基于三相级联H桥变流器的配电网接地故障分相柔性消弧方法

郭谋发　游建章　张伟骏　杨耿杰　缪希仁

(福州大学电气工程与自动化学院　福州　350116)



基于三相级联H桥变流器的配电网接地故障分相柔性消弧方法

郭谋发游建章张伟骏杨耿杰缪希仁

(福州大学电气工程与自动化学院福州350116)

中性点非有效接地配电网长期存在单相接地故障消弧难题，传统柔性消弧方法利用实时检测的电源电压计算注入补偿电流值，通过控制连接于配电网中性点的单个有源逆变器实现消弧，已有方法需进行故障选相并且逆变器需通过Z型变压器及升压变接入配电网。提出基于三相级联H桥变流器的配电网接地故障分相柔性消弧新方法，三相级联H桥变流器通过连接电感直接挂接在各相线，发生接地故障时，利用实时检测的相电压计算注入补偿电流值，分相控制级联H桥变流器注入补偿电流，控制故障点电压为零，实现接地故障消弧。仿真结果表明该方法可灵活、有效地补偿接地故障电流，抑制接地故障电弧重燃。且采用单相或三相级联H桥变流器进行故障消弧时，不需要进行故障选相。

配电网单相接地故障分相柔性消弧级联H桥变流器

0　引言

随着配电网的不断扩大及电力电缆的大量使用，单相接地故障电流剧增，电弧难于自行熄灭，若不能得到有效抑制，易发展成永久性单相接地故障，且可能引起超过3倍相电压的系统过电压，导致健全相绝缘薄弱环节击穿，造成相间短路。

影响接地故障消弧的主要因素有：接地故障电流大小和间歇性电弧过电压(包括故障相恢复电压的初速度、恢复时间与恢复电压幅值)[1]。因此配电网接地故障消弧方法可分为电流消弧法和电压消弧法。电压消弧法通过控制故障相恢复电压，使故障相恢复电压为零。传统的“消弧柜”应用电压消弧原理，采用断路器短路接地故障相，钳制故障相电压的方法，阻止故障电弧重燃。电流消弧法采用抑制接地故障残流，减小介质损伤和故障相恢复电压的上升速度的方法，促进故障消弧[2]。消弧线圈因其具有有效补偿故障电容电流，促使电弧快速熄灭的优点，在配电网中得到广泛应用。但是随着配电网中非线性负荷的大量增加和电力电子设备的大量使用，接地故障电流中的谐波及有功分量随之大幅增加[3-5]。而消弧线圈只能补偿接地故障电流的无功分量且其本身的有功损耗增大了接地故障电流的有功分量，另外其调整困难，操作繁琐，脱谐度测量困难，调谐不当易产生谐振过电压。因此国内外学者对接地故障电流的补偿展开了深入的研究。文献[3]提出一种基于变压器和电力电子装置的新型消弧线圈，通过控制变压器二次负载，可以改变变压器一次侧的等效输入阻抗，从而达到调节电抗的目的。文献[6-8]提出一种新型的高短路阻抗变压器式消弧线圈，其一、二次绕组间的短路阻抗很大，二次绕组用晶闸管短接，通过调节晶闸管的导通角调节二次绕组中的短路电流，从而实现电抗值的可控调节。文献[9]提出了一种主从式二次侧调感的零残流消弧线圈，自动调匝式消弧线圈作为主消弧余电线圈，从消弧线圈通过单相电压源式逆变器采用PWM控制技术生成补偿电流，作为主调匝式消弧线圈的补充。文献[10]将传统的接地变压器和消弧线圈合成一个整体，研制了三相五柱式消弧线圈，采用可控硅调节二次电感电流的方法，实现配电网对地电容电流的自动跟踪补偿。文献[2，11，12]提出基于零序电压柔性控制的配电网接地故障消弧与保护新原理，在配电网发生接地故障的初始时刻，通过脉宽调制有源逆变器注入零序电流补偿接地故障电流，实现对零序电压控制，达到瞬时故障消弧。文献[13]提出能适应线路结构动态变化的有源消弧算法，故障发生后，注入电流并测量母线零序电压，计算接地电阻，接地电阻较大时，控制故障相电压为零，接地电阻较小时，控制故障点电流为零[7]。

