基于級(jí)聯(lián)H橋變流器和dq變換的配電網(wǎng)故障柔性消弧方法

郭謀發(fā)張偉駿高 偉楊耿杰繆希仁

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 福州 350116 2. 國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院 福州 350007）

基于級(jí)聯(lián)H橋變流器和dq變換的配電網(wǎng)故障柔性消弧方法

郭謀發(fā)1張偉駿2高 偉1楊耿杰1繆希仁1

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 福州 350116 2. 國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院 福州 350007）

為解決配電網(wǎng)單相接地故障消弧的難題，提出一種基于級(jí)聯(lián)H橋變流器和dq變換的柔性消弧新方法。配電網(wǎng)的三相經(jīng)級(jí)聯(lián)H橋變流器接地，柔性控制非故障相變流器經(jīng)連接電感注入電流，補(bǔ)償接地點(diǎn)的電弧電流，抑制故障相恢復(fù)電壓，促進(jìn)電弧快速熄滅、不易重燃。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)穩(wěn)定性和間歇性電弧接地故障電流的全補(bǔ)償，結(jié)合級(jí)聯(lián)H橋變流器的特性，提出一種基于dq坐標(biāo)變換的故障諧波及暫態(tài)電流分量的檢測(cè)方法。根據(jù)級(jí)聯(lián)H橋變流器注入電流對(duì)接地故障電流、故障相恢復(fù)電壓的作用機(jī)理，研究各類電弧接地故障的統(tǒng)一柔性消弧方法，仿真結(jié)果表明所提消弧方法的有效性，可以提高配電網(wǎng)接地故障熄弧率，促進(jìn)柔性交流輸電（FACTS）技術(shù)在智能配電網(wǎng)接地故障保護(hù)中的研究與應(yīng)用。

配電網(wǎng) 接地故障 級(jí)聯(lián)H橋變流器 柔性消弧 dq坐標(biāo)變換

Keywords：Distribution network, grounding fault, cascaded H-bridge converters, fault arc suppression, dq coordinate transformation

0 引言

非線性負(fù)荷和電力電子設(shè)備在配電網(wǎng)中大量使用，接地電弧電流中的諧波及有功分量不斷提高，傳統(tǒng)的無(wú)源消弧受限于僅能補(bǔ)償接地故障電流中的基波無(wú)功分量，難于有效熄滅故障電弧。因此，在無(wú)源消弧技術(shù)的基礎(chǔ)上，逐漸出現(xiàn)了有源（柔性）消弧技術(shù)，其按照消弧對(duì)象的不同，可分為柔性電流消弧和柔性電壓消弧兩種方法。

文獻(xiàn)[1-5]采用柔性電流消弧方法。文獻(xiàn)[1,2]提出基于單相有源濾波技術(shù)的全補(bǔ)償消弧線圈，采用預(yù)調(diào)、隨調(diào)相結(jié)合的調(diào)諧方式，通過(guò)注入可控電流實(shí)現(xiàn)對(duì)接地故障電流的全補(bǔ)償。文獻(xiàn)[3-5]研究了三相五柱雙二次繞組的柔性零殘流消弧線圈并開(kāi)展了其關(guān)鍵技術(shù)的研究，通過(guò)逆變器從消弧線圈二次側(cè)注入電流，實(shí)現(xiàn)接地故障電流的全補(bǔ)償。

文獻(xiàn)[6]采用柔性電壓消弧方法，提出基于零序電壓柔性控制的配電網(wǎng)接地故障消弧與保護(hù)新原理，通過(guò)基于脈寬調(diào)制有源逆變器向配電網(wǎng)注入零序電流，控制零序電壓，迫使故障點(diǎn)恢復(fù)電壓為零，實(shí)現(xiàn)接地故障消弧。

此外，文獻(xiàn)[7, 8]提出了可適應(yīng)線路結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的有源消弧新方法，通過(guò)檢測(cè)故障接地電阻，合理選擇相應(yīng)的有源電壓或電流消弧方法，確保在配電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的情況下有源消弧的有效性。

