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

２０１５年５月第３０卷第１０期ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ电工技术学报ＯＦＣＨＩＮＡＥＬＥＣＴＲＯＴＥＣＨＮＩＣＡＬＳＯＣＩＥＴＹＶ０１．３０Ｎｏ．１０２０１５Ｍａｙ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陈柏超１王朋１沈伟伟２武汉４３００７２田翠华１魏亮亮１涂志康１桐乡３１４５００）（１．武汉大学电气工程学院２．国网浙江桐乡市供电公司摘要随着非线性负荷和电力电子设备等的大量使用，接地故障电流中的有功和谐波分量大幅增加，仅补偿了无功电流后的残流足以维持电弧，易导致过电压及事故进一步发展。本文提出了基于磁控电抗器（ＭＣＲ）和有源补偿器（ＡＰＣ）的电磁混合式消弧线圈（ＥＨＰＣ），并详细论述了其两种运行状态和全补偿故障消弧原理。分析了扫频法测量对地电容的影响因素，并提出改进措施。理论推导了中性点位移电压、故障相电压和线路零序电流与接地故障电流各分量之间的关系，提出了针对接地故障电流无功、有功和谐波分量的解耦补偿和柔性控制策略。经仿真分析和实验平台验证，接地故障电流能够得到快速有效的全补偿，达到电流和电压双重消弧，表明了本文所述原理和控制策略的正确性和可行性。关键词：磁控电抗器中图分类号：ＴＭ７７有源补偿器故障消弧全补偿柔性控制ＴｈｅＰｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＦｕｌｌＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎＡｒｃＳｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎａｎｄＦｌｅｘｉｂｌｅＣｏｎｔｒｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＨｙｂｒｉｄＰｅｔｅｒｓｅｎＣｏｉｌＷａｎｇＰｅｎ９１ＣｈｅｎＢａｉｃｈａ０１ＳｈｅｎＷｅｉｗｅｉ２ＴｉａｎＣｕｉｈｕａｌＷｅｉＬｉａｎｇｌｉａｎ９１Ｃｈｉｎａ３１４５００Ｃｈｉｎａ）ＴｕＺｈｉｋａｎ９１（１．ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＷｕｈａｎ４３００７２２．ＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＢｕｒｅａｕｏｆＴｏｎｇｘｉａｎｇＡｂｓｔｒａｃｔＴｏｎｇｘｉａｎｇＡｓｎｏｎｌｉｎｅａｒｌｏａｄｓｌａｒｇｅｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｓａｎｄｍｕｃｈｍｏｒｅｐｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｄｅｖｉｃｅｓｂｅｉｎｇｕｓｅｄ，ａｈａｒｍｏｎｉｃｓａｎｄａｃｔｉｖｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｉｎｃｒｅａｓｅｓｌｏｔｉｎｔｈｅｇｒｏｕｎｄｉｎｇｆａｕｌｔｃｕｒｒｅｎｔ．Ａｆｔｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇｔｈｅｃａｕｓｅｒｅａｃｔｉｖｅｃｕｒｒｅｎｔ，ｒｅｓｉｄｕａｌｃｕｒｒｅｎｔｉｓｅｎｏｕｇｈｔｏｍａｉｎｔａｉｎｔｈｅａｒｃ，ｗｈｉｃｈｍａｙｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅａｎｄｆａｕｌｔｃｏｎｔｉｎｕｅｔｏｄｅｖｅｌｏｐ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅａｎｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｈｙｂｒｉｄｐｅｔｅｒｓｅｎｃｏｉｌ（ＥＨＰＣ）ｂａｓｅｄｉｔ’Ｓｏｎｒｅａｃｔｏｒ（ＭＣＲ）ａｎｄａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ（ＡＰＣ），ｅｘｐｏｕｎｄｓｔｗｏｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｔａｔｕｓｅｓａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａｎａｌｙｓｅｓｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｏｆｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｃａｎｎｉｎｇｔｏｇｒｏｕｎｄｃａｐａｃｉｔｏｒａｎｄｐｒｏｐｏｓｅｓｖｏｌｔａｇｅ，ｆａｕｌｔｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇｐｈａｓｅａｎｉｍｐｒｏｖｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．