（电力系统及其自动化专业论文）有源全补偿消弧线圈及接地电流检测算法研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着消弧线圈在配电网中得到越来越广泛的应用 本文在深入分析中性点谐振 接地系统原理的基础上 指出传统消弧线圈补偿的不足 提出了一种新型有源全补 偿消弧线圈 阐述了其结构与工作原理 具体论述了消弧控制方式 并在仿真平台 上进行可行性验证 影响新型消弧线圈调谐精度和补偿效果的关键在于接地电流的成分检测 本文 提出一种新型基于模糊变步长的自适应检测算法 仿真验证了该算法的实时性和优 越性 在理论研究和仿真分析的基础上 开发了一套基于d s p 芯片包括新型电流检测 算法在内的消弧控制程序 同时搭建了低压有源从消弧线圈物理模拟系统 数字仿 真和物理实验均验证了新型有源全补偿消弧控制技术的可行性和良好的补偿效果 本课题为北京市自然科学基金资助项目 项目号为3 0 6 2 0 1 8 关键词 消弧线圈 有源全补偿 自适应 模糊推理 变步长 a b s i r a c i w i t ht h em o r ee x t e n s i v e a p p l i c a t i o no fa r c s u p p r e s s i o nc o i l a s c i nt h e d i s t r i b u t i o nn e t w o r k b yd e e p l ya n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo fn e u t r a lr e s o n a n c eg r o u n d i n g s y s t e m t h i sp a p e ri n d i c a t e st h ed i s a d v a n t a g eo ft h et r a d i t i o n a la s ci nc o m p e n s a t i o n p r o p o s e sa n e wa c t i v ea n df u l lc o m p e n s a t i o na s c t h es t r u c t u r ea n do p e r a t i n gp r i n c i p l e o ft h en e wa s ci se x p o u n d e d f o l l o w e db yt h ei l l u m i n a t i o no fa r c s u p p r e s s i o nc o n t r o l m e t h o da n dt h ef e a s i b i l i t yt e s to nt h es i m u l a t i o np l a t f o r m a m o n gt h ei m p a c to ft h et u r n i n ga c c u r a c ya n dc o m p e n s a t i o ne f f e c to ft h en e wa s c t h ek e yp o i n ti sd e t e c t i o no ft h eg r o u n d i n gc u r r e n t si n g r e d i e n t 1 1 1 i sp a p e rp r e s e n t san e w f u z z yv a r i a b l es t e p s i z ea d a p t i v ea l g o r i t h m a n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h er e a l t i m e c h a r a c t e r i s t i ca n ds u p e r i o r i t yo ft h em e t h o d o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a ls t u d ya n ds i m u l a t i o na n a l y s i s t h ea r e s u p p r e s s i o nc o n t r o l p r o c e d u r e si n c l u d i n gn e w c u r r e n td e t e c t i o na l g o r i t h me m b e d d e di nd s pa r ee x p l o i t e d a n dt h e l o wv o l t a g ep h y s i c a lm o d e li sd e s i g n e d b o t ht h ed i g i t a ls i m u l a t i o na n dp h y s i c a le x p e r i m e n t v e r i f i e st h ef e a s i b i l i t ya n dg o o dc o m p e n s a t i o ne f f e c to ft h en e w a r c s u p p r e s s i o nt e c h n o l o g