現(xiàn)有柔性消弧方法，通常需要有源逆變器與固定檔位或可調(diào)的傳統(tǒng)消弧線圈配合使用，單個(gè)逆變器耐壓低，且受限于其注入的功率，需通過(guò)升壓變壓器經(jīng)接地變壓器接到配電網(wǎng)中性點(diǎn)，升壓變壓器、接地變壓器和傳統(tǒng)消弧線圈的等效電感會(huì)對(duì)故障補(bǔ)償電流的相位產(chǎn)生影響。單個(gè)逆變器的輸出電平數(shù)較少，造成其注入配電網(wǎng)的補(bǔ)償電流的諧波含量較高，且存在直流側(cè)電容取源難等問(wèn)題。此外，對(duì)于間歇性電弧燃弧瞬間產(chǎn)生的暫態(tài)電流分量也難以有效補(bǔ)償[9]。為解決上述問(wèn)題，本文以基于電壓源換流器和多電平脈寬調(diào)制技術(shù)的級(jí)聯(lián)H橋變流器[10]作為柔性消弧電流注入裝置[11]，提出了基于級(jí)聯(lián)H橋變流器和dq變換的柔性消弧新方法。

1 三相經(jīng)級(jí)聯(lián)H橋變流器柔性接地方式

配電網(wǎng)三相經(jīng)級(jí)聯(lián)H橋變流器接地原理如圖1所示，級(jí)聯(lián)H橋變流器經(jīng)連接電感L、高壓開(kāi)關(guān)S掛接于配電網(wǎng)的三相，每相級(jí)聯(lián)變流器由多個(gè)單相H橋電壓源換流器（Voltage Source Converter，VSC）串聯(lián)組成。為避免系統(tǒng)三相電壓不平衡對(duì)級(jí)聯(lián)變流器的影響，星形側(cè)中性點(diǎn)采用直接接地的方式，確保各相級(jí)聯(lián)變流器獨(dú)立運(yùn)行。

圖1 配電網(wǎng)三相經(jīng)級(jí)聯(lián)H橋變流器接地原理Fig.1 Distribution network flexible grounding by three-phase cascaded H-bridge converter

圖2 配電網(wǎng)單相接地故障等效電路Fig.2 Equivalent circuit of single-phase ground fault in distribution network

2 接地故障柔性消弧原理

接地電弧宏觀上可等效為一時(shí)變非線性電阻，其變化規(guī)律為電弧在燃弧階段呈現(xiàn)低阻特性，熄弧階段呈現(xiàn)高阻特性。系統(tǒng)發(fā)生電弧性接地故障后，分別通過(guò)提取接地故障電氣量的基波、諧波及暫態(tài)分量，計(jì)算參考注入電流作為級(jí)聯(lián)變流器的控制目標(biāo)。由非故障相級(jí)聯(lián)變流器實(shí)時(shí)跟蹤控制目標(biāo)，向配電網(wǎng)注入理論參考電流，在燃弧階段補(bǔ)償接地電流，促進(jìn)電弧快速熄滅，在熄弧階段有效抑制故障相電壓恢復(fù)，阻止電弧重燃。

2.1 柔性電流消弧原理在燃弧階段的應(yīng)用

燃弧期間，電弧電阻呈低阻或金屬性接地特征（Rf≈0），接地故障電流I˙fC數(shù)值上近似等于所有線路非故障相對(duì)地電流之和，I˙fC方向從故障線路的故障相流向主變壓器，再由主變壓器非故障相流向各條線路，形成回路。將主變壓器10kV側(cè)看作端口網(wǎng)絡(luò)，由基爾霍夫電流定律（KCL）可知

2.2 柔性電壓消弧原理在熄弧階段的應(yīng)用

熄弧期間，電弧電阻呈高阻特性，接地故障電流數(shù)值上等于非故障相對(duì)地電容電流之和減去故障相對(duì)地電容電流之和。若仍采用基波電流消弧的方法，雖流經(jīng)主變壓器出線側(cè)故障相的故障電流被強(qiáng)制為0，但由于各線路故障相對(duì)地電容電流的分流作用，接地故障電流I˙fC將不再為0，實(shí)際消弧效果不明顯。為解決該問(wèn)題，提出一種基于三相級(jí)聯(lián)H橋變流器的電壓消弧方法。對(duì)圖2節(jié)點(diǎn)D列寫KCL方程，得

