配电网单相接地故障柔性消弧技术综述

配电网单相接地故障电弧常引起森林火灾和电力设备烧毁。随着配电网规模和非线性负荷不断增加,接地故障电流大小和成分发生深刻变化,给传统消弧装置对接地电弧的抑制带来巨大的挑战,而柔性消弧技术可有效解决传统消弧装置的问题。从消弧理论和多功能协同控制策略角度出发,分析柔性消弧技术的适应性和经济性。归纳国内外现有柔性消弧装置、消弧原理和多功能集成方法,梳理现有柔性消弧技术的关键特性和适用范围,探讨现有柔性消弧技术存在的主要问题,结合配电网柔性化的发展趋势及用户对供电可靠性的要求,展望未来研究方向,为柔性消弧技术的工程应用与推广提供参考。

考虑参数不对称的配电网单相接地故障柔性消弧方法

为了解决配电网参数不对称导致的中性点位移过电压以及消弧不彻底的问题,在配电网正常运行时利用闭环控制对中性点电压进行调控,自动跟踪配电网结构参数的变化,实现不平衡电压的快速精准抑制。设计注入电流反馈控制环节,结合不平衡电压调控过程以及故障后的零序电流和零序电压,仅注入一次电流便可实现故障辨识、故障选相并求得故障可靠消弧所需的注入电流参考值。仿真分析验证了闭环控制能够有效跟踪、抑制中性点不平衡电压,所提柔性消弧方法在系统参数不对称的情况下,故障判别精度高,故障消弧效果良好。

基于级联H桥变流器和dq变换的配电网故障柔性消弧方法

为解决配电网单相接地故障消弧的难题,提出一种基于级联H桥变流器和dq变换的柔性消弧新方法。配电网的三相经级联H桥变流器接地,柔性控制非故障相变流器经连接电感注入电流,补偿接地点的电弧电流,抑制故障相恢复电压,促进电弧快速熄灭、不易重燃。为了实现对稳定性和间歇性电弧接地故障电流的全补偿,结合级联H桥变流器的特性,提出一种基于dq坐标变换的故障谐波及暂态电流分量的检测方法。根据级联H桥变流器注入电流对接地故障电流、故障相恢复电压的作用机理,研究各类电弧接地故障的统一柔性消弧方法,仿真结果表明所提消弧方法的有效性,可以提高配电网接地故障熄弧率,促进柔性交流输电(FACTS)技术在智能配电网接地故障保护中的研究与应用。

基于多变量解耦控制的配电网单相接地故障集成化柔性消弧方法

随着静止无功补偿装置、柔性消弧装置、大功率逆变器等电力电子装备应用逐渐增多,配电网柔性化加快发展,但已有电力电子装备存在功能单一、成本高等问题。基于直流侧并接储能元件的直挂式级联H桥变流器,将多变量解耦控制方法与电流消弧方法相结合,实现柔性电力电子装备输出电流在dq0坐标系下的独立调节,使单套柔性电力电子装备同时集成配电网有功功率、无功功率双向流动控制,以及单相接地故障柔性消弧功能,有效提高电力电子装备的利用效率。理论分析以及功率控制和单相接地故障消弧建模仿真结果验证了所提方法的可行性。

双级式柔性消弧变换器网侧电流控制策略

对于双级式柔性消弧变换器,前级三相整流器网侧电流存在3次谐波分量和负序分量,严重影响供电电源质量。结合柔性消弧变换器的拓扑结构,对单相逆变器输出侧低频脉动分量、三相整流器网侧电流3次谐波分量和负序分量产生机理进行分析。通过指定次正、负序旋转坐标变换,提取网侧电流对应谐波分量的直流量,利用比例积分(PI)控制器实现精确调节,生成的各调制指令在基波旋转坐标系中求和后参与最终调制。最后,通过400 kVA柔性消弧变换器的仿真和现场实验结果分析,验证所提控制策略的合理性和可靠性。

配电网三相直挂式柔性消弧方法与样机实验研究

针对传统配电网接地故障消弧装置存在需要接地变压器以及难以实现接地故障电流全补偿等问题,提出一种基于级联H桥拓扑结构的三相直挂式柔性消弧方法,并研制了消弧装置样机。该消弧装置样机可直接挂接在母线上,通过控制级联H桥变流器向母线注入电流,实现单相接地故障电流的全补偿。在分析三相直挂式柔性消弧原理的基础上,介绍了基于ARM单片机的主、子模块控制器的硬件结构和通信系统的构成,并设计了消弧装置样机的PID控制算法和以伏秒误差最小为原则的改进分布式换流调制策略。利用配电网物理仿真系统对消弧装置样机测试,实验结果表明所设计的三相直挂式柔性消弧装置样机能有效抑制接地故障电流,验证了消弧装置样机的原理及设计方案的可行性。