y 1 1 l i sr e s e a r c hp r o j e c tb e l o n g st ob e i j i n gn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o 玛t h en u m b e ri s 3 0 6 2 0 18 k e yw o r d s a r c s u p p r e s s i o nc o i l a c t i v ea n df u l lc o m p e n s a t i o n a d a p t i v e f u z z y i n f e r e n c e v a r i a b l es t e p s i z e 声明尸明 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 有源全补偿消弧线圈及接地电流检测 算法研究 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间 在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果 据本人所知 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 马轰 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保管 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件 学校可以采用影印 缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文 学校可允许学位论文被查阅或借阅 学校可以学术交流为 目的 复制赠送和交换学位论文 同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表 传播学 位论文的全部或部分内容 涉密的学位论文在解密后遵守此规定 作者签名 墨盘导师签名 e l期 鲨墨 兰 笙 日期 华北电力大学硕 学位论文 1 1 引言 第一章绪论弟一早三百t 匕 随着国民经济的飞速发展 近年来我国的配电网络普遍向大容量 多出线方向 发展 城市电缆网络的广泛应用更加加剧了这种容量扩展的趋势 与此同时 不断 进步的社会对供电可靠性也提出了越来越高的要求 供电可靠性成为衡量供电企业 成功与否的重要标准 在这种大背景下 为配电网络选择一种高可靠性的接地方式 并对这种接地方式的运行工况进行分析提出迸一步改进的方法 成为摆在电力科研 工作者面前的一个重大任务 电力系统的中性点接地方式可划分为两大类 凡是需要断路器遮断单相接地故 障者 属于大电流接地方式 凡是单相接地电弧能够瞬间自行熄灭者 属于小电流 接地方式 在大电流接地方式中 主要有 中性点有效接地方式 中性点全接地方 式以及中性点经低电阻 低电抗接地方式等 在小电流接地方式中 主要有 中性 点谐振 经消弧线圈 接地方式 中性点不接地方式以及中性点经高电阻接地方式 等 电力系统的中性点接地方式是一个综合性的技术问题 它与系统的供电可靠性 人身安全 设备安全 绝缘水平 过电压保护 继电保护 通信干扰 电磁环境 及接地装置等问题有密切的关系 l 之 长期以来 我国3 6 6 k v 配电网的运行主要采用中性点不接地方式或经消弧线 圈接地方式 进入8 0 年代以来 在少数城网和若干工矿企业开始采用低电阻接地 方式 随着配电网络的扩大 城区市容和供电可靠性的要求越来越高 大部分线路 采用电缆线路供电 使得电网的故障接地电容电流急剧增大 对于采用中性点不接 地的系统而言 发生单相接地故障后 电容电流熄弧困难 同时 间歇电弧产生的 过电压往往又使事故扩大 显著地降低了电力系统的运行可靠性 对于中性点经低 电阻接地的系统而言 由于接地点的电流较大 当零序保护动作不及时或者拒动时 将使接地点及附近的绝缘受到更大的危害 导致相间故障发生 当发生单相接地故 障时 无论是永久性的还是非永久性的 均会使线路的跳闸次数大大增加 严重影 响了用户的正常供电 可靠性下降 目前 我国配电网的普遍发展趋势是采用谐振 接地方式 3 中性点谐振接地的电网中 消弧线圈的电感电流补偿了系统对地电容 电流 能有效地减少接地电流 大大提高了供电的可靠性 并且使接地故障电流自 行灭弧并减缓故障点恢复电压的上升速度 对系统的绝缘水平要求大大降低 有利 于人身安全 在配备可靠灵活的小电流接地选线及跳闸装置后 能有效切除永久故 障 成为在配电网中广泛应用的主要接地方式之一 国内外的运行经验表明 全电 华北电力大学硕 学位论文 缆网络的电网中性点选择谐振接地方式 同样是一种良好的选择 1 2 目前消弧线圈的研究现状 1 9 1 6 年德国彼得生 mp e t e r s e n 发明了消弧线圈 有时称彼得生线圈 在美 国又称为接地故障补偿装置等 世界上第一台消弧线圈安装在德国波兰台尔斯海姆 电厂的发电机中性点 于1 9 1 7 年投入运行 经过8 0 多年的实践检验 理论充实和 近些年来高新技术的支持 消弧线圈已在世界范围内得到了极其广泛的应用 消弧线圈主体是带有铁芯气隙的电感线圈 当系统发生单相接地故障时 消弧 线圈的电感电流补偿了电网的对地电容电流 限制了接地故障电流的破坏作用 使 得补偿后剩余的故障电流 残余电流 