計及等效負(fù)載變化的消弧逆變器性能分析與設(shè)計

趙國軍，陳坤燚，曾偉，李沁，代燦

計及等效負(fù)載變化的消弧逆變器性能分析與設(shè)計

趙國軍，陳坤燚，曾偉，李沁，代燦

(湖北民族大學(xué)，湖北 恩施 445000)

分析了消弧逆變器等效負(fù)載的性質(zhì)，結(jié)果表明：等效負(fù)載是有源負(fù)載，等效源具有較大的幅值和較寬的變化范圍；隨過渡電阻和故障距離的變化，等效負(fù)載阻抗可呈現(xiàn)阻性、阻感性和阻容性。這一結(jié)果表明逆變器需要在負(fù)載性質(zhì)改變和等效電源擾動的情況下，仍能穩(wěn)定跟蹤包含多頻次的給定電流。對抗擾性和跟蹤性要求的提高，增加了設(shè)計難度。鑒于此，提出了消弧逆變器輸出濾波器和控制器的設(shè)計方法。輸出濾波器采用濾波電容分流法進(jìn)行設(shè)計，保證了逆變器能輸出包含多頻次的電流。采用電容串聯(lián)電阻來抑制阻感負(fù)載情況下帶來的諧振失穩(wěn)問題，并給出了串聯(lián)電阻的計算方法。控制器采用了定帶寬設(shè)計法，帶寬選定在幅頻特性重合段?？刂破鲄?shù)設(shè)計準(zhǔn)則為：保證阻容負(fù)載情況下傳函幅頻特性低頻段具有較高增益。采用PSCAD/EMTDC仿真驗證了結(jié)論的正確性和所提設(shè)計方法的可行性。

配電網(wǎng)；單相接地故障；消弧逆變器；濾波電容分流法；定帶寬設(shè)計

0 引言

配電網(wǎng)故障多為單相接地故障，約占總故障的60%～80%[1-3]。為限制單相接地故障電流，我國配電網(wǎng)大量采用小電流接地方式(不接地或諧振接地)[4]。發(fā)生單相接地故障時，諧振接地方式可補(bǔ)償系統(tǒng)對地電容電流，減小故障點(diǎn)電流，促進(jìn)故障熄弧[5]。但隨著配電網(wǎng)中電力電子設(shè)備及電纜線路的大量應(yīng)用[6-7]，導(dǎo)致諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時故障點(diǎn)殘流較大(包括有功分量和諧波分量)，電弧難以熄滅[8-10]。