文献[2，13]利用电源电压计算注入补偿电流值，采用开环控制，实现简单，在故障消弧前都需进行故障选相，故障选相错误将造成接地故障电流增大，不仅无法实现故障消弧，还增加了电弧重燃的机率。为此，考虑注入电流对零序电压的影响，提出采用实时检测相电压计算注入电流值的方法，用母线三相电压或零序电压计算注入电流，该方法无需故障选相。

已有柔性消弧方法多采用单个逆变器单元作为消弧线圈的补充装置，需要升压变压器经Z型变压器接入配电网，且其存在输出电平数较少、开关频率较低、谐波含量高、输出容量有限和直流侧电容取源困难等问题[14-17]。故在借鉴配电网静止无功补偿器(SVG)的技术思路基础上，提出基于三相级联H桥变流器的配电网接地故障分相柔性消弧新方法[18-21]。通过控制三相级联H桥变流器分相(单相、两相或三相)向配电网注入电流，补偿接地故障电流，抑制故障相电压为零，实现瞬时电弧故障的100%消弧。若仅用于故障消弧，相对于传统消弧方法，所提的消弧方法成本较高；但通过切换控制系统及其控制策略等软件调整方式，基于该方法的硬件装置还可实现配电网无功补偿与谐波抑制、三相电压不平衡及过电压抑制等功能，综合成本可在合理范围内。另外，对于可靠性，采用全电力电子器件的柔性消弧方法需要采取措施解决耐压及保护等方面的问题。如：当级联H桥变流器的某个基本单元故障时，可通过将该单元短接而使其退出工作，其他单元仍能正常工作，以提高其可靠性。

1　配电网接地故障分相柔性消弧原理

1.1经三相级联H桥变流器接地的配电网

三相级联H桥变流器每相均由多个单相H桥电压源型变流器串联得到，三相星形联结，中性点采用直接接地的方式，使得各相级联H桥变流器独立运行。其经连接电感直接挂接于配电线路，如图1所示，EA、 EB、 EC分别为配电网A、B、C三相电源电压，UA、 UB、 UC分别为三相相电压，U0为中性点电压，rA、 rB、 rC分别为三相对地泄漏电阻，CA、 CB、 CC分别为三相对地等效电容，Rf为接地故障过渡电阻，IZ为变流器注入的总电流，IAz、 IBz、 ICz分别为三相变流器注入的电流，IA∑、 IB∑、 IC∑分别为三相对地电流，If为接地点故障电流，L为连接电感，S为三相高压开关。配电网的1段母线一般有多条出线，但可通过等效变换为图1所示的简单配电网结构。图2为其等效电路图，各电流方向以流入大地(即节点D)为正，流出为负。假设，A相发生接地故障，Uf为故障相电压。控制三相级联H桥变流器向配电网分相注入电流，改变该注入电流的大小和方向可抑制故障相电压，破坏电弧重燃条件，实现接地故障消弧。

图1　经三相级联H桥变流器接地的配电网Fig.1　Distribution networks with three-phase cascaded H-bridge converter grounding

图2　经三相级联H桥变流器接地的配电网 单相接地等效电路图Fig.2　Equivalent circuit of single phase to ground fault for distribution networks with three-phase cascaded H-bridge converter grounding

1.2利用电源电压计算注入补偿电流

1.2.1投入单相级联H桥变流器

对在图2的节点D列写KCL方程，得

(IAΣ+IBΣ+ICΣ)-(IAz+IBz+ICz)=0

(1)

将电压和网络参数代入式(1)，得

(2)

且设EA+EB+EC=0， C0A=C0B=C0C=C0， rA=rB=rC=r0， 则式(2)可整理为

(3)

又故障相电压UA=U0+EA， 则

U0=UA-EA

(4)

将式(4)代入式(3)整理得

(5)

若注入补偿电流值取

(6)

则式(5)的右边为零，左边的故障相电压UA被限制为零。该方法通过抑制故障相恢复电压实现消弧，可归为电压消弧法。

1.2.2投入两相级联H桥变流器

将式(4)代入式(2)得注入补偿电流为

(7)

若使故障相电压UA=0， 则注入补偿电流须为

(8)

此时非故障相注入电流分别为

(9)

