CHB 直流側(cè)免供電在配電網(wǎng)接地故障電流柔性調(diào)控分配中的方法研究

周 荃

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司丹陽市供電分公司，江蘇 丹陽 212300）

配電網(wǎng)中，大部分故障為單相接地，其引發(fā)的電弧威脅著配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行以及周邊人員的生命和財產(chǎn)安全。為提高供電可靠性，故障電流調(diào)控技術(shù)被廣泛運用，其中基于無源和有源消弧裝置的技術(shù)被視為降低弧光接地故障潛在風(fēng)險的有效途徑。傳統(tǒng)的無源調(diào)控裝置通常利用消弧線圈來補(bǔ)償對地電容電流，然而卻存在調(diào)節(jié)困難和響應(yīng)滯后等問題。與此相對，基于柔性裝置的有源調(diào)控技術(shù)由于設(shè)備易控制、響應(yīng)迅速和能夠?qū)崿F(xiàn)故障電流全補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點，受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[1]。然而，現(xiàn)有的柔性調(diào)控裝置存在元件數(shù)量多且耐壓要求高的問題，且直流側(cè)電容供電困難，安裝受限等限制因素。針對這些挑戰(zhàn)，本文提出了一種基于CHB 變流器的兩相柔性調(diào)控裝置，通過特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制策略，有效解決了直流側(cè)電容供電問題，同時簡化了裝置結(jié)構(gòu)，提高了其適用性和可操作性。

1 電網(wǎng)接地故障電流與CHB 直流側(cè)電壓控制分析

本文使用了一個簡化模型（如圖1 所示），涉及到配電網(wǎng)和直流側(cè)免供電的兩相柔性調(diào)控裝置。直流側(cè)免供電的兩相柔性調(diào)控裝置具有2 個CHB 橋臂，一端連接到配電網(wǎng)兩相線，另一端則短接到橋臂的中點，并通過分壓電感連接到地。假設(shè)該裝置連接到配電網(wǎng)的B 相和C 相線，并且假設(shè)配電網(wǎng)的三相對地參數(shù)是對稱的，IBZ、ICZ為2 個CHB 橋臂向配電網(wǎng)注入的接地故障調(diào)控電流，EA、EB、EC為配電網(wǎng)的三相電源電壓，L為限流（分壓）電感，LSE為連接電感，K 為裝置并網(wǎng)開關(guān)，K1、K2、K3為限流電感旁路、限流、接地等開關(guān)，RF為故障電阻，當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，存在等效零序通路[2]。這個模型用于描述系統(tǒng)的運行和電流流動，有助于分析和控制電力系統(tǒng)中的接地故障，如圖2所示為系統(tǒng)簡化模型。

圖2 系統(tǒng)簡化模型

1.1 裝置軟并網(wǎng)與CHB 直流側(cè)電容充電方法

在裝置直接并網(wǎng)時，存在一些不利的現(xiàn)象，如電壓急劇上升和電流激增，這可能會導(dǎo)致開關(guān)元件的損壞并危及供電安全；因此，采取軟并網(wǎng)措施對于保護(hù)裝置和確保系統(tǒng)安全是必要的。具體來說，在直流側(cè)免供電的兩相柔性調(diào)控裝置并網(wǎng)時，開關(guān)K1和K3被斷開，而K2被閉合，這使得2 個并網(wǎng)的H 橋子模塊串聯(lián)在一起。在這種情況下，各H 橋子模塊都被鎖定，絕緣柵雙極晶體管（IGBT）主要和單向?qū)ǖ碾娏ΧO管具有相似的作用，并且充電的回路也轉(zhuǎn)移成為了不可控整流電路。