為此，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種消弧方法，可分為無源消弧法和有源消弧法兩類[11]。消弧線圈屬于無源消弧法，其原理是利用消弧線圈產(chǎn)生的感性電流來補(bǔ)償故障點(diǎn)的電容電流，以達(dá)到消弧目的[12-13]。消弧線圈只能補(bǔ)償電流的基波分量，對有功分量和諧波分量無能為力，消弧效果具有局限性[14]。有源消弧法以逆變器作為主要消弧裝置，來實現(xiàn)消弧[15]。按照控制對象的不同，可將其分為電流型和電壓型兩類。電流型有源消弧法通過控制接地故障點(diǎn)電流為零，促進(jìn)電弧熄滅。電壓型有源消弧法通過控制故障相電壓為零，以限制故障點(diǎn)恢復(fù)電壓，從而達(dá)到消弧的目的[16-17]。有源消弧法利用逆變器向配電網(wǎng)中性點(diǎn)注入電流(或調(diào)整電壓)實現(xiàn)消弧，逆變器控制技術(shù)是保障消弧性能的關(guān)鍵[18-23]。文獻(xiàn)[18]提出一種電壓電流雙閉環(huán)控制方法，無需測量配電網(wǎng)對地參數(shù)，逆變器就能向配電網(wǎng)中性點(diǎn)注入零序電流實現(xiàn)消弧，但不能較好地適應(yīng)過渡電阻變化情況。為此，文獻(xiàn)[19]提出一種反饋與串級校正有機(jī)結(jié)合的復(fù)合校正方案，降低了控制系統(tǒng)對該參數(shù)變化的敏感性，但該控制方法的可實施性較差，難以與實際裝置結(jié)合。文獻(xiàn)[20]提出了一種基于二次注入的配電網(wǎng)接地故障有源電壓消弧方法，采用準(zhǔn)PR閉環(huán)控制方式對逆變器輸出電流快速、精準(zhǔn)控制，但在高阻接地故障時消弧效果不佳。文獻(xiàn)[21]提出了一種基于零序?qū)Ъ{參數(shù)閉環(huán)控制的方法，能適用于不同過渡電阻變化情況。文獻(xiàn)[22-23]基于級聯(lián)H橋變流器經(jīng)電感和高壓開關(guān)掛接于配電網(wǎng)各相上，從母線處注入補(bǔ)償電流實現(xiàn)消弧，避免了消弧線圈的使用。從逆變器等效負(fù)載性質(zhì)來看，文獻(xiàn)[18-21]所提方法均為消弧逆變器計及消弧線圈條件下的控制方式，考慮過渡電阻改變時，逆變器等效負(fù)載阻抗只是在阻感性質(zhì)下變化。文獻(xiàn)[22-23]不考慮消弧線圈，其等效負(fù)載阻抗呈現(xiàn)阻容性性質(zhì)。上述消弧方法均采用忽略線路阻抗的簡化模型進(jìn)行分析，忽略了等效負(fù)載性質(zhì)隨故障情況變化的可能。若消弧逆變器等效負(fù)載性質(zhì)發(fā)生變化，消弧逆變器的性能會受到較大影響。另外，消弧逆變器不僅需要輸出不同頻次的諧波電流，還要防止電網(wǎng)基波源和諧波源對逆變器產(chǎn)生影響，這給逆變器輸出濾波器的設(shè)計提出了更高的要求，上述文獻(xiàn)在這方面的研究略顯不足。綜上所述，消弧逆變器在應(yīng)對負(fù)載性質(zhì)的變化、輸出濾波器的設(shè)計等方面還需進(jìn)一步研究。

本文分析了配電網(wǎng)在單相接地故障時，逆變器側(cè)等效負(fù)載、電網(wǎng)基波電壓以及諧波電流擾動對消弧逆變器的影響。分析表明，逆變器側(cè)的等效負(fù)載阻抗的性質(zhì)會隨配網(wǎng)故障特征的變化而改變，可能呈現(xiàn)出阻感性、阻性或阻容性。此外，其等效負(fù)載電源也會隨故障特征改變而改變，并具有較大變化范圍。所以，消弧逆變器應(yīng)在等效負(fù)載阻抗性質(zhì)變化和較大等效負(fù)載電源擾動下，具有較好的輸出性能；同時，還需具備輸出基波電流和低頻次諧波電流的能力。為此，本文針對逆變器負(fù)載阻抗性質(zhì)變化的問題，提出了一種PI控制器定帶寬設(shè)計方法，可使逆變器適應(yīng)于阻抗性質(zhì)變化。此外，為使逆變器按要求輸出低頻次諧波電流，提出了一種基于電容分流的濾波器設(shè)計方法。為解決較大等效負(fù)載電源擾動問題，分析表明：采用本文提出的控制參數(shù)設(shè)計方法計算的參數(shù)，能夠有效衰減擾動。通過仿真對結(jié)論的正確性和設(shè)計方法的可行性進(jìn)行了驗證。

1 消弧逆變器負(fù)載性質(zhì)分析

配網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，可通過逆變器向中性點(diǎn)注入電流來完成故障消弧，其原理如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)消弧示意圖

配電網(wǎng)零序電壓大于額定相電壓的15%時，判定為發(fā)生了單相接地故障，則啟動消弧裝置。首先利用故障選相程序選出接地相，再根據(jù)選相結(jié)果和配網(wǎng)零序阻抗計算注入電流值，最后通過控制逆變器向配電網(wǎng)中性點(diǎn)注入零序電流。具體消弧流程如圖2所示。

然而，消弧逆變器負(fù)載性質(zhì)與配電網(wǎng)單相接地故障距離以及過渡電阻大小有關(guān)，具有一定的隨機(jī)性，掌握負(fù)載性質(zhì)變化規(guī)律對消弧逆變器的設(shè)計非常重要。

圖1中，假設(shè)饋線L6發(fā)生單相(C相)接地故障。為分析消弧逆變器負(fù)載性質(zhì)，可根據(jù)對稱分量法建立單相接地故障復(fù)合序網(wǎng)，如圖3所示。