因此，若非故障相注入由式(9)算得的补偿电流，则故障相电压将被抑制为零。

1.2.3投入三相级联H桥变流器

投入三相级联H桥变流器时，故障相注入的补偿电流为零，其理论分析和投入两相级联H桥变流器时相同，故不再赘述。

1.2.4错选故障相对利用电源电压计算注入补偿电流消弧方法的影响

假设配电网发生A相接地故障，若故障相误选为B相，则投入单相和两相级联H桥变流器时计算得到的总注入电流都为

(10)

将式(10)代入式(5)，整理得

(11)

在没有注入补偿电流的情况下，由式(5)可知

(12)

1.3利用相电压计算注入补偿电流

1.3.1投入单相级联H桥变流器

将UA=(U0+EA)代入式(3)，得

(13)

整理得

(14)

若取单相级联H桥变流器的注入电流为

(15)

则由式(14)可知，故障相电压UA被限制为零，接地点故障电流If也被限制为零。

1.3.2投入两相级联H桥变流器

因为

Ui=U0+Eii=A,B,C

(16)

设C0A=C0B=C0C=C0， rA=rB=rC=r0。

代入式(2)，整理得

(17)

进一步整理式(17)可得

(18)

若取非故障相注入电流分别为

(19)

则式(18)中的故障相电压UA被限制为零，抑制了电弧的重燃。

1.3.3投入三相级联H桥变流器

式(17)中，若取三相级联H桥变流器的注入电流分别为

(20)

则式(17)中的故障相电压UA被限制为零，接地点故障电流If也被限制为零。

1.3.4错选故障相对利用相电压计算注入补偿电流消弧方法的影响

假设A相接地，实际错选为B相，投入两相级联H桥变流器时，非故障相注入总电流值为

(21)

将式(21)代入式(5)得

(22)

将式(16)代入式(22)，整理得

(23)

假设接地电阻Rf很小，则U0≈-EA， 将其代入式(23)，整理得

(24)

假设接地电阻Rf很大，则U0≈0， 将其代入式(23)，整理得

(25)

比较式(25)和式(12)可知，故障相选错的情况下，注入利用相电压计算得到的补偿电流与没有注入补偿电流相比，增大了故障相电压，其变化情况如图3所示。

图3　故障相电压变化情况Fig.3　Changes of fault phase voltage

投入单相级联H桥变流器时，利用实测零序电压计算注入补偿电流值，没有用到各相序信息；投入三相级联H桥变流器时，计算三相注入补偿电流值的方法相同，因此投入单相或三相级联H桥变流器时，不受故障选相错误的影响。

2　接地故障分相柔性消弧的实现

2.1实现步骤

控制单相或三相级联H桥变流器注入补偿电流都可实现接地故障消弧，且不受故障选相错误的影响，因此仅采用单相级联H桥变流器显然更为经济，然而仍采用三相级联H桥变流器的主要原因有：①当其中某一相H桥设备发生故障时，其他两相可作为备用，提高了设备的可靠性；②三相级联H桥多电平变流器可拓展用于谐波抑制、无功补偿和过电压抑制等场合。

配电网接地故障柔性消弧新方法的流程如图4所示。实时检测配电网母线三相电压和零序电压；配电网正常运行时，每隔一定的时间间隔测量其对地的等效电容和泄漏电阻值；结合检测的零序电压及三相电压综合判断是否发生单相接地故障；在故障发生的初始时刻，利用式(15)经综合运算生成指令电流，控制三相级联H桥多电平变流器分相注入补偿电流，强制故障相电压为0；一定延时后，逐渐减少注入电流至0，若中性点电压成比例减小，则说明故障点已经熄弧，配电网恢复正常运行；否则利用选线装置隔离故障馈线。

图4　配电网接地故障分相柔性消弧流程图Fig.4　Flow chart of separate-phase flexible arc-suppression of earth-fault in distribution networks

2.2级联H桥变流器的主电路及控制系统设计

2.2.1主电路

1)H桥单元数目的选择。

H桥单元数目与电力电子开关器件的耐压水平、电网电压、直流侧电容电压等有关。①开关管的耐压水平：开关管的耐压水平越高，则级联的数目越少；②电网电压：为确保级联H桥不被击穿，级联H桥的整体耐压水平应高于非故障相电压的峰值，并考虑留有一定裕度；③直流侧电容电压：注入电流由级联H桥交流侧输出电压与电网电压的差值共同作用于连接电感而产生，而交流侧输出电压由开关函数和直流侧电容电压共同决定，因此要使得注入电流在任何时候都能得到控制，级联H桥变流器的输出电压峰值必须大于电源电压峰值。

