全补偿接地电流有源接地故障消弧装置的原理与控制设计

Wen Wang, Member, IEEE, Xiangjun Zeng, Senior Member, IEEE, Lingjie Yan, Xianyong Xu, and Josep M. Guerrero, Fellow, IEEE

摘要：传统的接地故障消弧装置主要处理接地电流的电容分量，对有功和谐波分量影响较小，限制了消弧性能。其中所需的电容电流检测精度低、鲁棒性强。由于可能与分布相地电容发生共振，常用的大容量无功分量会产生过电压。为了解决这些问题，本文提出了一种有源接地故障消弧装置。该装置采用基于单相逆变器的拓扑结构，在无大容量电抗器的情况下向中性点注入电流，从而避免了上述过电压，同时补偿了接地电流的所有有功、无功和谐波成分，从而可靠地消除接地故障电弧。本文也提出一种双回路电压控制方法以实现无容性电流检测的消弧，其基于时间的特点带来了对地故障快速响应消弧的好处。本文中分析了全电流补偿的原理，给出了该装置的控制器设计方法，同时在样机上进行了实验，验证了该装置的有效性。

关键词：消弧；全电流补偿；接地故障；电压控制

1 引言

供电可靠性在配电系统中具有重要意义^[1]。大多数可靠性问题都是由单相接地故障引起的。配电网的扩容增大了接地故障电流，引起引弧，从而导致供电设备停电。故消弧装置的性能对电力系统至关重要。

传统的消弧线圈（ASC）采用并联谐振原理^{[2]- [3]}补偿电容性接地电流，由于大谐波含量能维持接地点的电弧^[4]，因此会限制消弧性能。此外，在接地故障开始时，由于ASC与固有电容之间的串联谐振而引起的过电压可能会进一步导致越野故障和绝缘故障^[5]-[8]。因此，在实际应用中需强调全接地电流补偿和动态调整ASC电感的能力。

本文提出了几种避免过电压和实现ASC电感动态调整的方法。比如Zeng等人^[9]提出了一种采用与反应堆并联的经调整的消弧线圈的迂回方法，该方法在正常情况下断开线圈，并与接地故障中性点连接，以避免过电压和灭弧，在一定程度上避免了串联谐振，但对分布参数变化缺乏灵活性。Chen等人 ^[10]提出一种两级磁控电抗器，以提高动态性能，降低由非线性饱和磁芯引起的三阶谐波。Wang等人^[11]提出一种三相五柱消弧线圈，能够自动跟踪电容性接地电流，降低谐波。这些设备适用于高压电力系统，但不能补偿地电流中的有功和谐波分量，因而抑制电弧性能有限。

接地电流中的谐波主要是由电力变压器、互感器和非线性负载引起的。典型的谐波阶数有3阶（来自变压器），5阶和7阶（来自非线性负载，例如整流器）^[12]-[13]。剩余电流的谐波分量可能比基本电流的谐波分量大几倍^[4]，在使用上述方法时，其灭弧性能并不理想。接地电流中的有源分量在正常情况下相对较小（小于电容电流的5%），因此通常忽略不计。但在架空线路网络中，由于绝缘老化、恶劣天气或环境恶化，其功率可能超过10%。这种电流一定会延长电弧的持续时间，甚至可能导致电弧熄灭故障。因此，完全补偿接地电流对于可靠地熄灭接地故障电弧至关重要。

为满足这一要求，提出了几种基于电力电子技术的主动方式。Winter等人^[14]-[15]提出了一种能够补偿高达7阶谐波接地电流的剩余电流补偿接地故障中和器，。然而，从现代技术的角度来看，该装置的响应时间（三个周期）取决于开关频率仅为1.2的门关断晶闸管逆变器的磁头选择，且该装置不能补偿接地电流的有源分量。Yang等人^[16]提出了一种原理辅助ASC，它可以通过并联在辅助线圈上的电压源逆变器来补偿全接地电流。该方法具有全接地电流补偿和成本合理的优点，但因主边含有ASC，仍有可能发生串联谐振，且没有措施加以避免。Chen等人^[17]提出了一种基于可控负载变压器的ASC，具有全地电流补偿和快速响应的热性能。但该装置电容电流检测精度较低，因此灭弧性能有限。

上述所有方法都面临着相同的问题，即因操作模式的复杂性，配电网所需的电容电流难以精确检测^[18]-[19]。Lin等人^[20]通过两次测量ASC的电压和电流，提出了一种在线分布式电容测量方法。该方法可以实现电容电流的实时检测，但检测时间会影响灭弧性能。Zeng等人提出了一种谐波电流注入方法^[21]实现电容电流的快速检测。然而，连续注入谐波进行实时测量可能会降低配电系统的电能质量。此外，这些方法没有提及有功电流和谐波电流的检测，因此不能用于全接地电流补偿。

近期Chen等人提出了一种混合式柔性接地系统^[22]。该方案结合了提供大容量无功功率的磁控电抗器（MCR）和有功功率补偿实现全接地电流补偿。此外，该装置采用的电压控制方法不需要电容电流检测，降低了响应时间和剩余电流水平。然而上述串联谐振问题仍是由于MCR的使用。此外，控制方法采用快速傅立叶变换（FFT）来计算实时控制参数的大小。这严重破坏了动态性能，使系统不适用于快速消弧。

本文提出了一种无需检测电容电流就能实现全接地电流补偿的有源故障ASD。其余部分列举如下：第二节介绍了全接地电流补偿的原理，第三节提出了有源消弧的电压控制和实现方法，并对控制器参数进行了控制性能分析和简单的设计指导。最后，通过实验验证了该方法的有效性。

