基于逆变器的配电网接地故障电流补偿算法研究

    丁维铭 赵兵 贾俊杰

    

    

    

    摘?要：本文设计了一种用于不接地配电网中容性电流补偿的三相变流器控制策略。利用希尔伯特变换将接地故障时三相电流分解为正负零序分量，建立逆变器的平均状态空间模型，并给出电流控制算法。最后通过在Matlab中建立模型仿真对所设计控制算法进行了验证。

    关键词：配电网;单相接地;逆变器;电流控制

    一、绪论

    随着补偿需求的提出，大多情况下，我国中压系统采用中性点经消弧线圈或电阻接地的方法[1]。然而，由机械部件构成的消弧线圈会产生损耗使得维护工作频繁，耗费较多资源[2]。很多情况下由于消弧线圈与系统电容电抗存在误差，不能够完全匹配[3];而一旦过补偿或者欠补偿会导致中性点不对称的情况出现[4]。为了消除解决问题，本文提出了一种用于配电网发生单相接地故障时的可进行电流补偿的三相变流器控制算法，对于发生单相接地故障的容性电流进行补偿，降低故障电流的影响。

    二、逆变器控制研究

    为了有效地实现对中性点不接地配电网系统故障电流的补偿，本文设计了一种用于不接地配电网中容性电流补偿的三相变流器控制策略，采用与GTI（grid-tie inverter，并网电流型逆变器）近似的能够快速准确跟踪目标控制电流的控制方法。接下来将着重研究该控制方式的性能。

    本文所采用的抗干扰能力较强的电流型有源补偿控制方式是将配网系统得到的滤波电感电流值作为闭环的负反馈信号对系统进行调节，使得系统实现较好的动态特性[5]。与之对应的是电压型的补偿控制方式，该方法将故障电压、故障电流等电气量作为参考量，计算H桥的各项参数从而控制补偿装置注入的补偿电流实现闭环控制，这会导致网络对于扰动的反应能力变差，也无法有效抑制谐波电压[6]。通过比较本文采用了电流型控制方式来构建精确的闭环控制回路。

    将H桥级联逆变器近似为一阶惯性环节，用U·f0表示中性点得到得扰动量，接下来用图1表示将上述系统简化后的传递函数框图。

    图中：Iins表示被控量，I*ins表示目标补偿电流（混合了基波和谐波），G1s表补偿装置，Kpwm为数字控制器的放大倍数，T表示控制器开关周期的一半，Uf0表示作用在中性点单相接地故障处的扰动电压，1/sL表示连接电感的等效传递函数。

    考虑到控制系统的整体稳定性，由于闭环增益C（s）存在局限性，这会使得Uf0在基波和主要谐波处补偿电流与目标补偿电流会存在幅值差和相角差，系统的故障点处电流会发生畸变。所以在补偿控制系统的设计中必须要考虑到补偿的精度和动态性能，尽量避免上述问题的出现。

    （一）正负零序分解算法

    本文采用广义对称分量法和和希尔伯特变换，按照正、负、零序分量将三相系统电流分解，表达式如式（1）—（3）所示。

    正负零序分解算法可表示为图2所示。其中前向通道GHilb环节为对输入信号进行-π/2平移后的寬频带数字希尔伯特滤波器。

    当系统出现单相接地情况时，逆变器需补偿接地电流。该种补偿方式可以使得单相接地故障发生后故障电流经过补偿得到的电流性质为感性电流，其大小与正常相容性电流接近，而零序电压相位与正常相的零序电压相位关系相同。

    按照式（1）—（3）可将逆变器参考电流分解为正负零序，为逆变器控制提供参考信号。

    （二）逆变器控制算法

    根据逆变器拓扑，其平均状态空间数学模型可以描述为：

    三、仿真分析

    为了分析控制算法的性能，利用Matlab软件搭建了补偿控制算法模型并且对三相逆变器补偿电容电流进行了仿真。

    仿真分析了两种模式：无变流器的A相单相接地故障和有变流器的A相单相接地故障。无变流器时的电网电流和接地故障电流波形如图3所示。加入逆变器补偿后的电网电流和接地故障电流波形如图4所示。

    由图4可以看出，当逆变器投入时，电网电流不平衡被消除，接地故障电流快速衰减至零，补偿控制算法得以帮助发生单相接地故障的电弧迅速降低，使得系统恢复稳态运行。

    四、结论

    本章从电容性故障电流补偿的拓扑、原理、补偿流程和仿真验证四个方面进行了研究，进一步设计了一种不接地配电网逆变器补偿算法，实现了逆变器输出补偿接地故障时电容电流。设计了正负零序信号提取算法，建立了逆变器平均状态空间模型，并给出了电流控制算法。通过验证，仿真结果表明接地故障电流快速衰减，补偿控制算法得以帮助发生单相接地故障的电弧迅速降低，实现了精确快速补偿的目的。

    参考文献：

    [1]刘健，张志华，李云阁，芮俊.基于故障相接地的配电网单相接地故障自动处理[J].电力系统自动化，2020，44（12）：169-180.

    [2]刘渝根，王建南，米宏伟，马晋佩.10kV配电网中性点接地方式的优化研究[J].高电压技术，2015，41（10）：3355-3362.

    [3]薛永端，李娟，徐丙垠.中性点经消弧线圈接地系统小电流接地故障暂态等值电路及暂态分析[J].中国电机工程学报，2015，35（22）：5703-5714.

    [4]Winter，K.M.The RCC Ground Fault Neutralizer-A novel scheme for fast earth-fault protection[C]，2005：v3-68-v3-68.

    [5]Wang W，Zeng X，Yan L，et al.Principle and Control Design of Active Ground-Fault Arc Suppression Device for Full Compensation of Ground Current[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2017，64（6）：4561-4570.

    [6]Tian J，Chen Q，Cheng L，et al.Arc-suppression coil based on transformer with controlled load[J].Electric Power Applications Iet，2011，5（8）：644-653.

    作者简介：丁维铭（1971—?），男，汉族，山东邹城人，本科，技师，研究方向：安全生产检测检验;赵兵（1976—?），男，汉族，山东邹城人，专科，助理工程师，研究方向：安全生产检测检验;贾俊杰（1963—?），男，汉族，山东临沂人，本科，高级工程师，研究方向：安全生产检测检验。