Ｗｅｓｅｑｕｅｎｃｅａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｎｅｕｔｒａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄｖｏｌｔａｇｅ，ｚｅｒｏｃｕｒｒｅｎｔｇｒｏｕｎｄｉｎｇｆａｕｌｔｃｕｒｒｅｎｔ，ｐｕｔａｔｆｏｒｗａｒｄａｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇａｎｄｆｌｅｘｉｂｌｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｐｏｉｎｔｉｎｇｔｈｅａｃｔｉｖｅ，ｒｅａｃｔｉｖｅａｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｃｕｒｒｅｎｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｇｒｏｕｎｄｉｎｇｆａｕｌｔｃｕｒｒｅｎｔ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｖｅｒｉｆｙｔｈａｔｇｒｏｕｎｄｉｎｇｆａｕｌｔｃａｎｂｅｆｕｌｌｙｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄｆａｓｔａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｍｅｅｔｉｎｇｂｏｔｈｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｖｏｌｔａｇｅ，ｓｕｇｇｅｓｔｉｎｇｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓａｎｄｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ．ｆｌｅｘｉｂｌｅｃｏｎｔｒｏｌｒｅａｃｔｏｒ，ａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ，ａｒｃｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ，ｆｕｌｌ收稿日期２０１４－０８—２３改稿日期２０１４．１１．０６万方数据３１２电工技术学报２０１５年５月１引言配电网覆盖面大、分布广，沿线的运行环境复杂多变，易发生故障，大多为单相接地故障，尤以瞬时性接地故障为最多。采用合理的中性点接地方式和有效的消弧措施，有利于接地电弧的熄灭、瞬时接地故障的恢复和永久接地故障线路的检出。接地故障消弧是通过减小接地故障电流，减小介质损伤，达到熄弧；当残流过零熄弧后，通过降低故障相恢复电压的初速度，增大恢复时间，有利于绝缘恢复；减小恢复电压幅值，阻止绝缘介质再次击穿和电弧重燃…。在中性点串入阻抗补偿接地故障电流，同时抑制故障相恢复电压的幅值和上升速度，称为电流消弧。基于静止连续可控电抗的消弧线圈可补偿接地容性电流，如阻抗可控型（调气隙、直流助磁式、磁阀式）和等效阻抗可控型（调容式、高短路阻抗变压器、磁通可控型）【ｌ’２］。随着非线性负荷和电力电子设备等的大量使用，接地故障电流中的谐波和有功分量大幅增加，仅补偿了无功电流后的残流足以维持电弧，易导致过电压及事故进一步发展。文献［３］提出基于有源滤波技术的消弧线圈，文献［４］提出的从消弧线圈二次侧注入电流的零残流消弧线圈，能补偿接地故障电流有功、无功和谐波分量，但因以全电流补偿为控制目标，实现复杂。通过抑制故障相恢复电压，阻止电弧重燃达到消弧作用，称为电压消弧。文献［５］提出基于有源逆变注入零序电流，通过控制零序电压使故障相恢复电压为零，同时接地故障电流减小为零，实现故障消弧。文中采用有源补偿器与调匝式消弧线圈配合，减少了有源补偿器的注入容量，但调匝式消弧线圈补偿的无功电流不能连续调节。有源逆变器需提供接地故障电流的全部有功分量和剩余的无功分量。消弧线圈补偿接地故障全电流有开环和闭环两种控制策略：开环控制的补偿速度较快，但需要准确测量对地电容、泄漏电阻等；闭环控制可以跟踪补偿，但需要直接检测或间接测量接地故障全电流。中低压配网的无功和谐波补偿器大多是并联补偿装置，如：静止无功补偿器（ＳｔａｔｉｃＶａｒＣｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ．