基于变压器的控制负载电弧抑制线圈

J. Tian 1 Q. Chen2 L. Cheng2 Y. Zhang2

1DEC Ramp;D Center， Intelligent Equipments and Control Technology Institute， Dongfang Electric Corporation，

College of Electrical and Electronic Engineering， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074

Chengdu 611731， Peoplersquo;s Republic of China

E-mail: tianjun@smail.hust.edu.cn

摘要: 为了在中性谐振接地电源系统中发展具有快速、连续调节和有限谐波输出的电弧抑制线圈 (ASC)， 提出了一种基于控制负载变压器的电弧抑制线圈。电压源PWM逆变器作为变压器的二次负载， 通过控制逆变器输出电流， 可以任意调节 ASC 的电抗。采用多次二次绕组的变压器可以实现制造大容量 ASC。采用改进的注入变频信号法，对配电网线对地电容进行了准确检测。在800kVA/10kV样机上进行了三相动态仿真实验，实验结果验证了电弧抑制装置具有电容检测精度高、补偿范围广的特点，响应速度快，谐波少。

1. 简介

电弧抑制线圈 (ASC) 在 6–66 kv 级电网中得到了广泛的应用， 在单相接地故障发生时抑制了故障点与接地之间的故障电流。由于ASC通过并联谐振原理补偿电容电流，因此ASC接地系统也被称为中性谐振接地系统。ASC本质上是可调节的分流电抗。在过去十年中， 根据不同的原则发展了ASC。一些典型的是绕组换能器类型、空气分接开关类型、磁控电抗器 (MCR) 型、晶闸管开关电容器 (TSC) 型和晶闸管控制电抗器 (TCR) 型 [1，2]。现有结构存在一些缺陷， 如电抗不能快速、连续地调节或产生严重的谐波 [3-5]。这些限制对ASC产生了负面影响， 限制了实际应用中的补偿效果。

为了解决这一问题，本文提出了一种基于变压器的控制负载的ASC。提出的 ASC电抗调谐原理是:电压源 PWM 逆变器是线性变压器的二次负载。通过控制逆变器的输出电流，即变压器的负载电流，可以任意调节变压器主绕组的等效阻抗。其工作原理是对逆变器输出电流进行实时控制，以快速、准确地跟踪变压器的主电流。采用多二次绕组变压器的结构 [6-13] 可以实现制作大容量 ASC。

在中性谐振接地系统中，配电网线对地电容的准确检测是有效补偿的基础。变频信号法具有不需要调整 ASC 电抗、电力通用运行状态不变等优点，是电容电流检测中广泛使用的一种方法 [14–18]。然而，中性点位移电压的存在会影响注入信号，从而使相位判断不准确。首次给出了不平衡电网注入信号法的等效电路和控制模型。通过对控制模型的分析，提出了一种改进的注入变频信号法，用于准确检测配电网线对地电容。另一项创新是检测中性点信号频率电压的大小以判断谐振状态，从而有效地提高了谐振判断的灵敏度和准确性。通过单相实验验证了该方法的正确性。

在800kVA/10kVA样机上进行了三相动态仿真实验，实验结果验证了该ASC的良好特性，如电抗线性和连续调谐、快速响应等。谐波电流少，电容检测精度高。是 ASC 应用中追求的理想性能。

图1 可调电抗器的原理图

a 电路简图

b T形等效电路图

1. 可调电抗器原理

ASC 本质上是可调节的分流电抗。图1a显示了一种带气隙的线性变压器的原理图，用于说明基于受控负载的变压器的可调电抗器的原理。PWM 逆变器作为理想的电流源，是变压器二次绕组的控制负载。图1b 显示了T形等效电路图。假设变压器铁损产生的励磁电阻可能被忽略。电压方程是

(1)

(2)

其中 和 分别是一次绕组和二次绕组的电阻； and 分别是一次绕组和二次绕组的电感；代表基本角频率； 和分别是一次绕组和二次绕组的电压；M表示一次绕组和二次绕组之间的互感。方程 (1) 和 (2) 可以更改为

