含四橋臂H 橋變流器的不對(duì)稱配電網(wǎng)綜合補(bǔ)償方法

游建章 郭謀發(fā)

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 福州 350108）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電力電子設(shè)備以控制靈活的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于配電網(wǎng)，主要可分為兩大類：功率變換型和電能質(zhì)量調(diào)節(jié)型。功率變換型包括發(fā)電端的風(fēng)力發(fā)電變流器和光伏發(fā)電變流器、消納可再生能源的電力儲(chǔ)能變流器、用于功率雙向控制的電力電子變壓器（Power Electronic Transformer,PET）和柔性多狀態(tài)開關(guān)（Soft Open Point,SOP）。電能質(zhì)量調(diào)節(jié)型包含配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器（Distribution Static Synchronous Compensator,DSTATCOM）/靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator,SVG）、有源電力濾波器（Active Power Filter,APF）、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（Dynamic Voltage Regulator,DVR）、電力彈簧（Electric Spring,ES）和統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（Unified Power Quality Conditioner,UPQC）[1-4]。其中SVG 和APF 的工作原理類似，通過柔性控制變流器注入電流，使其與給定或檢測(cè)的無功功率或諧波電流大小相等、方向相反，實(shí)現(xiàn)無功功率或諧波電流的補(bǔ)償[5-6]。

配電網(wǎng)深入用電負(fù)荷末端，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，普遍存在單相接地故障，接地故障電弧無法自行熄滅將引發(fā)火災(zāi)和電網(wǎng)設(shè)備擊穿損壞[7]。傳統(tǒng)的消弧線圈無法補(bǔ)償諧波和有功分量，接地故障殘流較大，仍存在接地故障電弧重燃和人身觸電的隱患。因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者借鑒有源無功補(bǔ)償和諧波抑制原理，將柔性電力電子技術(shù)應(yīng)用于接地故障電流補(bǔ)償。瑞典SN公司研制出剩余電流補(bǔ)償裝置（Residual Current Compensator,RCC），其結(jié)構(gòu)為有源逆變器經(jīng)升壓變壓器并聯(lián)于消弧線圈兩端，有源逆變器補(bǔ)償接地故障電流的有功分量和諧波分量，實(shí)現(xiàn)接地故障電流的全補(bǔ)償[8]。文獻(xiàn)[9]提出以單相級(jí)聯(lián)H 橋變流器作為接地故障電流補(bǔ)償裝置，省去了升壓變壓器和消弧線圈。

上述已有的柔性電力電子設(shè)備，包括功率變換型、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)型和接地故障電流補(bǔ)償型，均存在設(shè)備功能單一，僅能滿足特定的電網(wǎng)運(yùn)行需求，設(shè)備利用率較低，造價(jià)較高等問題。為節(jié)約成本，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始研究將電力電子設(shè)備的功能進(jìn)行融合，以提高設(shè)備的利用效率，增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[10-11]提出了無功補(bǔ)償和有源濾波綜合補(bǔ)償方法。文獻(xiàn)[12-13]提出了多功能光伏并網(wǎng)逆變器，在功率交換的同時(shí)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)的電能質(zhì)量進(jìn)行治理。文獻(xiàn)[14-16]提出了帶儲(chǔ)能單元的無功補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)四象限功率調(diào)節(jié)。上述多功能電力電子設(shè)備主要融合功率變換和電能質(zhì)量治理中的兩種功能，均對(duì)電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)下的電氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)，尚未考慮接地故障電流補(bǔ)償。

