不平衡零序电压快速精准抑制与电压消弧全补偿优化控制方法

刘宝稳 曾祥君 张慧芬 马宏忠

不平衡零序电压快速精准抑制与电压消弧全补偿优化控制方法

刘宝稳1曾祥君2张慧芬3马宏忠1

（1. 河海大学能源与电气学院 南京 211100 2. 智能电网运行与控制湖南省重点实验室（长沙理工大学） 长沙 410114 3. 济南大学自动化与电气工程学院 济南 250022）

现有配电网不平衡零序电压抑制方法需要多次注入电流，逐步跟踪抑制，存在控制过程复杂、收敛速度慢的缺点。当电网发生单相接地故障后，传统电压消弧法未计及电网三相对地分布参数不对称的影响，未能将故障相电压完全抑制为0，从而导致接地点存在残余电流，不能实现100%消弧。该文在建立注入电流诱发配电网零序电压变化机制的基础上，实现了配电网自然不平衡电流的在线测量，论证了配电网三相对地分布参数不对称对接地点残余电流的影响，提出了仅需调节一次注入电流即可实现不平衡零序电压快速精准抑制和电压消弧全补偿的新方法，并给出接地故障判定、零序电压抑制与消弧的优化控制方案。理论和仿真证实，该方法在电网正常运行时无需多次调参而能将不平衡零序电压精准快速抑制为0，且当发生单相接地故障时具备补偿电网三相对地分布参数不对称产生的残余电流，可将故障相电压完全抑制为0，实现100%电压消弧全补偿。

电流注入法 不平衡零序电压抑制 电压消弧全补偿单相接地故障 分布参数不对称

0 引言

我国中压配电网的中性点接地方式主要以非有效接地方式为主，包括不接地、消弧线圈接地、高阻接地、有源柔性接地等，单相接地故障后故障电流相对较小、线电压对称而可持续供电，具有供电可靠性高的优势。随着电网规模的扩大尤其是城市电缆线路的大量应用，单相接地故障的电容电流增大，过大的电容电流极易引发电弧而产生弧光过电压，导致系统绝缘薄弱的线路或设备击穿或发展成相间短路等不可逆故障，扩大了事故影响面[1-4]。根据GB50070—2009《矿山电力设计规范》中要求接地故障电流的有功分量和无功分量均不超过5A；GB/T50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》规定：6～66kV系统单相接地故障电容电流大于10A时应采用中性点谐振接地方式，且接地故障残余电流不应大于10A。文献[5]实测某煤矿电网接地电流中的有功分量达13.05A，仅线路对地泄漏电阻产生的有功电流足以引发电弧。因此，接地电流全补偿与可靠消弧技术依然是研究的热点和难点问题。目前，根据接地电流补偿方式的不同，可分为电流消弧法和电压消弧法。

电流消弧法以减少接地电流为目标，包含消弧线圈补偿法、偏置元件法和有源电流注入法等。最传统的电流消弧法是在配电网中性点接入消弧线圈，零序电压作用在消弧线圈上产生的电感电流补偿电容电流，但对接地电流的有功分量无能为力[6-7]。中国矿业大学唐轶教授课题组提出了同时调节中性点接地阻抗和偏置元件的电容电流及有功电流的补偿方法，需要多参量联合调节、控制方案复杂、应用难度大[8]。华北电力大学杨以涵教授课题组提出基于-infinity有源滤波注入的主从式消弧线圈全电流补偿方法，但所需设备复杂且故障谐波电流检测和补偿理论尚不完善，未见工业应用[9]。

电压消弧法以零序电压为控制目标，当系统发生单相接地故障时，将故障相电压调控为0，根除起弧的电压条件。根据补偿方式的不同可分为无源调压消弧和有源调压消弧。无源调压消弧是在电网某相线路上对地接入偏置元件，实现电容电流、有功电流和不对称电流的全补偿，但该方法需在正确选择故障相的前提下进行偏置元件的投切，且要求偏置元件的参数可平滑调节，实现难度较大[10-11]。有源调压消弧则是通过PWM有源逆变器、静止无功发生器（Static Var Generator, SVG）、级联H 桥多电平变流器等信号源发生器向电网注入基波电流使得故障相电压为零，降低过渡电阻的压降而不产生接地电流[12-16]。然而，目前有源调压消弧法的注入电流控制策略中均未考虑电网分布参数不对称的影响，在理论上并不能将故障相电压100%钳制为0，不能实现100%消弧。

目前，学者已经注意到电网三相对地分布参数不对称的普遍存在，并将研究的重点放在基于电流注入的不平衡零序电压抑制上，如长沙理工大学曾祥君[17-18]、中国石油大学薛永端[19]、中国矿业大学李晓波[20]等，采用迭代或闭环控制逐步找到将零序电压控制到目标值的最优注入电流的幅值和相位，逐步寻优的控制过程复杂、迭代计算步数多、耗时长。实际上，对于确定拓扑结构的电网，其三相对地分布参数的不对称参量在短时内是固定不变量，若实现该参量的在线精确测量，可直接一次性注入最佳电流，以避免现有方法需要多次注入电流、逐步寻优用时长的不足。

