基于有源逆变分相注入的电压消弧与位移电压抑制方法

梁洪湘，曾祥君，喻锟，向国杰，熊一帆

(长沙理工大学 电气与信息工程学院，长沙 410114)

0 引 言

配电网结构复杂，运行环境多变，极易发生随机故障，其中约70%配电网故障是瞬时性接地故障[1-5]。为提高供电可靠性，减小接地故障残流与恢复电压上升速度，我国配电网一般采用中性点经消弧线圈接地。与中性点有效接地相比，中性点经消弧线圈接地能有效提高供电可靠性，但同时也增大了中性点到大地的零序阻抗，当对地参数不对称时中性点电压将发生偏移，进而造成相电压不对称，影响供电质量。

交流电弧自然过零点后存在两种恢复过程，第一种是介质强度的恢复过程，另一种是弧道间隙两端电压的恢复过程。当介质强度的恢复速度快于恢复电压的上升速度时，电弧将就此熄灭，反之则重新燃烧。因此，可从减小故障残流、减小故障点电压的角度来分析灭弧方法。故障残流越小，对绝缘介质的损害就越小，越有利于介质强度的恢复，对应的消弧方法称之为电流消弧；故障点电压越小，在暂态周期一样的前提下同时刻的恢复电压数值也越小，恢复电压的上升速度就越慢，对应的消弧方法称之为电压消弧。

文献[6-10]采用电流消弧。其中，文献[6]提出采用自动跟踪补偿的消弧方法，实时检测系统电容电流，根据电容电流数值动态调节消弧线圈电感值，从而保证补偿后的残流处于较为理想的数值。文献[7]提出采用消弧线圈分散补偿电容电流，以解决现有消弧线圈容量不足的问题。但上述两种方法只能补偿故障电流无功分量，无法补偿故障电流的谐波分量与有功分量，无法实现故障电流全补偿。文献[8]提出采用主从逆变器补偿故障电流，该方法由主逆变器补偿直流分量与基波有功分量，从逆变器补偿谐波分量，从而实现故障电流全补偿。文献[9]提出采用新型主从式消弧线圈进行消弧，该方法由采用随调式与预调式结合的消弧线圈补偿无功电流，由电压式逆变器补偿谐波分量与有功分量，从而实现故障电流的全补偿。文献[10]提出在线路首端挂接三相级联H桥来补偿故障电流，通过实时监测故障相电压计算注入电流值，采用分相注入的方法实现故障相电流全补偿。文献[11-14]采用电压消弧。其中，文献[7-8]提出采用消弧线圈与接地故障转移装置配合来实现消弧，文献[11]在故障转移装置投入前通过消弧线圈对无功分量进行补偿，故障转移装置投入后通过钳制故障相电压来抑制电弧的重燃。文献[12] 在故障转移装置投入前通过消弧线圈将故障残流补偿到较小的数值，再投入故障转移装置进行熄弧。文献[11-12]所述方法当故障相判断错误时，会引起两相接地短路，扩大事故范围。文献[13-14]提出中性点经消弧线圈并联有源逆变器实现消弧，通过有源逆变器的输出电流调节零序电压，钳制故障相电压为0 V，实现瞬时性故障100%熄弧。

我国的中低压配电系统广泛采用小电流接地方式[15-18]，而且现有消弧方法大多需要与消弧线圈配合使用，或需要增加额外的接地装置，与中性点有效接地相比，增大了零序回路阻抗，当发生三相参数不对称时，中性点将产生位移电压，影响供电的质量。文献[19]提出在相与相之间或相与地之间串联电容，通过改变线路参数迫使三相参数对称来抑制中性点电压。但该方法投切电容时需要按组别投切，无法实现精确连续调节。文献[20-23]通过柔性接地技术来抑制中性点电压，有源逆变器经中性点向系统注入零序电流来实现对中性点位移电压的调节，从而强迫三相线路相电压平衡，实现对不平衡过电压的抑制。

针对交流电弧熄弧机理以及采用非有效接地后只要三相参数不对称就会产生中性点位移电压的缺陷，借鉴现有柔性接地技术的特点[24-25]， 提出一种基于有源逆变分相注入的电压消弧与中性点位移电压抑制方法，在三相线路首端分别挂接有源逆变，通过脉宽调制信号控制有源逆变电路的输出电流，实时监测配网的运行状态，非故障状态下三相参数不对称时，通过有源逆变分相注入零序电流调控中性点电压，钳制中性点电压为0 V，从而实现位移电压抑制；当出现单相接地故障时，通过有源逆变向系统注入零序电流调控故障相电压，钳制故障相电压为0 V，从而实现电压消弧。

