CHB 直流侧免供电在配电网接地故障电流柔性调控分配中的方法研究

周 荃

（国网江苏省电力有限公司丹阳市供电分公司，江苏 丹阳 212300）

配电网中，大部分故障为单相接地，其引发的电弧威胁着配电网的稳定运行以及周边人员的生命和财产安全。为提高供电可靠性，故障电流调控技术被广泛运用，其中基于无源和有源消弧装置的技术被视为降低弧光接地故障潜在风险的有效途径。传统的无源调控装置通常利用消弧线圈来补偿对地电容电流，然而却存在调节困难和响应滞后等问题。与此相对，基于柔性装置的有源调控技术由于设备易控制、响应迅速和能够实现故障电流全补偿等优点，受到国内外学者的关注[1]。然而，现有的柔性调控装置存在元件数量多且耐压要求高的问题，且直流侧电容供电困难，安装受限等限制因素。针对这些挑战，本文提出了一种基于CHB 变流器的两相柔性调控装置，通过特定的结构设计和控制策略，有效解决了直流侧电容供电问题，同时简化了装置结构，提高了其适用性和可操作性。

1 电网接地故障电流与CHB 直流侧电压控制分析

本文使用了一个简化模型（如图1 所示），涉及到配电网和直流侧免供电的两相柔性调控装置。直流侧免供电的两相柔性调控装置具有2 个CHB 桥臂，一端连接到配电网两相线，另一端则短接到桥臂的中点，并通过分压电感连接到地。假设该装置连接到配电网的B 相和C 相线，并且假设配电网的三相对地参数是对称的，IBZ、ICZ为2 个CHB 桥臂向配电网注入的接地故障调控电流，EA、EB、EC为配电网的三相电源电压，L为限流（分压）电感，LSE为连接电感，K 为装置并网开关，K1、K2、K3为限流电感旁路、限流、接地等开关，RF为故障电阻，当配电网发生单相接地故障时，存在等效零序通路[2]。这个模型用于描述系统的运行和电流流动，有助于分析和控制电力系统中的接地故障，如图2所示为系统简化模型。

图2 系统简化模型

1.1 装置软并网与CHB 直流侧电容充电方法

在装置直接并网时，存在一些不利的现象，如电压急剧上升和电流激增，这可能会导致开关元件的损坏并危及供电安全；因此，采取软并网措施对于保护装置和确保系统安全是必要的。具体来说，在直流侧免供电的两相柔性调控装置并网时，开关K1和K3被断开，而K2被闭合，这使得2 个并网的H 桥子模块串联在一起。在这种情况下，各H 桥子模块都被锁定，绝缘栅双极晶体管（IGBT）主要和单向导通的电力二极管具有相似的作用，并且充电的回路也转移成为了不可控整流电路。

CHB（H 桥型逆变器）的直流侧电容充电过程可以分为2 个阶段：自然充电阶段和控制充电阶段。在将免供电的两相柔性调控装置（CHB）并网到直流侧时，首先锁定CHB 的IGBT，使其进入自然充电阶段。在这一阶段，CHB 的直流侧电容会自动进行充电。这个过程导致单相CHB 的直流侧电压逐渐增加，直至达到配电网线电压峰值的0.5 倍。当直流侧电压达到这个阈值时，充电过程会停止，同时充电电流会下降至电流峰值的0.25 倍水平。这个转变标志着自然充电阶段的结束。在这个阶段中，CHB 的直流侧电容被逐步充电，从而使得装置准备好进入下一个工作阶段。这种自然充电的过程是为了确保CHB 能够平稳地融入系统运行，同时避免在电网并网过程中产生突然的电压或电流冲击。这个阶段的目的是确保CHB 与电网平稳连接，并准备好进入正常工作状态。然而，在这个阶段，CHB 的直流侧电压仍然不足以支撑可靠的接地故障调控；因此须解除IGBT 锁定及进行调制，确保充电回路的充电电流，从而提升CHB 的直流侧电容电压至目标值，此为控制充电阶段。在控制充电阶段，采用了“电压电流同相位”的原则来有效提高CHB 直流电容的充电效率。

