小接地电流系统单相间歇性弧光接地过电压抑制方法

杨海运， 岳国良， 金欣明， 闫柯柯， 宫艳朝， 张建军

(1.国网邯郸供电公司，河北 邯郸 056035；2. 国网河北省电力有限公司，河北 石家庄 050000；3.河北伟正电力技术有限公司，河北 邯郸 056001)

0 引 言

由于干扰和过压等因素的影响，小接地电流系统容易出现单相间歇性弧光接地过电压输出振荡，使系统输出稳定性差[1-2]，因此需要进行小接地电流系统的过电压抑制，从而降低小接地电流系统的输出过压振荡性，提高该系统的安全稳定性。对于小接地电流系统单相间歇性弧光接地过电压抑制方法的研究已经受到人们的广泛关注[3-4]。文献[5]提出基于自动补偿的小接地电流系统单相间歇性弧光接地过电压抑制方法。文献[6]提出基于电压偏置的小接地电流系统单相间歇性弧光接地过电压抑制方法，但这两种方法的抗干扰能力不好，实际应用效果并不理想。

针对上述问题，本文提出新的小接地电流系统单相间歇性弧光接地过电压抑制方法。

1 接地过电压传输参数辨识模型和均衡调节

1.1 参数辨识模型

假设电压输出的电容电压纹波序列为s1(t),s2(t),…,sL(t)，在低开关损耗和电磁干扰下[7]，通过滤波电感参数控制方法获取传输功率动态变化时的等效电路，如图1所示。

在图1所示的等效电路模型中，通过方波电压振荡抑制方法进行输出稳定性调节[8]，得到弧光接地过电压的输出特征参数，计算公式如式(1)所示。

图1 小接地电流系统的等效电路

(1)

式中：ψ为电压振荡系数；Δ为过电压判断特征参数；Rdc为电路输入电压；ω为电路输出电压；I流过该电路的电流总量。

则ψ、Δ、Rdc的计算公式如下：

(2)

(3)

(4)

式中:p为电压振荡幅度[9]；deff为过电压阈值；δ0为初始电压；ρ为稳态电压扰动系数；dc为电压测量误差；N为电压波动幅值。

通过直流电流纹波控制，电压传感器阵元由N=2P分布线列阵构成的谐振频率。

(5)

式中：si(t)为小接地电流系统桥臂功率;nm(t)为可调范围内的开关频率；φmi为直流分量;ejφmi为直流非稳态分量。

对电压信息进行优化辨识，得到参数解析的点分布模型满足：

(6)

式中：D为过电压特征值[10]；λ为驱动信号。

根据上述分析，构建接地过电压参数辨识模型：

(7)

式中:μr1与μr2分别为过电压初始值与稳态值；μ0为电压初值幅值；β为电压变化率。

1.2 电压均衡调节

(8)

在最大功率点处进行过电压抑制，得到模块电容α=pπ/2，功率为N的传输算子。结合上下桥臂电荷守恒控制方法，得到升压场合下过电压的均衡调节函数，表示为：

(9)

2 单相间歇性弧光接地过电压抑制

2.1 振荡波束控制

在经过电压均衡调节之后，根据伏-秒平衡原理，进行单相间歇性弧光接地过电压保护，结合变压器连接器稳态调节的方法，得到稳态电压输出信号主y(t)，表达为：

(10)

采用电压调制方法进行过电压的耦合处理，在某一线路区域t内得到过电压分量x(t)的p阶Fourier变换分量，可以用Xp(t)或FPx(t)表示，根据相邻子模块互补分析方法获取得到过电压的振荡特征统计量，表达为：

(11)

式中：p为Fourier变换的阶数;Kp(t,u)为相邻子模块互补分析函数。

结合上述分析，建立过电压振荡波束控制模型，表达为：

(12)

式中：Yp(t)为振荡波束特征向量。

2.2 过电压保护及抑制

采用混失真补偿方法进行单相间歇性弧光接地的过压保护，得到谐波整流扰动输出为：

(13)

式中：Zp为电压输出特征量；Zs为谐波整流扰动分量。Zp、Zs如式(14)、式(15)所示。

(14)

(15)

式中:Rp为输入电压与输出电压之差；Req为谐波整流扰动系数;Xs为扰动幅值。

单相间歇性弧光接地过电压的饱和跟踪误差为：

(16)

结合如上分析，通过逆变侧稳态调节，结合小接地电流系统单相间歇性弧光过压的整流侧定功率，得到过电压抑制函数，如式(17)所示。

(17)

式中：rr为逆变侧稳态调节参量；lm为整流侧定功率变化率;k1与kβ分别为不同的过电压抑制系数。

3 仿真测试

为验证本文所设计的小接地电流系统单相间歇性弧光接地过电压抑制方法的优异性能，进行仿真试验测试。试验中，设定整流侧定功率为25 kW，小接地电流系统的输出平均功率为12 kW，谐振电流为200 A，限流电感为22 mH，输入滤波电感为20 mH。

根据上述参数设定，进行单相间歇性弧光接地过电压抑制，得到小接地电流系统的直轴、交轴分量的电流和电压如图2所示。

图2 小接地电流系统的直轴、交轴分量的电流和电压波形

根据图2的电流振荡分布，进行单相间歇性弧光接地过电压抑制，得到输出的电压仿真图，如图3所示。

图3 输出的电容电压仿真图

分析图3可知，通过本文所设计方法的接地过压保护及抑制，提高了小接地电流系统的输出稳定性，直流电流波动较小，过压保护能力较强。

在此基础上测试电压抑制波纹，如图4所示。

图4 单相间歇性弧光接地过电压抑制波纹图

分析图4得知，本文方法能有效抑制单相间歇性弧光接地过电压，小接地电流系统的输出稳定性较好，抗干扰能力较强。

4 结束语

本文提出基于电压自均衡直接耦合控制的小接地电流系统单相间歇性弧光接地过电压抑制方法。通过方波电压振荡抑制方法进行小接地电流系统输出稳定性调节，根据伏-秒平衡原理进行弧光接地过电压保护，在最大功率点处实现过电压抑制。结果表明，本文方法能够对小接地电流系统单相间歇性弧光接地过电压进行有效抑制，提高该系统的过电压保护能力，实际应用效果更好。