壓外環(huán)比例系數(shù)和積分系數(shù)；KP2和KI2分別為電流內(nèi)環(huán)比例系數(shù)和積分系數(shù)；KPWM為變流器等效增益,為了簡化分析這里取KPWM為1；L為濾波電感；m為調(diào)制比,為簡化分析msinθ取為1；E為穩(wěn)壓相相電壓；PLL 為鎖相環(huán)。

根據(jù)附錄A 圖A1 所示控制框圖,通常忽略電流環(huán)的慣性時間常數(shù),將電流環(huán)近似看成放大倍數(shù)為1 的比例環(huán)節(jié)［23］,可以得到直流側(cè)電容電壓參考值到實際值的閉環(huán)傳遞函數(shù)Gdc(s)為:

式中:ωn為自然振蕩角頻率；ζ為阻尼比。

為避免穩(wěn)壓相多功能消弧變流器在恢復(fù)電壓時產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象,本文將穩(wěn)壓相電壓恢復(fù)過程設(shè)置為過阻尼,從而使下一個輪換周期的電壓初始值與上一個輪換周期的最終值相同。由式（22）得到單位階躍響應(yīng)的表達(dá)式為:

對式（22）進行拉普拉斯反變換,得到系統(tǒng)在時域下的階躍響應(yīng)為:

由于式（25）括號內(nèi)包含兩項衰減的指數(shù)項,在工程上,ζ≥1.5 時,由于后一項衰減速度遠(yuǎn)大于前一項［24-25］,此時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)為:

直流側(cè)電容電壓恢復(fù)至95%Udc以內(nèi)可認(rèn)為直流電壓基本恢復(fù)穩(wěn)定［26-27］。由式（26）可計算出穩(wěn)壓相多功能消弧變流器直流側(cè)電容電壓從Udc1或Udc2恢復(fù)至99%Udc0時的響應(yīng)時間tc為:

為了保證在tr和td時間內(nèi),穩(wěn)壓相多功能消弧變流器直流側(cè)電容電壓已經(jīng)恢復(fù)至參考電壓,根據(jù)式（14）、式（21）、式（27）,可得tc、tr和td滿足:

為進一步研究多功能消弧變流器直流側(cè)電壓穩(wěn)定值Udc0和波動系數(shù)S對輪換消弧參數(shù)的影響,附錄A 圖A2 給出了tr和td的變化規(guī)律。從圖中可以看出,當(dāng)電壓波動系數(shù)越小時,tr和td越小,即多功能消弧變流器的輪換速度越快,為協(xié)調(diào)切換時間與電壓波動系數(shù)S的關(guān)系,需要合理設(shè)置電壓波動系數(shù)以滿足直流側(cè)電壓波動范圍和控制器響應(yīng)時間的要求。同時,為滿足式（28）,需要穩(wěn)壓相多功能消弧變流器直流側(cè)電壓恢復(fù)速度快,因此需要合理設(shè)置控制參數(shù)。

5 輪換消弧流程及控制策略

輪換消弧流程圖和控制策略分別如附錄A 圖A3 和圖A4 所示,首先完成單相接地故障判斷,鑒于目前關(guān)于單相接地故障檢測的研究較多且相對成熟,本文不再詳細(xì)論述。根據(jù)實際需求確定電壓波動系數(shù)S和多功能消弧變流器直流側(cè)電壓穩(wěn)定值Udc0。根據(jù)式（2）計算出消弧電流,進而計算出非故障相注入消弧電流時的有功分量Izsa、Izsb。根據(jù)式（14）、式（21）計算出A 相多功能消弧變流器的消弧時間td和B 相多功能消弧變流器的消弧時間tr。通過合理設(shè)置控制器參數(shù),并根據(jù)式（27）計算穩(wěn)壓相電壓恢復(fù)時間tc,進而滿足式（28）。

當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時,故障相多功能消弧變流器退出運行,本文選擇A 相作為消弧相進行單相消弧。此時,將消弧電流和穩(wěn)壓電流信號作為參考值與電流實際值送入電流比例-積分（PI）控制器,經(jīng)過載波移相脈寬調(diào)制（PWM）后形成開關(guān)信號。經(jīng)過td時間后切換工作狀態(tài),原有的消弧相切換為穩(wěn)壓相,穩(wěn)壓相多功能消弧變流器不再承擔(dān)消弧任務(wù),此時穩(wěn)壓相多功能消弧變流器通過電壓環(huán)PI 控制器控制直流側(cè)電壓恢復(fù)至參考電壓。

采用輪換消弧方法,延時一段時間后,減少注入的消弧電流,若中性點電壓成比例下降,說明故障消除；反之,則說明故障仍然存在,此時需要隔離故障饋線。

6 仿真驗證

為了驗證本文拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及功能的有效性和可行性,基于圖1 和附錄A 圖A4 搭建了MATLAB 仿真模型,仿真參數(shù)如附錄A 表A1 所示。