由式（11）知，通過(guò)調(diào)整變流器的注入電流，可間接控制故障相恢復(fù)電壓。取注入電流為

則=0，即使故障相電壓強(qiáng)制為0，從而抑制接地電弧重燃。

比較式（7）和式（13）可知，級(jí)聯(lián)變流器在燃弧和熄弧階段的注入基波電流相同，僅與電源電壓和電網(wǎng)參數(shù)有關(guān)，與接地電弧等效電阻的變化無(wú)關(guān)。換言之，當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生電弧接地故障時(shí)，變流器只需注入定值理論電流，即可在燃弧期間補(bǔ)償接地電弧電流中基波電流分量，促進(jìn)電弧熄滅。在電弧過(guò)零熄滅后，抑制故障相電壓恢復(fù)，使氣體介質(zhì)的恢復(fù)強(qiáng)度高于故障相電壓恢復(fù)強(qiáng)度，從而破壞電弧重燃條件。

2.3 故障諧波和暫態(tài)電流分量的補(bǔ)償原理

針對(duì)接地暫態(tài)電流補(bǔ)償問(wèn)題尚未見(jiàn)到相關(guān)文獻(xiàn)研究，一般來(lái)說(shuō)，接地故障的暫態(tài)電流幅值大，但持續(xù)時(shí)間短，其對(duì)接地電弧的熄滅穩(wěn)定性影響較小。而間歇性電弧接地故障每次重燃伴隨有明顯的暫態(tài)過(guò)程，所引起的非故障相過(guò)電壓對(duì)配電網(wǎng)設(shè)備絕緣構(gòu)成嚴(yán)重威脅。此外，根據(jù)別列柯夫理論，故障相恢復(fù)電壓峰值與故障點(diǎn)電流的陡度成正比，因此，有效降低電弧每次重燃時(shí)的高頻振蕩（暫態(tài)）電流是實(shí)現(xiàn)此類故障消弧的重要途徑。

諧波和暫態(tài)接地電流分量的補(bǔ)償原理與基波電流補(bǔ)償原理相同，但其難點(diǎn)在于電弧接地故障因接地位置、故障時(shí)刻、諧波源類型及電弧特征的不確定性和隨機(jī)性，諧波和暫態(tài)電流難以直接檢測(cè)或計(jì)算。借鑒同步坐標(biāo)變換在有源諧波治理及無(wú)功補(bǔ)償中的應(yīng)用思路，提出了一種基于dq變換提取母線零序電壓諧波和暫態(tài)分量，結(jié)合配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)，間接實(shí)時(shí)計(jì)算諧波和暫態(tài)電流的方法。

將流經(jīng)接地點(diǎn)的諧波（或暫態(tài)）分量等效為一諧波（或暫態(tài)）電流源，配電網(wǎng)電弧電流中諧波及暫態(tài)分量等效分布如圖3所示。由諧波、暫態(tài)電流的流通回路可知，該電流作用于配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)，使母線電壓含有諧波和暫態(tài)分量。其中，非故障相母線電壓為

式中，三相電源電壓保持平衡，零序電壓u0(t)由基波、諧波和暫態(tài)衰減分量組成，其瞬時(shí)值為

圖3 配電網(wǎng)電弧電流中諧波及暫態(tài)分量等效分布Fig.3 Equivalent distribution for the harmonic and transient component of arc current

零序電壓u0(t)為單相信號(hào)，需先構(gòu)造虛擬的三相系統(tǒng)：設(shè)u0(t)為虛擬A相電壓u0A(t)，u0A(t)延遲60°得到-u0C(t)，u0B(t)=-u0A(t)-u0C(t)，則虛擬B、C相電壓為

限于篇幅，這里省略vd和vq推導(dǎo)過(guò)程。經(jīng)dq變換后，零序電壓基波分量在vd中為直流分量，第k次諧波電壓分量轉(zhuǎn)換為k±1次諧波分量，第n次暫態(tài)分量轉(zhuǎn)換為n±1次暫態(tài)分量。vq中直流分量為0，諧波分量和暫態(tài)分量的變換結(jié)果與d軸相似。由高通濾波器濾除vd中直流分量，經(jīng)dq/abc反變換后，零序電壓僅包含諧波分量和暫態(tài)分量，即

結(jié)合配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)，接地諧波及暫態(tài)電流綜合分量ifn(t)為

同理，令非故障相變流器注入電流iz(t)跟蹤ifn(t)，可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償接地諧波和暫態(tài)電流分量的目的。