文獻(xiàn)[17]提出以三相級(jí)聯(lián)H 橋變流器作為接地故障電流補(bǔ)償裝置，三相直接掛接于配電線路，中性點(diǎn)直接接地，可拓展用于無功補(bǔ)償和諧波抑制。但每相級(jí)聯(lián)H 橋變流器耐壓為線電壓，需投入較多電力電子元件。文獻(xiàn)[18]提出SVG 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，具有接地故障電流補(bǔ)償和無功補(bǔ)償功能的裝置，每相級(jí)聯(lián)H 橋變流器耐壓為相電壓，但受消弧線圈元件特性影響，接地故障電流補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)性能欠佳。因此，針對(duì)上述問題，本文提出SVG 中性點(diǎn)經(jīng)級(jí)聯(lián)H 橋（Cascaded H-Birdge,CHB）接地的新型四橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時(shí)，為降低綜合成本，以新型四橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為綜合補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)，將有功和無功功率補(bǔ)償、三相不平衡負(fù)荷補(bǔ)償和三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償，以及接地故障電流補(bǔ)償?shù)裙δ芗芍镣惶籽a(bǔ)償裝置，并研究與之適應(yīng)的控制方法。提出基于分序解耦控制的多目標(biāo)協(xié)同控制策略，成功實(shí)現(xiàn)了功率交換、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和接地故障電流補(bǔ)償?shù)确矫娴娜诤?，理論上也可集成至PET、SOP 和可再生能源并網(wǎng)逆變器中，有效提升了電力電子設(shè)備的適用性?？紤]配電線路三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流和接地故障電流補(bǔ)償?shù)南嗷ビ绊?，提出三相?duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償與接地故障電流補(bǔ)償?shù)那袚Q方法。

1 功率補(bǔ)償和三相不平衡負(fù)荷補(bǔ)償原理

1.1 功率補(bǔ)償原理

配電網(wǎng)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖1 所示。以SVG 中性點(diǎn)經(jīng)CHB 接地作為綜合補(bǔ)償裝置，三相星形聯(lián)結(jié)，中性點(diǎn)經(jīng)CHB 接地，三相掛接于母線處，圖中為各相電源電壓，為母線處各相電壓，為中性點(diǎn)電壓（或零序電壓），設(shè)置A相發(fā)生接地故障，Rf為接地過渡電阻，為故障點(diǎn)電流，rAΣ、rBΣ、rCΣ分別為A、B、C 相所有饋線對(duì)地泄漏電阻之和，CAΣ、CBΣ、CCΣ分別為A、B、C相所有饋線對(duì)地電容之和，為綜合補(bǔ)償裝置的接地支路注入電流，分別為A、B、C 相所有饋線對(duì)地電流之和，分別為A、B、C 相電源電流，分別為A、B、C 相負(fù)荷電流。

利用瞬時(shí)功率理論可求得瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無功功率的關(guān)系為

式中，Tabc-dq為派克變換矩陣；vGA、vGB和vGC分別為綜合補(bǔ)償裝置并網(wǎng)點(diǎn)A、B 和C 相電壓；VSG為相電源電壓幅值；ω為系統(tǒng)角頻率。

整理式（2）～式（4）可得

將式（5）代入式（1），經(jīng)整理后得d 軸和q 軸的參考電流值為

式中，Pref和Qref分別為調(diào)度中心下發(fā)的有功和無功功率補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)值。

式（6）所示參考電流值經(jīng)dq-abc 變換后可得到三相補(bǔ)償電流參考值，控制變流器輸出該補(bǔ)償電流可實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的補(bǔ)償。

1.2 三相不平衡負(fù)荷補(bǔ)償原理

三相負(fù)荷不平衡將導(dǎo)致負(fù)荷電流中出現(xiàn)負(fù)序分量。三相不平衡負(fù)荷電流的抑制原理為：檢測(cè)并提取負(fù)荷電流中的負(fù)序電流分量；再控制變流器輸出與負(fù)荷電流中負(fù)序分量大小相等，方向相反的補(bǔ)償電流，使二者完全抵消，保證了源端負(fù)荷電流的平衡。因此，其關(guān)鍵技術(shù)在于負(fù)荷電流負(fù)序分量的提取。

正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)零序電流為零，根據(jù)對(duì)稱分量法，三相不平衡負(fù)荷電流可表示為

式中，iLi為各相負(fù)荷電流；iLi1為各相負(fù)荷電流的正序分量；iLi2為各相負(fù)荷電流的負(fù)序分量；i=A,B,C。

三相負(fù)荷電流經(jīng)abc-dq 變換至dq 坐標(biāo)軸，則

負(fù)荷電流中的基波正序有功和無功分量分別在d 軸和q 軸上為直流量，利用低通濾波器可分別從d 軸和q 軸分量中提取基波正序有功和無功分量，再經(jīng)dq-abc 反變換可得到abc 坐標(biāo)系下的三相基波正序電流，即

將實(shí)時(shí)檢測(cè)的三相負(fù)荷電流減去三相基波正序電流即可得到三相負(fù)序電流，以該值作為給定控制目標(biāo)值，控制綜合補(bǔ)償裝置輸出補(bǔ)償電流，可補(bǔ)償三相不平衡負(fù)荷，即