（3）

（4）

其中是变压器的斜率。

如果注入的基本电流i2满足：

（5）

那么，（3）和（4）可以被简化为：

（6）

（7）

其中是一次绕组的漏电电感； 是二次绕组的漏电电感。

然后， 推导变压器主绕组的等效阻抗：

（8）

其中表示一次绕组的泄漏阻抗；代表磁化阻抗；b是基本电流补偿系数。

根据 (1)-(8)， 当系数 b 变化时， 变压器主绕组的等效阻抗可以连续可调电抗。此功能使其适用于ASC的应用。注入电流可通过PWM逆变器实现。PWM逆变器作为理想的电流源，是变压器二次绕组的控制负载。通过控制逆变器的输出电流，即变压器的负载电流， 可以任意调节变压器主绕组的阻抗。

采用多二次绕组变压器的结构， 可以实现大容量的 ASC。图2显示了多绕组变压器的可调电抗器。假设二次绕组是在对称结构中设计的。一次绕组和二次绕组之间的相互电感是相同的。连接到二次绕组的逆变器注入相同的基本电流。

（9）

（10）

然后，（9）和（10）可以被化简为：

（11）

从终端 ax 中提取变压器的等效阻抗：

（12）

比较(8)和(12)可以得出结论，具有多个二次绕组的变压器的等效阻抗与上述单二次绕组变压器的等效阻抗相同。通过采用多二次绕组拓扑结构，可以降低每个逆变器的电流水平，通过比较(9)和(5)证明了这一点。每个逆变器的电流与二次绕组的数量成反比。因此， 可以采用低容量开关元件来实现高容量设备。

图2 多绕组变压器可调电抗器原理图

电流控制方案是传统的PI闭环控制，基于三角形比较电流跟踪方法，由于其简单性和固定开关频率(10khz)，控制策略如图3所示。

图3 改进的变频信号注入方法

1. 改进的变频信号注入方法

在中性谐振接地系统中， 配电网线对地电容的准确检测是有效补偿的基础。 本文提出了一种改进的注入变频信号法，用于准确检测配电网线对地电容。与其他方法相比，所提出的方法的优点是只需要检测和处理一个参数，谐振状态的判断更敏感，更容易实现。给出了不平衡电网注入信号法的等效电路和控制模型。 通过对控制模型的分析，改进了ASC的方法:采用电压前馈控制来抑制50hz位移电压(50hz基频)的干扰，从而抑制了这种干扰。能显著改善注入信号的特性，使注入信号不考虑不平衡的网络或中性位移电压。另一项创新是检测中性注入信号频率电压的大小以判断谐振状态，从而有效地提高了谐振判断的灵敏度和准确性。

图4 ASC的原理图

图4显示了ASC的原理图。在中性谐振接地电源系统中，零序等效电路更受到人们的重视。

图5 非对称电力系统注入信号法的零序等效电路

a 零序等效电路

b 简化电路o

图5a显示了非对称电力系统中注入信号法的零序列等效电路。可以看出，是不对称电网电压的零序分量； =是三相电网的总线到接地电容；是变压器的一次绕组电压， 也是中性点电压； 和分别是一次绕组和二次绕组的电阻；热和 分别是一次绕组和二次绕组的泄漏电感；是逆变器输出电压；是逆变器的输出电流。所有参数转换为变压器二次侧。

由于和被忽略， 并且，图5b显示了一个简化电路。注入的电流是由逆变器产生的， 它是理想的电流源。的振幅为常数，的频率发生变化， 改变频率的步长为 0.1 Hz。 当平行谐振发生时，检测到的判断谐振状态的的振幅是最大值。 根据谐振条件， 可以计算出电网的电容如下：

（13）

其中的是谐振频率。

根据图5a中的叠加原理和等效电路。逆变器输出电流具有以下拉普拉斯表达式：

（14）

其中：

（15）

（16）

前馈校正的基本思想是: 可以准确地检测到干扰信号并进行预补偿， 它可以提前对扰动进行补偿， 从而有效地抑制扰动信号。 非对称电网电压是干扰信号。采用前馈校正来抑制对注入电流 的影响。由于不对称电网电压通常不容易测量， 而且中性点位移电压容易检测到， 因此检测到可添加适当的前馈来补偿扰动。图6a 显示了无前馈的控制系统框图和图6b显示了前馈校正控制系统框图。图6中的表达式如下所示：