的接地电弧易于熄灭 当残余电流过零熄弧 后 又能降低故障相恢复电压的初速度及其幅值 避免接地电弧的重燃 并使之彻 底熄灭 由于接地故障电流的减小 有效地限制了接地电流和电弧的电动力 热效 应和空气游离等的破坏作用 防止或减小了在故障点形成残留性故障的概率 使故 障点介质绝缘的恢复强度很容易超过故障相电压的恢复初速度 从而 得以彻底熄 灭接地电弧 补偿电网在瞬间恢复正常工作 消弧线圈的补偿电流有分级 阶段 调整和无级 连续 调整之分 调整方式 又有手动和自动之别 j 由于电网运行方式的每一次改变都对应着系统对地电容电 流的改变 因此在任何运行方式下都保证接地残流在规程规定的范围内 这成了对 消弧线圈接地补偿的新要求 老式手动调谐的消弧线圈由于不能精确地跟踪电网电 容电流的变化 其使用越来越受到限制 自动跟踪补偿消弧装置是靠自动装置按电 网电容电流的变化来改变消弧线圈的电感 使单相接地电容电流得到来自消弧线圈 的电感电流的有效补偿 自动装置的工作原理是根据在线实时测量的电网中性点的 电压 电流信号 依据电网脱谐度和信号相位角之间的关系 利用微机或单片机计 算电网的脱谐度并控制有载调压式消弧线圈的档位进行自动跟踪调谐 使系统始终 运行在设定的脱谐度范围内 为此从9 0 年代中期开始国内先后研制了几种具备在 线调节功能的自动跟踪补偿消弧线圈 自动跟踪补偿消弧线圈的应用使得单相接地 故障熄弧率从固定消弧线圈的6 0 提高到现在的9 0 大大提高了中压电网运行水 平 自动调整根据调谐方式的不同可以分为预调式和随调式两种 l 预调式指在电 网正常运行时测量系统的电容电流 并将消弧线圈预先调节到全补偿点 谐振点 当发生单相接地故障时 消弧线圈零延时进行补偿 可利用机械调节或电气调节实 现 该方式需要并联或串联一个阻尼电阻 以防止正常运行时可能发生的串联谐振 当系统发生单相接地故障时 需要将阻尼电阻短接以避免输出阻性电流并可保护电 阻本身 当故障解除后需要再接入阻尼电阻 随调式在电网正常运行时测量系统的 2 华北电力大学硕士学位论文 电容电流 当发生单相接地故障后 调节消弧线圈迅速投切到全补偿点 当接地故 障解除时 又立即将其调节到远离补偿工作点 由于在系统正常运行时消弧线圈处 于远离全补偿点运行 因此可以避免串联谐振的发生 不需要设置阻尼电阻 自动跟踪补偿消弧线圈按改变电感方法的不同 大致可以分成调匝式消弧线 圈 调容式消弧线圈 调气隙式消弧线圈和直流偏磁式消弧线圈 4 5 1 调匝式消弧线圈 调匝式消弧线圈是将绕组按不同的匝数抽出分接头 用有载分接开关进行切 换 改变接入的匝数 从而改变电感量 调匝式因调节速度慢 只能工作在预调谐 方式 为保证较小的残流 必须在谐振点附近运行 自动跟踪补偿消弧控制装置通 过电压互感器p t 可以监视消弧线圈上的电压 通过电流互感器c t 可以监视流过消 弧线圈的电流 这种消弧线圈简单 但在技术上比较落后 由于经济上的原因 国 产有载调匝式消弧线圈的有载调节采用低电压开关 它只能在低压下调节抽头 发 生单相接地故障时不能进行调节 影响补偿效果 串阻尼电阻时存在阻尼电阻的投 切控制及阻尼电阻的热容量问题 2 调容式消弧线圈 通过采用晶闸管开关投切二次侧电容量大小来调节消弧线圈的电感电流 二次 绕组连接电容调节柜 它比调匝式的消弧线圈有更宽的调节范围 它依靠电气手段 实现电感值的自动调节 这种方法响应时间短 没有机械的传动部件 在电网正常 运行时 它远离系统的谐振点运行 不需要阻尼电阻就可以实现限制线性谐振过电 压 在系统发生单相接地故障时 控制晶闸管的导通与关断就能够迅速的使消弧线 圈调节到谐振点运行 待接地故障消除后消弧线圈又继续恢复到过补偿运行状态 由于这种消弧线圈装设二次绕组 增加了其复杂度 二次侧并联电容 增加了额外 的投资 而且该消弧线圈维护工作量大 3 调气隙式消弧线圈 调气隙式属于随动式补偿系统 其消弧线圈为动芯式结构 通过移动铁芯改变 磁路磁阻达到连续调节电感的目的 然而 其调整只能在低电压或无电压的情况下 进行 其电感调节范围上下限之比为2 5 倍 控制系统在电网正常运行情况下将消 弧线圈调整至全补偿附近 将约1 0 0 f 2 的电阻串联在消弧线圈上 用来限制串联谐振 过电压 使稳态过电压数值在允许范围内 中性点电位升高小于1 5 的相电压 当电网发生单相接地后 必须在o 2 s 内将电阻短接掉 实施最佳补偿 否则电阻有 爆炸的危险 其缺点是易产生机械动作失灵 振动和噪声比较大 在结构设计中应 采取措施控制噪声 这类装置也可以将接地变压器和可调电感共箱 使结构更为紧 凑 这种靠调节铁芯位置来改变电感的方法与调匝式的消弧线圈类似 存在机械传 动环节 使消弧线圈的整个响应时间大大加长 它只能采用预调节方式 在消弧线 3 华北电力大学硕士学位论文 圈和地之间加装阻尼电阻来限制线性谐振过电压 另外 这种调气隙式的消弧线圈 结构和控制都相当复杂 生产的成本也大大增加 影响了整个消弧线圈的经济性 4 直流偏磁式消弧线圈 直流偏磁是最新出现的一种调节电感方法 通过改变铁芯磁化段磁路的直流助 磁磁通大小来调节交流等值磁导以实现电感的连续可调 这种技术具有调节响应速 度快 调节范围宽等优点 但是 直流偏磁式的消弧线圈控制非常复杂 不利于消 弧线圈运行可靠性 特别是晶闸管移相控制会给系统带来大量的谐波污染 在特别 恶劣的情况下 甚至超过了系统对谐波的要求 此外 直流偏磁是一种非线性调节 方式 