为了实现配电网正常运行时不平衡零序电压的精准快速抑制和实现接地电流的电压消弧全补偿，首先研究了零序基波注入电流在电网中承担的角色和诱发电网零序电压变化的根本机制；然后提出仅需调整一次注入电流即可实现电网不平衡零序电压精准抑制为0的方法；进而剖析了现有电压消弧方法不能实现100%电压消弧的根本原因，并提出可消除配电网对地分布参数不对称对接地电流影响的电压消弧全补偿控制方法，实现故障电流100%补偿和故障相电压可靠钳制为0；最后建立了配电网Matlab/ Simulink仿真模型，并对不平衡零序电压抑制方法和电压消弧全补偿控制方法的有效性进行验证。

1 基波电流注入的调压机理

长沙理工大学[12]、福州大学[14]、中国石油大学（华东）[15]和重庆大学[16]开展了基于注入的电压消弧相关的研究，通过在中性点注入零序基波电流控制配电网零序电压，以期将接地故障相电压调整为零。现有研究均采用基尔霍夫电流定律构造含电流注入的零序电压数学表达式，但主动注入的基波电流在电网中承担的角色和诱发电网零序电压变化的根本机制尚未定义。下面结合零序电压产生机理[21]，给出基波注入电流调节零序电压的物理内涵。

图1 零序基波电流注入的配电网等效运算电路

其中

为了使零序电压产生机理更具普适性，丰富其内涵：不对称电网或有基波电流注入的电网自适应产生零序电压，该电压作用在零序阻抗上产生的电流等于“零序不平衡电流”，“零序不平衡电流”包含系统自然不平衡电流和注入的零序基波电流。

2 配电网不平衡零序电压精准抑制新方法

2.1 不平衡零序电压的精准快速抑制算法

在实际工程中，由于配电网电路不换位、与线路电磁耦合设备安装不对称、负载不对称、消弧线圈与电网分布电容的谐振过电压等因素形成了电网不平衡零序电压，造成线路损耗增加，并影响配电设备寿命、威胁设备绝缘等。通过注入电流抑制配电网不平衡零序电压的有效性已经得到证实，抑制配电网不平衡零序电压为0的注入电流最优值也得到了确认[17-20]，具体为

式（3）除以式（5）得

整理式（6）得

2.2 接地故障的判定

3 有源电压消弧全补偿及优化控制方法

3.1 电压消弧全补偿概念的提出

文献[12-16]提出了多种有源电流注入的电压消弧法，电压消弧的理论均忽略了配电网分布参数不对称的影响，以期当发生单相接地故障时故障相电压钳制为0，使其不满足起弧的电压条件，且认为将故障相（A相故障为例）电压钳制为0的注入电流值为

3.2 电压消弧全补偿的实现

整理式（17）得

根据式（7）、式（16）和式（18）得，电压消弧全补偿的注入电流SQ为

由式（19）可知，在配电网正常运行状态下只需要改变一次注入电流即可计算出实现电压消弧全补偿的注入电流。当判定系统发生单相接地故障时，立即注入电流SQ，将故障相电压抑制为0，实现100%可靠消弧，彻底去除起弧的电压条件。

3.3 零序电压抑制与故障消弧的优化控制方法

由于基波注入电流在不平衡零序电压抑制和电压消弧全补偿的优势，本文提出计及配电网三相对地分布参数不对称的零序电压抑制与消弧优化控制方法。

3.3.1 参数测量时注入电流的优化选择

3.3.2 接地方式的优化

图2 不平衡零序电压抑制与电压消弧优化控制流程

4 仿真实验验证

利用Matlab/Simulink仿真验证本文提出的不平衡零序电压精准抑制和电压消弧全补偿方法的有效性。仿真系统为10kV配电网，仿真系统拓扑结构如图3所示，仿真系统的电容电流为72.770A、有功电流为1.316A，系统不对称度为1.750%、阻尼率为1.809%，系统中性点不接地下的自然不平衡电压为101.050∠-106.547°V、系统中性点直接接地的自然不平衡电流为1.274∠162.417°A，具体参数设置见表1。

图3 仿真系统拓扑结构

表1 仿真系统零序参数设置

4.1 不平衡零序电压精准抑制的仿真验证

表2 中性点不接地注入电流S0计算仿真结果

Tab.2 Simulation results of injection current İS0 of neutral ungrounded system

表3 消弧线圈过补偿接地注入电流S0计算仿真结果

Tab.3 Simulation results of injection current injection current İS0 of arc suppression coil grounding system

