一种基于三相级联h桥变流器的配电网接地故障消弧方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于三相级联H桥变流器的配电网接地故障消弧方法。
【背景技术】
[0002] 配电网运行过程中存在大量因雷击、树枝等外物短时触碰导线、绝缘子污损击穿 及电缆绝缘劣化等复杂原因引起的瞬时性单相接地故障。非有效接地方式，特别是谐振接 地方式具有限制单相接地故障电流，自动消除瞬时单相接地故障，有利于熄灭接地电容电 流在故障点形成的电弧，提高供电可靠性等优点，在国内外中压配电网中得到广泛应用。但 是随着配电网规模的日益扩大和非线性负荷及电缆线路大量增加，导致线路对地电容电流 增大，另外一方面发生单相接地故障时，传统的无源消弧技术无法补偿接地故障电流中大 幅提高的有功电流分量和谐波电流分量，系统消弧能力降低，故障点的电弧难以自熄，接地 电弧电流的能量及间歇性弧光接地产生的过电压严重威胁系统绝缘，易引起故障扩大。
[0003] 现有的消弧装置按照能否补偿接地故障电流的谐波和有功分量分为有源消弧装 置和无源消弧装置，其中有源消弧装置可补偿接地故障电流中的谐波和有功分量。另外，影 响配电网接地故障消弧的主要因素有接地故障电流大小和故障相恢复电压，因此，按照控 制对象不同分为电流消弧方法和电压消弧方法，电流消弧方法以接地故障电流为控制对 象，即控制接地故障电流为零；电压消弧方法以故障点电压为控制对象，即控制故障相恢复 电压为零。
[0004] 现有的无源电流消弧方法以消弧线圈为代表，其在配电网发生单相接地故障时， 中性点电压加在消弧线圈上产生感性无功电流，补偿故障电容电流，达到降低接地电流促 使电弧熄灭的目的。现有的有源电流消弧装置以消弧线圈配合单个逆变器的主从式消弧线 圈为代表，其中该消弧装置通过接地变压器和升压变接入配电网，接地故障发生后，消弧线 圈补偿接地故障电流中的基波分量，逆变器补偿接地故障电流中的谐波分量和有功分量。
[0005] 已有电压消弧方法因故障点位置无法确定，故一般用母线处故障相电压来近似故 障点电压，其中无源电压消弧技术通过控制断路器，在故障相人为制造一个接地故障点，旁 路原故障点，钳制故障相电压，使故障点恢复电压小于绝缘介质的击穿电压，阻止故障电弧 重燃。根据人为接地设备的不同可分为直接接地、经电抗器接地、经氧化锌非线性电阻接 地、经多级电阻接地等方式。已有有源电压消弧方法通过注入补偿电流，使母线处故障相电 压为零。
[0006] 现有的柔性自适应消弧方法在考虑线路参数影响的基础上，通过计算接地过渡电 阻的大小作为电压消弧方法和电流消弧方法的切换条件。在高阻接地故障时采用电流消弧 方法，低阻接地故障时采用电压消弧方法。
[0007] 现有的无源电流消弧技术存在如下缺陷:无源电流消弧技术只能补偿接地故障电 流的无功分量，无法补偿接地故障电流的谐波分量和有功分量，消弧效果有限。
[0008] 现有的有源电流消弧技术存在如下缺陷:现有的有源电流消弧方法利用电源电压 计算补偿电流，接地故障发生后需先进行故障相识别，利用单个逆变器作为补充消弧装置 时，输出容量有限，谐波特性较差，需要升压变压器和接地变压器接入配电网且需添加给直 流侧充电的设备，另外还需考虑其和主消弧装置的配合问题。
[0009] 现有的无源电压消弧技术存在如下缺陷:直接接地方式因故障选相准确率受高阻 接地及谐振过电压等因素的影响，错误的选相结果将引发相间故障;经阻抗接地方式，发生 金属性等低阻接地时，旁路阻抗分流小，影响消弧效果。接地断路器在动作过程中，故障电 弧无法得到有效抑制。另外，消弧装置退出运行时刻，对地电容存储的电荷只能通过三相电 压互感器释放，可能导致互感器饱和，从而引发铁磁谐振。实际应用中还存在接地设备的参 数配置困难等问题。
[0010] 现有的有源电压消弧技术存在如下缺陷：开环控制时补偿电流计算较为复杂，闭 环控制时补偿电流的反复调整使消弧装置的响应时间较长，无法满足接地故障消弧对快速 性的要求。
[0011] 现有的柔性自适应消弧方法存在如下缺陷：只考虑了线路参数对消弧效果影响， 未分析故障馈线负荷电流的影响，且以过渡电阻大小作为两种消弧方法的切换条件，然而 过渡电阻大小无法直接测量且计算较为复杂。
【发明内容】