1 基于有源逆变分相注入的电压消弧原理分析

对图1电路做虚线框所示的闭合封闭面，当开关Q闭合时，该封闭面的基尔霍夫电流方程为：

(1)

图1 采用有源逆变分相注入技术的配电网电路图Fig.1 Distribution network circuit diagram using active inverter separate-phase injection technology

由基尔霍夫电压定律可知：

(2)

将式(2)代入式(1)后可得：

(3)

对式(3)进行进一步地整理，可得：

(4)

(5)

通过式(5)计算出注入电流数值后，可通过PWM脉宽调制信号控制有源逆变器的输出电流。挂接在线路出口端的有源逆变可采取单相注入、两相注入以及三相同时注入的方式保证故障相电压为0 V。

当采用单相注入时，有源逆变的输出电流需满足：

(6)

采用单相注入时，所有的补偿电流全部由一相的有源逆变提供，另外两相有源逆变输出电流为0，该种注入方法可适用于电压等级较低或有源逆变装置容量较大的情况，当其中一相的有源逆变发生故障而退出运行或其中一相的有源逆变进行检修时，其余两相的有源逆变可作为备用，保证检修期间的有效熄弧能力。

当采用两相注入时，有源逆变的输出电流需满足：

(7)

采用两相注入时，理论上只需要注入电流之和满足式(5)，各分相的有源逆变注入电流满足式(7)即可，但是为了提高有源逆变的使用寿命以及简化有源逆变的控制策略，提供电流的两台有源逆变所分担的电流比例应该相同。该种注入方式适用于有源逆变装置容量中等的情况，当注入电流的有源逆变中有一台因故障或需要检修而退出运行时，剩余的一台有源逆变可作为备用，保证检修期间的有效熄弧。

当采用三相共同注入时，有源逆变的输出电流需满足：

(8)

采用三相共同注入时，理论上只需要注入电流之和满足式(5)，各分相的有源逆变输出电流满足式(8)即可，同样为提高消弧装置使用寿命及简化控制策略，提供电流的三台有源逆变所分担的电流比例应该相同。

2 基于有源逆变分相注入的位移电压抑制机理分析

对图1所示电路做虚线框所示的封闭面，当开关Q断开时，该封闭面的基尔霍夫电流方程为：

(9)

整理后可得：

(10)

(11)

有源逆变通过式(11)计算出注入电流数值后，可通过PWM脉宽调制信号控制有源逆变器的输出电流。挂接在线路出口端的有源逆变可采取单相注入、两相注入以及三相同时注入的方式保证中性点电压为0 V。

当采用单相注入时，有源逆变的输出电流需满足：

(12)

当采用两相注入时，有源逆变的输出电流需满足：

(13)

当采用三相共同注入时，有源逆变的输出电流需满足：

(14)

与通过有源逆变分相注入进行电压消弧一样，在实际应用时可根据配网电压等级与有源逆变装置容量选择注入方式，当电压等级较低或有源逆变容量较大时，可选择单相注入；当配网电压等级较低或有源逆变装置容量较小时可选择三相共同注入。在选择两相注入以及三相共同注入时，为提高有源逆变装置的使用寿命以及简化控制策略，动作的有源逆变装置所输出的电流应保持一致。

3 有源逆变的运行策略分析

由前面的内容可知，通过有源逆变分相注入可钳制故障相电压或中性点电压为0 V，从而在配电网发生单相接地故障后实现电压熄弧，抑制电弧的重新燃烧；在配电网三相对地参数不对称时有效抑制中性点位移电压产生。但是钳制故障相电压为0 V和钳制中性点电压为0 V所需要注入的电流值并不相同，在注入前需要判断配电网是处于单相接地故障状态还是三相不平衡状态，再以此制定有源逆变的运行策略。

现有消弧装置大多以零序电压作为启动量，当零序电压超过某一限定值之后就认为系统已经发生了接地故障，但当三相线路对地参数不平衡时，中性点也会出现位移电压，此时如果按单相接地故障处理，将进一步加剧不对称状态。借鉴现有柔性接地技术实现不平衡过电压抑制的方法，选择以阻尼率作为判断单相接地故障和三相线路参数不对称的依据，图1所示的配电网阻尼率d的表达为：

