一种不对称配电网的多功能补偿方法

1.本发明属于配电网领域，具体涉及一种不对称配电网的多功能补偿方法。


背景技术：

2.配电网单相接地故障柔性消弧和无功补偿变流器均存在功能单一，且柔性消弧变流器仅在故障期间发挥作用，使用率低，设备的经济性欠佳。
3.目前，已有兼具柔性消弧和无功补偿功能的拓扑结构主要有：三相级联h桥变流器的中性点直接接地或经开关接地式和三相级联h桥变流器中性点经消弧线圈接地式。但三相级联h桥变流器的中性点直接接地或经开关接地式在低阻接地故障时，非故障相电压接近于线电压，故障相电压接近于零，因此，每相变流器的耐压需不低于线电压，应投入较多的电力电子元件。另外，此时故障相变流器两端电压接近于零，无法从并网点吸收有功功率以维持直流侧电容电压稳定，必须退出运行，无功补偿和故障抑制仅能分时复用，无法同时进行。三相级联h桥变流器中性点经消弧线圈接地式的接地故障电流补偿的控制对象计算复杂，需先求得接地过渡电阻，然而电弧接地故障时接地过渡电阻可能一直变化，求取困难。另外，消弧线圈动态响应速度较慢，影响接地故障初期消弧效果，且三相级联h桥变流器需与消弧线圈配合，控制较为复杂。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种不对称配电网的多功能补偿方法，该方法对于设备的利用率高，实现成本低，且补偿效果全面，具有更好的故障抑制性能。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种不对称配电网的多功能补偿方法，以无独立直流源的四桥臂级联h桥变流器为多功能变流器，以分序控制为多功能变流器的控制策略，包括无功补偿电流目标值计算方法、三相对地参数不对称补偿电流计算方法、三相桥臂变流器接地故障补偿电流计算方法及其直流侧电容稳压电流的相间控制方法、接地桥臂变流器接地故障补偿电流计算方法及其直流侧电容稳压电压计算方法，实现无功功率补偿、接地故障补偿和不对称电流补偿。
6.进一步地，所述多功能变流器，包括采用三相h桥变流器的三相桥臂，所述三相桥臂星型连接，在星型连接点与大地之间增设一条采用单相h桥变流器的接地桥臂。
7.进一步地，所述三相h桥变流器包括三相级联h桥和连接电感，所述三相级联h桥包括两电平三相半桥、三电平三相半桥、多电平三相半桥或三相级联式h桥；所述单相h桥变流器包括单相h桥和连接电感，所述单相h桥包括两电平单相半桥、三电平单相半桥、多电平单相半桥或单相级联式h桥；所述三相h桥变流器、单相h桥变流器直流侧均无独立直流源。
8.进一步地，所述无功补偿电流目标值计算方法为：根据瞬时功率理论将给定无功功率目标值经abc-dq变换和运算为q轴目标电流值，d轴目标电流值置零，再将d轴和q轴的目标电流值经dq-abc反变换为三相无功补偿电流计算的参考目标值。
9.进一步地，所述三相对地参数不对称补偿电流计算方法为：将系统零序电压控制
为零，测量此时多功能变流器接地桥臂输出电流，以该输出电流作为不对称电流计算的参考目标值。
10.进一步地，所述三相桥臂变流器接地故障补偿电流计算方法为：三相桥臂的接地故障补偿电流之和始终为接地故障全补偿电流，即故障相电源电压负值与系统对地导纳的乘积，故障相补偿电流为故障相电源电压负值和本相对地导纳以及数字2的乘积，非故障相补偿电流为本相电源电压和本相对地导纳的乘积。
11.进一步地，所述三相桥臂变流器直流侧电容稳压电流的相间控制方法为：三相桥臂变流器直流侧的稳压电流仅在相间流通，不经过对地支路，即三相稳压电流之和始终保持为零；而每一相总的稳压电流为本相稳压电流和其它两相稳压电流二分之一的差值求得。
12.进一步地，所述接地桥臂变流器接地故障补偿电流计算方法为：接地桥臂的接地故障补偿电流为接地故障全补偿电流，即故障相电源电压负值与系统对地导纳的乘积。
13.进一步地，所述接地桥臂变流器直流侧电容稳压电压的计算方法为：保证接地桥臂的输出电流始终为接地故障全补偿电流，接地桥臂变流器的直流侧稳压采用调控三相桥臂公共点电压的方式。