[0012] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于三相级联H桥变流器的配电网接地故 障消弧方法，将零序电压的大小作为切换条件，自适应选择电压消弧方法和电流消弧方法。
[0013] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:一种基于三相级联H桥变流器的配电 网接地故障消弧方法，其特征在于包括以下步骤：
[0014] 步骤Sl:将三相星型连接的三相级联H桥多电平变流器的中性点接地，三相独立运 行且分别通过电抗器连接至IOkV配电网母线的三相线上；
[0015] 步骤S2:在正常运行时，控制所述三相级联H桥多电平变流器定期向配电网注入电 流信号用于检测并存储其等效对地电容值Co和泄漏电阻值R 0;
[0016] 步骤S3:在接地故障发生后，利用所述等效对地电容值C。和泄漏电阻值R。及实时监 测的零序电压￡>0运算得到接地故障参考全电流之；
[0017] 步骤S4:控制所述三相级联H桥多电平变流器输出所述接地故障参考全电流，通 过三相电压在补偿电流注入后，故障相电压降低，非故障相电压升高的变化趋势识别出故 障相；
[0018] 步骤S5:判断所述零序电压O0是否满足电压消弧方法的切换条件，若满足则使用 电压消弧方法，控制零序电压色为所述故障相的电压负值;否则继续使用电流消弧方法，进 行步骤S6;
[0019] 步骤S6:若采用电压消弧方法，则将当前注入电流值作为电流消弧方法参考值，平 稳切换至电流消弧方法;若采用电流消弧方法则无需切换，再控制变流器只输出工频补偿 电流，并逐渐减小直至零，若零序电压$成比例变化，则判断为电弧已经熄灭，配电网恢复 正常运行;若零序电压仏不成比例变化，则根据零序电压特征辨别是否为电弧故障，若是则 继续注入电流信号;若不是，则判断为永久性经电阻接地故障，启动选线装置选出并隔离故 障馈线。
[0020] 进一步的，所述步骤S3中接地故障参考全电流之的具体计算方法如下：
[0021] 在配电网三相对地参数平衡的情况下，假设各相对地电容均为Cog，各相对地泄漏 电阻均为Rog，单相注入参考补偿电流时：
[0022]
[0023]三相注入参考补偿电流时：
[0024]
[0025] 则故障相电压被限制为零，接地点故障电流也被限制为零；
[0026] 在配电网三相对地参数不平衡时，取故障前后零序电压的差值和零序导纳计算所 述故障参考全电流&
[0027]
[0028] 其中：么为零序电压，为故障前不对称电压，Co和Ro为零序网络等效电容和泄 漏电阻。
[0029] 进一步的，所述步骤S5所述的电压消弧方法的切换条件为：只有当时切 换为电压消弧方法，其中乂#为零序电压的边界值，其大小与中性点不接地系统故障后母 线处零序电压相等。
[0030] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0031] 1、本发明将三相级联H桥型多电平变流器作为消弧装置应用于配电网接地故障消 弧领域，通过变流器产生接地故障补偿电流，另外通过调整控制策略，可将该装置拓展应用 于无功补偿，谐波抑制等领域；
[0032] 2、本发明通过分析电流消弧方法原理，提出了利用实时检测的零序电压计算接地 故障参考全电流，并利用注入补偿电流后三相电压的变化趋势选出故障相；
[0033] 3、本发明通过分析电压消弧方法的原理，提出了利用控制零序电压为故障相电源 电压的负值的方式抑制故障相恢复电压；
[0034] 4、本发明通过分析线路参数和故障馈线负荷电流对电压和电流消弧方法的消弧 效果的影响，提出电压消弧方法和电流消弧方法配合使用的自适应消弧方法；
[0035] 5、本发明通过推导采用电压消弧方法后的故障残流和故障后零序电压的关系，提 出将故障后的零序电压大小作为电压消弧方法和电流消弧方法的切换条件。
【附图说明】
[0036] 图1是本发明的经三相级联H桥变流器柔性接地的配电网结构原理示意图。
[0037] 图2是本发明分相注入补偿电流时配电网的等效电路图。
[0038] 图3是本发明接地故障工频电流补偿控制结构图。
[0039] 图4是本发明接地故障谐波和暂态电流补偿控制结构图。
[0040] 图5是本发明电压电流双PI控制结构图。
[0041] 图6是本发明配电网接地故障等效电路图。
[0042] 图7a是图6的等效电路图之一。
[0043] 图7b是图6的等效电路图之二。
[0044]图8是本发明故障点等效电路图。