往往使补偿误差大 难以达到调谐的目的 由此可以看出 新型消弧线圈的研究方向是利用先进的电力电子技术 不断地 朝电抗值连续可调且不产生谐波的方向发展 1 3 新型有源全补偿消弧控制技术的提出 补偿电网残余电流中除了含有无功电容电流分量 还包括有功电流分量和高次 谐波电流分量 l 其中 有功电流分量主要是电力设备的泄漏电流 零序回路中的 有功损耗 电晕损耗和消弧线圈的有功损耗等引起的 高次谐波的重要来源是电力 系统中含有铁芯及整流元件的电气设备 而通常采用的自动跟踪补偿消弧线圈 均 系无源工频无功电流补偿装置 顾名思义 即只补偿接地故障电流中的工频无功电 容电流分量 而对电阻性电流和高频电流 只输出感性电流的消弧线圈则无能为力 这是目前的消弧线圈在原理上存在的一个不足 随着工业化的不断发展 配电网络 的不断扩大 这些因素带来的污染正日益加剧 若不采取措施 不仅会影响接地电 弧的熄灭 而且必然给电力系统和广大用户造成严重的危害 可见 故障电流中的有功分量和谐波分量造成的危害是不容忽视的 为了消除 它们 实现真正意义上的全补偿 提高电网的供电可靠性 就要求研究接地故障电 流的全补偿技术 补偿包括有功电流和谐波电流在内的残余电流 快速 准确的补 偿特性是消弧控制的重要研究内容 在配电网规模不断扩大的今天 对系统接地电 流进行真正意义上的完全补偿 提高对配电网的保护控制效果 意义深远 对接地电流的全补偿要求将有功分量 无功分量和谐波分量一并补偿 显然只 依靠调节消弧线圈电感值是不能满足要求的 随调式消弧线圈的出现为消弧线圈的 发展指出了一个方向 电子开关的作用已经初步显现 然而电子开关在消弧线圈中 的作用并没有像在其它应用领域中那样被完全开发出来 近年研制的大部分消弧线 圈中电子开关的作用只在于代替机械开关实现更快速准确地投入 有源逆变技术是一种广泛应用于谐波抑制 无功功率补偿 交直流混合输电等 领域的电力电子技术 有源逆变器的特点是可以通过检测工作系统的状态生成控制 4 华北电力大学硕士学位论文 指令 通过控制电子开关生成补偿波形 它克服了无源补偿技术只能补偿固定频率 和幅值的波形的缺点 可以对频率和幅值都变化的波形进行跟踪补偿 由于自身具 有状态跟踪 检测和控制算法 可以根据要求任意补偿有功 无功和谐波成分 且 补偿特性不受电网阻抗的影响1 6 j 有源逆变器的基本工作原理如下 从逆变控制对象中检测出待补偿量 由补偿 装置产生一个周期平均值与该补偿量相等或接近的逆变电流 从而使补偿后的电流 满足算法预期的特性 理论上讲 应用有效的谐波检测算法和正确的p w m 控制策 略 补偿后的电流中多余成分只有与开关频率有关的高次谐波 与基波频率相比谐 波次数很高 因而容易滤除 它的主要结构是电流检测单元和p w m 补偿单元 无 论从原理还是从硬件结构上看 有源逆变装置应用于消弧控制是科学合理的 限于 逆变器的成本和体积 新型全补偿消弧线圈可以由传统消弧线圈和有源逆变器共同 构成 由传统线圈补偿大部分的故障电流 而逆变器负责剩下的残流部分 有源全补偿消弧理论的可行性基于以下几点 首先 电力电子器件正快速向大 功率 高电压方向发展 驱动和保护技术已经比较完善 为新型消弧线圈的硬件实 现提供了保证 其次 有源逆变技术的应用领域与消弧线圈有一定的相似性 只要 稍加改造就可以移植 最后 软件控制算法部分需要丌发一套适合有源全补偿消弧 线圈的电流检测算法 目前 欧美发达国家在电力电子技术应用于电力系统控制领域方面处于领先地 位 我国的高等院校 科研院所也开展了大量的相关工作 取得了一定的成绩 为 加强电力生产的控制保护 提高控制技术 加强系统的安全性 稳定性和经济性 我们应积极吸收和借鉴国外的发展经验和教训 跟上国外先进技术的发展步伐 加 强对新技术的研究与开发 为我国的电网发展提供科学的理论指导 并为新技术的 应用打下坚实的基础 因而目前在我国开展有源全补偿消弧控制技术的理论研究和 实践开发有着明确的现实意义 1 4 本论文的主要工作 本文主要工作包括以下几个方面 1 通过对中性点谐振接地系统在正常和单相接地故障两种状态下运行原理的 分析 我们提出丁o 独堑型的直速全盐偿逍班线圈 可塞塑墅蕉丝鱼逋墓正壶送占 的选迨童 垡 使邀越垡金鱼鎏堡堑望至 保证了可靠的熄弧 对其基本原理 调 谐方式 控制方案和逆变控制方式进行了分析 并利用p s c a d 仿真平台验证了其 可行性 2 针对有源全补偿消弧控制中关键技术一一接地故障电流的成分检测 深入 研究了自适应滤波原理和模糊控制理论 提出一釉新型基于模糊变步长的自适应谐 s 华北电力大学硕士学位论文 波捡 冽箕法 利用m a t l a b 环境进行了软件仿真 与现有变步长自适应 v s l m s 算法以及基于三角函数变换的单相谐波检测算法进行了包括实时性 精确度 适应 性等方面的综合比较 3 在m a t l a b 仿真的基础上 开发了一套基于d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的包 括新型谐波检测算法在内的消弧控制程序 涵盖了数据采样和还原 补偿电流检测 p w m 控制以及功率器件故障保护等环节 4 参与了物理模拟实验系统的搭建 以此为实验平台 对谐波检测算法进行 验证 并在此基础上加以改进 完成系统控制软件的调试 5 最后对本论文研究工作进行总结 指出进一步研究的重点和方向 6 华北电力大学硕 学位论文 