小接地電流系統單相間歇性弧光接地過電壓抑制方法

楊海運， 岳國良， 金欣明， 閆柯柯， 宮艷朝， 張建軍

(1.國網邯鄲供電公司，河北 邯鄲 056035；2. 國網河北省電力有限公司，河北 石家莊 050000；3.河北偉正電力技術有限公司，河北 邯鄲 056001)

0 引 言

由于干擾和過壓等因素的影響，小接地電流系統容易出現單相間歇性弧光接地過電壓輸出振蕩，使系統輸出穩定性差[1-2]，因此需要進行小接地電流系統的過電壓抑制，從而降低小接地電流系統的輸出過壓振蕩性，提高該系統的安全穩定性。對于小接地電流系統單相間歇性弧光接地過電壓抑制方法的研究已經受到人們的廣泛關注[3-4]。文獻[5]提出基于自動補償的小接地電流系統單相間歇性弧光接地過電壓抑制方法。文獻[6]提出基于電壓偏置的小接地電流系統單相間歇性弧光接地過電壓抑制方法，但這兩種方法的抗干擾能力不好，實際應用效果并不理想。

針對上述問題，本文提出新的小接地電流系統單相間歇性弧光接地過電壓抑制方法。

1 接地過電壓傳輸參數辨識模型和均衡調節

1.1 參數辨識模型

假設電壓輸出的電容電壓紋波序列為s1(t),s2(t),…,sL(t)，在低開關損耗和電磁干擾下[7]，通過濾波電感參數控制方法獲取傳輸功率動態變化時的等效電路，如圖1所示。

在圖1所示的等效電路模型中，通過方波電壓振蕩抑制方法進行輸出穩定性調節[8]，得到弧光接地過電壓的輸出特征參數，計算公式如式(1)所示。

圖1 小接地電流系統的等效電路

(1)

式中：ψ為電壓振蕩系數；Δ為過電壓判斷特征參數；Rdc為電路輸入電壓；ω為電路輸出電壓；I流過該電路的電流總量。

則ψ、Δ、Rdc的計算公式如下：

(2)

(3)

(4)

式中:p為電壓振蕩幅度[9]；deff為過電壓閾值；δ0為初始電壓；ρ為穩態電壓擾動系數；dc為電壓測量誤差；N為電壓波動幅值。

通過直流電流紋波控制，電壓傳感器陣元由N=2P分布線列陣構成的諧振頻率。

(5)

式中：si(t)為小接地電流系統橋臂功率;nm(t)為可調范圍內的開關頻率；φmi為直流分量;ejφmi為直流非穩態分量。

對電壓信息進行優化辨識，得到參數解析的點分布模型滿足：

(6)

式中：D為過電壓特征值[10]；λ為驅動信號。

根據上述分析，構建接地過電壓參數辨識模型：

(7)

式中:μr1與μr2分別為過電壓初始值與穩態值；μ0為電壓初值幅值；β為電壓變化率。

1.2 電壓均衡調節

(8)

在最大功率點處進行過電壓抑制，得到模塊電容α=pπ/2，功率為N的傳輸算子。結合上下橋臂電荷守恒控制方法，得到升壓場合下過電壓的均衡調節函數，表示為：

(9)

2 單相間歇性弧光接地過電壓抑制

2.1 振蕩波束控制

在經過電壓均衡調節之后，根據伏-秒平衡原理，進行單相間歇性弧光接地過電壓保護，結合變壓器連接器穩態調節的方法，得到穩態電壓輸出信號主y(t)，表達為：

(10)

采用電壓調制方法進行過電壓的耦合處理，在某一線路區域t內得到過電壓分量x(t)的p階Fourier變換分量，可以用Xp(t)或FPx(t)表示，根據相鄰子模塊互補分析方法獲取得到過電壓的振蕩特征統計量，表達為：

(11)

式中：p為Fourier變換的階數;Kp(t,u)為相鄰子模塊互補分析函數。

結合上述分析，建立過電壓振蕩波束控制模型，表達為：

(12)

式中：Yp(t)為振蕩波束特征向量。

2.2 過電壓保護及抑制

采用混失真補償方法進行單相間歇性弧光接地的過壓保護，得到諧波整流擾動輸出為：

(13)

式中：Zp為電壓輸出特征量；Zs為諧波整流擾動分量。Zp、Zs如式(14)、式(15)所示。

(14)

(15)

式中:Rp為輸入電壓與輸出電壓之差；Req為諧波整流擾動系數;Xs為擾動幅值。

單相間歇性弧光接地過電壓的飽和跟蹤誤差為：

(16)

結合如上分析，通過逆變側穩態調節，結合小接地電流系統單相間歇性弧光過壓的整流側定功率，得到過電壓抑制函數，如式(17)所示。

(17)

式中：rr為逆變側穩態調節參量；lm為整流側定功率變化率;k1與kβ分別為不同的過電壓抑制系數。

3 仿真測試

為驗證本文所設計的小接地電流系統單相間歇性弧光接地過電壓抑制方法的優異性能，進行仿真試驗測試。試驗中，設定整流側定功率為25 kW，小接地電流系統的輸出平均功率為12 kW，諧振電流為200 A，限流電感為22 mH，輸入濾波電感為20 mH。

根據上述參數設定，進行單相間歇性弧光接地過電壓抑制，得到小接地電流系統的直軸、交軸分量的電流和電壓如圖2所示。

圖2 小接地電流系統的直軸、交軸分量的電流和電壓波形

根據圖2的電流振蕩分布，進行單相間歇性弧光接地過電壓抑制，得到輸出的電壓仿真圖，如圖3所示。

圖3 輸出的電容電壓仿真圖

分析圖3可知，通過本文所設計方法的接地過壓保護及抑制，提高了小接地電流系統的輸出穩定性，直流電流波動較小，過壓保護能力較強。

在此基礎上測試電壓抑制波紋，如圖4所示。

圖4 單相間歇性弧光接地過電壓抑制波紋圖

分析圖4得知，本文方法能有效抑制單相間歇性弧光接地過電壓，小接地電流系統的輸出穩定性較好，抗干擾能力較強。

4 結束語

本文提出基于電壓自均衡直接耦合控制的小接地電流系統單相間歇性弧光接地過電壓抑制方法。通過方波電壓振蕩抑制方法進行小接地電流系統輸出穩定性調節，根據伏-秒平衡原理進行弧光接地過電壓保護，在最大功率點處實現過電壓抑制。結果表明，本文方法能夠對小接地電流系統單相間歇性弧光接地過電壓進行有效抑制，提高該系統的過電壓保護能力，實際應用效果更好。