4.2 电压消弧全补偿的仿真验证

图4 传统电压消弧法的接地剩余电流

由图4可知，随着过渡电阻的减小，故障电流剩余值逐渐增加，当故障电阻为0.1Ω时的剩余电流幅值为1.272 90A，其基本等于配电网的自然不平衡电流1.274A。以上验证了本文式（14）对故障剩余电流计算的正确性，也说明传统电压消弧法因未计及配电网分布参数不对称的影响并不能实现接地电流的全补偿。

2）电压消弧全补偿：本文提出计及配电网不对称的电压消弧全补偿控制方法。根据式（19）计算中性点不接地系统电压消弧全补偿的注入电流为72.430 21∠-92.002 30°A。在系统正常工作状态下注入该电流后，A相的相电压测量值为0.085 41V，这与未计及配电网不对称时的101.053 30 V相比明显降低。为了证明本文方法消弧的有效性，同样在仿真系统A相设置单相接地故障，将过渡电阻的取值范围设置为10000～0.1W，测量在注入电流72.430 21∠-92.002 30°A时剩余故障电流的幅值，得到电压消弧全补偿法的接地剩余电流测量结果如图5所示。

图5 电压消弧全补偿法的接地剩余电流

对比图4和图5可知，采用本文提出的电压消弧法可完全补偿故障电流，当故障电阻为0.1Ω时的剩余电流幅值仅为0.001 162A，消弧效果比传统电压消弧法更优异。

5 结论

本文在计及配电网三相对地分布参数不对称的基础上，建立了零序基波注入电流在配电网中承担的角色和诱发配电网零序电压变化的机理模型；给出了只需要调节一次注入电流的不平衡零序电压精准抑制方法，避免了传统方法多次注入、反复跟踪效果差、耗时长的缺点。通过建立配电网三相对地分布参数不对称对接地电流的影响模型，证实了配电网分布参数不对称的影响下，传统电压消弧法不能实现100%消弧的原因，并提出可实现电压消弧全补偿的方法。只需在故障前调节一次注入电流即可计算实现全补偿的注入电流，有效消除了配电网分布参数不平衡对补偿效果的影响，彻底将故障相电压钳制为0，彻底消除起弧的条件，操作简单、易实施。

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Optimal Control Method for Accurate and Fast Suppression of Unbalanced Zero-Sequence Voltage and Voltage Arc Suppression Full Compensation

Liu Baowen1Zeng Xiangjun2Zhang Huifen3Ma Hongzhong1

（1. College of Energy and Electrical Engineering Hohai University Nanjing 211100 China 2. Hunan Province Key Laboratory of Smart Grids Operation and Control Changsha University of Science and Technology Changsha 410114 China 3. School of Automation and Electrical Engineering University of Jinan Jinan 250022 China）

The existing methods of unbalanced zero sequence voltage suppression in distribution network need multiple current injection and gradual tracking suppression, which have the disadvantages of complex control process and slow convergence speed. When single-phase grounding fault occurs, the traditional voltage arc suppression method does not take into account the influence of three-phase distribution parameter asymmetry of power grid, and fails to completely suppress the fault phase voltage to zero, resulting in residual current in grounding point, which can not achieve 100% arc suppression. Based on the mechanism of zero sequence voltage variation induced by injection current, this paper realizes the on-line measurement of natural unbalanced current in distribution network, and demonstrates the influence of asymmetric distribution parameters of three phases on residual current in distribution network. Methods of fast and accurate suppression of unbalanced zero sequence voltage and full compensation of voltage arc suppression were proposed by adjusting the injection current only once, and the optimal control scheme of ground fault determination, zero sequence voltage suppression and arc suppression were given. Theoretical and simulation results show that this method can accurately and quickly suppress the unbalanced zero sequence voltage to 0 without multiple parameter adjustments during normal operation of power grid, and can compensate the residual current generated by asymmetric three-phase to ground distribution parameters of power grid in case of single-phase to ground fault, which can completely suppress the voltage of fault phase to 0 and realize 100% voltage arc suppression full compensation.

Fundamental current injection, unbalanced voltage suppression, voltage arc suppression full compensation, single-phase ground fault, asymmetry

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201597

TM74

国家自然科学基金重点项目（51737002）、江苏省自然科学基金青年基金（BK20190490）、中央高校基本科研业务费项目（B200202173）和国家电网公司科学技术项目（52170217000S）资助。

2020-12-02

2021-04-13

刘宝稳 男，1988年生，博士，硕士生导师，讲师，研究方向为小电流接地系统故障检测、消弧与柔性接地技术，电气设备故障诊断。E-mail：lbw_5566@163.com（通信作者）

曾祥君男，1972年生，教授，博士生导师，研究方向为电力系统微机保护与控制等。E-mail：eexjzeng@qq.com

（编辑 郭丽军）