2)连接电感的参数设计。

级联H桥变流器的连接电感具有实现可控电气量的转换和作为一阶低通滤波器两个作用。连接电感适当取大能够较好地抑制开关谐波分量，同时考虑到若要实现对故障电流谐波分量的补偿，则级联H桥变流器注入电流中包含有谐波分量，其对注入电流变化率要求较高，此时电感量应取小，因此，连接电感取值应在动态响应效果和抑制开关谐波间折中选择。

3)直流侧电容器的参数设计。

级联H桥变流器直流侧应有一个稳定的直流电压作为逆变源，其不需要输出大量有功功率，因此，直流侧使用悬浮电容来提供直流电压支撑即可。电容器的参数设计主要考虑级联H桥变流器注入电流和开关函数引起的直流侧电压波动问题。

4)级联H桥变流器注入容量设计。

非有效接地配电网的单相接地故障电流大小随配电网规模、结构的不同而有所区别，文献[10]指出某城市电容电流达400多安培，IGBT可承受600A甚至更高的电流。级联H桥变流器的注入容量与接地故障电流大小密切相关。因此，实际应用中需根据配电网具体情况估算该网络产生最严重单相接地故障时的接地故障电流大小。变流器的最大注入电流须大于该接地故障电流，并留有一定裕度。据此设计相应的级联H桥单元数目、连接电感和直流侧电容等参数。

2.2.2控制系统

级联H桥变流器的控制系统结构如图5所示，控制系统结构主要由电压PI控制器、电流PI控制器、载波相移PWM调制模块、开关分配模块、参考电流计算模块、检测模块等组成。

图5　三相级联H桥变流器控制系统结构Fig.5　Structure of control system of three phase cascaded H-bridge converter

3　仿真分析

3.1经三相级联H桥变流器接地的配电网的建模

采用PSCAD仿真软件对图1所示的10 kV配电网建模，阻尼率取1.5%，r0=30 kΩ， C0=7μF。

H桥单元的开关器件选用理想IGBT器件，由2.2节分析可知，级联H桥整体耐压应满足

UHΣ_max>Ufmax=3.2Uphm

(26)

式中，Ufmax为非故障相过电压峰值，不超过相电压峰值Uphm的3.2倍。

选用的单个理想IGBT的耐压v=7 kV，实际应用可适当增加级联数目以降低单个开关器件的耐压并实现故障冗余，则级联H桥数目N为

(27)

算得级联数目N≈3.7，取为4。

仿真得到的故障电流暂态峰值Iz_Tmax可达200 A，暂态分量的振荡频率最大值wf取3 kHz，电源过电压持续时间短，故电源电压的最大值Ufmax_w取为线电压峰值，直流侧电容电压Udc取4 kV，则连接电感为

(28)

电压波动系数σ取5%，载波频率fs取2 500 Hz，则直流侧电容为

(29)

将具体参数代入式(28)和式(29)，可算得：连接电感值应小于0.003 H，考虑其抑制谐波的作用，经调试，确定为0.1 H；直流侧电容应大于400 mF，考虑留有一定的裕度，确定为1 000 mF。

3.2配电网接地故障电流的分相补偿分析

对图1所示的10 kV配电网进行单相、两相和三相级联H桥多电平变流器投入时的接地故障消弧仿真，考虑不同相发生单相接地故障，不同接地电阻和电弧接地等情况。将线路参数代入式(15)、式(19)和式(20)，可得出注入补偿电流Iz的值。为了比较注入补偿电流前后的接地故障电流的变化，在发生接地故障0.1 s后注入补偿电流。若0.1 s时发生接地故障，则在0.2 s时注入补偿电流。采用控制论电弧模型模拟接地电弧变化的动态特性。所得结果如图6～图11和表1所示。

图6　不同相经1 000 Ω电阻接地时故障相电压波形 (投入B相级联H桥变流器)Fig.6　Fault phase voltage waveform with high resistance grounding fault in different phases(phase B cascaded H-bridge converter is input)

图7　不同相经1 000 Ω电阻接地时故障电流波形 (投入B相级联H桥变流器)Fig.7　Fault current waveform with high resistance grounding fault in different phases(phase B cascaded H-bridge converter is input)