假設(shè)C 相發(fā)生單相接地故障,非故障相A 相和B 相多功能消弧變流器進行輪換消弧,根據(jù)輪換參數(shù)計算流程,有以下步驟。

步驟1:根據(jù)電壓紋波系數(shù)S和直流側(cè)電壓參考值Udc0,計算此時直流側(cè)電壓波動約為112 V。

步驟2:根據(jù)工況2 的相量圖計算可得Izsa=46.18 A,Izsb=32.55 A。

步驟3:根據(jù)S和Udc0計算可得tr=0.06 s,td=0.04 s。

步驟4:設(shè)計控制器參數(shù),KP1=4,KI1=50,KP2=1 000,KI2=1。

步驟5:根據(jù)控制器參數(shù)對穩(wěn)壓時間進行校驗,ζ=3.16,ωn=79.06 rad/s,tc=0.039 s,由 于tc≤min(tr,td),滿足輪換條件,控制器參數(shù)設(shè)置合理。

步驟6:選取A 相變流器先進行消弧,此時A 相先作為消弧相,B 相先作為穩(wěn)壓相。

0.8～0.85 s 期間,多功能消弧變流器工作在無功補償模式,0.85 s 時配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障（以C 相發(fā)生單相接地故障為例）；0.85～0.913 s 期間,多功能消弧變流器不動作；0.913～1.3 s 期間,A 相和B 相采用輪換消弧控制策略進行消弧,1.3 s 時接地故障消除,多功能消弧變流器又工作在無功補償模式。

附錄A 圖A5（a）為采用傳統(tǒng)有源消弧方式［28］的直流側(cè)電容電壓波形,在0.8～0.913 s 期間,A、B、C三相變流器的直流側(cè)電壓維持在7 000 V,0.85 s 時發(fā)生單相接地故障,0.913 s 時非故障相B 相注入消弧電流。由于變流器直流側(cè)電容能量有限,難以持續(xù)輸出消弧所需的有功功率,直流側(cè)電壓不斷下降。附錄A 圖A5（b）為采用傳統(tǒng)有源消弧方式的故障電流波形,0.85 s 時電網(wǎng)發(fā)生C 相接地故障,0.85～0.913 s 期間多功能消弧變流器不動作。在0.913～1.105 s 期間,變流器可以有效地進行消弧,隨著變流器直流側(cè)電壓的不斷降低,此時接地故障電流不斷增加,變流器失去消弧效果。

附錄A 圖A6（a）為采用所提輪換消弧方式的直流側(cè)電容電壓波形,0.913～0.941 s 期間,A 相作為消弧相注入消弧電流,B 相作為穩(wěn)壓相穩(wěn)定電壓。在輪換初期內(nèi),由于B 相多功能消弧變流器并未開始消弧,因此B 相多功能消弧變流器直流側(cè)電壓不發(fā)生改變。0.941 s 時進行輪換,0.941～1.022 s 期間,B 相作為消弧相注入消弧電流,A 相作為穩(wěn)壓相將直流側(cè)電壓恢復(fù)至穩(wěn)定值。至此,第1 個輪換周期結(jié)束,開始進入下一個輪換周期,循環(huán)往復(fù)。1.3 s時接地故障消除,此時多功能消弧變流器又切換到無功補償模式,A、B、C 三相多功能消弧變流器電壓又恢復(fù)至穩(wěn)定值。相比于傳統(tǒng)有源消弧方式,輪換消弧方式實現(xiàn)了變流器直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。為證明所提輪換消弧方法在不同類型的接地故障下依然適用,本文分別對間歇性電弧接地、經(jīng)10 Ω 電阻接地和經(jīng)1 000 Ω 電阻接地的情況進行仿真,故障電流波形如附錄A 圖A6（b）所示。從圖中可以看出,在0.913 s 采用輪換消弧策略后,不同接地類型下的故障電流都得到了有效抑制。

電網(wǎng)電壓Eb和電流Ib波形如附錄A 圖A7 所示。圖A7 中,Eb=5 774 V,Ib=125 A,且電網(wǎng)電壓和電流同相位,由此表明多功能消弧變流器具有良好的無功補償效果。

A、B、C 三相多功能消弧變流器向電網(wǎng)注入的電流Ica、Icb、Icc波形如附錄A 圖A8 所 示。從圖A8 中可以看出,當(dāng)多功能消弧變流器工作在無功補償模式時,多功能消弧變流器向電網(wǎng)注入無功補償電流,補償負(fù)載側(cè)的無功功率。當(dāng)進行輪換消弧時,故障相多功能消弧變流器不注入電流,非故障相（A 相和B 相）輪換注入消弧電流,此時非故障相注入的電流除了消弧電流外,還包含穩(wěn)壓相流過的電流,以提供穩(wěn)壓相直流側(cè)電壓恢復(fù)所需的有功功率。

