比例谐振控制的配电网有源全补偿消弧方法

滑军杰,邵文权,程 远,李 宁

(1.西安工程大学 电子信息学院,陕西 西安 710048;2.西安理工大学 自动化与信息工程学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

配电网结构复杂、运行方式多样,各类事故频发,其中瞬时性接地故障占70%以上[1-3]。为提升供电可靠性,我国配电网采用中性点经消弧线圈接地运行方式以补偿接地故障时电容电流,从而加速电弧熄灭。由于接地故障时电流将进一步增大,导致经消弧线圈补偿后故障电流仍无法保证在可靠熄弧范围内[4]。较大故障残流导致电弧无法自行熄灭,产生的弧光过电压会造成设备的绝缘击穿,甚至会使故障影响范围扩大[5-7]。

为进一步减小故障残流以加速故障电弧熄灭,近年来国内外学者提出了全补偿有源消弧方法[8-11]。其中采用单相有源滤波技术的全补偿消弧[12-14]和柔性接地控制的故障消弧[15-16]均为电压消弧方法,此类方法注入零序电流以强制故障点电压为零实现消弧,但需引入大容量变压器辅助输出,成本高且体积大,控制系统较为复杂且稳定性不高。采用多电平逆变器的故障消弧方法成为研究热点[17-18],该方法为电力电子注入式电流消弧方法,摒弃消弧线圈的同时增大了逆变装置容量,成本大大提高,且消弧成功率受电力电子装置运行可靠性的制约。

综上所述,本文采用消弧线圈配合级联H桥的主从式全补偿电流消弧方案,能够克服上述方案存在的弊端;同时鉴于现有的逆变装置多采用传统PI、前馈PI的电流闭环控制策略[19-20],提出一种比例谐振电流控制策略,进一步实现残流深度补偿。仿真结果表明,PR控制能实现对注入电流的快速、精准跟踪,有效补偿接地残流至可靠熄弧范围。

1 有源全补偿消弧原理

随着城市配网电缆化日益普及导致补偿后的感性残流急剧增大,部分配电网接地故障电流经消弧线圈补偿后仍高达几十安培[19],显然无法满足电弧可靠熄灭的条件(一般认为5A为可靠熄弧门槛值)。本文采用有源注入全补偿故障残流的方法,通过控制级联H桥逆变器向中性点注入与故障残流等幅、反相的电流达到全补偿效果。图1给出了级联H桥逆变器有源注入的全补偿消弧系统结构图。

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(3)

(4)

由式(4)可知,注入相应幅值、相位的电流能够有效补偿残流中的有功、无功、谐波分量,弥补了消弧线圈无法实现全补偿的不足,有效抑制了故障残流以实现可靠熄弧。

2 电流闭环控制策略对比分析

有源消弧系统抑制故障残流的效果很大程度上取决于对指令电流跟踪的性能,为保证消弧可靠性,闭环控制系统需满足对指令电流准确、快速跟踪。对传统PI、前馈PI跟踪参考电流性能和抗干扰能力分析基础上,提出一种基于PR控制的电流闭环控制策略,进一步实现接地残流的深度补偿。图2给出传统PI电流控制系统结构图。

图 2 传统PI电流闭环控制系统

由图2可知注入电流由参考电流和网侧电压共同作用,如式(5)所示:

(5)

由式(5)可知,由于开环增益并非无穷大,参考电流系数Gk1(s)≠1,故PI控制对参考电流的跟踪存在稳态误差,且对并网有源消弧装置,中性点电压U0可视为外加干扰源,会对注入电流的精准度造成影响,网侧干扰造成的误差可量化为Gk2(s)·U0。

为了进一步减小网侧电压的干扰,改善注入电流的质量,进一步引入前馈PI控制以消除网侧电压干扰。加入网压前馈环节后,网侧电压对注入电流影响为

(6)