图8　不同相发生金属性接地时故障电流波形 (投入B相级联H桥变流器)Fig.8　Fault current waveform with directly grounding fault in different phases(phase B cascaded H-bridge converter is input)

图9　不同相发生电弧接地时故障电流波形 (投入B相级联H桥变流器)Fig.9　Fault current waveform with arc grounding fault in different phases(phase B cascaded H-bridge converter is input)

通过控制任意一相级联H桥多电平变流器(文中选择B相)，向配电网注入利用式(15)计算得到的补偿电流值。分别设置级联H桥变流器投入相和非投入相发生高阻接地、金属性接地和电弧接地，得到图6所示的故障相电压波形和图7～图9所示的故障电流波形，注入电流前，存在较大的故障电流，注入电流后，故障电流基本被抑制为零。

图10　A相经不同电阻接地时故障电流波形 (投入B、C两相级联H桥变流器)Fig.10　Fault current waveform with different resistance grounding fault of phase A(phase B and C cascaded H-bridge converter is input)

图11　A相经不同电阻接地时故障电流波形 (投入三相级联H桥变流器)Fig.11　Fault current waveform with different resistance grounding fault of phase A(three phase cascaded H-bridge converter is input)

投入非故障相级联H桥变流器(文中选择B、C两相)，向配电网注入利用式(19)计算得到的补偿电流值，设置非投入相发生金属性和高阻接地，得到图10所示的故障电流波形。注入电流前，故障电流大，注入电流后，故障电流基本被抑制为零。

投入三相级联H桥变流器，向配电网注入利用式(20)计算得到的补偿电流，设置A相发生金属性和高阻接地，得到图11所示的故障电流波形。注入电流前，存在较大故障电流，注入电流后，故障电流基本被抑制为零。

3.3故障选相错误的影响分析

表1　不同情况下投入级联H桥变流器前后的故障电流Tab.1　Comparison of fault currents before and after inputting cascaded H-bridge converter in different cases

图12　利用电源电压计算补偿电流值情况下 选相错误时故障电流波形Fig.12　Fault currents with error fault-phase selecting and using the power supply voltage to calculate the compensation current value

图13　利用相电压计算补偿电流值情况下 选相错误时故障电流波形Fig.13　Fault currents with error fault-phase selecting and using the real-time measurement of phase voltage to calculate the compensation current value

3.4配电线路采用分布参数时接地故障电流分相补偿分析

为验证所提消弧方法在配电线路采用分布参数时的有效性，利用PSCAD/EMTDC软件搭建如图14所示的含6条馈线的柔性接地配电网。主变压器T1仿真模块采用型号为SZ-31500/110/10的110 kV变压器的参数，连接组别为Yd11；配电变压器TLn仿真模块采用型号为S11-MR-1000/10/0.4的10 kV变压器的参数，连接组别为Dy11，主要参数见表2。线路仿真采用Bergeron模型，主要参数见表3，OL表示架空线路，CL表示电缆线路，其后数字分别表示出线号和线路长度。仿真结果如图15所示。配电网发生单相金属性接地和高阻接地故障，0.1 s后控制单相级联H桥多电平变流器注入补偿电流，接地故障电流基本被抑制为零。

表2　变压器参数Tab.2　Parameters of transformer

表3　线路参数Tab.3　Parameters of lines

图14　经三相级联H桥变流器接地的配电网仿真模型Fig.14　Simulation of distribution networks with three-phase cascaded H-bridge converter grounding

图15　经不同电阻接地时故障电流波形 (投入B相级联H桥变流器)Fig.15　Fault current waveforms with different grounding resistance(phase B cascaded H-bridge converter is input)

4　结论

提出一种基于三相级联H桥多电平变流器的配电网接地故障分相柔性消弧新方法。在分析利用电源电压计算单相或两相注入补偿电流的方法及选相错误对该方法在故障消弧应用中的不利影响的基础上，提出一种利用实测相电压计算补偿电流的新方法。理论分析和仿真结果表明：该方法在金属性接地、高阻接地和电弧接地等不同类型接地故障及不同相发生接地故障等情况下，都能有效补偿接地故障电流，实现故障消弧。该方法具有不必进行故障选相，三相级联H桥变流器无需经Z型变压器、升压变压器接入配电网以及可拓展用于无功补偿等场合的优点，其原理清晰、使用灵活且易于实现。下一步将研发基于三相级联H桥多电平变流器的分相柔性消弧装置样机，对提出的消弧方法进行验证。

[1]要焕年，曹梅月.电力系统谐振接地[M].北京：中国电力出版社，2000.