為驗證配電網(wǎng)三相線路對地參數(shù)不對稱工況下所提輪換消弧方法的可行性,分別取A、B、C 三相對地電容參數(shù)為14.5、16.5、12.5 μF,接地故障電阻Rf=100 Ω,其他參數(shù)與附錄A 表A1 保持一致。從附錄A 圖A9（a）中看出,線路對地參數(shù)不同導(dǎo)致線路對地電流Iga、Igb、Igc不對稱,從附錄A 圖A9（b）和圖A9（c）中看出,0.913～1.3 s 期間,A 相和B 相多功能消弧變流器進行輪換消弧。1.3 s 時接地故障消除,此時多功能消弧變流器又切換到無功補償模式,A、B、C 三相多功能消弧變流器電壓又恢復(fù)至穩(wěn)定值,并且接地故障電流得到有效抑制。

為了驗證多功能消弧變流器補償接地故障電流諧波分量的能力,在系統(tǒng)零序回路中增加諧波電流源ih=7sin（5ωt）,接地故障電阻Rf=100 Ω,其他參數(shù)與附錄A 表A1 保持一致。從附錄A 圖A10 中看出,0.85 s 時電網(wǎng)發(fā)生C 相接地故障,0.85～0.913 s期間,多功能消弧變流器不動作,A、B、C 三相變流器的直流側(cè)電壓維持在7 000 V。0.913 s 時非故障相多功能消弧變流器同時補償了單相接地故障電流中的基波分量和諧波分量,接地故障電流依然可以得到有效抑制。

為驗證配電網(wǎng)三相電壓不對稱工況下所提輪換消弧方法的可行性,分別取A、B、C 三相電源電壓峰值為7 756.75、8 165、8 573.25 V,接地故障電阻Rf=100 Ω,其余參數(shù)與附錄A 表A1 保持一致。從附錄A 圖A11 中看出,0.913 s 時電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障,此時非故障相多功能消弧變流器輪換注入消弧電流,在三相電壓不平衡工況下接地故障電流依然得到了有效抑制。

7 實驗驗證

為了進一步驗證本文所提輪換消弧方法的正確性和有效性,基于第6 章的仿真模型搭建了RTLAB 硬 件 在 環(huán) 實 驗 平 臺［29-30］,如 附 錄A 圖A12 所示。取電壓紋波系數(shù)為2.4%,其余實驗參數(shù)與仿真參數(shù)保持一致。

由附錄A 圖A13 可見,當(dāng)發(fā)生單相接地故障時,多功能消弧變流器進行輪換消弧,此時故障相電壓Ug和故障電流Ig被有效抑制,實現(xiàn)了消弧的功能。

由附錄A 圖A14 可見,當(dāng)多功能消弧變流器進行輪換消弧時,在不外加直流源的情況下,直流側(cè)電容電壓同樣維持了穩(wěn)定,保證多功能消弧變流器有效地進行故障電流全補償。

由附錄A 圖A15 可見,當(dāng)A 相和B 相多功能消弧變流器工作在無功補償模式時,多功能消弧變流器向電網(wǎng)注入無功補償電流,補償負(fù)載側(cè)的無功功率。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時,A 相和B 相多功能消弧變流器交替注入消弧電流和穩(wěn)壓電流,在實現(xiàn)單相接地故障抑制的同時,使直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。

由附錄A 圖A16 可見,當(dāng)電網(wǎng)正常運行時,多功能消弧變流器工作在無功補償模式,此時B 相電網(wǎng)電壓和電流同相位,實現(xiàn)了無功補償?shù)墓δ堋?/p>

8 結(jié)語

針對現(xiàn)有消弧方案在進行故障電流全補償時變流器直流側(cè)能量獲取困難的突出問題,本文提出了一種基于輪換消弧的配電網(wǎng)單相接地故障柔性調(diào)控方法。

1）多功能消弧變流器能夠?qū)崿F(xiàn)無功補償功能和消弧功能,大大提高了設(shè)備的利用率和實用性。后續(xù)將在本文所提輪換消弧方法的基礎(chǔ)上,對無功補償和消弧的同時運行問題展開深入研究。

2）本文針對不同的單相接地故障工況,分析了不同工況下多功能消弧變流器直流側(cè)電容電壓的變化規(guī)律,并通過2 個非故障相多功能消弧變流器的協(xié)調(diào)配合,交替進行消弧和穩(wěn)壓。與傳統(tǒng)消弧方法相比,所提方法能實現(xiàn)直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定,保證了消弧期間多功能消弧變流器對接地故障電流的補償效果。后續(xù)將研究兩相多功能消弧變流器的柔性切換問題,以降低多功能消弧變流器的時間響應(yīng)對消弧效果的影響。

3）所提輪換消弧方法不需要外加整流裝置提供能量,并且在接地故障有功分量較大時多功能消弧變流器也能實現(xiàn)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。

4）所提輪換消弧方法依賴對地參數(shù)的準(zhǔn)確測量,為避免線路參數(shù)未知或不準(zhǔn)對消弧的影響,在后續(xù)工作中將考慮把輪換消弧的思想應(yīng)用在電壓消弧方法中。

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