基于单一直流源级联H桥变流器的配电网接地故障柔性消弧方法

针对配电网长期存在单相接地故障电弧难熄灭、易重燃的问题,提出一种基于单一直流源级联H桥变流器的消弧新方法。以三相级联H桥变流器作为消弧方法的物理载体,其直流侧单一直流源的使用可补偿消弧过程中的能量损耗,装置的稳定运行得到保障。基于此类消弧装置,提出一种准比例-谐振(proportional-resonant,PR)控制器与模型预测控制相结合的控制策略:准PR控制器作为电压外环,以限制接地故障相电压为目标,为内环提供参考信号;模型预测控制作为电流内环,控制电流输出的同时实现级联H桥变流器直流侧电容电压平衡。此外,为提升所提消弧方法的暂态性能,提出一种基于准PR控制器参数调节的松-紧策略。仿真与实验结果表明,提出的柔性消弧方法具有出色的暂、稳态性能,能有效抑制故障相电压,阻止故障电弧重燃。

基于Z型接地变压器的配电网单相接地故障柔性消弧系统

煤矿供配电系统通常采用中性点非有效接地方式,该方式下的供电线路多数采用电缆线路,井下供电系统复杂,使用的电压等级较多,发生单相接地故障时极易在接地点形成间歇性电弧。而现有中性点非有效接地配电网单相接地故障消弧技术存在消弧效果不佳、难以精准测量配电网对地参数等问题。我国煤矿10 kV变电站中变压器绕组最常用的接线方式是三角形接线,该方式需通过专用接地变压器(大多是Z型接地变压器)人为引出中性点连接消弧线圈。针对上述情况,设计了一种基于Z型接地变压器的配电网单相接地故障柔性消弧系统。当配电网发生接地故障初始时刻,首先实时测量配电网的三相电源电动势和中性点电压,当中性点电压幅值大于三相电源电动势的15%时,可判断为接地故障;对比三相电源电动势,其中电源电动势最小相为故障相。在单相接地故障发生后,迅速闭合故障相对应的快速投切开关,同时投入有源逆变器和Z型接地变压器功率转换模块,其中Z型接地变压器功率转换模块将中性点电压反相钳制接近于故障相电源电动势,中性点电压与故障相电源电压差值的幅值和相位由有源逆变器精确补偿,实现将故障点电压和电流抑制至零的控制目标。一定时间延时后切除快速投切开关,若中性点电压有效降低则可判断该故障为瞬时性接地故障,即可恢复配电网正常运行,否则判断为永久性故障,采取故障馈线隔离措施,恢复配电网正常运行。仿真结果表明,当单相接地故障过渡电阻为500Ω和3000Ω时,仅通过Z型接地变压器功率转换,故障点电压和电流抑制率达79%~83%,不能完全达到消弧效果;投入柔性消弧系统可有效抑制故障点电压和电流,抑制率达98%以上,实现配电网单相接地故障的可靠消弧。

适应线路参数及负载变化的配电网柔性优化消弧方法

中性点非有效接地配电网长期存在单相接地故障消弧难题,在分析线路参数及负载对已有消弧方法的影响以及已有消弧方法优缺点的基础上,提出一种配电网单相接地故障柔性优化消弧方法。故障发生后,通过级联H桥变流器向配电网注入接地故障补偿电流,并根据母线处零序电压确定接地过渡电阻大小。接地电阻较大时,判断注入补偿电流后母线处三相电压变化趋势,选出故障相,根据故障选相结果调整变流器注入电流,控制母线处故障相电压为零,即采用电压消弧方法,否则继续注入接地故障补偿电流,即采用电流消弧方法。仿真结果表明所提方法能够有效抑制接地电弧重燃,解决了单一电流消弧方法和电压消弧方法因线路参数和负载影响而存在的不足。

配电网单相接地故障柔性自适应消弧新方法

针对已有消弧柜和柔性电压消弧技术未考虑故障线路阻抗压降问题,提出基于故障点处电压抑制的配电网单相接地故障柔性电压消弧新方法。通过2次注入补偿电流计算中性点至故障点压降,再调控零序电压至该压降,将故障点处电压抑制为0。为防止2次注入任意电流导致接地故障电流增大的问题,提出将柔性电流消弧法作为柔性电压消弧新方法投入前的过渡。考虑故障相误选的影响,提出故障选相新方法,推导了单相接地故障后的零序电压与故障相电源电压的相位关系,通过相位比对选出故障相。最后,结合柔性电压消弧法自适应线路参数变化的优点,提出以柔性电压消弧新方法为主,柔性电流消弧法为短时先导的柔性自适应消弧方法。仿真结果验证了所提方法的有效性。