可知当反馈传递函数Gf(s)=-1/Gd(s)时,网侧电压对注入电流的影响消除,此时电流控制系统具有较强的抗网侧干扰能力,但未从根本上解决稳态误差的问题。

采用PI控制器时,开环传递函数按照I型二阶最佳系统进行参数设计,此时校正后开环系统及PI控制器的伯德图如图3所示。

图 3 PI控制器及校正后开环系统伯德图

从图3可以看出,校正后系统幅值和相角裕度均满足稳定性条件,开环系统稳定。正弦电流作为输入的情况下,开环系统作为I型系统,稳态误差由开环增益决定,由图3可知工频ω=314 rad/s时增益较小,稳态误差不可避免且较大。

为了解决上述2种控制策略均存在稳态误差的问题,影响注入电流跟踪精准度,本文采用比例谐振控制器,传递函数如式(7)所示：

(7)

考虑到PR控制器在非谐振频率处增益很小,实际工况下网侧频率发生偏移时导致跟踪性能下降,故引入准PR控制器,传递函数如式(8)所示：

(8)

式中：ωc为截止频率。引入截止频率ωc增加了系统的带宽,有效抑制了系统频率波动时增益过小的问题,且随着ωc增大带宽越大。图4给出PR控制器及校正后系统伯德图。

图 4 比例谐振控制器及校正后开环系统伯德图

由图4可以看出,系统满足稳定性条件,且PR控制器在谐振频率处具有较高幅值增益,进一步增大了校正后开环系统的增益,有利于大幅减小系统的稳态误差。

综上所述,前馈PI在传统PI的基础上削弱了中性点电压波动的干扰,但未从根本上解决稳态误差的问题,引入PR控制器不仅消除了网侧干扰,而且在特定频率下的高增益也进一步削弱了稳态误差,较传统PI、前馈PI跟踪指令电流精准度更高。

3 仿真验证

为了验证基于PR控制的配电网单相接地故障有源消弧方法的有效性,利用Matlab搭建了如图5所示的配电网有源全补偿仿真模型并进行验证。

图 5 配电网有源全补偿消弧系统仿真模型

图5中有源全补偿消弧装置与消弧线圈并联接入接地变压器,故障发生时刻跟踪并注入电流,仿真采用2个H桥级联的形式(工程中受开关耐压等级要求适当增加级数)。其中指令电流的快速、准确生成决定着残流抑制的效果,需实时测量配电网三相电压和零序电压,并判断是否发生单相接地故障,若发生接地故障,按式(5)计算得出指令电流。

图6分别给出不同控制方法下对参考电流的跟踪情况。PI控制器下电流跟踪情况如图6(a)所示，PR控制器下电流跟踪情况如图6(b)所示。

(a) PI控制电流跟踪

(b) PR控制电流跟踪

对比分析图6(a)、(b)可知,PI控制下的电流跟踪性能较差,存在明显幅值和相位的偏差,PR控制下参考电流与实际注入电流基本重合实现无静差,仿真下跟踪效果更佳。

按上述参数搭建仿真模型,设定系统0.2 s发生单相接地故障,0.1 s后投入有源补偿装置。图7为过渡电阻为100 Ω时,PI和PR控制下故障残流特征波形图。

由图7(a)、(b)可以看出,0.3 s时有源消弧装置向中性点注入补偿电流,PI控制作用下此时故障残流得到抑制但仍有较大残流,故障残流未得到有效补偿;PR控制作用下故障残流几乎被全补偿至0,较PI控制补偿精度得到进一步提高,有利于故障电弧的可靠熄灭。

(a) PI控制下故障残流波形图

(b) PR控制下故障残流波形图

4 结 语

本文针对配电网故障残流较大，难以可靠熄弧的问题,在分析故障残流电流特征的基础上,提出一种基于比例谐振控制的有源全补偿消弧方案。该方案利用特定频率的高增益以消除稳态误差,较常采用的传统PI、前馈PI控制策略跟踪精准度更高,有利于进一步提升故障残流的补偿精度,具有一定实用价值。由于目前该方法无法实现谐波电流的零误差跟踪,笔者下一步将针对多频率特征的故障残流的无静差跟踪策略进行深入研究。