故級(jí)聯(lián)H橋變流器的消弧注入總電流iz(t)為式（13）和式（21）的疊加，其瞬時(shí)值為

在工程應(yīng)用中，考慮到主變壓器和饋線自身電抗對(duì)接地暫態(tài)電流中高頻分量的影響，提取電壓分量的誤差經(jīng)式（22）計(jì)算后被放大等因素，參考諧波和暫態(tài)電流的計(jì)算模型更為復(fù)雜，上述間接計(jì)算法可能導(dǎo)致注入電流不準(zhǔn)確、影響系統(tǒng)穩(wěn)定性等問(wèn)題。這里借鑒經(jīng)典控制理論方法，設(shè)計(jì)電壓PI控制器，將提取的諧波和暫態(tài)電壓分量作為偏差輸入，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后得到參考諧波和暫態(tài)電流分量。

2.4 配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)測(cè)量原理

準(zhǔn)確測(cè)算配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)[12,13]是計(jì)算變流器綜合注入電流的前提，本文采用注入恒頻電流的參數(shù)測(cè)量方法。配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，令各相級(jí)聯(lián)H橋變流器輸出同頻同相位的電流信號(hào)，注入電流的角頻率為ωx。結(jié)合圖1中經(jīng)級(jí)聯(lián)H橋變流器柔性接地的配電網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)變換后的零序等效電路如圖4所示，其中，為變流器注入的零序電流，L為連接電感。

圖4 零序等效電路Fig.4 Zero sequence equivalent circuit diagram

變流器與配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電路方程為

將式（23）按實(shí)部、虛部展開(kāi)得

由測(cè)量電壓和注入測(cè)量電流的有效值和相位關(guān)系，可計(jì)算出系統(tǒng)的等效對(duì)地分布電容和泄漏電阻。在實(shí)際應(yīng)用中，注入測(cè)量電流的頻率ωx一般選為間諧波頻率，既方便信號(hào)的檢測(cè)與提取，又避免由電網(wǎng)參數(shù)及負(fù)荷不平衡等因素引起的工頻及整數(shù)次諧波偏移電壓對(duì)注入信號(hào)的影響。此外，考慮到注入電流頻率對(duì)測(cè)量參數(shù)準(zhǔn)確度（主要是電纜的電解質(zhì)損耗）、幅值對(duì)正常配電網(wǎng)運(yùn)行的影響，間諧波頻率宜在工頻附近（10～90Hz），幅值小于10A。

3 配電網(wǎng)接地故障保護(hù)方案及其控制系統(tǒng)

3.1 保護(hù)方案

基于級(jí)聯(lián)變流器的配電網(wǎng)單相接地故障保護(hù)方案如圖5所示，變流器采用先消弧、后選線的工作模式。故障初期，根據(jù)零序電壓及三相電壓綜合判斷是否為單相接地故障并識(shí)別故障相后，由非故障相變流器注入綜合消弧電流，避免錯(cuò)過(guò)最佳的消弧補(bǔ)償時(shí)間。在消弧數(shù)個(gè)工頻周波后，根據(jù)母線零序電壓，判斷接地點(diǎn)是否消失，若零序電壓降至閾值（通常為相電壓的15%）以下，則推測(cè)電弧已有效熄滅，反之，則為永久性電阻接地故障，變流器退出柔性消弧策略，選線保護(hù)動(dòng)作，切除故障線路。

3.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)及其控制策略是變流器能否實(shí)現(xiàn)注入理論全補(bǔ)償電流的關(guān)鍵。按照模塊化的思想，將控制系統(tǒng)劃分為給定模塊、控制模塊和調(diào)制模塊，三相級(jí)聯(lián)H橋變流器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 基于級(jí)聯(lián)變流器的配電網(wǎng)單相接地故障保護(hù)方案Fig.5 Single-phase earth fault protection scheme based on cascade inverter power

圖6 三相級(jí)聯(lián)H橋變流器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Control system structure diagram of three-phase cascaded H-bridge converter