图1 具有所提议ASD的配电网拓扑

2全地电流补偿原理

如图1所示一个典型的10千伏配电网带有一条馈线和拟议的滑动门。是三相线对中性点电压。和分别是相对地漏电电阻和电容。假设单相接地故障发生在C相，接地电阻为。零序谐波源在A相简化为。中性点和接地之间的拟议ASD连接如虚线框所示。它由三相不可控整流器、带LC滤波器的单相逆变器和隔离变压器组成，整流器和逆变器与直流电容器并联。

图2 简化系统电路

图3 基本领域系统电路

图4 谐波域系统电路

为了简化分析，用ASD代替电流为的受控电流源。假设分布的相对地参数是平衡的，相对地电阻、电容和阻抗分别用、和表示。同样假设线间电压在基频上是正弦的。接地电流、故障相电压和中性点对地电压分别为、和，因此系统的简化电路如图2所示。

系统电路在基波和谐波域进行分解，分别如图3和4所示。这些图中参数的基波分量和谐波分量分别用“_f”和“_h”的下标标记。因此，的基波和谐波分量可以表示为

（1）

（2）

应注意的是中性点对地电压和故障相电压在谐波域是等效的。将中频设为零，可以得到补偿接地电流为零的表达式，如图所示：

（3）

将全接地电流补偿的电流定义为注入中性点的电流，保证在接地阻抗变化和零序谐波存在的情况下接地电流为零。它由零序接地电流的有功、无功和谐波组成。用代替，可以得到如下电流：

（4）

显然，如果控制注入电流等于，故障相电压和接地电流将被限制为零，从而可以熄灭故障电弧。值得注意的是（3）是在等于零的条件下推导出来的。这个条件等于等于零，由此得出：

（5）

即全接地电流补偿与将中性点对地电压设置为的倒数相同。为了使其更通用，故障相的线对中性点电压可以代替。因此，可以通过控制故障相的中性点对地电压与线路对中性点电压的倒数来保证全接地电流补偿。这就使得传统消弧方法不需要复杂的接地电流检测，而只需要检测这两种电压。

3 主动消弧方法

A 配电网模型

案例研究的典型参数见表格一。配电网是一个具有电容电流的10千伏电力系统。由于螺栓接地故障很少发生，因此在案例研究中，接地故障电阻选择为10至10。

配电网的功率级可分为两个方面进行建模：一个是基频且被认为是经过处理的组件并连接了电源和阻抗，另一个是谐波域，与电流源相等。所得模型如图5所示，其中N表示隔离变压器的比率。为了进一步分析控制方法，模型转换为隔离变压器的电压侧。根据戴维南定理，和可以表示为

（6）

（7）

等效电压源是由相地参数不对称引起的不对称电压。等效阻抗表示拟用ASD的负载，即配电网的零序阻抗。它们不仅取决于网络的分布参数，还取决于接地电阻。配电网的阻尼比一般为3%-8%^[9]，这意味着漏抗远远大于容性电抗。因此，当发生高电阻接地故障时，（7）中的电阻可以忽略不计，这将导致ASD的主要电容负载。值得注意的是，接地电阻从螺栓接地故障变为高电阻接地故障，在电弧点火的动态过程中电阻也会发生变化。

图5 配电网的等效电路

表一 案例研究参数

图6 采用双回路控制方式的有源消弧系统

图7 带CCF和ICF的双回路控制方法框图

B 电压控制方法

本文提出的ASD控制目标是保证中性点对地电压跟踪故障相的线对中性点电压的倒数。根据以上分析的配电网模型，图6给出了一种典型的双回路控制方法。应注意的是在我们的情况下，隔离变压器的漏感相对较小（小于输出电感的10%），因此忽略了它。同样值得注意的是，负荷变化带来的干扰也会增加到谐波源中。

该方法包括中性点对地电压外回路和输出电感电流内回路。由于负载阻抗变化迅速，动态性能对控制方法至关重要。处理负载变化的典型方法是在内环中使用输出电容电流反馈（CCF），这可以被视为滤波器电感电流反馈（ICF）和负载电流前馈的组合^[23]。它包括了内环中的负载电流干扰，因此比基于ICF的方法（不包括内环中的负载电流）具有更好的动态性能，如图7所示。

然而，后来的研究表明，ASD的电容负载使得控制器难以保持良好的跟踪性能。因此，内环采用ICF。引入了滤波电容电压的前馈，以提高内环的稳态性能，并使两个控制回路解耦。

双回路控制方法框图如图7所示。输出电容电压的前馈比为k，设定为逆变器额定增益的倒数。通过引入，内环可以简化为图8，因为逆变器增益的实际值接近于标称值，故是一个相对较小的值。

（8）

因此，输出电容器电压对内部电流回路的影响减小，可以忽略不计。可将控制信号到输出电感电流的传递函数简化为

（9）

将不对称电压和谐波电流视为控制系统的扰动。显然，当采用CCF时，它们都在内环中，与ICF方法相比，这给正向路径带来了一个额外的函数，如图8所示。

（10）

因此，可以得到正向路径中的合成CCF传递函数。

（11）

显然，是一级高通滤波器，增益很小。角频率和基频增益取决于接地故障电阻和分布电容。图9显示了射频变化时的波特图。角频率随射频的增大而减小，表明低电阻接地的基波增益比高电阻接地低。图10显示了随变化的波特图，随着的增

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资料编号：[4825]