一种基于离散域双闭环控制的配电网柔性接地消弧方法与流程

[0001]
本发明涉及一种基于离散域双闭环控制的配电网柔性接地消弧方法，属于配电网控制领域。


背景技术：

[0002]
配电网的安全、稳定、可靠运行，是保障国民经济发展的基础，在社会生活中有着重要的地位。我国配电网普遍采用中性点非有效接地方式，主要包括中性点不接地、中性点经消弧线圈接地等。当发生单相接地故障时，系统线电压保持对称，不影响三相设备的正常运行，电力规程规定可继续运行1～2小时等待处理，避免了瞬时性接地故障跳闸带来的损失，提高了供电可靠性。然而，随着电缆线路，电力电子变流装置的广泛使用，在系统发生单相接地短路故障时，短路电流中除了含有基波容性无功电流外，还包含大量有功和谐波电流，而这两部分电流无法通过传统消弧线圈进行补偿，导致补偿后的故障点残余电流仍超过安全标准，故障点将产生燃弧并难以自行熄灭。
[0003]
在发生单相接地故障的初期，有源补偿装置采用电压源型变流器(voltage source converter，vsc)为配电网中性点提供频率与幅值恒定、低thd的高质量供电电压，向中性点注入零序电流补偿接地故障残流，延缓故障相电压的恢复速度，使流过故障点的电流为零，实现对故障电流中的有功和谐波分量进行完全补偿，达到抑制电弧的目的。考虑数字控制的一拍延时以及变流器的零阶保持性，直接在离散域中的建立vsc双闭环控制离散模型，通过电流内环的比例增益为输出lc滤波器提供虚拟阻尼，在不增加损耗的前提下改善其频率响应从而抑制谐振，提高系统的稳定性；在电压外环采用比例谐振控制器，通过结合稳定裕度和抑制闭环奇异点的要求，确定比例系数；考虑对延时角进行补偿，抑制谐振频率附近的闭环奇异点，避免输出电压振荡；最后加入高频谐振器，实现对电网中高频谐波的补偿，确保电压环在期望频率处均获得无静差调节，获得较高的输出电压质量。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于提供一种基于离散域双闭环控制的配电网柔性接地消弧方法，本发明通过有源补偿装置提供高质量供电电压，向配电网中性点注入电流来补偿配电网的发生单相接地故障时，传统消弧线圈难以补偿的有功和谐波分量，使得补偿后的故障残流为零，避免电弧的产生，确保了配电网的安全可靠运行。包括如下步骤：
[0005]
步骤1、建立有源补偿装置电流内环中被控对象的离散模型；
[0006]
步骤2、电流环采用比例控制器，根据电流环开环传递函数最大的闭环极点阻尼率确定电流控制器提供的最优增益；
[0007]
步骤3、将电流内环作为电压环的等效被控对象进行离散化；
[0008]
步骤4、电压环采用比例谐振控制器，根据电压环开环传递函数的奈奎斯特曲线至(-1，j0)的最短距离及敏感函数分析确定电压控制器比例增益系数；
[0009]
步骤5、确定电压控制器谐振项的延时补偿角，避免出现闭环奇异点导致输出电压
振荡；
[0010]
步骤6、进行电压高频谐波补偿设计，确保电压环在各期望频率处均能实现无静差调节。
[0011]
进一步地，步骤1所述的有源补偿装置电流内环中被控对象的离散模型，具体如下：
[0012][0013]
其中为lc滤波器的谐振角频率，t
s
为采样周期。
[0014]
进一步地，步骤2所述的电流环开环传递函数的闭环极点阻尼率，具体如下：
[0015][0016]
其中p
cl
为闭环极点；在电流环阻尼比ξ最大处确定电流控制器的比例系数。
[0017]
进一步地，步骤3所述的电压环的等效被控对象离散模型，具体如下：
[0018][0019]
其中b1＝1+c
i
(z)/(ω
res
l)sin(ω
res
t
s
)，c
i
(z)为电流控制器。
[0020]
进一步地，步骤4所述的电压环采用比例谐振控制器，根据电压环开环传递函数的奈奎斯特曲线至(-1，j0)的最短距离及敏感函数分析确定电压控制器比例增益系数，具体如下：
[0021]
步骤4.1、电压环采用的比例谐振控制器在连续域为：
[0022][0023]
其中k
p
为比例系数，为谐振系数，为谐振项，为延时补偿角，ω
e
为基波角频率；
[0024]
步骤4.2、将比例谐振控制器采用预曲双线性变换法进行离散化为：
[0025][0026]
其中为谐振项；
[0027]
步骤4.3根据电压环开环传递函数的奈奎斯特曲线至(-1，j0)的最短距离及敏感函数分析确定电压控制器比例增益系数。
[0028]
进一步地，步骤5所述的电压控制器谐振项的延时补偿角，具体如下：
[0029][0030]
其中为电压环的等效被控对象离散模型。
[0031]
进一步地，步骤6所述的电压高频谐波补偿设计，具体如下：
[0032][0033]
其中为高频谐振项，为谐振系数，延时补偿角为
[0034]
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
[0035]
(1)考虑了数字控制的一拍延时以及变流器的零阶保持性，直接在离散域中的建立vsc双闭环控制离散模型；
[0036]
(2)通过电流内环的比例增益为输出lc滤波器提供虚拟阻尼，在不增加损耗的前提下改善其频率响应从而抑制谐振，提高系统的稳定性；
[0037]
