劉寶穩(wěn) 曾祥君 張慧芬 馬宏忠

不平衡零序電壓快速精準(zhǔn)抑制與電壓消弧全補(bǔ)償優(yōu)化控制方法

劉寶穩(wěn)1曾祥君2張慧芬3馬宏忠1

（1. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院 南京 211100 2. 智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（長沙理工大學(xué)） 長沙 410114 3. 濟(jì)南大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 濟(jì)南 250022）

現(xiàn)有配電網(wǎng)不平衡零序電壓抑制方法需要多次注入電流，逐步跟蹤抑制，存在控制過程復(fù)雜、收斂速度慢的缺點(diǎn)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后，傳統(tǒng)電壓消弧法未計(jì)及電網(wǎng)三相對(duì)地分布參數(shù)不對(duì)稱的影響，未能將故障相電壓完全抑制為0，從而導(dǎo)致接地點(diǎn)存在殘余電流，不能實(shí)現(xiàn)100%消弧。該文在建立注入電流誘發(fā)配電網(wǎng)零序電壓變化機(jī)制的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)自然不平衡電流的在線測(cè)量，論證了配電網(wǎng)三相對(duì)地分布參數(shù)不對(duì)稱對(duì)接地點(diǎn)殘余電流的影響，提出了僅需調(diào)節(jié)一次注入電流即可實(shí)現(xiàn)不平衡零序電壓快速精準(zhǔn)抑制和電壓消弧全補(bǔ)償?shù)男路椒ǎ⒔o出接地故障判定、零序電壓抑制與消弧的優(yōu)化控制方案。理論和仿真證實(shí)，該方法在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)無需多次調(diào)參而能將不平衡零序電壓精準(zhǔn)快速抑制為0，且當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)具備補(bǔ)償電網(wǎng)三相對(duì)地分布參數(shù)不對(duì)稱產(chǎn)生的殘余電流，可將故障相電壓完全抑制為0，實(shí)現(xiàn)100%電壓消弧全補(bǔ)償。

電流注入法 不平衡零序電壓抑制 電壓消弧全補(bǔ)償單相接地故障 分布參數(shù)不對(duì)稱

0 引言

我國中壓配電網(wǎng)的中性點(diǎn)接地方式主要以非有效接地方式為主，包括不接地、消弧線圈接地、高阻接地、有源柔性接地等，單相接地故障后故障電流相對(duì)較小、線電壓對(duì)稱而可持續(xù)供電，具有供電可靠性高的優(yōu)勢(shì)。隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大尤其是城市電纜線路的大量應(yīng)用，單相接地故障的電容電流增大，過大的電容電流極易引發(fā)電弧而產(chǎn)生弧光過電壓，導(dǎo)致系統(tǒng)絕緣薄弱的線路或設(shè)備擊穿或發(fā)展成相間短路等不可逆故障，擴(kuò)大了事故影響面[1-4]。根據(jù)GB50070—2009《礦山電力設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求接地故障電流的有功分量和無功分量均不超過5A；GB/T50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：6～66kV系統(tǒng)單相接地故障電容電流大于10A時(shí)應(yīng)采用中性點(diǎn)諧振接地方式，且接地故障殘余電流不應(yīng)大于10A。文獻(xiàn)[5]實(shí)測(cè)某煤礦電網(wǎng)接地電流中的有功分量達(dá)13.05A，僅線路對(duì)地泄漏電阻產(chǎn)生的有功電流足以引發(fā)電弧。因此，接地電流全補(bǔ)償與可靠消弧技術(shù)依然是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。目前，根據(jù)接地電流補(bǔ)償方式的不同，可分為電流消弧法和電壓消弧法。

電流消弧法以減少接地電流為目標(biāo)，包含消弧線圈補(bǔ)償法、偏置元件法和有源電流注入法等。最傳統(tǒng)的電流消弧法是在配電網(wǎng)中性點(diǎn)接入消弧線圈，零序電壓作用在消弧線圈上產(chǎn)生的電感電流補(bǔ)償電容電流，但對(duì)接地電流的有功分量無能為力[6-7]。中國礦業(yè)大學(xué)唐軼教授課題組提出了同時(shí)調(diào)節(jié)中性點(diǎn)接地阻抗和偏置元件的電容電流及有功電流的補(bǔ)償方法，需要多參量聯(lián)合調(diào)節(jié)、控制方案復(fù)雜、應(yīng)用難度大[8]。華北電力大學(xué)楊以涵教授課題組提出基于-infinity有源濾波注入的主從式消弧線圈全電流補(bǔ)償方法，但所需設(shè)備復(fù)雜且故障諧波電流檢測(cè)和補(bǔ)償理論尚不完善，未見工業(yè)應(yīng)用[9]。