第二章有源全补偿消弧线圈 本章详细分析了中性点谐振接地系统原理 针对传统消弧线圈不能对接地电流 进行完全补偿的问题 提出一种新型的结合单相有源逆变技术的有源全补偿消弧线 圈 其中自动调匝式主消弧线圈可以满足传统消弧线圈补偿接地故障电流基波分量 的要求 而与之相并联的有源从消弧线圈则用于对主线圈补偿过的接地残余电流中 谐波分量等实现进一步的精确补偿 从而真正做到了对接地故障电流的全补偿 具 体介绍了新型消弧线圈的工作原理和控制方式 仿真结果证明了其应用的可行性和 补偿效果的优越性 2 1 谐振接地系统运行分析 1 3 中性点经消弧线圈接地的电力系统 称为谐振接地系统 谐振接地原理是消弧 线圈运行控制的理论基础 它由电网j 下常运行时的电压谐振和发生单相接地故障时 的电流谐振两部分组成 合理地利用电压谐振原理 可以指导补偿电网的正常运行 和断线故障的处理等 故障点接地电弧的熄灭 符合电流谐振原理 2 1 1 正常运行时电压谐振等值电路 正常运行时补偿电网的等值接线图如图2 1 所示 其中 r a 飞 七分别为电 网a b c 三相对地泄漏电阻 c a g q 分别为三相对地电容 为相间电 容 l 是电源变压器中性点的消弧线圈的调谐电感 吒是消弧线圈的等值损耗电阻 目 目 u o 是中性点位移电压 厶是流过大地的零序电流 胃 l o 图2 1 正常运行时补偿电网等值接线图 7 华北电力大学硕士学位论文 在消弧线圈投入运行之前或退出运行之后 电网的中性点不接地运行时 因中 压线路的三相对地电容不太平衡 电网的中性点对地有一定数值的电位差 即 不 对称电压 当消弧线圈投入运行时 补偿电网j 下常运行情况下 对于系统的零序回路来说 回路中的电源只有不对称电压 在此不对称电压的作用下零序电流流过消弧线圈 线路 线路对地电容 大地组成的零序回路 由于不对称电压比较小 而线路对地 电容容抗很大 所以这个零序电流非常小 此时 消弧线圈的电感与电网三相对地 电容构成电压谐振回路 将三相对地电容综合等效为一个电容c 三相对地泄漏电 阻等效为 可以得到谐振接地系统正常运行时的零序电路图 如图2 2 所示 其 中 是中性点不对称电压 图2 2 补偿电网电压谐振等值回路图 补偿电网在正常运行情况下 消弧线圈的电感与电网的对地电容等参数 构成 电压谐振回路 因串联谐振使中性点位移电压远大于不对称电压 会导致中性点位 移电压升高 即串联谐振过电压的出现 这是消弧线圈必须避免的 人工调谐和随 调式自动消弧线圈应适当偏离谐振点运行 而预调式自动消弧线圈虽然可以靠近谐 振点运行 但一般需要在消弧线圈回路中串联限压电阻 2 1 2 单相接地故障时电流谐振等值电路 假定电网中的线路进行了完全的换位 c a c b q c o r a 龟 r c r o 且 三相负荷是对称的 单相接地故障仅与电网的零序回路参数有关 假设补偿电网a 相上的k 点发生单相金属性接地故障 如图2 3 所示 此时 故障相电压u a 降为零 中性点电压u o 位移至一u a 非故障相电压u b u c 升高至 线电压酢 啡 电流变化情况相同 虽然这时电网的中性点发生了位移 但是电 源发电机和电力用户对该单相接地故障并无反应 所以允许补偿电网在一定时间内 带故障继续运行 华北电力大学硕十学位论文 图2 3 单相接地故障时补偿电网等值接线图 当中性点经过消弧线圈接地时 单相接地故障电流分布并不会有很大变化 只 目 在接地点增加了一个电感分量的电流 l o 从故障点经故障线路流向消弧线圈 由于 这个电流的补偿作用 接地点的故障电流小得多了 在中性点位移电压的作用下 消弧线圈电抗和线路电容是并联关系 如图2 4 所示 其中 r 为补偿电网的等值 全损耗电阻 j 为补偿后的残余电流 图2 4 补偿电网电流谐振等值回路图 2 1 3 接地电流电弧的熄灭 图2 4 中补偿电网的等值全损耗电阻尺是由电网a b c 三相的对地泄漏电阻 r o 3 和消弧线圈的损耗电阻 两部分组成 c 3 c o 为电网a b c 三相的对地 电容之和 发生金属性接地故障时中性点电压的幅值 等于相电压 厶为残余 电流中的有功分量 厶 r i c 为电网的接地电容电流 丘 3 t o c o i t 为消 弧线圈的补偿电流 o l 从而得到接地残余电流厶的表达式为 目r 厂r 厂 拈詈 j a c u 盖2 k j 乇一丘 丘 j j v 2 1 残余电流 万与中性点位移电压u o 之间的相角差p 的表达式为 9 华北电力大学硕士学位论文 够 t g 1 二 2 2 一d 其中 d 表示补偿电网的阻尼率 d i s l v 表示补偿电网或消弧线圈的脱 谐度 v i c i o i c v l k k 为补偿电网或消弧线圈的合谐度 阻尼率与脱 谐度两个参数不仅决定了残余电流的大小和相位 还直接关系到故障相恢复电压的 初速度 显著影响消弧线圈的动作成功率 根据脱谐度1 符号的正负和数值的大小 可以表示消弧线圈三种不同的工作状 态 1 全补偿 谐振点 1 0 当电流谐振回路恰好在谐振点工作时 v 0 缈 0 i i 即电容电流与电 感电流大小相等 方向相反 彼此完全抵消 故l 矗 残余电流数值最小 仅含 有功分量 其相位与零序性质的中性点位移电压 同相 2 欠补偿 1 0 当电流谐振回路在欠补偿状态下工作时 1 0 矽 0 i c t 此时 l 中不 仅含有功分量 同时含有容性无功电流分量 数值较全补偿状态明显增大 厶超前 于 