2 接地故障電流補(bǔ)償和三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償原理

2.1 接地故障電流補(bǔ)償原理

對(duì)圖 1 所示的接地點(diǎn)列寫基爾霍夫電流定律（KCL），得

若控制注入電流為系統(tǒng)總對(duì)地電流，即

系統(tǒng)總對(duì)地電流無法直接獲取，但可經(jīng)過電壓和對(duì)地參數(shù)求得，將式（12）轉(zhuǎn)換為電壓形式，得

式中，YA、YB、YC為各相對(duì)地導(dǎo)納，，

若控制綜合補(bǔ)償裝置接地支路注入式（15）所示補(bǔ)償電流，則可抑制接地故障點(diǎn)電流為零，可稱為電流補(bǔ)償法；若控制零序電壓為，則故障點(diǎn)電流也可被抑制為零，可稱為電壓補(bǔ)償法。

2.2 三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償原理

假設(shè)系統(tǒng)三相線路對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱，正常運(yùn)行時(shí)，對(duì)圖1 所示的接地點(diǎn)列寫KCL，得

各相對(duì)地電流轉(zhuǎn)換成電壓形式為

3 多目標(biāo)綜合補(bǔ)償方法

3.1 分序解耦控制的多目標(biāo)綜合補(bǔ)償方法

由第1 節(jié)和第2 節(jié)分析可知，有功功率和無功功率補(bǔ)償?shù)慕o定值和反饋值分別為調(diào)度中心下發(fā)功率需求的轉(zhuǎn)換電流值和綜合補(bǔ)償裝置注入電流的正序分量；三相不平衡負(fù)荷電流補(bǔ)償?shù)慕o定值和反饋值分別為負(fù)荷電流和綜合補(bǔ)償裝置注入電流的負(fù)序分量；接地故障電流補(bǔ)償?shù)慕o定值和反饋值分別為系統(tǒng)總對(duì)地電流和綜合補(bǔ)償裝置注入電流的零序分量；三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償?shù)慕o定值和反饋值分別為系統(tǒng)不對(duì)稱電流和綜合補(bǔ)償裝置注入電流的零序分量。

因此，通過分序解耦控制可在一套綜合補(bǔ)償裝置上實(shí)現(xiàn)功率補(bǔ)償、三相不平衡負(fù)荷補(bǔ)償和接地故障電流補(bǔ)償以及三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償?shù)裙δ?。但接地故障電流補(bǔ)償和三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償對(duì)象均為零序分量，二者存在切換過程。

3.2 三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償與接地故障電流補(bǔ)償?shù)那袚Q方法

三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償和接地故障電流補(bǔ)償二者原理類似，實(shí)現(xiàn)方法有電流法和電壓法，電壓法均以中性點(diǎn)電壓（零序電壓）為調(diào)控對(duì)象，具有無需測(cè)量對(duì)地參數(shù)的優(yōu)勢(shì)，但給定控制目標(biāo)值差別較大，不對(duì)稱電流補(bǔ)償給定控制目標(biāo)值為零，接地故障電流補(bǔ)償給定控制目標(biāo)值為故障相電源電壓的負(fù)值，接近于相電源電壓。發(fā)生低阻接地故障時(shí)二者切換若存在延時(shí)，將使綜合補(bǔ)償裝置產(chǎn)生過電流且增大了接地故障點(diǎn)電流。電流法調(diào)控對(duì)象為不對(duì)稱電流和接地故障電流，將接地故障后綜合補(bǔ)償裝置輸出的零序補(bǔ)償電流看作不對(duì)稱電流和接地故障電流的疊加，則即使二者切換過程存在延時(shí)，造成的影響僅為延時(shí)期間補(bǔ)償效果欠佳，不會(huì)產(chǎn)生過電流和增大接地故障點(diǎn)電流，但需測(cè)量對(duì)地參數(shù)，受對(duì)地參數(shù)測(cè)量精度影響。