圖2 消弧流程圖

圖3 配電網(wǎng)單相接地故障復(fù)合序網(wǎng)圖

圖4 復(fù)合序網(wǎng)戴維南等效電路圖

Fig. 4 Thevenin equivalent circuit diagram of compound sequence network

假設(shè)配電網(wǎng)各阻抗參數(shù)按表1選取，故障距離系數(shù)在0～1范圍內(nèi)變化，過渡電阻在0～100W范圍內(nèi)變化，根據(jù)式(2)可得到等效負(fù)載阻抗的變化規(guī)律，如圖5所示；根據(jù)式(3)可得等效負(fù)載電壓的變化規(guī)律，如圖6所示。

表1 配電網(wǎng)阻抗

由圖5可知，逆變器負(fù)載阻抗實部(負(fù)載電阻)隨著過渡電阻的增大而增大，故障距離的變化對負(fù)載電阻的影響較小。逆變器負(fù)載阻抗虛部(負(fù)載電抗)隨著過渡電阻的增大而減小，故障距離也有所影響，過渡電阻和故障距離的變化會引起等效負(fù)載阻抗性質(zhì)的改變。由圖可知：故障距離為0時，過渡電阻小于6.3W時電抗為正值，反之為負(fù)值；故障距離為0.5時，過渡電阻小于27.2W時電抗為正值，反之為負(fù)值；故障距離為1時，過渡電阻小于37 Ω時電抗為正值，反之為負(fù)值?？梢?，逆變器負(fù)載的性質(zhì)會隨著過渡電阻和故障距離的不同而不同，在小過渡電阻情況下，近首端故障時，逆變器負(fù)載可表現(xiàn)為感性、阻性以及容性特征，而在大過渡電阻情況下，逆變器負(fù)載特征為阻容性。

圖5 逆變器負(fù)載阻抗變化曲線

由圖6可知，等效電壓隨過渡電阻的增大而減小，變化范圍較大，可達(dá)0.698 kV。隨故障距離的增大而略微增長。變化范圍在0.261 kV以內(nèi)?？梢?，影響該電壓變化的主要參數(shù)是過渡電阻。

綜上所述，消弧逆變器負(fù)載是有源負(fù)載，其性質(zhì)隨故障特征的變化而變化，具體結(jié)論如下：

1) 負(fù)載阻抗性質(zhì)可表現(xiàn)為阻感性、阻性以及阻容性。

2) 在過渡電阻較大情況下逆變器負(fù)載等效為阻容性；在過渡電阻較小的情況下，近端故障時，可能出現(xiàn)電阻性和阻感性的逆變器負(fù)載性質(zhì)。

3) 逆變器負(fù)載阻抗為有源支路，等效電壓的幅值較高，而且隨著過渡電阻的變化范圍較大。

2 消弧逆變器設(shè)計

根據(jù)上述分析和消弧的要求，可知消弧逆變器應(yīng)具備以下特征：(1) 能同時輸出基波電流和不同頻次(主要是3、5、7次)諧波電流[24-26]；(2) 電網(wǎng)故障具有隨機(jī)性，導(dǎo)致消弧逆變器負(fù)載性質(zhì)變化較大(可能為阻性、阻感性以及阻容性)，消弧逆變器應(yīng)能保證在各種負(fù)載情況下能準(zhǔn)確跟蹤給定電流；(3) 逆變器存在兩類擾動源(電網(wǎng)等效電壓源和各頻次諧波源)，在擾動源的影響下，逆變器應(yīng)能正常跟蹤給定電流。消弧逆變器的設(shè)計具有一定的特殊性，下面將具體討論。

2.1 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

圖7 消弧逆變器主電路圖

為了設(shè)計合適的參數(shù)，根據(jù)圖7可建立控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖8所示。

圖8 消弧逆變器控制框圖

為了分析方便，式(5)改寫為

2.2 LC濾波器設(shè)計

圖9 逆變器輸出側(cè)濾波器等效電路

由此可得濾波電容為

綜上所述，逆變器輸出濾波器的設(shè)計可根據(jù)濾波電容分流原理計算濾波電容，根據(jù)諧振峰值來確定濾波電感。

2.3 控制器參數(shù)整定

1) 幅頻特性分析

表2 逆變器參數(shù)