3 过补偿 1 0 当电流谐振回路在过补偿状态下工作时 0 伊 0 j l c 五 此时 厶中除 了含有功分量 还含有感性无功电流分量 数值较全补偿状态明显增大 l 滞后于 补偿电网中接地电弧的熄灭 与残余电流的大小和性质等因素有关 而残流的 大小和性质 又因消弧线圈的调谐状态不同而有所区别 在残余电流为有功电流 电感电流和电容电流的情况下 其数值的大小和恢复电压的特性 随脱谐度与阻尼 率的不同而改变 显然 消弧线圈在谐振点运行 接地电弧最容易彻底熄灭 2 1 4 残余电流成分分析 补偿电网残余电流包括无功分量 有功分量和高次谐波分量 其中 无功分量 主要是由脱谐度v 决定的 消弧线圈严格运行在谐振点时 无功分量是不存在的 然而由于各种消弧线圈自身的限制 往往不能做到恰好在谐振点运行 固定消弧线 圈和调档消弧线圈只能选择接近谐振点的数值或者档位运行 而可连续调节的线圈 由于调节的不精确及避免谐振的考虑也会产生一定的偏差 由于没有谐振补偿 使 得接地残流尚存在一定的能量 可能导致电弧反复重燃 由于无功分量的存在 残 流与位移电压的相角差接近9 0 由工频熄弧理论可知故障电流过零时电压值接近最 大值 很不利于绝缘的恢复 补偿电网残流中的有功分量主要是由电力设备的泄漏电流 零序回路中的有功 1 0 华北电力大学硕士学位论文 损耗 电晕损耗和消弧线圈的有功损耗等引起的 表征有功电流分量大小的参数是 阻尼率d 不同类型与不同电压等级的电网 阻尼率的大小是不相等的 与电网中 电气设备的绝缘状况有关 多次实测结果表明 对于中性点不接地的电网 在绝缘 正常的情况下 电缆网络的阻尼率较小 一般不超过1 5 架空线路电网的阻尼率 较大 一般为1 5 2 o 当电缆绝缘老化 受潮或架空线路污秽严重时 阻尼率 将会显著增大 可能达到5 以上 与中性点不接地的电网相比 谐振接地电网由 于存在消弧线圈引起的有功损耗 阻尼率有所增加 d 值的增大会加快振荡电压分 量的衰减 恢复电压的初速度也会随之增大 不利于接地电弧的熄灭 同时还会出 现谐振点偏移现象 有功分量的作用长期以来一直不被人们所重视 过去曾有人试 图对残流中的有功分量进行补偿 但效果并不理想 也未得到推广 随着电网规模 的扩大 接地电容电流显著增大 相信这个问题会日益引起人们的注意 高次谐波分量的主要来源是电力系统中含有铁芯及整流元件的电气设备 中性 点谐振接地的电网 因零序阻抗趋近于无限大 当发生单相接地故障时 3 次谐波 与3 的整数倍的高次谐波电流难以通过 所以 接地故障电流中基本不包含这些高 次谐波分量 刚 盗及z 姿堕鎏坌量曲庄 基生 墨 坠主 姿堕鎏皇鎏墨塑里芦 文 献 1 指出根据国外某3 0 k v 系统内接地电容电流为3 3 a 的部分电网的实测结果 即 使消弧线圈靠近谐振点运行 娥流也高达1 5 6 a 撒于电容电流的5o 而当采 甩主达谐遮鳆鎏婆茎亘乒效暴 坌里里诩 璺的残流降誊兰 可见 高次谐波 含量是不容忽视的 但在目前采用的消弧线圈接地的系统中无法消除 它是导致单 相接地故障由于 热因素 和 弧光接地引起过电压 快速发展为其他事故的首要 原因 尤其是在较大的接地电容电流的网络中更加明显 随着工业化的发展 电力 系统的谐波污染日益加剧 不仅影响接地电弧的熄灭 还给系统本身和广大用户造 成严重的危害 国外已经生产出宽频接地电流补偿装置 而国内还没有消除残余电 流中高次谐波分量的成熟方法与设备 这一问题应该引起广泛的关注 2 2 有源全补偿消弧线圈 2 2 1 有源全补偿基本概念 综上所述 传统意义上的全补偿与对接地电流真正的完全补偿还有一定的距 离 在某些恶劣的情况下甚至不能满足熄弧要求 可见 为了消除系统接地电流中 的有功和高频谐波分量 实现真正意义上的全补偿 提高电网的供电可靠性 要求 研黄接地故障由 流的全补偿技术 继包括有功电流和谐波电流在内的残余电流 快速 准确的补偿特性是消弧控制的重要研究内容 在配电网规模不断扩大的今天 对系统接地电流进行真正意义上的完全补偿 提高对配电网的保护控制效果 具有 华北电力大学硕士学位论文 深远的意义 全补偿控制的具体要求是 快速 准确 安全 可靠 有效地发挥消弧线圈对 接地故障电弧的快速消弧作用 降低电弧重燃几率 降低电网过电压水平 而现有 各种形式的消弧线圈 结构上都是无源形式 无法实现全补偿的功能 随着电力电 子技术的飞速发展 运行可靠性的不断提高 尤其是具有快速 可靠 灵活等优点 的有源逆变技术在工业控制各个领域迅速而广泛的应用 为建立满足上述补偿要求 的有源全补偿消弧线圈系统创造了条件 2 2 2 有源全补偿消弧线圈的基本原理 本文结合消弧线圈的发展现状和消弧控制技术的特点 提出了一种基于单相有 源逆变技术的新型消弧线圈 有源全补偿消弧线圈 其原理如图2 5 所示 是由 电动监陋矗啦龀煳 主消弧线圈 和童婆逍亟绫圈 丛塑塑垡粤 两部分组成的 用来实现对接地故障电流的全补偿 将自动调匝式消弧线圈作为主体 用于补偿大部分的基波接地故障电流 这样 还可以明显降低有源消弧线圈的容量 有利于使有源消弧线圈具有快速响应的特 性 与主消弧线圈相并联的有源消弧线圈 我们称之为从消弧线圈 采用单相电压 型有源逆变器形式 p w m 控制技术生成补偿电流 其主要目的是对调匝式消弧线 圈补偿过的接地残流实现进一步的精确补偿 补偿谐波电流 综合看来 有源全补 偿消弧线圈具有响应速度快 补偿精度高 范围广 无谐波污染等优点 