（17）

根据图6b所显示的程序框图，

图6 控制系统程序框图

a 无前馈校正的控制系统

b 带前馈校正的控制系统

表1 仿真系统的频率特性参数

其可被整理为：

（18）

（18）可被化简为：

（19）

根据 (19)， 可以得出结论， 受控变量与给定的参数无关， 与扰动信号或总线对地电容无关。

根据表1，可以得到控制变量到给定参数的幅频响应波德图， 如图7所示。根据图7，通过添加中性点电压前馈校正，可以得出结论，在整个扫描范围 (低频) 中，逆变器输出电流的振幅衰减接近0db。由于扰动输入完全补偿，注入电流在理论上不包含基本成分。

输出对给定参数和输出对扰动输入的闭环传递函数分别显示在 (20) 和 (21) 中。

（20）

（21）

图7 注入电流的频率特性及前馈校正

图8 输出的放大频率响应波德图给出参数

a 输出的波德图， 给出参数， 无需前馈校正

b 带前馈校正的参数输出的波德图

根据 (20)， 可以得到输出到给定参数的幅频响应波德图， 如图8所示。图8b 是图7的放大， 介于10和 100 Hz 之间。比较图8a和b，通过增加中性点电压前馈校正的比例， 可以得到输出对给定参数的衰减在整个频率范围内的很小。最大衰减率为 -0.0466dB， 相对于最大衰减 -1.98dB， 而不进行前馈校正。 输出电流可以完全跟踪给定的参数， 逆变器可以作为理想的电流源工作。

根据 (21) 图 9， 可以得到输出对扰动输入的幅频响应波德图。与图9a 和 b 相比， 输出对扰动输入的衰减从-23.9 到-59.5 dB 不等， 极大地抑制了 50 Hz 不对称电压对 逆变器输出电流通过增加中性点电压前馈校正的比例。 注入电流可以看作是只包含变频信号。

采用电压前馈校正来抑制 50 Hz 位移电压的干扰， 显著改善注入信号的特性，使注入信号不依赖网络或中性位移电压。 在注入电流的幅度为常数的情况下，检测中性点信号频率电压的幅度，以判断谐振状态。根据图5a所示的电路，得到了 对逆变器输出电流的传递函数， 是中性点信号频率电压。

（22）

根据 (22)， 得到了对逆变器输出电流的幅频响应波德图， 如图10所示。根据图10可以得出结论， 幅频电压的振幅变化迅速， 并在谐振点达到最大值。与其他谐振状态判断方法 [19–24] 相比， 该方法的优点是只检测和处理一个变量 (中性点电压)， 并对其进行判断。 振幅更敏感， 更容易实现。其他方法将检测两个参考体积， 谐振点的估计误差也较大。[19]详细分析了该方法的优缺点。

给出了单相实验， 验证了该方法的正确性， 如图11所示。注入电流的振幅为 0.5A， 扫描频率范围为 23~43 Hz， 0.1 Hz 步长的循环变化。 电压调节器输出表示中性位移电压， 即扰动信号。图12显示了中性点位移电压为 508 v 时电压调节器输出的波形和注入电流. 图12a和b相比， 可以得到注入电流所包含的波形 基频强， 电流严重畸变， 无前馈校正。如果采用传统的基于相位的方法来确定谐振点， 就会带来很大的检测误差。通过前馈校正， 注入电流 可以看作是只包含变频信号， 振幅是恒定的。

Fig. 9 输出的放大频率响应波德图对干扰输入的影响

a 输出在无前馈校正的情况下， 对的扰动输入的波德图

b 输出在前馈校正的情况下，对的干扰输入的波德图

图10 和输出之间的放大频率响应波德图

图11 单相实验的电路图

实验结果表明，采用电压前馈校正来抑制电压前馈的干扰。50Hz位移电压，可显著改善注入信号的特性，并使注入的信号，而不考虑中性位移电压。电容检测测试结果见表2。根据表2， 可以知道改进后的注入变频信号法具有电容检测精度高的特点。

英语原文共 10 页

资料编号：[4816]