故本文綜合電壓法和電流法的優(yōu)勢(shì)，三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償采用電流抑制法，實(shí)現(xiàn)與接地故障電流補(bǔ)償?shù)钠椒€(wěn)切換；接地故障電流補(bǔ)償采用電壓補(bǔ)償法，省去對(duì)地參數(shù)測(cè)量環(huán)節(jié)，且在接地故障電流補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)抑制了三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電壓。此時(shí)，三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償涉及不對(duì)稱電流的測(cè)量或計(jì)算，本文提出利用電壓抑制法測(cè)量不對(duì)稱電流：系統(tǒng)正常運(yùn)行且三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱時(shí)，控制綜合補(bǔ)償裝置使中性點(diǎn)電壓為零，即采用電壓抑制法，并測(cè)量和保存此時(shí)裝置注入電流值，該值即為系統(tǒng)不對(duì)稱電流。

3.3 綜合補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)

本文提出SVG 中性點(diǎn)經(jīng)CHB 接地的新型四橋臂綜合補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)，三相橋臂用于功率補(bǔ)償和三相不平衡負(fù)荷補(bǔ)償，接地橋臂用于接地故障電流補(bǔ)償和三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償。每個(gè)橋臂的承受電壓為相電壓，較文獻(xiàn)[17]節(jié)省了投入元件，同等情況下，本文所提結(jié)構(gòu)需H 橋總數(shù)量約為文獻(xiàn)[17]所提結(jié)構(gòu)的77%。以電力電子開關(guān)耐壓1 700V，直流側(cè)電源電壓800V 為例，承受相電壓（峰值8 165V）時(shí)每個(gè)橋臂需要H 橋的數(shù)量為12 個(gè)，本文所提結(jié)構(gòu)需要總的H 橋數(shù)量為48 個(gè)；而承受線電壓（峰值14 142V）時(shí)每個(gè)橋臂需要H 橋的個(gè)數(shù)為21 個(gè)，文獻(xiàn)[17]所提結(jié)構(gòu)需要總的H 橋模塊個(gè)數(shù)為63 個(gè)，因此，本文所提結(jié)構(gòu)可節(jié)省H 橋個(gè)數(shù)為15 個(gè)，可有效減小裝置體積。且響應(yīng)速度較文獻(xiàn)[18]更快，文獻(xiàn)[18]接地橋臂采用消弧線圈，但受其元件特性影響，存在衰減分量，持續(xù)時(shí)間可達(dá)8 個(gè)工頻周波，因此本文所提綜合補(bǔ)償裝置的響應(yīng)速度相較于文獻(xiàn)[18]可提升0.16s。另外，在一套裝置上可同時(shí)實(shí)現(xiàn)有功功率、無功功率補(bǔ)償、三相不平衡負(fù)荷補(bǔ)償以及接地故障電流補(bǔ)償和三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償?shù)裙δ埽C合成本較低。為實(shí)現(xiàn)有功功率的補(bǔ)償，在級(jí)聯(lián)H 橋變流器的直流側(cè)電容兩端并接蓄電池儲(chǔ)能單元，為裝置提供有功功率支撐，并可拓展分布式儲(chǔ)能功能。

3.4 綜合補(bǔ)償?shù)目刂品椒?/h3>

控制系統(tǒng)及協(xié)同控制策略是綜合補(bǔ)償裝置能否實(shí)現(xiàn)注入多功能綜合補(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，總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 綜合補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Fig.2 Structure of control system of comprehensive compensation device

給定模塊包括電氣量采集、狀態(tài)檢測(cè)、故障選相和注入電流控制目標(biāo)值計(jì)算等子模塊，采集的電氣量包含配電網(wǎng)母線三相電壓、零序電壓（中性點(diǎn)電壓）、三相電流、補(bǔ)償裝置注入電流等。狀態(tài)檢測(cè)包含電網(wǎng)調(diào)度下發(fā)的有功功率和無功功率補(bǔ)償指令的獲取、三相負(fù)荷不平衡檢測(cè)、三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱檢測(cè)和單相接地故障檢測(cè)。注入電流控制目標(biāo)值計(jì)算子模塊對(duì)三相功率補(bǔ)償、三相不平衡負(fù)荷補(bǔ)償、接地故障電流補(bǔ)償及三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償?shù)裙δ艿慕o定控制目標(biāo)值進(jìn)行運(yùn)算，分別對(duì)應(yīng)文中的式（6）、式（10）、式（15）和式（18），經(jīng)dq0-abc 反變換得到綜合補(bǔ)償裝置三相橋臂需要輸出的三相補(bǔ)償電流給定值。三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償及接地故障電流補(bǔ)償目標(biāo)值作為綜合補(bǔ)償裝置接地橋臂的給定值。實(shí)時(shí)檢測(cè)的補(bǔ)償裝置注入電流和母線零序電壓作為控制器的反饋量?？刂颇K主要包含產(chǎn)生三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱和接地故障補(bǔ)償電流的電壓控制器、控制三相橋臂輸出補(bǔ)償電流的電流控制器以及控制單相橋臂輸出補(bǔ)償電流的電流控制器。調(diào)制模塊采用載波相移SPWM 調(diào)制法生成各開關(guān)管的狀態(tài)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)各H 橋單元模塊的開關(guān)元件，使級(jí)聯(lián)H 橋變流器兩端輸出所需的電壓波形[19-22]。