为提高补 偿精度 有源消弧线圈的补偿范围将覆盖调匝式消弧线圈最大的两个补偿档位 图2 5 有源全补偿消弧线圈原理图 其中 有源消弧线圈由于采用的是电压型有源逆变形式 可以看作是等效的可 1 2 华北电力大学硕士学位论文 控电压源吼 图2 5 中z f 主要由输出滤波阻抗和输出电抗幺构成 其中输出滤波 阻抗主要是滤除输出电压中的高次谐波分量 其基本的工作原理是 当电网发生单 相接地故障时 电网中会出现一个中性点电压 这个电压 同可控电压u l 共同 作用于输出电抗厶上时 就会有 d 正 厶吾2 一u o 2 3 通过控制与 不同相位 不同幅值的吼 即可实现生成任意需要的有源消弧 线圈输出电流 这样就可以通过有源注入的方式 不仅实现对接地故障电流中无 功及谐波分量的动态补偿 还可抵消故障发生时的有功损耗 即实现对接地故障电 流所有分量的有源全补偿 与传统的无源消弧线圈相比 新型有源全补偿消弧线圈具有高度的可控性和快 速响应性 其具体特点如下 1 具有自适应功能 实现了动态补偿 可对接地电流中频率和幅值都变化的 谐波 无功电流以及有功分量进行全补偿 对补偿对象的变化有极快的响应 并可 做到连续调节 保证可靠熄弧 2 受电网阻抗的影响不大 不会发生谐振 3 补偿电流可连续无级调节 调整平滑 线性度好 结构紧凑 补偿后残余 电流小 2 2 3 有源全补偿消弧线圈的调谐方式 为了更好地发挥消弧线圈的作用 既要有效减小接地残流 又要限制中性点位 移电压在许可的范围内 目前国内外采用的调谐方式可以分为预调式和随调式两 种 各有其应用特点 但都存在一定的不足 预调式补偿方式是一种外加阻尼电阻运行方式 即在消弧线圈上串联或并联阻 尼电阻足 从而增大电网阻尼率d 使得电网正常运行时串联谐振过电压小于规程 规定的o 1 5 玩 这样就可以在电网正常运行时将消弧线圈调谐至谐振点状态或接近 谐振点状态 当出现单相接地故障后 瞬间将阻尼电阻足短接 从而实现最佳补偿 目前自动调匝式消弧线圈的控制就采用这种策略 随调式补偿方式是指在电网正常 运行时加大脱谐度 使消弧线圈远离谐振点 当电网发生单相接地故障后 瞬时调 整消弧线圈至谐振点状态 实施最佳补偿 目前偏磁可调式消弧线圈 二次调容式 消弧线圈等均采用这种补偿方式 显然 预调式补偿方式的补偿精度受限于消弧线圈的调节精度 故障时接地点 的残流大小还和阻尼电阻的退出速度紧密相关 随调式补偿方式在补偿精度上解决 华北电力大学硕士学位论文 了自动调匝式精度不高的问题 并可避免谐振过电压的出现 但却无法解决故障时 接地点残流过大的问题 相反由于电网j 下常时其远离谐振点处运行 使这个问题更 加突出 对瞬时性的接地故障没有起到迅速的抑制作用 放弃了在故障发生瞬间熄 弧的打算 因此 从以上分析可以知道 无论采用预调式补偿方式还是采用随调式补偿方 式 都会存在其不可克服的缺点 针对新型有源全补偿消弧线圈的结构特点 本文 采用了一种预调和随调相结合的补偿方式 即在电网正常运行状态下 将自动调匝 式消弧线圈置于1 5 过补偿点附近 有源消弧线圈不投入 当电网发生单相接地故 障时 调整主消弧线圈工作于谐振点附近 同时快速调节有源消弧线圈跟踪接地电 流变化 利用实时准确的谐波检测算法计算出指令电流值 生成控制信号驱动有源 逆变器对接地电流实施全补偿 故障结束后 有源消弧线圈退出工作 采用这种调谐方式的优势在于 在电网j 下常运行时 消弧线圈不在谐振点附近 运行 不会引起中性点位移过电压 而且 无需串联或并联阻尼电阻 避免了其在 电网一次回路中引起的一系列问题 在电网发生接地故障时 自动调匝式消弧线圈 立即补偿 可熄灭大部分瞬时接地电弧 同时 迅速调整有源消弧线圈 自动跟踪 接地电流的变化 实施全补偿 大大提高了消弧线圈的熄弧能力 2 2 4 有源全补偿消弧线圈的控制方案 根据预调和随调相结合的调谐方式 本文提出一种全补偿控制方案 该控制方 案流程如图2 6 所示 包括正常状态和故障响应两个部分 正常状态 消弧线圈的控制器定时对中性点电压玑 调匝式主消弧线圈档位和 电抗值厶进行检测 利用接地电容电流检测算法计算出当前系统的对地电容值c 根据实时的计算结果检查主消弧线圈档位是否合适 不合适则将主线圈调到过补偿 1 5 附近的档位 对历史故障录波数据进行分析 计算各条线路在单相接地故障时 的零序基波无功电流值 推算各条线路的对地电容e 以及不同单相接地故障情况下 的电流畸变成分 故障响应 检测线路零序电流厶 k 厶 启动故障选线程序选出故障线路m 利用故障线路出e l 处的零序电流厶 正常状态下计算出的系统对地电容c 故障线 路电容c m 及该故障状况下的电流畸变经验值进行故障全电流估算 得出整个系统含 故障线路接地电流 含有功分量和谐波分量的故障电流l 检测当前调匝式主消弧 线圈的补偿电流 和有源从消弧线圈的补偿电流厶 利用快速谐波检测算法计算 指令电流值 通过有源逆变控制技术生成功率器件驱动信号以实现有源从消弧线圈 全补偿 1 4 华北电力大学硕士学位论文 图2 6 有源全补偿消弧控制方案图 2 2 5 有源全补偿消弧线圈的逆变控制 1 9 7 6 年美国西屋电气公司的l g y u g y i 和e c s t r y c u l a 提出了采用脉宽调制 p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n p w m 技术控制的有源滤波器 确定了主电路的基本拓 