ＳＶＣ）、静止同步补偿器（ＳｔａｔｉｃＶａｒＣｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ，ＳＴＡＴＣＯＭ）和并联型有源电力滤波器（ＰａｒａｌｌｅｌＴｙｐｅＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦｉｌｔｅｒ，ＰＡＰＦ）。在闭环补偿过程万方数据中，往往需要检测相关电流或电压得到控制指令；而ＰＡＰＦ需要检测负载侧或电源侧的谐波电流才能实现谐波电流跟踪补偿【６］。现行消弧线圈的补偿控制技术与这些并联装置类似，不同之处在于：消弧线圈运行时，无法有效的检测接地故障电流，而通过零序电压控制又难以对谐波分量起作用。本文提出了基于磁控电抗器（ＭａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙＣｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅＲｅａｃｔｏｒ，ＭＣＲ）［７－８１和有源补偿器（ＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＣｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ，ＡＰＣ）的电磁混合式消弧线圈（ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＨｙｂｒｉｄＰｅｔｅｒｓｅｎＣｏｉｌ。ＥＨＰＣ）的全补偿故障消弧原理。其中，ＭＣＲ是通过改变直流励磁电流，连续平滑的调节等效电抗，达到自动跟踪补偿接地故障电流的无功分量的目的。ＡＰＣ能补偿有功和谐波，可等效为一个可调负电阻和ＰＡＰＦ的并联，其工作原理与ＳＴＡＴＣＯＭ和ＰＡＰＦ类似，采用基于电力电子技术的柔性控制策略［７，１０］。文献［５，１０，１１］论述了基于故障相电压或失谐量的自动跟踪调谐控制方法，均仅考虑了对无功电流的跟踪补偿。本文提出以相关的电压大小、相位和谐波电流等为相互独立的反馈量和控制目标，简化了ＭＣＲ和ＡＰＣ的解耦控制，能有效的补偿接地故障全电流。当ＭＣＲ补偿无功分量时，ＡＰＣ仅补偿有功和谐波分量，所需容量配置显著减小。文献ｆ１２—１４］提出了采用调匝式消弧线圈和注入变频电流的扫频法测量对地电容，本文则提出了基于ＭＣＲ的扫频法。在系统正常运行时，实时测量系统对地电容，预设开环补偿参数。一旦发生单相接地故障，ＭＣＲ进入设定补偿状态，快速补偿接地故障电流无功分量。本文详细分析了中性点位移电压、故障相电压和线路零序电流与接地故障电流各分量之间的关系，提出了针对接地故障电流无功、有功和谐波分量的解耦补偿和柔性控制策略。２ＥＨＰＣ的全补偿故障消弧原理２．１概述基于ＥＨＰＣ的配电网如图１所示，言。、童。、廓分别为三相电源电压，Ｌ。（或Ｌｏ）为改进ＭＣＲ的电感值（或空载电感），／ｉ（或厶）为ＡＰＣ向中性点注入的电流（或变频电流），ＣＡ、ＣＢ、ｃｃ和ＲＡ、尺Ｂ、尺ｃ为配电网各相对地电容和对地泄漏电阻，尺ｄ为接地故障过渡电阻，玩为中性点位移电压，玩为母线零序电压，Ｌ为接地故障电流。第３０卷第１０期陈柏超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３１３图１基于ＥＨＰＣ的配电网Ｆｉｇ．１ＥＨＰＣｂａｓｅｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋ根据是否发生单相接地故障，ＥＨＰＣ有对地电容测量和全补偿故障消弧两种运行状态，对应的零序回路等效电路图分别如图２和图３所示。其中，Ｃ０和尺。为系统零序回路的等值电容和电阻（即Ｃ。＝ＣＡ＋ＣＢ＋ｃｃ，Ｒｏ＝尺Ａ／／ＲＢ／／Ｒｃ），虚线框内为ＥＨＰＣ的等效电路。测量系统对地电容时，ＥＨＰＣ等效为变频电流源和并联电抗；全补偿消弧时，ＥＨＰＣ等效为可控电抗、并联电阻和谐波电流源。通过两种运行状态的相互切换，ＭＣＲ和ＡＰＣ的工作特性得充分利用。弋“ｊ对地电容测量模式的等效电路ｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｏｆｇｒｏｕｎｄｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｅ｝＿斟裔图３全补偿消弧模式的等效电路Ｆｉｇ．３Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｏｆｆｕｌｌｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎａｒｃｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｍｏｄｅ２．２对地电容测量模式系统正常运行时，ＥＨＰＣ处于对地电容测量模式，其等效原理图如图２所示，ＭＣＲ的空载电感变频恒流厶搜索谐振频率，当达到回路的并联谐振频率时，中性点位移电压玩的变频分量阢为最大万方数据值，且满足关系式三ｏＣｏ＝１／（２兀厂）２。为了不影响系统的正常运行，注入的变频电流幅值较小，因三相对地电容不平衡（ＣＡ≠ＣＢ≠Ｃｃ）产生的不对称电压Ｄ。。