1.2 接地故障调控总电流计算

在考虑配电网A 相发生单相接地故障的情况下，假设配电网的三相对地参数近似对称。在这种情况下，两相柔性调控装置（CHB）的直流侧电容已经充电完成，并且直流侧电压保持稳定。这意味着尽管电网出现了故障，但因为假设电网的对地参数近似对称，CHB 的直流侧电压并不会受到明显的影响，这样的电压稳定性保证了CHB 的正常运行。虽然A 相故障导致电网不对称，但由于假设电网的对地参数近似对称，其他两相不会受到显著影响。在这种情况下，CHB 的直流侧电压保持恒定，不会受到接地故障的干扰，这保证了CHB 的正常运行。此时，开关K、K3、K1闭合，而K2断开，直流侧免供电的两相柔性调控装置开始对单相接地故障电流进行调控。

若直流侧免供电的两相柔性调控装置向配电网注入接地故障调控总电流为iZ,REF，根据基尔霍夫电流定律可知：

式中：UA、UB、UC为配电网三相线路的相电压，V；U0为中性点的零序电压；IF为故障电流，A；RO、CO为单相等效对地电阻和对地电容。

如果直流侧免供电的两相柔性调控装置对单相接地故障电流的有功和无功量进行全补偿，这意味着装置会提供与接地故障电流相等但相反方向的有功和无功电流，以抵消故障电流的影响，从而保持系统的功率平衡。这种全补偿的操作有助于维持系统的电压稳定性和防止电压崩溃，确保电力系统的正常运行。这种补偿操作通常通过调整装置的控制策略和参数来实现，以确保对故障电流进行完全的抵消，则IF=0 ，U0=-EA，则有：

综上，接地故障调控总电流的参考值iZ,REF：

式中：eA为故障相（A 相）电源电压瞬时值，V；uo为零序电压瞬时值；t为电压电流调控时间，s。

1.3 接地故障调控总电流在两相CHB 间的分配方法

根据功率计算式可以得知，当电流与电压的相位差为90°时，元件不会产生有功损耗。因此，为了实现故障电流的全补偿调控，每个相位的柔性调控装置需要将电流超前或滞后90°与相应的输出电压，而且2 个相位的柔性调控装置注入到配电网的总电流应为iZ,REF。这是保持柔性调控装置的直流电压恒定的前提。

下面来分析iZ,REF在B 相和C 相柔性调控装置之间的分配方法，以及计算B 相和C 相柔性调控装置的参考电流值iZ,REF和iZV,REF。

通过将2 个相位的共用端连接到地相，使用分压电感作为装置的一部分，实现了电路的扩展。这种配置可以有效地分离电路中的不同相位，并在电路中引入分压电感，以降低电流和电压的幅度，从而实现更好的电路性能和稳定性，这样在进行故障全补偿调控时，可以得到U=Uo，其中U是分压电感对地的电压。根据这个假设，可以得到以下公式：

式中：UBH、UCH为两并网CHB 的输出电压，V；UL为线电压，V。

为使装置的直流侧电压保持恒定，若称以iZ,REF、iZB,REF、iZV,REF为边构成的蓝底图形为“调控三角形”，则内角关系为：

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

综上，配电网任意相发生单相接地故障时，有：

1.4 接地故障调控与CHB 直流侧电压平衡协同控制

为了在故障调控期阶段可以有效地保持调控装置电压恒定，必须保证CHB 注入电流与该相CHB输出的电压之间存在90°的相位差。同时注入总电流接近参考电流iZ,REF。在采取电压电流垂直控制过程中会产生开关的损耗，此时可能会引起CHB 直流侧电压降低，由此则要增加直流电压的扰动补偿电流以保持电压的稳定。