電壓消弧法以零序電壓為控制目標(biāo)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，將故障相電壓調(diào)控為0，根除起弧的電壓條件。根據(jù)補(bǔ)償方式的不同可分為無源調(diào)壓消弧和有源調(diào)壓消弧。無源調(diào)壓消弧是在電網(wǎng)某相線路上對(duì)地接入偏置元件，實(shí)現(xiàn)電容電流、有功電流和不對(duì)稱電流的全補(bǔ)償，但該方法需在正確選擇故障相的前提下進(jìn)行偏置元件的投切，且要求偏置元件的參數(shù)可平滑調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)難度較大[10-11]。有源調(diào)壓消弧則是通過PWM有源逆變器、靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator, SVG）、級(jí)聯(lián)H 橋多電平變流器等信號(hào)源發(fā)生器向電網(wǎng)注入基波電流使得故障相電壓為零，降低過渡電阻的壓降而不產(chǎn)生接地電流[12-16]。然而，目前有源調(diào)壓消弧法的注入電流控制策略中均未考慮電網(wǎng)分布參數(shù)不對(duì)稱的影響，在理論上并不能將故障相電壓100%鉗制為0，不能實(shí)現(xiàn)100%消弧。

目前，學(xué)者已經(jīng)注意到電網(wǎng)三相對(duì)地分布參數(shù)不對(duì)稱的普遍存在，并將研究的重點(diǎn)放在基于電流注入的不平衡零序電壓抑制上，如長沙理工大學(xué)曾祥君[17-18]、中國石油大學(xué)薛永端[19]、中國礦業(yè)大學(xué)李曉波[20]等，采用迭代或閉環(huán)控制逐步找到將零序電壓控制到目標(biāo)值的最優(yōu)注入電流的幅值和相位，逐步尋優(yōu)的控制過程復(fù)雜、迭代計(jì)算步數(shù)多、耗時(shí)長。實(shí)際上，對(duì)于確定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電網(wǎng)，其三相對(duì)地分布參數(shù)的不對(duì)稱參量在短時(shí)內(nèi)是固定不變量，若實(shí)現(xiàn)該參量的在線精確測(cè)量，可直接一次性注入最佳電流，以避免現(xiàn)有方法需要多次注入電流、逐步尋優(yōu)用時(shí)長的不足。

為了實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)不平衡零序電壓的精準(zhǔn)快速抑制和實(shí)現(xiàn)接地電流的電壓消弧全補(bǔ)償，首先研究了零序基波注入電流在電網(wǎng)中承擔(dān)的角色和誘發(fā)電網(wǎng)零序電壓變化的根本機(jī)制；然后提出僅需調(diào)整一次注入電流即可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)不平衡零序電壓精準(zhǔn)抑制為0的方法；進(jìn)而剖析了現(xiàn)有電壓消弧方法不能實(shí)現(xiàn)100%電壓消弧的根本原因，并提出可消除配電網(wǎng)對(duì)地分布參數(shù)不對(duì)稱對(duì)接地電流影響的電壓消弧全補(bǔ)償控制方法，實(shí)現(xiàn)故障電流100%補(bǔ)償和故障相電壓可靠鉗制為0；最后建立了配電網(wǎng)Matlab/ Simulink仿真模型，并對(duì)不平衡零序電壓抑制方法和電壓消弧全補(bǔ)償控制方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 基波電流注入的調(diào)壓機(jī)理

長沙理工大學(xué)[12]、福州大學(xué)[14]、中國石油大學(xué)（華東）[15]和重慶大學(xué)[16]開展了基于注入的電壓消弧相關(guān)的研究，通過在中性點(diǎn)注入零序基波電流控制配電網(wǎng)零序電壓，以期將接地故障相電壓調(diào)整為零?，F(xiàn)有研究均采用基爾霍夫電流定律構(gòu)造含電流注入的零序電壓數(shù)學(xué)表達(dá)式，但主動(dòng)注入的基波電流在電網(wǎng)中承擔(dān)的角色和誘發(fā)電網(wǎng)零序電壓變化的根本機(jī)制尚未定義。下面結(jié)合零序電壓產(chǎn)生機(jī)理[21]，給出基波注入電流調(diào)節(jié)零序電壓的物理內(nèi)涵。

圖1 零序基波電流注入的配電網(wǎng)等效運(yùn)算電路

其中

為了使零序電壓產(chǎn)生機(jī)理更具普適性，豐富其內(nèi)涵：不對(duì)稱電網(wǎng)或有基波電流注入的電網(wǎng)自適應(yīng)產(chǎn)生零序電壓，該電壓作用在零序阻抗上產(chǎn)生的電流等于“零序不平衡電流”，“零序不平衡電流”包含系統(tǒng)自然不平衡電流和注入的零序基波電流。