基于递归径向基神经网络滑模的多功能柔性多状态开关控制方法

近年来,新能源和电动汽车的渗透比例逐渐增高,给配电网的潮流优化和电能质量治理带来严峻挑战。针对分布式电源的随机性和间歇性问题,设计一种基于递归径向基神经网络(RRBFNN)滑模的多功能柔性多状态开关(FMS)控制方法,在实现功率交互和多端单相接地故障柔性消弧的同时,增强FMS的抗扰能力。首先考虑扰动的影响,设计一种改进RRBFNN滑模控制方法,以克服传统滑模控制固有的抖振现象和对系统精确数学模型的依赖,并减小并网暂态冲击;柔性消弧控制采用微积分型滑模面,理论推导出0轴电压控制律,提高故障电流抑制率;进一步通过李雅普诺夫定理证明所设计方法的稳定性和收敛性。最后,在Matlab/Simulink中搭建三端口FMS及其控制系统的仿真模型,通过对比仿真验证了所提策略的可行性和有效性。

基于真型试验平台的配电网柔性消弧实证测试研究

介绍了目前世界规模最大的10 kV真型试验平台,该平台具有网架结构多态重构、接地方式灵活切换、试验场景一键顺控、多态故障灵活复现和多元负荷随机接入能力的特点,解决了配电网真实故障不易复现的难题。通过试验平台可对配电网新技术、新方法开展全面实证测试与长期带电考核。利用试验平台复现了配电网不同过渡电阻接地、间歇性弧光接地故障,开展了新型配电网接地故障柔性消弧处置成套装置的实证测试,验证了该新型装置选相、选线的正确性和故障点补偿效果,并开展了3 h长时补偿试验考核,对装置主要部位进行红外测温,验证了该装置长时运行的可靠性。通过真型试验平台的建设与运行,有效解决了配电网新设备考核不够全面的难题,促进了配电网新技术、新方法的应用,支撑了配电网供电可靠性综合提升。

有源柔性配电网单相接地消弧方法研究

为解决配电网单相接地故障消弧与保护问题,提出基于主从式消弧线圈柔性控制策略的配电网单相接地故障消弧与保护方法。利用新息图理论,分析馈线故障前后的零序电流新息特征,提出配电网单相故障的零序电流新息选线方法。改进一种主从式消弧线圈补偿装置,提出以零序电流新息幅值大小为触发条件的消弧线圈控制策略。利用ADPSS仿真程序进行仿真验证,证实所提方法的有效性,为配电网单相接地故障柔性消弧方法提供理论依据。

直流侧免供电的配电网接地故障电流柔性调控方法

传统的配电网单相接地故障电流柔性调控装置存在拓扑结构复杂、安装位置受限、直流侧供电困难等问题。基于新型的两相直挂式装置,文章提出一种直流侧免供电的配电网接地故障电流柔性调控方法,可以解决上述问题。两相直挂式装置所需桥臂数量少,且限流电感可复用为分压电感,整体结构得到简化;装置无需经接地变压器接入配电网,便于在馈线处安装,可实现接地故障电流的分散式调控;调控接地故障电流时,根据“电压电流垂直”原则,在两相直挂式装置的两桥臂间,分配算得的接地故障调控总电流,可实现装置直流侧免供电。此外,降低装置并网冲击电流而采用的软并网方法、遵循“电压电流同相位”的充电控制原则等,是两相直挂式装置实现接地故障电流有效调控的前期保障。最后,Matlab/Simulink软件仿真验证所提方法的有效性。

配电网接地故障自适应融合抑制方法

现有的配电网接地故障柔性抑制方法受对地参数测量精度、负荷变化、接地故障电阻以及线路阻抗压降的影响较大。因此,提出了一种适应参数和负荷变化的配电网接地故障融合抑制方法,即在分析接地故障电流分布规律基础上,提出一种基于故障相电流调控的接地故障电流抑制方法。通过调控使得故障相电流与故障相负荷电流相等,实现故障点电流抑制,并提出了负荷电流的实时提取方法,该方法无需测量对地参数且可适应负荷变化。另外,根据单相接地故障的电流和电压抑制方法的适用范围,提出了电流、电压并行双闭环控制方法,同时抑制接地故障电流和电压,以适应接地故障电阻和线路阻抗压降的影响。仿真与实验结果证明了所提方法的有效性和优势。

一种小电流接地系统单相接地故障精确定位方法

在小电流接地系统运行过程中,最为常见的故障便是单相接地故障。一旦电力系统运行期间出现接地故障问题,电力系统的安全以及日常用电的安全性都会受到极大影响。提出一种小电流接地系统单相接地故障精确定位方法,根据采集的母线及线路末端故障相电压可以计算出故障点到母线及线路末端距离比值,进一步可以计算出故障点到母线距离。