給定模塊由故障檢測(cè)選相、各電氣量檢測(cè)和給定注入電流計(jì)算等子模塊構(gòu)成，在配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，提供一個(gè)間諧波頻率的給定電流，用于對(duì)地參數(shù)測(cè)量。發(fā)生接地故障后，計(jì)算生成給定注入補(bǔ)償電流值，用于故障消弧。控制模塊主要包含電壓-電流雙閉環(huán)控制器，實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定控制及其交流側(cè)輸出電流實(shí)時(shí)跟蹤給定模塊提供的給定電流值。其中，直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定控制由電壓PI控制器實(shí)現(xiàn)，通過(guò)鎖相環(huán)生成參考有功電流，用于電容充電升壓。調(diào)制模塊根據(jù)控制模塊的輸出，采用載波相移多電平調(diào)制策略同時(shí)配合基于電壓排序的改進(jìn)開(kāi)關(guān)分配方法生成各個(gè)開(kāi)關(guān)管控制信號(hào)，控制各H橋變流器的開(kāi)關(guān)器件，使級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器交流側(cè)輸出既定的電壓波形，并實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電容電壓的均衡控制。

4 仿真分析

4.1 仿真建模

利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建了三相經(jīng)九電平級(jí)聯(lián)H橋變流器柔性接地的6條饋線配電網(wǎng)模型，如圖7所示。圖中OL、CL分別表示架空和電纜線路，選擇Bergeron線路模型，模型中架空線路的正序參數(shù)：R1=0.125Ω/km，L1=1.3mH/km，C1= 0.009 6μF/km；零序參數(shù)：R0=0.275Ω/km，L0= 4.6mH/km，C0=0.005 4μF/km。電纜線路的正序參數(shù)：R1=0.27Ω/km，L1=0.255mH/km，C1=0.339μF/km；零序參數(shù)：R0=2.7Ω/km，L0=1.019mH/km，C0= 0.28μF/km。

圖7 基于級(jí)聯(lián)H橋柔性接地的配電網(wǎng)仿真模型Fig.7 Simulation model for distribution network with cascaded H-bridge converter

根據(jù)文獻(xiàn)[11]配置級(jí)聯(lián)H橋變流器參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 級(jí)聯(lián)H橋變流器參數(shù)Tab.1 Cascaded H-bridge converter parameters

4.2 穩(wěn)定性電弧接地故障的消弧仿真

采用控制論電弧模型[14,15]模擬穩(wěn)定性電弧接地故障的情況，利用PSCAD搭建電弧的非線性時(shí)變電阻模型，模擬電弧變化的動(dòng)態(tài)特性。

圖8為仿真注入基波電流前后接地故障電流波形，設(shè)故障時(shí)刻t=0.8s，在CL6架空線路末端C相發(fā)生穩(wěn)定電弧接地故障。

對(duì)比圖8a和圖8b知，非故障相變流器注入基波分量后，接地故障殘流下降至4A，殘流波形經(jīng)FFT分解后，可以發(fā)現(xiàn)其中基波分量接近為0。因變流器僅注入基波分量，未能實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧電阻非線性時(shí)變產(chǎn)生的諧波分量的補(bǔ)償，受載波頻率和級(jí)聯(lián)數(shù)的限制，殘流中出現(xiàn)少量等效開(kāi)關(guān)頻率10kHz及其整數(shù)倍次諧波分量。

圖8 注入基波分量前后的故障電流波形Fig.8 Fault current waveforms before and after injection of fundamental component

注入基波分量前后的故障相電壓波形如圖9所示。設(shè)穩(wěn)定性電弧經(jīng)電流消弧后，因故障殘流較小，維持0.1s后過(guò)零熄滅，熄滅后因介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度有限，接地點(diǎn)過(guò)渡電阻以高阻態(tài)形式表示，取Rf=8 000Ω。

對(duì)比圖9a和圖9b知，變流器在電流過(guò)零電弧熄滅后，仍維持注入基波消弧電流，改變了原配電網(wǎng)電壓變化規(guī)律，使得故障相電壓首個(gè)周波的峰值僅為1.186kV，與原故障相電壓峰值14.35kV（中性點(diǎn)偏移電位短時(shí)不衰減與故障相電源電壓疊加的結(jié)果）相比，經(jīng)變流器注入基波電流后，故障相電壓峰值降低了91.7%，有效抑制了故障相電壓的恢復(fù)。

圖9 注入基波分量前后的故障相電壓波形Fig.9 Fault phase recovery voltage waveforms before and after injec tion of fundamental component

圖10采用dq變換提取零序電壓諧波分量，經(jīng)式（21）計(jì)算，得接地故障電流諧波分量的計(jì)算波形。圖11為故障殘流的測(cè)量值（濾除了殘流中等效開(kāi)關(guān)頻率及其整數(shù)倍次諧波）與dq變換的計(jì)算值的對(duì)比波形。其中，參考諧波電流分量計(jì)算值為