CHB（H 橋型逆變器）的直流側(cè)電容充電過程可以分為2 個階段：自然充電階段和控制充電階段。在將免供電的兩相柔性調(diào)控裝置（CHB）并網(wǎng)到直流側(cè)時，首先鎖定CHB 的IGBT，使其進(jìn)入自然充電階段。在這一階段，CHB 的直流側(cè)電容會自動進(jìn)行充電。這個過程導(dǎo)致單相CHB 的直流側(cè)電壓逐漸增加，直至達(dá)到配電網(wǎng)線電壓峰值的0.5 倍。當(dāng)直流側(cè)電壓達(dá)到這個閾值時，充電過程會停止，同時充電電流會下降至電流峰值的0.25 倍水平。這個轉(zhuǎn)變標(biāo)志著自然充電階段的結(jié)束。在這個階段中，CHB 的直流側(cè)電容被逐步充電，從而使得裝置準(zhǔn)備好進(jìn)入下一個工作階段。這種自然充電的過程是為了確保CHB 能夠平穩(wěn)地融入系統(tǒng)運行，同時避免在電網(wǎng)并網(wǎng)過程中產(chǎn)生突然的電壓或電流沖擊。這個階段的目的是確保CHB 與電網(wǎng)平穩(wěn)連接，并準(zhǔn)備好進(jìn)入正常工作狀態(tài)。然而，在這個階段，CHB 的直流側(cè)電壓仍然不足以支撐可靠的接地故障調(diào)控；因此須解除IGBT 鎖定及進(jìn)行調(diào)制，確保充電回路的充電電流，從而提升CHB 的直流側(cè)電容電壓至目標(biāo)值，此為控制充電階段。在控制充電階段，采用了“電壓電流同相位”的原則來有效提高CHB 直流電容的充電效率。

1.2 接地故障調(diào)控總電流計算

在考慮配電網(wǎng)A 相發(fā)生單相接地故障的情況下，假設(shè)配電網(wǎng)的三相對地參數(shù)近似對稱。在這種情況下，兩相柔性調(diào)控裝置（CHB）的直流側(cè)電容已經(jīng)充電完成，并且直流側(cè)電壓保持穩(wěn)定。這意味著盡管電網(wǎng)出現(xiàn)了故障，但因為假設(shè)電網(wǎng)的對地參數(shù)近似對稱，CHB 的直流側(cè)電壓并不會受到明顯的影響，這樣的電壓穩(wěn)定性保證了CHB 的正常運行。雖然A 相故障導(dǎo)致電網(wǎng)不對稱，但由于假設(shè)電網(wǎng)的對地參數(shù)近似對稱，其他兩相不會受到顯著影響。在這種情況下，CHB 的直流側(cè)電壓保持恒定，不會受到接地故障的干擾，這保證了CHB 的正常運行。此時，開關(guān)K、K3、K1閉合，而K2斷開，直流側(cè)免供電的兩相柔性調(diào)控裝置開始對單相接地故障電流進(jìn)行調(diào)控。

若直流側(cè)免供電的兩相柔性調(diào)控裝置向配電網(wǎng)注入接地故障調(diào)控總電流為iZ,REF，根據(jù)基爾霍夫電流定律可知：

式中：UA、UB、UC為配電網(wǎng)三相線路的相電壓，V；U0為中性點的零序電壓；IF為故障電流，A；RO、CO為單相等效對地電阻和對地電容。

如果直流側(cè)免供電的兩相柔性調(diào)控裝置對單相接地故障電流的有功和無功量進(jìn)行全補(bǔ)償，這意味著裝置會提供與接地故障電流相等但相反方向的有功和無功電流，以抵消故障電流的影響，從而保持系統(tǒng)的功率平衡。這種全補(bǔ)償?shù)牟僮饔兄诰S持系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性和防止電壓崩潰，確保電力系統(tǒng)的正常運行。這種補(bǔ)償操作通常通過調(diào)整裝置的控制策略和參數(shù)來實現(xiàn)，以確保對故障電流進(jìn)行完全的抵消，則IF=0 ，U0=-EA，則有：