(15)

当配电网处于非接地故障时，可认为过渡电阻Rf=+∞，当发生单相接地故障时Rf≠∞，此时阻尼率会增大，故障前后阻尼率的变化为：

(16)

因此可通过实时监测系统的阻尼率，当阻尼率发生突变或阻尼率d>0.15时，认为发生了单相接地故障，否则认为零序电压产生的原因是三相线路参数不对称[10]。当发生单相接地故障时，依据式(5)～式(8)向系统注入零序电流实现电压消弧；当出现三相不平衡过电压时，依据式(11)～式(14)向系统注入零序电流实现位移电压抑制。

综上所述，有源逆变运行策略的流程图见图2。

4 仿真分析

为充分验证所提电压消弧及位移电压抑制方法的适用性及有效性，将仿真分为三个部分：第一部分为配电网发生单相接地故障时电压消弧分析;第二部分为三相线路参数不对称时对位移电压的抑制分析;第三部分为在不对称配电网先进行位移电压抑制，发生单相接地故障后再进行电压消弧，上述三种仿真情景下系统电压等级为10 kV。

4.1 电压消弧分析

在MATLAB上搭建图1所示的模型，仿真时间设置为0.5 s，在0.1 s时发生故障，0.2 s时有源逆变向系统注入零序电流，线路电压等级为10 kV，仿真的参数设置如表1所示[7]。

表1 仿真情景1线路参数Tab.1 Simulation scenario 1 line parameters

当采用单相注入时(以A相为特殊相)，各注入相有源逆变输出电流波形如图3所示，故障相电压及故障相电流如图4所示。

图3 单相注入时有源逆变输出电流波形Fig.3 Active inverter output current waveform during single phase injection

图4 单相注入时故障相电压及故障电流波形Fig.4 Fault phase voltage and current waveform during single phase injection

当采用两相注入时(以A相为特殊相)，各注入相有源逆变输出电流波形如图5所示，故障相电压及故障相电流如图6所示。

图5 两相注入时有源逆变输出电流波形Fig.5 Active inverter output current waveform during two-phase injection

图6 两相注入时故障相电压及故障电流波形Fig.6 Fault phase voltage and current waveform during two-phase injection

当采用三相注入时，各注入相有源逆变输出电流波形如图7所示，故障相电压及故障相电流如图8所示。

图7 三相注入时有源逆变输出电流波形Fig.7 Active inverter output current waveform during three-phase injection

图8 三相共同注入时故障相电压及故障电流波形Fig.8 Fault phase voltage and current waveform during three-phase injection

由图3～图8可知，不管是单相注入、两相注入还是三相共同注入，在0.2 s注入电流后故障相电压能被快速钳制到0 V，故障相电流也能被快速补偿，从而实现熄弧。

4.2 位移电压抑制分析

同样在MATLAB上搭建图1所示的模型，仿真时间设置为0.5 s，在0.2 s时有源逆变向系统注入零序电流，仿真的线路参数设置如表2所示。

当采用单相注入时(以A相为特殊相)，各注入相有源逆变输出的电流波形如图9所示，中性点电压波形及三相电压有效值波形如图10所示。

表2 仿真情景2线路参数Tab.2 Simulation scenario 2 line parameters

图9 有源逆变输出电流波形(单相注入时)Fig.9 Active inverter output current waveform during single-phase injection

图10 中性点电压及相电压有效值波形单相注入时Fig.10 Neutral point voltage and phase voltage RMS waveform during single-phase injection

当采用两相注入时(以A相为特殊相)，各注入相有源逆变输出的电流波形如图11所示，中性点电压波形及三相电压有效值波形如图12所示。

当采用三相共同注入时，各注入相有源逆变输出电流波形如图13所示，中性点电压波形及三相电压有效值波形如图14所示。

图11 有源逆变输出电流波形(两相注入时)Fig.11 Active inverter output current waveform during two-phase injection

图12 两相注入时中性点电压及相电压有效值波形Fig.12 Neutral point voltage and phase voltage RMS waveform during two-phase injection

图13 有源逆变输出电流波形(三相注入时)Fig.13 Active inverter output current waveform during three-phase injection

图14 三相注入时中性点电压及相电压有效值波形Fig.14 Neutral point voltage and phase voltage RMS waveform during three-phase injection