圖10中計(jì)算值與測(cè)量值曲線的變化規(guī)律基本相同，進(jìn)一步對(duì)比FFT分解后各頻率電流有效值，可知二者均以5次及以上奇次諧波為主，計(jì)算得到的各次諧波的有效值均略低于測(cè)量值，但總體相差不大，驗(yàn)證了基于dq變換的故障電流諧波分量檢測(cè)方法的可行性。

圖10 基于dq變換計(jì)算故障電流諧波分量Fig.10 Calculation of fault transient and harmonic current component based on dq transformation

圖11 故障殘流諧波測(cè)量值與dq變換計(jì)算值比較Fig.11 Fault residual current harmonic measurement value compared with calculation value

由圖12知，變流器注入綜合電流后，進(jìn)一步補(bǔ)償故障殘流中諧波分量，殘流峰值小于2A。經(jīng)FFT分解后知：各頻率電流有效值均有降低（5、7、9、11次分別降低了66.2%、71.8%、10.0%、49.4%、41.9%），但不完全為0。對(duì)曲線1、2局部區(qū)域放大后觀察到：殘余諧波分量是由于變流器跟蹤非故障相故障電流時(shí)存在響應(yīng)誤差，前述電路參數(shù)配置均為折中選擇，PI控制器存在延時(shí)等問(wèn)題都會(huì)引起動(dòng)態(tài)響應(yīng)的誤差，但變流器注入諧波分量后，接地故障殘流中的諧波分量明顯降低，驗(yàn)證了基于dq變換的故障電流諧波分量補(bǔ)償原理的有效性。

4.3 間歇性電弧接地故障的消弧仿真

以工頻熄弧理論仿真間歇性電弧接地故障。設(shè)故障時(shí)刻t=0.3s（C相過(guò)電壓峰值），在CL4架空線路末端C相發(fā)生間歇性電弧接地故障，測(cè)得接地電弧電流和故障相電壓如圖13所示。

圖12 注入綜合消弧電流后的故障殘流波形Fig.12 Fault residual waveforms after injection of integrated arc current

圖13 間歇性電弧接地故障各電氣量波形Fig.13 Electric parameters waveforms of intermittent arc ground fault

變流器注入綜合電流后的故障殘流波形如圖14所示。將由變流器注入綜合電流后的故障殘流和故障相恢復(fù)電壓波形分為重燃段和熄滅段進(jìn)行分析。

1）重燃階段：考慮實(shí)現(xiàn)對(duì)故障電流中的基波、諧波和暫態(tài)分量的全補(bǔ)償。圖13中非故障相和接地點(diǎn)暫態(tài)電流峰值分別為83.75A、201.27A，比較圖13和圖14可知，注入綜合電流后，故障殘流的基波分量近似為0，暫態(tài)分量峰值大幅降低，分別為35.21A、73.692A。

圖14 注入綜合電流后的故障殘流波形Fig.14 Fault residual waveforms after injection of integrated arc current

放大0.445～0.45s電弧重燃時(shí)段的波形如圖15所示，圖15中變流器注入電流（曲線2）在跟隨暫態(tài)電流變化（曲線1）時(shí)，也存在跟蹤響應(yīng)滯后的問(wèn)題。將圖15中暫態(tài)持續(xù)時(shí)間分為t1、t2段，比較曲線1、3可知，其暫態(tài)持續(xù)時(shí)間由t1+t2縮短至t1。殘流的暫態(tài)分量峰值降低，持續(xù)時(shí)間縮短，驗(yàn)證了基于dq變換的暫態(tài)電流消弧原理的有效性。

2）熄弧階段：比較圖13和圖16，熄弧階段變流器仍維持注入基波消弧電流，同樣改變了原配電網(wǎng)電壓變化規(guī)律，使得原本依據(jù)工頻熄弧理論設(shè)置的電弧重燃時(shí)刻的故障相恢復(fù)電壓瞬時(shí)值僅為0.76kV，但仍不為0，誤差來(lái)源同穩(wěn)定性電弧接地故障仿真一致。與注入前重燃時(shí)刻的恢復(fù)電壓峰值8.16kV相比，瞬時(shí)值降低了90.69%，驗(yàn)證了基波電壓消弧方法同樣適用于間歇性電弧接地故障。

圖15 重燃階段接地故障殘流（0.445～0.45s）Fig.15 Ground fault residual current during restriking stage（0.445～0.45s）