，降低了信噪比，影响阢的检测。泄漏电阻尺。较大，可忽略其对并联阻抗的影响，则母线零序电压为玩＝。ｆ一。００２ｊ网Ｉｆ一吼。（１）ｊ『２蚂一—三７另外，在不对称电压的作用下，ＭＣＲ的空载电感三。随两端电压有一定的非线性。通过优化ＭＣＲ的铁心结构和本体磁路能改善￡。的线性度［１５１。如图４所示，“ｉ经抵消和带通滤波等信号调理处理得到变频分量有效值珥，通过变频和比较测得坼的最大值‰。。和对应的参数谐振频率‘。根据正和已知的空载电感值三。，则对地电容值为Ｃ０２而瓦１（２）＿厂ｋｃ，ｆ。。。至变频电流源图４对地电容测量的原理框图Ｆｉｇ．４Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｇｒｏｕｎｄｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ２．３全补偿故障消弧模式如图１所示，基于ＥＨＰＣ的配电网中，Ｃ相经过渡电阻Ｒｄ接地。由基尔霍夫定律可知丘＝（以训∽＋卦（／；Ｂ＋Ｕｏ）陋＋卦（岛＋战）陋＋去＋扑嵩㈩设三相电源对称取＋言Ｂ＋受＝ｏ，系统对地阻抗平衡ＣＡ＝ＣＢ＝Ｃｃ，ＲＡ＝尺Ｂ＝尺ｃ，则有㈨陋＋志心＋警㈩当缈Ｃ０２面１ｉ，五—一鲁则战＝一岛且ｔａ２。。若考虑接地故障电流的谐波分量，图１对应的零序回路等效电路如图３所示，ＥＨＰＣ处于全补偿故障消弧模式。由上述分析，ＭＣＲ补偿对地电容电三。与系统对地电容Ｃ０构成并联回路。经变压器注入３１４电工技术学报２０１５年５月流；ＡＰＣ相当于负电阻尺ｉ和ＰＡＰＦ的并联，在中性阻尼率下，哦、瞌和ｔａｎ０随合谐度Ｋ的变化曲线。——ｒ＝０点注入负阻性电流和谐波电流＞’Ｊ『。。通过适当的控Ｊ＿＿’制策略，ＥＨＰＣ可将接地故障电流减小为零，使中性点位移电压幅值等于相电压，实现全补偿，同时达到电流消弧和电压消弧的效果。见式（５），ＡＰＣ不输出无功功率，其配置容量显著减小，一般不超过全补偿总容量的１０％，提高了运行可靠性。４…ｆ＝１一一一ｒ＝２ｓ＝百Ｕｐ２＋ＵｐｈＺＩｎ３３．１（５）ＥＨＰＣ的柔性控制策略工频分量补偿的控制策略如图３所示等效电路中，仅考虑ＭＣＲ的补偿，Ｋ图５Ｆｉｇ．５Ｕ０４、ｌｊ４ｄ和ｔａｎＯ随Ｋ值的变化曲线Ｃｕｒｖｅ…赤ｌＯ％～－一萨５％——赤０ｏｆ皖，／ｊ４ｄａｎｄｔａｎＯｗｉｔｈＫ１％则接地故障电流和中性点位移电压分别为知２一％）盱两１万叫ｌｉ以血Ｊ如∽’图６Ｆｉｇ：６配网的阻尼率ｄ＝Ｘｃｏ／民（一般为２％～ｌｏ％），ＭＣＲ的补偿合谐度Ｋ＝Ｘｃｏ／五。。考虑ＡＰＣ等效负玩、ｌｊ４ｄ和ｔａｎＯ随Ｋ值的变化曲线Ｃｕｒｖｅ电眦后，阻尼和２等＝等‰令故障接地系数ｆ＝民／＆ｏ，当ｒ＜６．６时，Ｖｏ大于允许值，需要进行故障消弧。则式（６）和式（７）可化简为ｏｆ哦，ｌｊ８ｄａｎｄｔａｎＯｗｉｔｈＫ由式（１０）、图５和图６可知，在任意ｄ值和ｆ值下，当ｔａｎ０＝０时，Ｋ＝Ｉ，即无功分量完全补偿，则式（８）和式（９）可进一步化简化为铲昙鱼Ｘｃｏ［州（１一Ｋ）］吼一去岛［Ｄ－ｊ（１一Ｋ）爿刁（１一Ｋ）２＞ｏ，Ｄ－－Ａｄ７ｒ＋Ａ。（８）铲一南舞ｕ。一瓦而‰…，‘１２’（９）式中，彳＝ｄ７２＋（１一Ｋ）２＞ｏ，Ｂ＝Ａｒ＋ｄ’，Ｃ＝日２＋图７所示为Ｕｏ＋和，磊随合谐度Ｋ和补偿后阻尼率ｄ’的变化曲面。由式（１１）、式（１２）和图７可知，若采用适当的控制使Ｋ＝Ｉ和ｄ７＝０，则ｊｉｄ＝０和以中性点电位为参考，设丘ｃ超前Ｃ：ｏ的相位角为０，由式（９）可知其正切值的表达式为Ｖｏ＝一岛，达到电流和电压双重消弧。ｔａｎ秒一ＡＤｒ（、Ｋ一１）２瓦ｒ＋１、Ｋ一１）（１０）ＥＨＰＣ对接地故障电流工频分量的解耦补偿如图８所示。以中性点位移电压和电源相电压为反馈令玩２‰／％、石２‘ｄ／１ｃ，％为相电压，将式（５）进行归一化。图５和图６分别为（ｄ＝１０％量，分别检测ｅｃ与ｕｏ相位差的正切值ｔａｎ０和民与砜大小的差值阢，，＝（砜—Ｅｃ），经ＰＩ控制环节分别调整补偿感抗参考量噩。ｒｅｆ和等效负电阻参考量Ｒｉｒｅｆ。万方数据第３０卷第１０期陈柏超等乜磁；昆合式消弧线圈的全补偿故障消弧原理及其柔性控制策略３１５通常，采用消弧接地方式的中低压配网有出线多，分布广的特点，则厶ｍ接近厶。。接地故障电流有功和谐波分量的补偿控制如图１０所示。以故障线路零序电流ｆｏｉ为反馈量，提取谐波分量ｉ０『ｈ，（ｉＯｊｈ＋ｉｉＲ，。ｆ）为参考量，采用ＰＷＭ调制方式控制ＡＰＣ的输出电流，补偿接地故障电流的有功和谐波分量。由于ＡＰＣ的柔性控制技术与ＳＴＡＴＣＯＭ和ＡＰＦ类似，本文不予赘述。图７乙．ｊ和丘随Ｋ值和ｃ，’值的变化曲面ＳｕｒｆａｃｅｏｆＵ０＋，／ｊ‘ｄｗｉｔｈＫａｎｄｄ’Ｆ培７％图１０接地故障电流有功和谐波分量补偿控制框图Ｆｉｇ．１０Ｃｏｎｔｒｏｌｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆａｃｔｉｖｅａｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｓｃｏｍｐｏｎｅｎｔｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ３．