14.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
15.1、本发明提出的含四桥臂h桥变流器的多功能变流器拓扑结构，使一套变流器同时具有单相接地故障抑制、不对称电流补偿和无功补偿功能，提高了设备的使用率，且每相级联h桥变流器的承受电压为相电压，需投入的元件较少，设备的经济性更佳。另外本发明还兼具动态响应速度快、直流侧无需独立电源、可抑制电弧接地故障和可实现接地故障电流全补偿等优点。
16.2、本发明提出的三相变流器的接地故障补偿电流计算方法，不仅保证接地故障电流的全补偿，而且将变流器直流侧电容稳压电流更加均匀地分配至各相，故障抑制和直流侧电容电压稳定控制的协同性能更好，控制复杂性更低。
17.3、本发明提出的变流器直流侧电容稳压电流的相间控制方法，稳压电流不经过接地回路，仅在相间流通，将稳压电流和接地故障补偿电流解耦，避免了稳压电流对故障抑制的影响，多功能变流器的故障抑制性能更好。
附图说明
18.图1为本发明实施例的方法中多功能变流器的拓扑结构示意图；
19.图2为本发明实施例的方法中多功能变流器的控制策略；
20.图3为本发明实施例的方法中多功能变流器多目标控制的效果图。
具体实施方式
21.下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
22.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
23.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根
据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
24.如图1、2所示，本实施例提供了一种不对称配电网的多功能补偿方法，本方法以无独立直流源的四桥臂级联h桥变流器为多功能变流器，使一套变流器同时具有单相接地故障抑制、不对称电流补偿和无功补偿功能。本方法以分序控制为多功能变流器的控制策略，包括无功补偿电流目标值计算方法、三相对地参数不对称补偿电流计算方法、三相桥臂变流器接地故障补偿电流计算方法及其直流侧电容稳压电流的相间控制方法、接地桥臂变流器接地故障补偿电流计算方法及其直流侧电容稳压电压计算方法，实现无功功率补偿、接地故障补偿和不对称电流补偿。本方法提出的与多功能变流器相适应的三相桥臂变流器接地故障补偿电流计算方法及其直流侧电容稳压电流的相间控制方法，将变流器直流侧电容稳压电流更加均匀地分配至各相，且保证稳压电流不经过接地回路，仅在相间流通，实现了故障抑制和直流侧电容电压稳定控制的有效协同。
25.在本实施例中，所述多功能变流器，包括采用三相h桥变流器的三相桥臂，所述三相桥臂星型连接，在星型连接点与大地之间增设一条采用单相h桥变流器的接地桥臂。三相桥臂用于无功功率补偿，接地桥臂为单相接地故障电流和不对称补偿电流提供流通回路，实现接地故障电流补偿和不对称电流补偿。所述三相h桥变流器包括三相级联h桥和连接电感，所述三相级联h桥包括两电平三相半桥、三电平三相半桥、多电平三相半桥或三相级联式h桥；所述单相h桥变流器包括单相h桥和连接电感，所述单相h桥包括两电平单相半桥、三电平单相半桥、多电平单相半桥或单相级联式h桥。所述三相h桥变流器、单相h桥变流器直流侧均无独立直流源。
26.所述无功补偿电流目标值计算方法具体为：根据瞬时功率理论将给定无功功率目标值经abc-dq变换和运算为q轴目标电流值，d轴目标电流值置零，再将d轴和q轴的目标电流值经dq-abc反变换为三相无功补偿电流计算的参考目标值。
27.所述三相对地参数不对称补偿电流计算方法具体为：将系统零序电压控制为零，测量此时多功能变流器接地桥臂输出电流，以该输出电流作为不对称电流计算的参考目标值。