2 配電網(wǎng)不平衡零序電壓精準(zhǔn)抑制新方法

2.1 不平衡零序電壓的精準(zhǔn)快速抑制算法

在實(shí)際工程中，由于配電網(wǎng)電路不換位、與線路電磁耦合設(shè)備安裝不對(duì)稱、負(fù)載不對(duì)稱、消弧線圈與電網(wǎng)分布電容的諧振過電壓等因素形成了電網(wǎng)不平衡零序電壓，造成線路損耗增加，并影響配電設(shè)備壽命、威脅設(shè)備絕緣等。通過注入電流抑制配電網(wǎng)不平衡零序電壓的有效性已經(jīng)得到證實(shí)，抑制配電網(wǎng)不平衡零序電壓為0的注入電流最優(yōu)值也得到了確認(rèn)[17-20]，具體為

式（3）除以式（5）得

整理式（6）得

2.2 接地故障的判定

3 有源電壓消弧全補(bǔ)償及優(yōu)化控制方法

3.1 電壓消弧全補(bǔ)償概念的提出

文獻(xiàn)[12-16]提出了多種有源電流注入的電壓消弧法，電壓消弧的理論均忽略了配電網(wǎng)分布參數(shù)不對(duì)稱的影響，以期當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)故障相電壓鉗制為0，使其不滿足起弧的電壓條件，且認(rèn)為將故障相（A相故障為例）電壓鉗制為0的注入電流值為

3.2 電壓消弧全補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)

整理式（17）得

根據(jù)式（7）、式（16）和式（18）得，電壓消弧全補(bǔ)償?shù)淖⑷腚娏鱏Q為

由式（19）可知，在配電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)下只需要改變一次注入電流即可計(jì)算出實(shí)現(xiàn)電壓消弧全補(bǔ)償?shù)淖⑷腚娏鳌．?dāng)判定系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，立即注入電流SQ，將故障相電壓抑制為0，實(shí)現(xiàn)100%可靠消弧，徹底去除起弧的電壓條件。

3.3 零序電壓抑制與故障消弧的優(yōu)化控制方法

由于基波注入電流在不平衡零序電壓抑制和電壓消弧全補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢(shì)，本文提出計(jì)及配電網(wǎng)三相對(duì)地分布參數(shù)不對(duì)稱的零序電壓抑制與消弧優(yōu)化控制方法。

3.3.1 參數(shù)測(cè)量時(shí)注入電流的優(yōu)化選擇

3.3.2 接地方式的優(yōu)化

圖2 不平衡零序電壓抑制與電壓消弧優(yōu)化控制流程

4 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證本文提出的不平衡零序電壓精準(zhǔn)抑制和電壓消弧全補(bǔ)償方法的有效性。仿真系統(tǒng)為10kV配電網(wǎng)，仿真系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，仿真系統(tǒng)的電容電流為72.770A、有功電流為1.316A，系統(tǒng)不對(duì)稱度為1.750%、阻尼率為1.809%，系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地下的自然不平衡電壓為101.050∠-106.547°V、系統(tǒng)中性點(diǎn)直接接地的自然不平衡電流為1.274∠162.417°A，具體參數(shù)設(shè)置見表1。

圖3 仿真系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表1 仿真系統(tǒng)零序參數(shù)設(shè)置

4.1 不平衡零序電壓精準(zhǔn)抑制的仿真驗(yàn)證

表2 中性點(diǎn)不接地注入電流S0計(jì)算仿真結(jié)果

Tab.2 Simulation results of injection current ?S0 of neutral ungrounded system

表3 消弧線圈過補(bǔ)償接地注入電流S0計(jì)算仿真結(jié)果

Tab.3 Simulation results of injection current injection current ?S0 of arc suppression coil grounding system

4.2 電壓消弧全補(bǔ)償?shù)姆抡骝?yàn)證

圖4 傳統(tǒng)電壓消弧法的接地剩余電流

由圖4可知，隨著過渡電阻的減小，故障電流剩余值逐漸增加，當(dāng)故障電阻為0.1Ω時(shí)的剩余電流幅值為1.272 90A，其基本等于配電網(wǎng)的自然不平衡電流1.274A。以上驗(yàn)證了本文式（14）對(duì)故障剩余電流計(jì)算的正確性，也說明傳統(tǒng)電壓消弧法因未計(jì)及配電網(wǎng)分布參數(shù)不對(duì)稱的影響并不能實(shí)現(xiàn)接地電流的全補(bǔ)償。

2）電壓消弧全補(bǔ)償：本文提出計(jì)及配電網(wǎng)不對(duì)稱的電壓消弧全補(bǔ)償控制方法。根據(jù)式（19）計(jì)算中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電壓消弧全補(bǔ)償?shù)淖⑷腚娏鳛?2.430 21∠-92.002 30°A。在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下注入該電流后，A相的相電壓測(cè)量值為0.085 41V，這與未計(jì)及配電網(wǎng)不對(duì)稱時(shí)的101.053 30 V相比明顯降低。為了證明本文方法消弧的有效性，同樣在仿真系統(tǒng)A相設(shè)置單相接地故障，將過渡電阻的取值范圍設(shè)置為10000～0.1W，測(cè)量在注入電流72.430 21∠-92.002 30°A時(shí)剩余故障電流的幅值，得到電壓消弧全補(bǔ)償法的接地剩余電流測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