4 仿真分析

4.1 仿真建模

通過PSCAD/EMTDC 軟件進(jìn)行仿真分析，不對(duì)稱配電網(wǎng)模型如圖3 所示。配電線路參數(shù)選擇貝杰龍模型，具體參數(shù)見表1。

表1 線路參數(shù) Tab.1 Parameters of lines

圖3 含四橋臂H 橋變流器的不對(duì)稱配電網(wǎng)模型 Fig.3 Asymmetrical distribution network model with four-arm H-bridge converter

4.2 功率補(bǔ)償和三相不平衡負(fù)荷電流補(bǔ)償

在圖3 所示配電網(wǎng)的饋線7 增設(shè)三相不平衡負(fù)荷，功率補(bǔ)償目標(biāo)是有功功率 0.5MW，無功功率0.3Mvar。在0.6s 時(shí)刻投入綜合補(bǔ)償裝置進(jìn)行功率補(bǔ)償和三相不平衡負(fù)荷補(bǔ)償，補(bǔ)償結(jié)果如圖4 所示。由圖4a 可看出，補(bǔ)償裝置投入后，電源端有功功率和無功功率分別減少0.5MW 和0.3Mvar，減少的功率由補(bǔ)償裝置提供，驗(yàn)證了本文所述功率補(bǔ)償方法的有效性。裝置投入前，源端功率受三相不平衡負(fù)荷影響，存在二倍頻波動(dòng)，其中有功功率波動(dòng)的峰值為0.01MW，裝置投入后，源端功率二倍頻波動(dòng)被消除，其中有功功率波動(dòng)的峰值降為0.000 05MW，補(bǔ)償了波動(dòng)值的99.5%，補(bǔ)償效果明顯，對(duì)系統(tǒng)三相負(fù)荷的平衡有較大提升。由圖4b 可知，補(bǔ)償裝置投入前源端三相電流不平衡，補(bǔ)償裝置投入后，源端三相電流趨于平衡，驗(yàn)證了本文所述三相不平衡負(fù)荷補(bǔ)償方法的有效性。

圖4 功率和三相不平衡負(fù)荷補(bǔ)償效果 Fig.4 The effect of power and unbalanced load compensation

4.3 接地故障電流補(bǔ)償和三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償

在圖3 所示配電網(wǎng)的饋線8 增設(shè)一條三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱線路，配電線路不對(duì)稱度一般不超過3.5%[23]，通過饋線8 使系統(tǒng)中性點(diǎn)電壓不對(duì)稱度為3.0%。在母線處設(shè)置接地故障點(diǎn)，接地過渡電阻為100Ω。接地故障電流和三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償效果如圖5 所示，接地故障電流幅值由57.8A 降為 1.5A；中性點(diǎn)不對(duì)稱電壓幅值由 0.24kV 降為0.02kV，驗(yàn)證了所提方法的有效性。

圖5 接地故障電流和三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償效果 Fig.5 The compensation effect of ground fault current and parameter asymmetry current

4.4 綜合補(bǔ)償

4.4.1 三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流和接地故障電流補(bǔ)償?shù)那袚Q方法

在1.3s 時(shí)刻投入三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱補(bǔ)償，在1.5s 時(shí)刻母線處經(jīng)10Ω 電阻接地故障。圖6a 和圖6b 分別為三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱補(bǔ)償采用電壓抑制法和電流抑制法，并延時(shí)切換至接地故障電流補(bǔ)償 時(shí)的接地故障電流波形。由圖6 可知，三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱補(bǔ)償采用電壓抑制法在低阻接地故障時(shí)存在增大接地故障電流的風(fēng)險(xiǎn)，故障電流幅值由77.3A 增大至133.4A；但若采用電流抑制法則可避免此問題，故障電流幅值由77.3A 減小至77.1A。