具体而言，须要计算B 相CHB 的理论参考电流iZB,REF，以B 相为基准。然后，通过调整直流侧的电流设定值（izdc），可以及时平衡故障调控电流计算偏差以及由于开关损耗等因素引起的CHB 直流侧电压扰动。这种操作的主要优势在于，在增加izdc之后，仍然可以确保两相CHB 输出的总电流以iZ,REF为参考，不会对整体的调控效果产生不利影响。这意味着即使存在电压扰动或其他因素，系统仍然能够维持稳定的电流输出，从而提高了电力系统的可靠性和性能。这种调整操作对于电力系统的正常运行至关重要，因为它有助于应对故障情况和其他电路问题，确保电力传输的稳定性和可控性。通过及时调整izdc，可以有效地减小系统中的不稳定性，确保电流输出在预定值附近波动，提高了系统的响应能力和鲁棒性，这对于电力系统的可维护性和可管理性非常重要。

2 控制器设计

研究控制对象是接地故障调控电流和CHB 的直流侧电压，控制结构如图3 所示。

图3 控制结构图

为了有效控制直流侧免供电两相柔性调控装置，选择合适的参数和开关至关重要： ΣUBdci为B 相CHB 直流侧的实际电压值， ΣUCdci为C 相CHB 直流侧的实际电压值，Uac,REF为单个H 桥子模块直流侧电压参考值。在充电时，将开关SB 和SC 置于端子1，根据“电压电流同相位”原则计算B 相和C相的充电电流。充电结束后，将开关SB 和SC 置于端子2，通过比例积分微分控制器，维持CHB 直流侧电压的稳定。当配电网发生单相接地故障后，将开关SB 和SC 置于端子3。首先，使用二阶广义积分器锁相环（SOGI-PLL）锁定故障相电压eA。然后，计算参考电流信号，用于控制CHB 向配电网注入接地故障调控电流。这确保了在不同的工作模式下，参考电流可以正确地控制CHB 的操作，以实现接地故障调控和电压稳定的协同控制。

3 验证分析

3.1 仿真验证

为验证方法可行性和有效性，建立仿真模型，以此模拟故障，线路参数如表1 所示。

表1 线路参数

为验证研究方法的有效性，进行仿真实验。实验考虑了不同的并网方式和时刻，以及在单相接地故障情况下的控制效果。此次提出的方法在不同的并网情况下均能有效控制直流侧电容的充电过程，确保其达到所需的水平。同时，通过协同控制策略，装置能够迅速响应接地故障，进行有功和无功电流的全补偿，并保持CHB 直流侧电压的稳定性。调控的效果如表2 所示。

表2 调控效果对比

综上验证，本研究可以实现以下关键功能。

软并网：装置能够平稳地与供电系统并网，避免了电压突升和电流激增，降低了装置损坏和供电安全风险[3]。

CHB 直流侧电容充电：通过控制电流的方式，有效地将CHB 直流侧电容充电至所需水平，确保了装置的正常运行。

接地故障调控：装置能够迅速响应单相接地故障，并进行有功和无功电流的全补偿，保持系统的稳定性。

CHB 直流侧电压平衡协同控制：采用协同控制策略，确保CHB 直流侧电压在操作中保持恒定，提高了系统的稳定性。

此外，本文还验证了该装置具备低耐压要求和适应多种故障工况的优势。这些成果将有助于提高电力系统的可靠性和稳定性，减少故障损失，并推动电力系统向更可持续的方向发展。

4 结束语

本次研究分析了柔性消弧装置，解决了供电、拓扑和安装难题，柔性消弧装置设计，采用两相CHB 桥臂和分压电感，装置能够使电流与输出电压垂直，无须额外直流供电，实现对配电网单相接地故障电流的全补偿[4]。采用软并网和“电压电流同相位”原则，实现了长期稳定的电流调控，提高了供电系统的稳定性。此办法可以改善供电系统的性能，提高可靠性，降低维护成本，以及促进电力系统的可持续性[5]。