３全补偿故障消弧的控制流程在前面所述方法对接地故障电流工频分量补偿图８Ｆｉｇ．８接地故障电流工频分量解耦补偿的控制框图Ｃｏｎｔｒｏｌｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｐｏｗｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ的过程中，采用适当的选线方法，如：残流增量法或零序导纳法等【ｌ】，可有效判断出故障线路。故障消弧的控制流程如图ｌ１所示。连续检测三相电源电压和中性点位移电压，实时测量对地电容值并预设开环补偿参数。当中性点位移电压大于１５％相电压时，ＭＣＲ快速的开环补偿，并根据中性点位移电压和三相电源电压的相位变化确定故障相。当开环补偿达稳态，ＭＣＲ启动闭环控制补偿容性电流，ＡＰＣ注入负阻性电流闭环补偿阻性电流。在工频分量补偿过程中，采用适当的方法判定故障线路，实时跟踪故障线路的零序电流谐波分量补偿接地故障电流谐波分量，达到全补偿故障消弧。根据阻抗特性函数ｘ＝．厂（ｕ０，厶。）和砜，调节直流励磁电流参考量，ｄ。￡。ｒｅｆ，改变ＭＣＲ的补偿电流。根据尺ｈ，调节与Ｕ。相位相反的负阻性电流参考量ｉｉＲｒｅｆ，以ＰＷＭ调制方式控制ＡＰＣ的输出电流。需要注意，当ＭＣＲ根据预设参数进入开环补偿状态后，上述解耦补偿能够有较好的闭环控制特性。３．２谐波分量补偿控制策略如图１所示，基于ＥＨＰＣ的配电网中，胛回出线中第，回出线的ｃ相经电阻Ｒｄ接地时的谐波电流分布如图９所示。其中，所有正常线路的对地电流谐波分量之和为乏］厶曲，故障线路的对地电流谐波ｎ｛ｊ分量为厶ｍ，则故障线路零序电流的谐波分量为厶ｍ＝Ｉｏｈ一，ｏ，ｈ＝２。／ｏ柚月≠ｉ（１３）整控电抗器以预设参数开环补偿并确定故障相‘◇否ｆｒ扫频测量对地电容值开环补偿到位后，闭环跟踪补偿容性电流‘有源补偿器闭环跟踪补偿阻性电流‘进行接地故障选线‘有源补偿器闭环跟踪补偿谐波电流图９故障接地时的谐波电流分布图Ｆｉｇ．９ＨａｒｍｏｎｉｃｃｕｒｒｅｎｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｗｈｅｎｇｒｏｕｎｄｉｎｇｆａｕｌｔＦｉｇ．１１图１１全补偿故障消弧的控制流程图ａｒｃＦｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｆｕｌｌｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ万方数据３１６电工技术学报２０１５年５月４仿真分析为了验证本文提出的全补偿故障消弧原理，以及所述解耦方法闭环补偿接地故障电流工频分量的可行性，本文采用ＥＭＴＤＣ／ＰＳＣＡＤ进行模拟仿真。具体系统参数配置如下：系统电压为１０．５ｋＶ，线路１０００，７５Ｏ５００．２５０１０＞０５的单相对地电容为２６．３灯，阻尼率为ｄ＝１０％，忽略电源和接地变压器阻抗。根据理论计算，金属接地且未补偿时，接地故障电流的容性和阻性分量分别为１５０Ａ和１５Ａ。消弧线圈配置为：ＭＣＲ额定电压为６．０６ｋＶ，额定电流为１５０Ａ；ＡＰＣ的额定电压为４５０Ｖ，额定电流为２００Ａ；升压变压器变比为６０００：４５０。砉０—０．５—１Ｏ图１４相位差正切值ｔａｎ０和幅值差Ｕｏ—Ｅ，的变化趋势Ｆｉｇ．１４Ｖａｒｉａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｓｏｆｔａｎ０ａｎｄＵｏ－Ｅｃｔ＝ｔ１时，发生接地故障，‰上升且大于允许值，Ｃ相经６５Ｑ过渡电阻（ｒ＝１．６）发生单相接地故障，采用本文所述解耦控制方法闭环补偿接地故障电流，仿真结果如图１２～图１４所示。稳态时％＝４．５０ｋＶ，ｇｏ＝３．５３ｋＶ。因对地电容测量所需的空载电抗接近１Ｈ，ＭＣＲ的输出电流厶。＝９．５Ａ，接地故障电流Ｉｉｄ＝６９．１Ａ。ｔ＝ｔ２时，通过开环补偿将ＭＣＲ的感抗迅速降至１２７ｍＨ。当ｔａｎＯ减小至０．１５时，ＭＣＲ启动闭环脚删一０００２０３，／ｓ补偿。稳态时，ＭＣＲ的补偿电流／Ｌ。＝１２０．７Ａ，五ｄ＝１５．１Ａ（主要为阻性分量），％＝０．９８ｋＶ，Ｕｏ＝５．２０ｋＶ。ｔ＝ｔ３时，ｔａｎ０在单位时间内的变化率减小至０．１／ｓ，ＡＰＣ启动闭环补偿。ｔ＝０．７ｓ时，注入的负阻性电流厶＝１５．２Ａ，／Ｌ。＝１４７．３Ａ，／ｊｄ＝２．２Ａ，Ｕｃ＝１４５Ｖ，Ｕｏ＝６．０６ｋＶ，Ｕｏ—Ｅｃ≈２Ｖ，达到全补偿故障消弧。优化ＰＩ参数和各部分闭环补偿启动的整定值后，仿真结果如图１５所示。０４０５０６０７图１２故障相电压“ｃ和中性点位移电压Ｉｔｏ的波形Ｆｉｇ．１２ｄｊｌ一喜；㈣ｏ㈣薹；㈨删忡—■—－ＶａｒｉａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｓｏｆＩＩＣａｎｄ”ｏ２００１００≤０～一１００－２００ｚ＝一㈣㈣。