圖6 三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱和接地故障電流補(bǔ)償切換方法 Fig.6 Switching method for parameter asymmetry and ground fault current compensation

4.4.2 綜合補(bǔ)償方法

為驗(yàn)證綜合補(bǔ)償方法的有效性，在圖3 所示配電網(wǎng)的母線處同時(shí)添加三相不平衡負(fù)荷和三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱線路，在0.6s 時(shí)刻投入綜合補(bǔ)償裝置的三相橋臂進(jìn)行有功功率、無功功率和三相不平衡負(fù)荷的補(bǔ)償；在1.0s 時(shí)刻再投入綜合補(bǔ)償裝置的接地橋臂進(jìn)行三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電壓（中性點(diǎn)偏移電壓）抑制；在1.3s 時(shí)刻設(shè)置母線處經(jīng)10 Ω電阻接地故障；在1.32s 時(shí)刻三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償切換至接地故障電流補(bǔ)償。綜合補(bǔ)償結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可知，在1.3s 時(shí)刻電源和裝置的輸出功率受接地故障影響，產(chǎn)生了一定的波動(dòng)，但在投入接地故障電流補(bǔ)償后迅速趨于穩(wěn)定，之后裝置可靠輸出給定綜合補(bǔ)償電流。因此，驗(yàn)證了所提綜合補(bǔ) 償方法可在一套綜合補(bǔ)償裝置上同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率補(bǔ)償、三相不平衡負(fù)荷補(bǔ)償和三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償以及接地故障電流補(bǔ)償?shù)裙δ?，且三相?duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償可平穩(wěn)切換至接地故障電流補(bǔ)償。

圖7 綜合補(bǔ)償效果 Fig.7 The effect of comprehensive compensation

4.4.3 綜合補(bǔ)償裝置

不同補(bǔ)償裝置的優(yōu)勢(shì)比較見表2。由表2 可知，本文所提綜合補(bǔ)償裝置相較于已有補(bǔ)償裝置兼具功能更為豐富、橋臂兩端承受電壓為相電壓以及故障抑制響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，具有更好的適應(yīng)性。

表2 不同補(bǔ)償裝置的優(yōu)勢(shì)比較 Tab.2 Comparison of advantages of different compensation devices

5 結(jié)論

針對(duì)配電網(wǎng)已有電力電子裝置功能單一和接地故障電流補(bǔ)償裝置僅在故障期間發(fā)揮作用，使用率低，以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度欠佳和承受電壓高等問題，提出集多功能于一體的新型綜合補(bǔ)償裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其綜合補(bǔ)償方法，并經(jīng)仿真驗(yàn)證了所提方法的有效性，得出結(jié)論如下：

1）以四橋臂級(jí)聯(lián)H 橋變流器作為綜合補(bǔ)償裝置，并通過分序解耦控制在一套綜合補(bǔ)償裝置上同時(shí)實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率補(bǔ)償、三相不平衡負(fù)荷補(bǔ)償和三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償以及接地故障電流補(bǔ)償?shù)裙δ?，將功率補(bǔ)償、三相不平衡負(fù)荷電流和三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流以及接地故障電流分別經(jīng)過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換至dq0 軸，并分別提取正序、負(fù)序分量和零序分量，實(shí)現(xiàn)各功能的解耦控制。

2）考慮各功能間的相互影響，提出了三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償和接地故障電流補(bǔ)償?shù)那袚Q方法，三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流補(bǔ)償采用電流抑制法，接地故障電流補(bǔ)償采用電壓補(bǔ)償法，避免了二者切換期間因延時(shí)而產(chǎn)生過電流的風(fēng)險(xiǎn)。

3）提出了無需測(cè)量對(duì)地參數(shù)的三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流的求取方法，在中性點(diǎn)不對(duì)稱電壓超過設(shè)定值時(shí)，控制綜合補(bǔ)償裝置接地橋臂使中性點(diǎn)不對(duì)稱電壓為零，同時(shí)測(cè)量接地橋臂電流，該電流即為三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱電流。

下一步將研發(fā)基于四橋臂級(jí)聯(lián)H 橋變流器的綜合補(bǔ)償裝置樣機(jī)，對(duì)本文提出的綜合補(bǔ)償方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。