由图9～图14可知，在有源逆变注入电流前，中性点电压存在偏移，从而导致三相电压不平衡，会导致A相与C相的相电压过高，在0.2 s注入电流后(不管是单相注入、两相注入还是三相共同注入)中性点电压能快速钳制到0 V，A、B、C三相的相电压被强迫对称，三相电压的有效值由互不相等变为相等，从而验证了所提位移电压抑制方法的有效性。

4.3 不对称电网位移电压抑制及电压消弧分析

此部分仿真的线路参数与表2一致，电压等级为10 kV，接地故障的过渡电阻设置为200 Ω，仿真时间设置为0.5 s。仿真情景为：仿真一开始配电网处于三相不平衡状态，在0.2 s时注入电流，钳制中性点电压为0 V，抑制三相不平衡过电压；在0.3 s时A相发生单相接地故障；0.4 s时有源逆变改变注入电流的数值，对故障相电压进行调节，钳制故障相电压为0 V。

由4.1、 4.2仿真内容可知，有源逆变单相注入、两相注入、三相共同注入的电压消弧以及三相不平衡过电压的抑制效果一致，因此，此部分内容的仿真仅以三相共同注入为例进行说明。有源逆变输出的电流波形如图15所示。

图15 仿真情景3有源逆变输出电流波形Fig.15 Active inverter output current waveform of simulation scenario 3

故障电流波形如图16所示。

图16 仿真情景3故障电流波形Fig.16 Fault current waveform of simulation scenario 3

三相电压有效值波形如图17所示。

图17 仿真情景3相电压有效值波形Fig.17 Phase RMS waveform of simulation scenario 3

中性点电压波形为如图18所示。

图18 仿真情景3中性点电压波形Fig.18 Neutral point voltage waveform of simulation scenario 3

线路对地泄露电流有效值波形、对地分布电流有效值波形如图19所示。

图19 对地泄露电流有效值及分布电流有效值波形Fig.19 Earth leakage current RMS and distributed current RMS waveform

阻尼率波形如图20所示。

图20 仿真情景3阻尼率波形Fig.20 Damping rate waveform of simulation scenario 3

由图15～图20可知，仿真一开始配电网处于三相不平衡状态，中性点电压存在偏移，相电压有效值不相等，三相电压处于不对称状态，A相、C相电压偏高而B相电压偏低；0.2 s时有源逆变向不平衡系统注入电流，中性点电压在较短时间内被抑制到0 V，三相电压有效值变为相等，相电压由不对称变为对称，配电网系统由不平衡状态变为平衡状态； 0.3 s后发生单相接地故障，阻尼率发生突变，在0.3 s以前阻尼率数值在0.15以内，0.3 s后阻尼率超过了0.15，与此同时相电压重新由对称状态变为不对称，中性点电压发生偏移；0.4 s后有源逆变改变运行状态，改变注入电流的数值对故障电流进行补偿，在较短时间内将故障相电压抑制到0 V，非故障相电压上升到线电压，中性点电压变为故障相电压的相反数，此时由于线电压对称，不会影响系统的正常供电，且由于故障相电压被钳制到0 V，故障点将不存在电弧重燃的条件。

5 结束语

提出了一种基于有源逆变分相注入的电压消弧与位移电压抑制方法，通过在线路首端分别挂接有源逆变对中性点电压或故障相电压进行调节，以阻尼率作为判别接地故障或三相不平衡的依据。该方法可在配电网处于单相接地故障状态时进行电压熄弧，在配电网处于非正常运行状态时进行位移电压抑制。仿真结果表明，该方法具有较好的电压消弧以及位移电压抑制能力，注入方式灵活、可靠性较高、适应性强。与现有消弧方法或位移电压抑制方法相比具有以下优势：

(1)与利用消弧线圈消弧相比，所提方法不仅可补偿故障电流无功分量，还可补偿故障电流有功分量，可实现故障电流全补偿；

(2)与现有单相柔性接地技术相比，所提方法可靠性更高，当某一相有源逆变发生故障或需要检修时，该相有源逆变退出运行期间仍然可保证电压消弧或不平衡过电压抑制能力；

(3)与现有分相柔性消弧技术相比，所提方法对每相注入电流的要求更为灵活，控制策略更为简单，当每相注入电流相等时，只需为一相设计控制器即可。此外，所提方法还可应用于不平衡配电网的故障消弧，使用范围更加广泛；

(4)与现有在相间、相对地投切电容器组改变线路对地参数以抑制中性点电压技术相比，所提方法可实现精确、连续调节。