(3)在电压外环的比例谐振控制器中考虑了延时角补偿，并且加入高频谐振器，实现了对电网高次谐波分量的补偿，保证了输出电压的质量。
附图说明
[0038]
图1基于离散域双闭环控制的配电网柔性接地消弧方法流程图。
[0039]
图2配电网有源电压消弧原理图。
[0040]
图3vsc数字双闭环传递函数框图。
[0041]
图4电流内环控制框图。
[0042]
图5 k
i
与闭环极点阻尼率ξ的关系曲线。
[0043]
图6延时补偿对奈奎斯特曲线的影响。
[0044]
图7包含高频谐波补偿的电压环控制框图。
[0045]
图8某10kv变电站柔性接地补偿仿真模型。
[0046]
图9补偿后的接地电流。
具体实施方式
[0047]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0048]
实施例1
[0049]
结合图1，本发明一种基于离散域双闭环控制的配电网柔性接地消弧方法，包括以下步骤：
[0050]
步骤1、建立有源补偿装置电流内环中被控对象的离散模型；
[0051]
步骤2、电流环采用比例控制器，根据电流环开环传递函数最大的闭环极点阻尼率确定电流控制器提供的最优增益；
[0052]
步骤3、将电流内环作为电压环的等效被控对象进行离散化；
[0053]
步骤4、电压环采用比例谐振控制器，根据电压环开环传递函数的奈奎斯特曲线至(-1，j0)的最短距离及敏感函数分析确定电压控制器比例增益系数；
[0054]
步骤5、确定电压控制器谐振项的延时补偿角，避免出现闭环奇异点导致输出电压
振荡；
[0055]
步骤6、进行电压高频谐波补偿设计，确保电压环在各期望频率处均能实现无静差调节。
[0056]
进一步地，步骤1所述的有源补偿装置电流内环中被控对象的离散模型，具体如下：
[0057]
如图2所示为配电网有源电压消弧原理图，通过建立如图3所示的vsc数字双闭环传递函数框图可简化出如图4所示的电流内环控制框图，其中被控对象为：
[0058][0059]
其中为lc滤波器的谐振角频率，t
s
为采样周期。
[0060]
进一步地，步骤2所述的电流环开环传递函数的闭环极点阻尼率，具体如下：
[0061]
如图5所示为k
i
与闭环极点阻尼率ξ的关系曲线来确定电流控制器提供的最优增益，电流环开环传递函数的阻尼率为：
[0062][0063]
其中p
cl
为闭环极点；在电流环阻尼比ξ最大处确定电流控制器的比例系数。
[0064]
进一步地，步骤3所述的电压环的等效被控对象离散模型，具体如下：
[0065][0066]
其中b1＝1+c
i
(z)/(ω
res
l)sin(ω
res
t
s
)，c
i
(z)为电流控制器。
[0067]
进一步地，步骤4所述的电压环采用比例谐振控制器，根据电压环开环传递函数的奈奎斯特曲线至(-1，j0)的最短距离及敏感函数分析确定电压控制器比例增益系数，具体如下：
[0068]
步骤4.1、电压环采用的比例谐振控制器在连续域为：
[0069][0070]
其中k
p
为比例系数，为谐振系数，为谐振项，为延时补偿角，ω
e
为基波角频率；
[0071]
步骤4.2、将比例谐振控制器采用预曲双线性变换法进行离散化为：
[0072][0073]
其中为谐振项；
[0074]
步骤4.3根据电压环开环传递函数的奈奎斯特曲线至(-1，j0)的最短距离及敏感函数分析确定电压控制器比例增益系数。
[0075]
进一步地，步骤5所述的电压控制器谐振项的延时补偿角，具体如下：
[0076]
如图6所示为加入延时补偿对奈奎斯特曲线的影响，加入的延时补偿角为：
[0077][0078]
其中为电压环的等效被控对象离散模型。
[0079]
进一步地，步骤6所述的电压高频谐波补偿设计，具体如下：
[0080]
如图7所示为包含高频谐波补偿的电压环控制框图，可得到电压环控制器为：
[0081][0082]
其中为高频谐振项，为谐振系数，延时补偿角为
[0083]
实施例2
[0084]
结合图8搭建仿真模型，其中仿真参数如下：
[0085]
有源补偿装置的滤波电感l为0.1mh，滤波电容c为450μf，采样周期ts为200μs，pi型架空线路参数设置为：正序电阻0.1250ω/km,正序电容0.0096μf/km,正序电感1.3000mh/km,零序电阻0.2750ω/km,零序电容0.0054μf/km,零序电感4.6000mh/km。pi型电缆线路参数设置为：正序电阻0.2700ω/km,正序电容0.3390μf/km,正序电感0.2550mh/km,零序电阻2.7000ω/km,零序电容0.2800μf/km,零序电感1.019mh/km。
[0086]
如图9所示，设置0.1s发生单相接地故障，可见故障电流存在畸变，含有高次谐波分量，最大电流峰值达到130a。设置在0.2s仅投入主消弧线圈，通过主消弧线圈注入感性无功补偿电流，补偿后的接地故障电流大幅下降，由于消弧线圈无法补偿有功和谐波电流，将导致故障点存在13a的残余电流。设置在0.3s投入有源补偿装置，通过有源补偿装置实现电压消弧，通过变压器注入补偿电流，实现对残余的有功和谐波电流的补偿，流过故障点的电流下降为零。
[0087]
以上实施方案仅为本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。