28.所述三相桥臂变流器接地故障补偿电流计算方法具体为：三相桥臂的接地故障补偿电流之和始终为接地故障全补偿电流，即故障相电源电压负值与系统对地导纳的乘积，故障相补偿电流为故障相电源电压负值和本相对地导纳以及数字2的乘积，非故障相补偿电流为本相电源电压和本相对地导纳的乘积。
29.所述三相桥臂变流器直流侧电容稳压电流的相间控制方法具体为：三相桥臂变流器直流侧的稳压电流仅在相间流通，不经过对地支路，即三相稳压电流之和始终保持为零。而每一相总的稳压电流为本相稳压电流和其它两相稳压电流二分之一的差值求得。
30.所述接地桥臂变流器接地故障补偿电流计算方法具体为：接地桥臂的接地故障补偿电流为接地故障全补偿电流，即故障相电源电压负值与系统对地导纳的乘积。
31.所述接地桥臂变流器直流侧电容稳压电压的计算方法具体为：保证接地桥臂的输出电流始终为接地故障全补偿电流，接地桥臂变流器的直流侧稳压采用调控三相桥臂公共点电压的方式。
32.下面对本方法实现方案中涉及的相关原理进行详细说明：
33.1.无功功率补偿原理
34.根据瞬时功率理论可知瞬时功率为
[0035][0036]
又有
[0037][0038]
式中，t为派克变换，ua、ub和uc分别为多功能变流器并网点三相电压，ud、uq分别为并网点电压变换至d轴和q轴的电压，e为相电源电压幅值，ω为系统角频率，id和iq分别为变流器注入电流变换至d轴和q轴的电流。
[0039]
将t的参数代入并整理式(2)可得
[0040][0041]
由式(1)和式(3)可求得无功补偿时的d轴和q轴的参考电流值为
[0042][0043]
式中，p
*
和q
*
分别为电力调度部门下达的有功和无功功率补偿的目标值，而多功能变流器仅进行无功补偿，故将有功功率补偿目标值置零。
[0044]
式(4)所示参考电流值经dq-abc反变换后可得到三相无功补偿电流参考值为
[0045][0046]
控制各相变流器输出该补偿电流可实现无功功率的补偿。
[0047]
2.接地故障抑制
[0048]
假设a相发生单相接地故障，且三相对地参数对称，对地泄漏电阻均为r0，对地电容均为c0，根据基尔霍夫定律和代入对地参数和电压，整理得
[0049][0050]
要使故障点电流为零，即if＝(u0+ea)/rf为零，ea可近似为定值，则u0＝-ea,将其代入式(6)，可得接地桥臂变流器故障电流全补偿时的控制目标为
[0051][0052]
3.直流侧电压稳定控制
[0053]
变流器直流侧电压需通过从并网点吸收有功功率来维持，主要与流过变流器的电
流和其两端电压以及它们的夹角有关。接地故障不影响多功能变流器在无功补偿模式下的正常工作，仅改变了其公共点的电压以及并网点的电压，而多功能变流器三相桥臂的两端电压(即并网点电压与公共点电压的差值)始终保持为接近于相电源电压。本发明提出接地故障补偿电流在三相变流器中的分配新方法，具体表达式为
[0054][0055]
三相变流器的零序电流为全补偿电流，且每相的补偿电流均为该相变流器两端电压和对地参数的乘积。又配电线路的阻尼率一般较小，所以每相的补偿电流与该相变流器两端电压的夹角接近于90
°
，且故障相和非故障相分配到的补偿电流分别为总补偿电流的三分之二和三分之一，每相变流器需要吸收的有功功率均较小，更易于实现。
[0056]
三相输出电流之和(零序电流)必须为接地故障全补偿电流，故三相变流器的稳压电流应仅在三相间流通，即三相稳压电流之和应为零，则各相的直流侧稳压电流为
[0057][0058]
式中i
idc
(i＝a,b,c)为图2所生成的各相自身的稳压电流。
[0059]
接地桥臂桥臂变流器输出电流必须始终保持为接地故障全补偿电流，若叠加直流侧稳压电流，将影响接地故障电流补偿，因此其仅能通过调控其两端电压以稳定其直流侧电容电压，其一端直接接地，另一端接于三相变流器公共点，故仅能通过调整公共点电压以实现接地支路变流器直流侧的稳压控制，其稳压电压的生成方式如图2所示。
[0060]
4.直流侧电压稳定控制
[0061]
根据基尔霍夫定律和代入对地参数和电压，整理得
[0062][0063]