扑结构和控制方法 从此有源逆变技术开始登上历史的舞台 进入2 0 世纪8 0 年代 以来 随着新型电力半导体器件的出现 p w m 技术的发展 尤其是在a k a g ih 等 人提出了三相电路瞬时无功功率理论以后 以该理论为基础的谐波和无功电流检测 算法在实时逆变控制中得到了成功的应用 这些都极大地促进了有源逆变技术的发 展 如今有源逆变技术已经应用于谐波抑制 无功补偿等多个领域 它的优势在于 可同时对谐波和无功分量进行补偿 对于突变的对象具有快速的补偿响应 补偿无 功时可以做到连续调节 补偿谐波时所需的贮能元件容量不大 能跟踪电网频率的 变化 补偿性能不受其影响 p w m 控制技术在逆变电路中应用最为广泛 p w m 逆变电路的主要特点是 可 以得到相当接近正弦波的输出电压和电流 减小了谐波分量 提高了功率因数 动 态响应快 而且电路结构简单 p w m 控制方式是通过对逆变电路开关器件的通断 进行控制 使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲 用这些脉冲来代替正 弦波所需要的波形 按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制 既可以改变逆变电路 输出电压的幅值 也可以改变输出电压的频率 9 1 逆变器中常用的p w m 生成方式主要有三角波比较法 滞环电流跟踪控制法 预测控制法 特定消谐法和空间矢量法等 l o 1 2 其中 滞环电流跟踪控制是目前使 华北电力大学硕士学位论文 用广泛 比较成熟的一种闭环电流控制方法 是以逆变器输出电流作为控制对象 通过切换逆变器的输出电压达到直接控制电流的目的 比较适合作为有源全补偿消 弧线圈中逆变电路的控制方法 滞环电流跟踪控制的原理是通过滞环比较器产生控制开关通断的p w m 信号 如图2 7 所示 电流跟踪波形如图2 8 所示 图中 日表示滞环的宽度 厶表示逆 变器输出的电流 f 表示需要被跟踪的指令信号 是两者之差 当j a i a i 0 时 取 反之 取 由于消弧线圈的有功损耗电导一般 很小 可以忽略 对于公式 3 2 只有两个未知量 c 这样测量时通过改变 一次消弧线圈的电感值 取得两组对应的砜和厶 分别带入公式 3 2 联立即可 求解c 但是这种方法是在忽略电网阻尼率的前提下求解 若电网阻尼率较大 消 弧线圈损耗等值阻尼较大 或测量时脱谐度过小 都会导致1 0 以上的计算误差 所以计算时应选取脱谐度较大的档位 此外 若中性点加装了限压电阻 则测量误 差会更大 可能得出错误的结果 所以此方法只适用于中性点不接限压电阻的 随 调式 消弧线圈 两点法虽然具有准确度高的优点 但对于现在普遍采用的自动调 匝式消弧线圈来说就意味着必须在测量时调节有载分接开关 开关调节频繁 减少 了使用寿命 而且测量周期不能很短 实时性差 系统接地电容发生变化时 不能 及时发现并实现最佳补偿 2 三点法 试图提高两点法的测量精度 在考虑阻尼电阻的情况下 对于公 式 3 1 用有效值表示 可以得到 蜘洛2 盈勤 c o c 式中的未知量增加到三个 所以需要选取三组相应的砜和厶来求解c 此方法不必 考虑脱谐度的正负 但同样由于忽略了消弧线圈自身的有功损耗 存在一定的误差 一般在5 以下 也只适用于中性点不接限压电阻的 随调式 消弧线圈 这种方 法由于测量量较多 计算复杂 给本来就是小信号的测量量引入了更多的测量和计 算误差 精度有待验证 3 e 0 法 利用消弧线圈在系统正常时运行在1 5 过补偿度左右 大大超出系 统阻尼率 从而忽略系统阻尼的影响 可将l 与c 看作为在系统不平衡电压e 0 作用 下的串联谐振电路 从而可以得到岛 厶 缈c 的标量表达式从而求取c 在实 际应用中 每隔一定时间测量一次砜和厶来实时跟踪系统电容电流的变化 同样只 适用于中性点不接限压电阻的 随调式 消弧线圈 4 注入信号法 在系统正常时 由于中性点电压较低 通过消弧线圈的二次 侧向电网注入变频恒流信号 通过改变信号的频率 判断系统的谐振状态 找到系 统的谐振频率五 当系统频率为厂时 即可得出电网的脱谐度表达式为 v 1 一 f o l f 2 3 4 进而求取电网的系统电容电流为l s l i 1 v 对于前面的几种算法而言 当 华北电力大学硕士学位论文 系统的不平衡电压为零时 就无法测量计算电容电流 适用范围有限 而对于注入 信号法 则不存在这些问题 对于 预调式 和 随调试 均适用 并且 在测量 系统电容电流时 不影响系统的正常运行 不受系统运行的影响 不需要调节消弧 线圈档位 速度快 误差一般在5 以下 尤其适用于本文所提的新型有源全补偿 消弧线圈 其有源从消弧线圈部分在正常运行状态下即可作为一个变频信号源用于 电网电流检测 依据不同的检测算法 结合有源从消弧线圈中电力电子器件控制灵活快捷的特 点 本文提出了以注入信号法为主 其他方法为辅 形成复合式接地电容电流检测 算法 最大限度地提高了接地电容电流的检测精度 3 2 几种典型的谐波电流检测算法比较 有源全补偿消弧线圈是一种主从预随调模式的自动调谐消弧线圈 可以对接地 故障电流实现真j 下意义上的全补偿 作为主体的自动调匝式主消弧线圈用于补偿大 部分的基波接地故障电流 余下的接地残流中畸变电流分量由有源从消弧线圈通过 单相有源逆变单元实现进一步的精确补偿 其中 能否做到对故障电流精确全补偿 的关键在于接地故障电流中畸