此外，由于暫態(tài)電流峰值與重燃瞬間故障相電壓瞬時(shí)值有關(guān)，因此，采用柔性電壓消弧方法還能起到間接減小重燃時(shí)刻暫態(tài)電流分量的作用，這有利于促進(jìn)間歇性電弧盡快熄滅。

圖16 注入基波電流對(duì)故障相恢復(fù)電壓和暫態(tài)電流影響Fig.16 Influence on recovery voltage and transient current after injection of fundamental component

5 結(jié)論

揭示級(jí)聯(lián)H橋變流器注入電流對(duì)配電網(wǎng)接地故障電流、故障相恢復(fù)電壓的作用機(jī)理，研究接地故障電流諧波及暫態(tài)分量的補(bǔ)償原理，形成各類電弧性接地故障的統(tǒng)一消弧方法。采用配電網(wǎng)三相經(jīng)級(jí)聯(lián)H橋變流器柔性接地的新方式，通過(guò)dq坐標(biāo)變換提取并計(jì)算故障電弧電流中諧波及暫態(tài)分量，由非故障相變流器注入綜合消弧電流，實(shí)現(xiàn)接地電弧電流基波、諧波及暫態(tài)分量的全補(bǔ)償，抑制故障相恢復(fù)電壓，促使電弧快速熄滅，不易重燃。仿真結(jié)果證明所提消弧方法的有效性。

[1] 曲軼龍, 董一脈, 譚偉璞, 等. 基于單相有源濾波技術(shù)的新型消弧線圈的研究[J]. 繼電器, 2007, 35(3): 29-33. Qu Yilong, Dong Yimai, Tan Weipu, et al. Research on new type arc-suppression coil based on singlephase active power filter technology[J]. Relay, 2007, 35(3): 29-33.

[2] 李新泉, 齊鄭, 楊以涵. 一種新型消弧方法的研究及其實(shí)現(xiàn)[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2008, 36(24): 83-87. Li Xinquan, Qi Zheng, Yang Yihan. Research and realization on a new tape arc-suppression method[J]. Power System Protection and Control, 2008, 36(24): 83-87.

[3] 李曉波, 王崇林. 零殘流消弧線圈綜述[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2011, 31(6): 116-121. Li Xiaobo, Wang Chonglin. Survey of zero-residualcurrent arc suppression coil[J]. Electric Power Automation Equipment, 2011, 31(6): 116-121.

[4] 劉寶穩(wěn), 李曉波. 基于失諧量的消弧線圈跟蹤調(diào)諧方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2013, 41(5): 6-9. Liu Baowen, Li Xiaobo. New type of automatic tuning arc-suppression coil based on detuning size[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(5): 6-9.

[5] 賈晨曦, 楊龍?jiān)? 杜貴府. 全電流補(bǔ)償消弧線圈關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(9): 145-154. Jia Chenxi, Yang Longyue, Du Guifu. Review of key technologies on full current compensation arc suppression coil[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(9): 145-154.

[6] 曾祥君, 王媛媛, 李健, 等. 基于配電網(wǎng)柔性接地控制的故障消弧與饋線保護(hù)新原理[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(16): 137-143. Zeng Xiangjun, Wang Yuanyuan, Li Jian, et al. Novel principle of faults arc extinguishing & feeder protection based on flexible grounding control for distribution networks[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(16): 137-143.

[7] 劉維功, 薛永端, 徐丙垠, 等. 可適應(yīng)線路結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的有源消弧算法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2014, 38(7): 2008-2013. Liu Weigong, Xue Yongduan, Xu Bingyin, et al. An active arc-suppression algorithm adaptable to dynamic structure variation of transmission line[J]. Power System Technology, 2014, 38(7): 2008-2013.

[8] 謝菁, 薛永端, 徐丙垠. 小電流接地系統(tǒng)不對(duì)稱電壓有源補(bǔ)償控制方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2015, 39(5): 115-121. Xie Jing, Xue Yongduan, Xu Bingyin. An active compensation and control method of asymmetrical voltage in non-solidly grounded system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(5): 115-121.

[9] 陳柏超, 王朋, 沈偉偉, 等. 電磁混合式消弧線圈的全補(bǔ)償故障消弧原理及其柔性控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(10): 311-318. Chen Baichao, Wang Peng, Shen Weiwei, et al. The principle of full compensation arc suppression and flexible control of electromagnetic hybrid petersen coil[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(10): 311-318.