[2]曾祥君，王媛媛，李健，等.基于配电网柔性接地控制的故障消弧与馈线保护新原理[J].中国电机工程学报，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.

[3]程路，陈乔夫，张宇，等.基于变压器可控负载原理的新型消弧线圈[J].电力系统自动化，2006，30(21)：77-81.

Cheng Lu，Chen Qiaofu，Zhang Yu，et al.Novel arc-suppression coil based on the theory of transformer with controllable load[J].Automation of Electric Power Systems，2006，30(21)：77-81.

[4]王异凡，陈国柱，张曙.一种连续磁阀式消弧线圈及其数学模型[J].电工技术学报，2014，29(5)：239-245.Wang Yifan，Chen Guozhu，Zhang Shu.A continuously magnetic valve arc-suppression coil and its modeling[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(5)：239-245.

[5]陈忠仁，吴维宁，张勤，等.调匝式消弧线圈自动调谐新方法[J].电力系统自动化，2005，41(5)：75-78.

Chen Zhongren，Wu Weining，Zhang Qin，et al.New automatic tuning method for multi-tap arc-suppression coil[J].Automation of Electric Power Systems，2005，41(5)：75-78.

[6]陆国庆，姜新宇，欧阳旭东，等.高短路阻抗变压器式自动快速消弧系统——配电网中性点新型接地方式的实现[J].电网技术，2000，24(7)：25-28.

Lu Guoqing，Jiang Xinyu，Ouyang Xudong，et al.An automatic rapid arc suppression system based on transformer with high short circuit impedance:implementation of a new approach of neutral grounding for distribution network[J].Power System Technology，2000，24(7)：25-28.

[7]刘味果，赵邈，毛柳明，等.基于高漏抗式消弧线圈的配电网单相接地故障状态辨识[J].电工技术学报，2015，30(3)：28-35.

Liu Weiguo，Zhao Miao，Mao liuming，et al.Identification of distribution network’s grounding status based on transformer-based arc suppression coil[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(3)：28-35.

[8]陈柏超，王朋，沈伟伟，等.电磁混合式消弧线圈的全补偿故障消弧原理及其柔性控制策略[J].电工技术学报，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.

[9]曲轶龙，董一脉，谭伟璞，等.基于单相有源滤波技术的新型消弧线圈的研究[J].继电器，2007，35(3)：29-33.

Qu Yilong，Dong Yimai，Tan Weipu，et al.Research on new type arc-suppression coil based on single-phase active power filter technology[J].Relay，2007，35(3)：29-33.

[10]王崇林，刘建华.三相五柱式消弧线圈及其自动跟踪补偿原理[J].中国矿业大学学报，1999，28(5)：57-61.

Wang Chonglin，Liu Jianhua.Arc suppression coil with three phases and five columns and its automatic compensation principle[J].Journal of China University of Mining & Technology，1999，28(5)：57-61.

[11]曾祥君，胡京莹，王媛媛，等.基于柔性接地技术的配电网三相不平衡过电压抑制方法[J].中国电机工程学报，2014，34(4)：678-684.

Zeng Xiangjun，Hu Jingying，Wang Yuanyuan，et al.Suppressing method of three-phase unbalanced overvoltage based on distribution networks flexible grounding control[J].Proceedings of the CSEE，2014，34(4)：678-684.

[12]曾祥君，黄明玮，王文，等.配电网三相不平衡过电压有源抑制方法研究[J].电工技术学报，2015，30(9)：61-69.

Zeng Xiangjun，Huang Mingwei，Wang Wen，et al.Research on active suppression method of three-phase unbalanced overvoltage for distribution networks[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(9)：61-69.

[13]刘维功，薛永端，徐丙垠，等.可适应线路结构动态变化的有源消弧算法[J].电网技术，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.

[14]李晓波.柔性零残流消弧线圈的研究[D].徐州：中国矿业大学，2010.

[15]贾晨曦，杨龙月，杜贵府.全电流补偿消弧线圈关键技术综述[J].电力系统保护与控制，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.