㈨瑚２００Ｌ＜１００卜ｉｉ≤ｏ＿＿—＿＿——————＿＿————————＾，、＾，、，、＾＾＾＾＾，、，、＾＾＾／、，、广一１００｝２００Ｌ图１５接地故障电流ｌ‘ｊｄ、感性补偿电流吐。和注入的负阻性电流ｉｊ的波形ｆ／ｓ０．５６ｓ时发生单相接地故障，ＭＣＲ开环补偿，１０ｍｓ后启动闭环补偿；０．１Ｓ时，ｔａｎＯ减小至０．０３，ＡＰＣ启动闭环补偿；０．２ｓ时，残流厶ｄ＝２．１Ａ，消弧时间小于２００ｍｓ；０．３ｓ时，］ｊｄ＝Ｏ．６Ａ更趋稳定。图１３接地故障电流／’ｊｄ、补偿电流ｉＬ。和注入的负阻性电流ｉｉ的波形Ｆｉｇ．１３Ｖａｒｉａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｓｏｆｌ‘ｉｄ，吐ｍａｎｄｉｉ万方数据第３０卷第１０期陈柏超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３１７上述仿真结果表明：基于ＥＨＰＣ对工频分量的全补偿原理是正确的；本文所述解耦方法闭环补偿接地故障电流工频分量是可行的；适当调整控制参数，故障消弧时问能够满足工程应用的要求。５实验验证为了验证ＥＨＰＣ对接地故障电流工频和谐波分量全补偿的柔性控制策略，参照图１搭建实验平台，具体参数配置如下：电源为三相四线制３８０Ｖ市电，各相由１８２９Ｆ电容器组和２００ｆ２电阻并联接地，等效于阻尼率为８％的线路。Ａ相和Ｂ相经可控整流电路接地，模拟短路时零序回路的谐波源。适当调整整流控制参数，金属接地且未补偿时，接地故障电流的容性、阻性和谐波分量约为４０Ａ、４Ａ和１Ａ。消弧线圈配置为：ＭＣＲ额定电压为３８０Ｖ，额定电流为５０Ａ，空载电抗为５６０～６００ｍＨ；ＡＰＣ采用ＡＣ／ＤＣ．ＤＣ／ＡＣ全桥变换器的拓扑结构，设计额定电压为４００Ｖ，额定电流为２０Ａ。分组投入不同的电容组，采用本文所述的扫频法测量对地电容值。如下表所示的实验结果表明：测量误差小于２％，满足国标要求。表Ｔａｂ．圈ｌ７补偿感性电流ｌ￡。和注入电流ｉ。的波形Ｆｉｇ．１７ＶａｒｉａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｓｏｆｉＬｍａｎｄｉｉ预设参数开环补偿后闭环跟踪补偿，ｔ＝ｔ３时到达稳态；延时０．１ｓ后ｔ＝ｔ４时，ＡＰＣ启动闭环补偿，ｔ＝ｔ５时到达稳态。整个过程中，接地故障电流的容性、阻性和谐波电流分量逐渐得到补偿。各阶段达稳态的时间之和［（ｆ３－－ｆ２）＋（ｒ５一ｆ４）］约为６个工频周期１２０ｍｓ。实验结果表明：ＭＣＲ根据测量值实时预设参数开环补偿有较好的准确性；采用预设参数开环控制后闭环跟踪补偿的控制方式提高了消弧速度和补偿特性；所述柔性控制策略能有效补偿接地故障电流各分量，达到全补偿故障消弧。６对地电容测量结果Ｍｅａｓｕｒｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｇｒｏｕｎｄｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ结论（１）提出的电磁混合式消弧线圈，通过电容测３７．１２８－８２４．４２１．６５８６．７５８３．３５８０．４３１．３７５２．３５７３．３０９３．７７１．０９０．６５０．６７０．８３量和故障消弧两种运行状态的转换，充分利用ＭＣＲ和ＡＰＣ的工作特性，减小了ＡＰＣ的配置容量。（２）分析了对地电容测量的影响因素，提出了有效的改进措施，确保了预设补偿参数的准确性。（３）以电压的相位、大小和故障线路零序电流谐波分量为独立的反馈量和控制目标，采用柔性控制策略补偿接地故障电流的无功、有功和谐波分量，实现了ＭＣＲ和ＡＰＣ的解耦控制，简单有效。（４）采用开环和闭环结合的控制策略，提高了故障消弧速度和闭环补偿的稳定性。（５）仿真和实验结果说明了本文提出的全补偿故障消弧原理及其控制策略的正确性和可行性。参考文献［１】要焕年．电力系统谐振接地［Ｍ】．北京：中国电力出版社，２００９．［２］ＴｉａｎｂａｓｅｄＪ，ＣｈｅｎＱ，ＣｈｅｎｇＬ，ｅｔａ１．Ａｒｃ—ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｃｏｉｌｏｎ单相投入１２８９Ｆ对地电容，Ｃ相经５Ｑ过渡电阻接地模拟短路，实验平台的补偿结果如图１６和图１７所示。户ｆ．时，发生接地短路；ｔ＝ｔ２时，根据——］ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｗｉｔｈｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｌｏａｄ［Ｊ１．１ＥＴ万方数据３１８电工技术学报２０１５年５月ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１１，５（８）：６４４－６５３．［３］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，２００７，３５ｆ３１：２９—３３．