圖10 不同負(fù)載下G2伯德圖

由圖10可見，負(fù)載阻抗幅值和性質(zhì)的變化均會引起幅頻特性的改變。在阻性和阻感性負(fù)載情況下，低頻段具有正增益，而在阻容性負(fù)載情況下，低頻段具有負(fù)增益。負(fù)載電容越小，低頻段增益越低。所以，設(shè)計控制器時應(yīng)主要考慮提高容性負(fù)載情況下的低頻段增益。

開環(huán)傳遞函數(shù)截止頻率隨負(fù)載性質(zhì)和阻值的變化而改變。然而，由圖10還可以發(fā)現(xiàn)，在100 Hz～3 kHz頻段內(nèi)，負(fù)載變化時幅頻特性曲線重合，即截止頻率若在這一頻段內(nèi)，截止頻率將不受負(fù)載變化的影響。因此，本文在校正時將截止頻率設(shè)定為2 kHz。

圖11 阻感性負(fù)載情況下的G2伯德圖

2) PI控制器參數(shù)整定

要實現(xiàn)逆變器能輸出基波和諧波以及能適應(yīng)不同性質(zhì)負(fù)載的需求，設(shè)計時應(yīng)按照容性負(fù)載的最小電容設(shè)計低頻段增益，并將截止頻率校正到2 kHz。本文采用PI控制器進(jìn)行校正。

圖12 不同負(fù)載下G2校正后伯德圖

由圖12可知，在阻容性負(fù)載情況下，幅頻特性低頻段增益被抬高到0以上，能夠滿足要求；在阻性、阻感性以及阻容性負(fù)載情況下，截止頻率均保持在2 kHz，能夠滿足輸出7次諧波的要求；在各種負(fù)載情況下，相角裕度均在45°附近，滿足穩(wěn)定性要求。系統(tǒng)帶寬與截止頻率大小有關(guān)，由圖12可知，該系統(tǒng)帶寬足夠，具有較好的輸出跟隨輸入指令的能力。

3) 抗擾動能力分析

由圖13(a)可知，逆變器等效基波電壓擾動均能得到有效抑制，在各種負(fù)載情況下都具有較好的抗擾動性能。由圖13(b)可知，逆變器諧波電流擾動在阻性、阻容性以及阻感性負(fù)載條件下，系統(tǒng)側(cè)諧波電流擾動在9 kHz以下頻段均可得到抑制。而在9 kHz以上頻段，僅有阻感性負(fù)載不能抑制系統(tǒng)側(cè)諧波電流的擾動。在電力系統(tǒng)中，9 kHz以上的諧波一般含量很低，對逆變器輸出電流產(chǎn)生的影響可忽略不計。因此，圖13(b)所示的抗擾動能力可以滿足要求。

3 仿真分析

通過PSCAD/EMTDC仿真軟件建立如圖1所示的配電網(wǎng)模型及消弧逆變器模型。配電網(wǎng)參數(shù)：電源電壓為35 kV，阻抗為0.512 + j2.3267W；主變壓器繞組采用△/Y連接，變比為35 kV/10 kV，容量為30 MVA，正序漏抗為0.04 p.u.，空載損耗為0.001 92 p.u.；負(fù)載端采用降壓變壓器與負(fù)載連接，降壓變壓器變比為10 kV/0.4 kV。其中，配電網(wǎng)線路參數(shù)按表3選取，逆變器參數(shù)按表2選取。

表3 配電網(wǎng)線路阻抗參數(shù)

1) 不同性質(zhì)負(fù)載情況下，逆變器電流輸出能力

配電網(wǎng)饋線末端發(fā)生單相接地故障，假設(shè)0.02～0.06 s過渡電阻為0.01 Ω，此時等效逆變器負(fù)載為阻感性；0.08～0.12 s過渡電阻為37 Ω，此時等效逆變器負(fù)載為阻性；0.14～0.2 s過渡電阻為100 Ω，此時等效逆變器負(fù)載為阻容性。逆變器電流輸出情況如圖14所示。