圖5 電壓消弧全補(bǔ)償法的接地剩余電流

對(duì)比圖4和圖5可知，采用本文提出的電壓消弧法可完全補(bǔ)償故障電流，當(dāng)故障電阻為0.1Ω時(shí)的剩余電流幅值僅為0.001 162A，消弧效果比傳統(tǒng)電壓消弧法更優(yōu)異。

5 結(jié)論

本文在計(jì)及配電網(wǎng)三相對(duì)地分布參數(shù)不對(duì)稱的基礎(chǔ)上，建立了零序基波注入電流在配電網(wǎng)中承擔(dān)的角色和誘發(fā)配電網(wǎng)零序電壓變化的機(jī)理模型；給出了只需要調(diào)節(jié)一次注入電流的不平衡零序電壓精準(zhǔn)抑制方法，避免了傳統(tǒng)方法多次注入、反復(fù)跟蹤效果差、耗時(shí)長的缺點(diǎn)。通過建立配電網(wǎng)三相對(duì)地分布參數(shù)不對(duì)稱對(duì)接地電流的影響模型，證實(shí)了配電網(wǎng)分布參數(shù)不對(duì)稱的影響下，傳統(tǒng)電壓消弧法不能實(shí)現(xiàn)100%消弧的原因，并提出可實(shí)現(xiàn)電壓消弧全補(bǔ)償?shù)姆椒?。只需在故障前調(diào)節(jié)一次注入電流即可計(jì)算實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償?shù)淖⑷腚娏?，有效消除了配電網(wǎng)分布參數(shù)不平衡對(duì)補(bǔ)償效果的影響，徹底將故障相電壓鉗制為0，徹底消除起弧的條件，操作簡(jiǎn)單、易實(shí)施。

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Optimal Control Method for Accurate and Fast Suppression of Unbalanced Zero-Sequence Voltage and Voltage Arc Suppression Full Compensation

Liu Baowen1Zeng Xiangjun2Zhang Huifen3Ma Hongzhong1

（1. College of Energy and Electrical Engineering Hohai University Nanjing 211100 China 2. Hunan Province Key Laboratory of Smart Grids Operation and Control Changsha University of Science and Technology Changsha 410114 China 3. School of Automation and Electrical Engineering University of Jinan Jinan 250022 China）

The existing methods of unbalanced zero sequence voltage suppression in distribution network need multiple current injection and gradual tracking suppression, which have the disadvantages of complex control process and slow convergence speed. When single-phase grounding fault occurs, the traditional voltage arc suppression method does not take into account the influence of three-phase distribution parameter asymmetry of power grid, and fails to completely suppress the fault phase voltage to zero, resulting in residual current in grounding point, which can not achieve 100% arc suppression. Based on the mechanism of zero sequence voltage variation induced by injection current, this paper realizes the on-line measurement of natural unbalanced current in distribution network, and demonstrates the influence of asymmetric distribution parameters of three phases on residual current in distribution network. Methods of fast and accurate suppression of unbalanced zero sequence voltage and full compensation of voltage arc suppression were proposed by adjusting the injection current only once, and the optimal control scheme of ground fault determination, zero sequence voltage suppression and arc suppression were given. Theoretical and simulation results show that this method can accurately and quickly suppress the unbalanced zero sequence voltage to 0 without multiple parameter adjustments during normal operation of power grid, and can compensate the residual current generated by asymmetric three-phase to ground distribution parameters of power grid in case of single-phase to ground fault, which can completely suppress the voltage of fault phase to 0 and realize 100% voltage arc suppression full compensation.

Fundamental current injection, unbalanced voltage suppression, voltage arc suppression full compensation, single-phase ground fault, asymmetry

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201597

TM74

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51737002）、江蘇省自然科學(xué)基金青年基金（BK20190490）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（B200202173）和國家電網(wǎng)公司科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（52170217000S）資助。

2020-12-02

2021-04-13

劉寶穩(wěn) 男，1988年生，博士，碩士生導(dǎo)師，講師，研究方向?yàn)樾‰娏鹘拥叵到y(tǒng)故障檢測(cè)、消弧與柔性接地技術(shù)，電氣設(shè)備故障診斷。E-mail：lbw_5566@163.com（通信作者）

曾祥君男，1972年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)微機(jī)保護(hù)與控制等。E-mail：eexjzeng@qq.com

（編輯 郭麗軍）