ＱｕＹｉｌｏｎｇ，ＤｏｎｇＹｉｍａｉ，ＴａｎＷｅｉｐｕ，ｅｔａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｎｅｗｔｙｐｅａｒｃ—ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｃｏｉｌｂａｓｅｄｏｎｓｉｎｇｌｅｐｈａｓｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｒｅｌａｙ，２００７，３５（３）：２９－３３．［４】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．［５］曾祥君，王媛媛，李健，等．基于配电网柔性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．ＺｅｎｇＸｉａｎｇｊｕｎ，ＷａｎｇＹｕａｎｙｕａｎ，ＬｉＪｉａｎ，ｅｔａ１．Ｎｏｖｅｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｆａｕｌｔｓａｒｃｅｘｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇ＆ｆｅｅｄｅｒｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｆｌｅｘｉｂｌｅｇｒｏｕｎｄｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ，２０１２，３２（１６）：１３７—１４３．［６］王兆安，杨君，刘进军，等．谐波抑制和无功功率补偿［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００４．［７］田翠华，陈柏超．磁控电抗器在７５０ｋＶ系统中的应用［Ｊ］．电工技术学报，２００５，２０（１）：３１—３７．ＴｉａｎＣｕｉｈｕａ，ＣｈｅｎＢａｉｃｈａｏ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｒｅａｃｔｏｒｉｎ７５０ｋＶｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓａｃ—ｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２００５，２０（１）：３１—３７．［８】ＣｈｅｎＸｕｘｕａｎ，ＣｈｅｎＢａｉｃｈａｏ，ＴｉａｎＣｕｉｈｕａ，ｅｔａ１．Ｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆａｔｗｏ—ｓｔａｇｅｓａｔｕｒａｂｌｅｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｒｅａｃｔｏｒｆｏｒａｎａｒｃｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｃｏｉｌ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１２，５９（７）：２８２４—２８３１．［９］熊卿，张哲，尹项根，等．新型配电变压器一体化ＳＴＡＴＣＯＭ技术研究［Ｊ］．电工技术学报，２０１２，２７（１０）：２６２—２６９．ＸｉｏｎｇＱｉｎｇ，ＺｈａｎｇＺｈｅ，ＹｉｎＸｉａｎｇｇｅｎ，ｅｔａ１．Ａｎｏｖｅｌｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒａｎｄｓｔａｔｉｃｖａｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１２，２７（１０）：２６２－２６８．［１０］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，万方数据２０１４，４２（９）：８６—９０．ＬｉＴａｏ，ＭｉａｏＸｉａｏｐｅｎｇ，ＬｉＸｉａｏｂｏ．Ａｎｅｗｔｕｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆａｒｃｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｃｏｉｌｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｎｓｔａｎｔｚｅｒｏ—ｓｅｑｕｅｎｃｅｖｏｌｔａｇｅａｍｐｌｉｔｕｄｅ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１４，４２（９）：８６—９０．ｎＵ刘宝稳，李晓波．基于失谐量的消弧线圈跟踪调谐方法［Ｊ】．电力系统保护与控制，２０１３，４１（５）：６－９．ＬｉｕＢａｏｗｅｎ，ＬｉＸｉａｏｂｏ．Ｎｅｗｔｙｐｅｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｔｕｎｉｎｇａｒｃ—ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｃｏｉｌｂａｓｅｄｏｎｄｅｔｕｎｉｎｇｓｉｚｅ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１３，４１（５）：６－９．¨纠ＺｅｎｇＸｉａｎｇｊｕｎ，ＸｕＹａｏ，ＷａｎｇＹｕａｎｙｕａｎ．Ｓｏｍｅｎｏｖｅｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｆｏｒｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｐｅｔｅｒｓｅｎ—ｃｏｉｌｃｏｎｔｒｏｌｉｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１０，５７（４）：１４４５—１４５１．¨纠张宇，陈乔夫，谢冰若，等．扫频检测电网对地电容的改进型方法［Ｊ］．继电器，２００７，３５（３）：２９—３３．ＺｈａｎｇＹｕ，ＣｈｅｎＱｉａｏｆｕ，ＸｉｅＢｉｎｇｒｕｏ，ｅｔａ１．Ａｍｏｄｉｆｉｅｄｍｅｔｈｏｄｆｏｒｄｅｔｅｃｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｔｏｅａｒｔｈｂａｓｅｄｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｃａｎｎｉｎｇ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８，３２（１７）：４０—４５．ｎ卅丛伟，李盼盼，李洪涛，等．基于恒频注入信号的消弧线圈自动跟踪补偿技术研究［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１０，３８（１９）：１８５．１８９．ＣｏｎｇＷｅｉ，ＬｉＰａｎｐａｎ，ＬｉＨｏｎｇｔａｏ，ｅｔａ１．Ａｕｔｏｍａｔｉｃａｒｃｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｃｏｉｌｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｂａｓｅｄｏｎｆｉｘｅｄ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｉｇｎａｌｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１０，３８（１９）：１８５—１８９．口习吴茜，蔡旭，徐波．具有两级磁阀的消弧线圈关键参数设计［Ｊ］．电工技术学报，２０１１，２６（１０）：２２４—２３０．ＷｕＸｉ，ＣａｉＸｕ，ＸｕＢｏ．Ｄｅｓｉｇｎｏｆｋｅｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｂｏｕｔｔｗｏ—ｓｔａｇｅｍａｇｎｅｔｉｃｖａｌｖｅａｒｃ—ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｃｏｉｌ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１１，２６（１０）：２２４—２３０．作者简介陈柏超男，１９６０年生，博士，教授，博士生导师，研究方向为新型磁控技术及其在电力系统中的应用。王朋男，１９８６年生，博士研究生，本文通讯作者，研究方向为ＦＡＣＴＳ技术和检测新技术在电力系统中的应用。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

作者：作者单位：

陈柏超， 王朋， 沈伟伟， 田翠华， 魏亮亮， 涂志康， Chen Baichao， Wang Peng， Shen Weiwei，Tian Cuihua， Wei Liangliang， Tu Zhikang

陈柏超,王朋,田翠华,魏亮亮,涂志康,Chen Baichao,Wang Peng,Tian Cuihua,Wei Liangliang,Tu

Zhikang(武汉大学电气工程学院 武汉 430072)， 沈伟伟,Shen Weiwei(国网浙江桐乡市供电公司 桐乡314500)

电工技术学报

Transactions of China Electrotechnical Society2015,30(10)

刊名：英文刊名：年，卷(期)：

引用本文格式：陈柏超.王朋.沈伟伟.田翠华.魏亮亮.涂志康.Chen Baichao.Wang Peng.Shen Weiwei.Tian Cuihua.Wei Liangliang.Tu Zhikang 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[期刊论文]-电工技术学报 2015(10)