[16]李涛，苗晓鹏，李晓波.基于恒定零序电压幅值的消弧线圈调谐新方法[J].电力系统保护与控制，2014，42(9)：86-90.

Li Tao，Miao Xiaopeng，Li Xiaobo.A new tuning method of arc suppression coil based on the constant zero-sequence voltage amplitude[J].Power System Protection and Control，2014，42(9)：86-90.

[17]桑振华，苗晓鹏，李晓波，等.基于调相法的消弧线圈自动跟踪补偿的测量方法[J].电力系统保护与控制，2014，42(10)：104-107.

Sang Zhenhua，Miao Xiaopeng，Li Xiaobo，et al.A new measurement method of automatic tracking compensation arc-suppression coil based on the phase modulation[J].Power System Protection and Control，2014，42(10)：104-107.

[18]江友华，曹以龙，龚幼民.基于载波相移角度的级联型多电平变频器输出性能的研究[J].中国电机工程学报，2007，27(1)：76-81.

Jiang Youhua，Cao Yilong，Gong Youmin，et al.Research on the cascade multilevel inverter based on different carrier phase-shifted angle[J].Proceedings of the CSEE，2007，27(1)：76-81.

[19]吴洪洋，何湘宁.级联型多电平变换器PWM控制方法的仿真研究[J].中国电机工程学报，2001，21(8)：43-47.Wu Hongyang，He Xiangning.Research on PWM control of a cascade multilevel converter[J].Proceedings of the CSEE，2001，21(8)：43-47.

[20]王志冰，于坤山，周孝信.H桥级联多电平变流器的直流母线电压平衡控制策略[J].中国电机工程学报，2012，32(6)：56-63.

Wang Zhibing，Yu Kunshan，Zhou Xiaoxin.Control strategy for DC bus voltage balance in cascaded H-bridge multilevel converters[J].Proceedings of the CSEE，2012，32(6)：56-63.

[21]李建林，赵栋利，赵斌，等.载波相移SPWM级联H型变流器及其在有源电力滤波器中的应用[J].中国电机工程学报，2006，26(10)：109-113.

Li Jianlin，Zhao Dongli，Zhao Bin，et al.Cascade H-bridge converter with carrier phase shifted SPWM technique and its application in active power filter[J].Proceedings of the CSEE，2006，26(10)：109-113.

Separate-Phase Flexible Arc-Suppression Method of Earth-Fault in Distribution Systems Based on Three-Phase Cascaded H-Bridge Converter

Guo MoufaYou JianzhangZhang WeijunYang GengjieMiao Xiren

(College of Electrical Engineering and AutomationFuzhou UniversityFuzhou350116China)

Arc extinguishing of grounding faults is difficult for neutral non-effective grounding distribution networks.In traditional flexible arc-suppression method，the real-time measured source voltage is used to calculate the compensation current，which is injected by single active converter connected to the neutral point in distribution networks to compensate the fault current.Whereas，the zigzag transformer and the boosting transformer are used for converter to integrate into the power distribution network and faulty phase detection is necessary.In order to improve the above mentioned way，a novel method for earth-fault separate-phase flexible arc-suppression in distribution systems based on three-phase cascaded H-bridge converteris proposed in this paper.The three-phase cascaded H-bridge converters are connected to the distribution networks directly inductance.When a single-phase-to-ground fault occurred，the real-time measured phase voltage is used to calculate the compensation current.Then，the compensation current is injected by the three-phase cascaded H-bridge converter without the zigzag transformer and the boosting transformer.Therefore，the voltage of the fault phase is controlled to be zero and the fault arc is suppressed.The simulation verifies that the proposed principle is able to compensate the fault current flexibly and effectively，and restrain the restriking of earth-fault arc.Furthermore，faulty phase detection is unnecessary for single-phase or three-phase cascaded H-bridge converter to suppress the fault arc.

Distribution networks，single phase to ground fault，separat-phase flexible arc-suppression，cascade H-bridge converter

2015-05-26改稿日期2015-07-23

TM726.1

郭谋发男，1973年生，硕士，副教授，研究方向为电力系统自动化。

E-mail：gmf@fzu.edu.cn(通信作者)

游建章男，1990年生，硕士研究生，研究方向为配电网自动化。

E-mail：282304815@qq.com

国家自然科学基金(51377023,51677030)和福建省自然科学基金(2016J01218)资助项目。