綜上，接地故障調(diào)控總電流的參考值iZ,REF：

式中：eA為故障相（A 相）電源電壓瞬時值，V；uo為零序電壓瞬時值；t為電壓電流調(diào)控時間，s。

1.3 接地故障調(diào)控總電流在兩相CHB 間的分配方法

根據(jù)功率計算式可以得知，當(dāng)電流與電壓的相位差為90°時，元件不會產(chǎn)生有功損耗。因此，為了實現(xiàn)故障電流的全補(bǔ)償調(diào)控，每個相位的柔性調(diào)控裝置需要將電流超前或滯后90°與相應(yīng)的輸出電壓，而且2 個相位的柔性調(diào)控裝置注入到配電網(wǎng)的總電流應(yīng)為iZ,REF。這是保持柔性調(diào)控裝置的直流電壓恒定的前提。

下面來分析iZ,REF在B 相和C 相柔性調(diào)控裝置之間的分配方法，以及計算B 相和C 相柔性調(diào)控裝置的參考電流值iZ,REF和iZV,REF。

通過將2 個相位的共用端連接到地相，使用分壓電感作為裝置的一部分，實現(xiàn)了電路的擴(kuò)展。這種配置可以有效地分離電路中的不同相位，并在電路中引入分壓電感，以降低電流和電壓的幅度，從而實現(xiàn)更好的電路性能和穩(wěn)定性，這樣在進(jìn)行故障全補(bǔ)償調(diào)控時，可以得到U=Uo，其中U是分壓電感對地的電壓。根據(jù)這個假設(shè)，可以得到以下公式：

式中：UBH、UCH為兩并網(wǎng)CHB 的輸出電壓，V；UL為線電壓，V。

為使裝置的直流側(cè)電壓保持恒定，若稱以iZ,REF、iZB,REF、iZV,REF為邊構(gòu)成的藍(lán)底圖形為“調(diào)控三角形”，則內(nèi)角關(guān)系為：

式中：θBH為UBH的相位；θCH為UCH的相位；θZ為IZ,REF的相位。

綜上，配電網(wǎng)任意相發(fā)生單相接地故障時，有：

1.4 接地故障調(diào)控與CHB 直流側(cè)電壓平衡協(xié)同控制

為了在故障調(diào)控期階段可以有效地保持調(diào)控裝置電壓恒定，必須保證CHB 注入電流與該相CHB輸出的電壓之間存在90°的相位差。同時注入總電流接近參考電流iZ,REF。在采取電壓電流垂直控制過程中會產(chǎn)生開關(guān)的損耗，此時可能會引起CHB 直流側(cè)電壓降低，由此則要增加直流電壓的擾動補(bǔ)償電流以保持電壓的穩(wěn)定。

具體而言，須要計算B 相CHB 的理論參考電流iZB,REF，以B 相為基準(zhǔn)。然后，通過調(diào)整直流側(cè)的電流設(shè)定值（izdc），可以及時平衡故障調(diào)控電流計算偏差以及由于開關(guān)損耗等因素引起的CHB 直流側(cè)電壓擾動。這種操作的主要優(yōu)勢在于，在增加izdc之后，仍然可以確保兩相CHB 輸出的總電流以iZ,REF為參考，不會對整體的調(diào)控效果產(chǎn)生不利影響。這意味著即使存在電壓擾動或其他因素，系統(tǒng)仍然能夠維持穩(wěn)定的電流輸出，從而提高了電力系統(tǒng)的可靠性和性能。這種調(diào)整操作對于電力系統(tǒng)的正常運行至關(guān)重要，因為它有助于應(yīng)對故障情況和其他電路問題，確保電力傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可控性。通過及時調(diào)整izdc，可以有效地減小系統(tǒng)中的不穩(wěn)定性，確保電流輸出在預(yù)定值附近波動，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)能力和魯棒性，這對于電力系統(tǒng)的可維護(hù)性和可管理性非常重要。