[10] 王順亮, 宋文勝, 馮曉云. 基于電壓補(bǔ)償分量注入的單相級(jí)聯(lián)H橋整流器載波調(diào)制與電容電壓平衡方法[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 35(12): 3117-3123. Wang Shunliang, Song Wensheng, Feng Xiaoyun. Carrier-based modulation and capacitor voltage balance control method with voltage offset injection of single phase cascaded H-bridge rectifiers[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(12): 3117-3123.

[11] 郭謀發(fā), 陳靜潔, 張偉駿, 等. 基于單相級(jí)聯(lián)H橋變流器的配電網(wǎng)故障消弧與選線新方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2015, 39(9): 2677-2684. Gou Moufa, Chen Jingjie, Zhang Weijun, et al. A novel approach of fault arc extinguishing and linedetection in distribution networks with active grounding[J]. Power System Technology, 2015, 39(9): 2677-2684.

[12] 趙軍, 袁雪瓊, 扈海澤, 等. 基于變電阻電壓擾動(dòng)的配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)精確測(cè)量新方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(17): 51-56. Zhao Jun, Yuan Xueqiong, Hu Haize, et al. A new method of accurately measuring grouned parameters of distribution network based on variable resistor voltage disturbance[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(17): 51-56.

[13] 李曉波, 苗曉鵬, 桑振華, 等. 基于偏置阻抗法的配電網(wǎng)電容電流測(cè)量新方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(4): 22-26. Li Xiaobo, Miao Xiaopeng, Sang Zhenhua, et al. A new capacitive current measurement method of the distribution network based on bias impedance[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(4): 22-26.

[14] 顧榮斌, 蔡旭, 陳海昆, 等. 非有效接地電網(wǎng)單相電弧接地故障的建模及仿真[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2009, 33(13): 63-67. Gu Rongbin, Cai Xu, Chen Haikun, et al. Modeling and simulating of single-phase arc grounding fault in non-effective earthed networks[J]. Automation of Electric Power Systems, 2009, 33(13): 63-67.

[15] 王賓, 耿建昭, 董新洲. 配網(wǎng)高阻接地故障伏安特性分析及檢測(cè)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, 34(22): 3815-3823. Wang Bin, Geng Jianzhao, Dong Xinzhou. Analysis and detection of volt-ampere characteristics for high impedance faults in distribution systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(22): 3815-3823.

Fault Flexible Arc Suppression Approach Based on Cascaded H-Bridge Converters and dq Coordinate Transformation for Distribution Network

Guo Moufa1Zhang Weijun2Gao Wei1Yang Gengjie1Miao Xiren1
（1. School of Electrical Engineering and Automation Fuzhou University Fuzhou 350116 China 2. State Grid Fujian Electric Power Research Institute Fuzhou 350007 China）

To solve the problem of arc suppression under the single-phase grounding fault in distribution network, a novel approach based on cascaded H-bridge converters and dq reference frame transformation is proposed. A flexible grounding mode using three-phase cascaded H-bridge converter is firstly adopted in network. The current injected in non-fault phases can compensate the arc current at fault point and suppress the recovery voltage of fault phase. It could promote the rapid extinguishment of arc and make it restrike hardly. Then combined with the features of cascaded H-bridge converter, a new detecting method for harmonic and transient components of fault current based on dq reference frame transformation has been proposed. This method can realize the full current compensation in the cases of both stable and intermittent arc grounding faults. According to the mechanisms of current injected by cascaded H-bridge converter on fault current and fault phase recovery voltage, a unified arc suppression method about various arc grounding faults has been studied. Simulation results show the proposed approach is effective, which can improve arc extinguishment rate, promote the study and application of FACTS technique in grounding fault protection of smart power distribution network.

TM713

郭謀發(fā) 男，1973年生，碩士，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化、配電網(wǎng)及其自動(dòng)化技術(shù)等。

E-mail: 610710809@qq.com（通信作者）

張偉駿 男，1990年生，碩士，工程師，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)及其自動(dòng)化技術(shù)。

E-mail: 14158755@qq.com

國(guó)家自然科學(xué)基金（51377023、51677030）和福建省自然科學(xué)基金（2016J01218）資助項(xiàng)目。

2016-01-16 改稿日期 2016-05-10