圖14 逆變器在不同性質(zhì)負(fù)載下電流輸出情況

由圖14可知，逆變器在不同性質(zhì)負(fù)載下，其輸出電流可以穩(wěn)定跟隨給定參考電流。逆變器輸出電流跟隨誤差分析如表4所示。表4中，注入電流給定參考值(有效值)設(shè)定為0.436 99 kA。由表4可知，逆變器實際輸出電流值(有效值)較給定參考值而言，誤差較小。逆變器可以應(yīng)對負(fù)載性質(zhì)的變化。

表4 基波電流跟隨情況

2) 逆變器輸出不同頻次諧波電流能力

配電網(wǎng)饋線末端發(fā)生單相接地故障時，逆變器同時輸出1、3、5、7次諧波電流情況如圖15所示。(仿真參數(shù)條件設(shè)定與前面一致)

圖15 逆變器在不同性質(zhì)負(fù)載下諧波電流輸出情況

由圖15可知，逆變器在不同性質(zhì)負(fù)載下，能夠同時輸出1、3、5、7次諧波電流。輸出電流可以穩(wěn)定跟隨給定參考電流。輸出電流誤差情況見表5。

表5中，注入電流給定參考值(有效值)為：基波電流0.436 99 kA，3次諧波電流0.021 21 kA，5次諧波電流0.014 14 kA，7次諧波電流0.007 07 kA。

由表5可知，逆變器實際輸出電流值較給定參考值而言，誤差較小，能夠在負(fù)載的性質(zhì)變化時，穩(wěn)定輸出不同頻次諧波電流。

表5 逆變器電流輸出情況

4 結(jié)論

本文對計及等效負(fù)載變化的消弧逆變器性能分析與設(shè)計進(jìn)行了深入的研究，結(jié)論如下：

1) 逆變器應(yīng)用于配電網(wǎng)故障消弧時，其等效負(fù)載為有源負(fù)載。該負(fù)載的等效源具有較大的幅值和較寬的變化范圍，隨過渡電阻和故障距離的變化，具有阻性、阻感性以及阻容性性質(zhì)。

2) 提出了一種濾波器濾波電容分流的設(shè)計方法，該方法能保證逆變器同時輸出的基波電流和低頻次諧波電流不被抑制。

3) 提出了一種PI控制器定帶寬設(shè)計方法，該方法可使逆變器在阻性、阻感性以及阻容性負(fù)載性質(zhì)的變化下和負(fù)載等效電源擾動影響下，能夠穩(wěn)定跟蹤給定電流。

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Performance analysis and design of an arc suppression inverter considering equivalent load change

ZHAO Guojun, CHEN Kunyi, ZENG Wei, LI Qin, DAI Can

(Hubei Minzu University, Enshi 445000, China)

The characteristics of the equivalent load of an arc suppression inverter are analyzed. The results show that the equivalent load is active load and the equivalent source has large amplitude and a wide range of variation. With the change of transition resistance and fault distance, the equivalent load impedance can show resistance, resistance inductance and resistance capacitance. This result shows that the inverter needs to be able to track the given current containing multiple frequencies stably under the condition of load property change and equivalent power disturbance. The improvement of anti-interference and tracking requirements increases the design difficulty. In view of this, the design method of output filter and controller for an arc-suppression inverter is proposed. The output filter is designed by the filter capacitor shunt method to ensure that the inverter can output current containing multiple frequencies. Capacitor series resistance is used to suppress the resonance instability problem caused by resistance-inductance load, and the calculation method of series resistance is given. The controller adopts the fixed bandwidth design method, and the bandwidth is selected in the amplitude-frequency characteristic overlap section. The design criterion of controller parameters is to ensure that the amplitude frequency characteristic of the transfer function has high gain in the low frequency band in the condition of resistance capacitance load. The correctness of the conclusion and the feasibility of the proposed design method are verified by PSCAD/EMTDC simulation.

distribution network; single-phase grounding fault; arc suppression inverter; filter capacitor shunt method; fixed bandwidth design

10.19783/j.cnki.pspc.220307

國家自然科學(xué)基金項目資助(61963014)；湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計劃指導(dǎo)性項目資助(B2019092)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 61963014).

2022-03-10；

2022-07-13

趙國軍(1994—)，男，碩士，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)；E-mail: 546819054@qq.com

陳坤燚(1985—)，男，通信作者，博士，講師，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)；E-mail: ky0304528@163.com

曾 偉(1995—)，男，碩士，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。E-mail: 563624010@qq.com

(編輯 魏小麗)