2 控制器設(shè)計

研究控制對象是接地故障調(diào)控電流和CHB 的直流側(cè)電壓，控制結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 控制結(jié)構(gòu)圖

為了有效控制直流側(cè)免供電兩相柔性調(diào)控裝置，選擇合適的參數(shù)和開關(guān)至關(guān)重要： ΣUBdci為B 相CHB 直流側(cè)的實際電壓值， ΣUCdci為C 相CHB 直流側(cè)的實際電壓值，Uac,REF為單個H 橋子模塊直流側(cè)電壓參考值。在充電時，將開關(guān)SB 和SC 置于端子1，根據(jù)“電壓電流同相位”原則計算B 相和C相的充電電流。充電結(jié)束后，將開關(guān)SB 和SC 置于端子2，通過比例積分微分控制器，維持CHB 直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后，將開關(guān)SB 和SC 置于端子3。首先，使用二階廣義積分器鎖相環(huán)（SOGI-PLL）鎖定故障相電壓eA。然后，計算參考電流信號，用于控制CHB 向配電網(wǎng)注入接地故障調(diào)控電流。這確保了在不同的工作模式下，參考電流可以正確地控制CHB 的操作，以實現(xiàn)接地故障調(diào)控和電壓穩(wěn)定的協(xié)同控制。

3 驗證分析

3.1 仿真驗證

為驗證方法可行性和有效性，建立仿真模型，以此模擬故障，線路參數(shù)如表1 所示。

表1 線路參數(shù)

為驗證研究方法的有效性，進(jìn)行仿真實驗。實驗考慮了不同的并網(wǎng)方式和時刻，以及在單相接地故障情況下的控制效果。此次提出的方法在不同的并網(wǎng)情況下均能有效控制直流側(cè)電容的充電過程，確保其達(dá)到所需的水平。同時，通過協(xié)同控制策略，裝置能夠迅速響應(yīng)接地故障，進(jìn)行有功和無功電流的全補(bǔ)償，并保持CHB 直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性。調(diào)控的效果如表2 所示。

表2 調(diào)控效果對比

綜上驗證，本研究可以實現(xiàn)以下關(guān)鍵功能。

軟并網(wǎng)：裝置能夠平穩(wěn)地與供電系統(tǒng)并網(wǎng)，避免了電壓突升和電流激增，降低了裝置損壞和供電安全風(fēng)險[3]。

CHB 直流側(cè)電容充電：通過控制電流的方式，有效地將CHB 直流側(cè)電容充電至所需水平，確保了裝置的正常運行。

接地故障調(diào)控：裝置能夠迅速響應(yīng)單相接地故障，并進(jìn)行有功和無功電流的全補(bǔ)償，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

CHB 直流側(cè)電壓平衡協(xié)同控制：采用協(xié)同控制策略，確保CHB 直流側(cè)電壓在操作中保持恒定，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

此外，本文還驗證了該裝置具備低耐壓要求和適應(yīng)多種故障工況的優(yōu)勢。這些成果將有助于提高電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，減少故障損失，并推動電力系統(tǒng)向更可持續(xù)的方向發(fā)展。

4 結(jié)束語

本次研究分析了柔性消弧裝置，解決了供電、拓?fù)浜桶惭b難題，柔性消弧裝置設(shè)計，采用兩相CHB 橋臂和分壓電感，裝置能夠使電流與輸出電壓垂直，無須額外直流供電，實現(xiàn)對配電網(wǎng)單相接地故障電流的全補(bǔ)償[4]。采用軟并網(wǎng)和“電壓電流同相位”原則，實現(xiàn)了長期穩(wěn)定的電流調(diào)控，提高了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此辦法可以改善供電系統(tǒng)的性能，提高可靠性，降低維護(hù)成本，以及促進(jìn)電力系統(tǒng)的可持續(xù)性[5]。