式(10)中若变流器注入电流为三相对地参数不平衡电流iz＝i
0bd
＝ea·
ya+eb·
yb+ec·
yc，则系统零序电压被抑制为零；若控制系统零序电压为零，则变流器注入电流即为三相对地参数不平衡电流。因此，可通过控制系统零序电压为零测量变流器注入电流的方式计算三相对地参数不平衡电流。多功能变流器的控制策略如图2所示。
[0064]
为了让一般技术人员更好的理解本发明的技术方案，以下结合一仿真实例对本发明进行进一步介绍。
[0065]
利用pscad软件搭建含6条馈线的配电网络仿真模型。配电线路采用贝杰龙模型。对图1所示配电网络，设置a相接地故障，系统对地参数不对称度为2.8％。在0.24s和0.3s时刻分别投入多功能变流器的接地桥臂和三相桥臂，对无功功率和不对称电流进行补偿，0.4s时刻在母线处设置过渡电阻为10ω的接地故障，0.5s时刻输出接地故障补偿电流，无功补偿的给定补偿容量为1.0mvar，根据分相控制策略，控制多功能变流器输出用于不对称电流补偿、无功补偿、接地故障抑制和直流侧电容稳压的综合补偿电流，补偿效果如图3所
示。
[0066]
由图3可知，多功能变流器可同时进行无功补偿和不对称电流补偿以及接地故障抑制，且可保证变流器的直流侧电容电压稳定。
[0067]
本发明提出的不对称配电网的多功能补偿方法，提出以四桥臂级联h桥变流器为多功能变流器，三相桥臂星型连接，用于无功功率补偿，在星型连接点与大地间，增设一条由单相级联h桥变流器构成的接地桥臂，为单相接地故障电流提供流通回路，实现接地故障电流补偿。本发明使一套变流器同时具有单相接地故障抑制、不对称电流补偿和无功补偿功能，提高了设备的使用率，增强了设备的经济性。本发明提出了与多功能变流器相适应的三相变流器接地故障补偿电流计算方法和变流器直流侧电容稳压电流的相间控制方法，将变流器直流侧电容稳压电流更加均匀地分配至各相，且保证稳压电流不经过接地回路，仅在相间流通，实现了故障抑制和直流侧电容电压稳定控制的有效协同。变流器直流侧无需增设独立电源，节省了元件，降低了设备成本，为多功能变流器的推广应用提供条件。
[0068]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种不对称配电网的多功能补偿方法，其特征在于，以无独立直流源的四桥臂级联h桥变流器为多功能变流器，以分序控制为多功能变流器的控制策略，包括无功补偿电流目标值计算方法、三相对地参数不对称补偿电流计算方法、三相桥臂变流器接地故障补偿电流计算方法及其直流侧电容稳压电流的相间控制方法、接地桥臂变流器接地故障补偿电流计算方法及其直流侧电容稳压电压计算方法，实现无功功率补偿、接地故障补偿和不对称电流补偿。2.根据权利要求1所述的一种不对称配电网的多功能补偿方法，其特征在于，所述多功能变流器，包括采用三相h桥变流器的三相桥臂，所述三相桥臂星型连接，在星型连接点与大地之间增设一条采用单相h桥变流器的接地桥臂。3.根据权利要求2所述的一种不对称配电网的多功能补偿方法，其特征在于，所述三相h桥变流器包括三相级联h桥和连接电感，所述三相级联h桥包括两电平三相半桥、三电平三相半桥、多电平三相半桥或三相级联式h桥；所述单相h桥变流器包括单相h桥和连接电感，所述单相h桥包括两电平单相半桥、三电平单相半桥、多电平单相半桥或单相级联式h桥；所述三相h桥变流器、单相h桥变流器直流侧均无独立直流源。4.根据权利要求1所述的一种不对称配电网的多功能补偿方法，其特征在于，所述无功补偿电流目标值计算方法为：根据瞬时功率理论将给定无功功率目标值经abc-dq变换和运算为q轴目标电流值，d轴目标电流值置零，再将d轴和q轴的目标电流值经dq-abc反变换为三相无功补偿电流计算的参考目标值。5.根据权利要求1所述的一种不对称配电网的多功能补偿方法，其特征在于，所述三相对地参数不对称补偿电流计算方法为：将系统零序电压控制为零，测量此时多功能变流器接地桥臂输出电流，以该输出电流作为不对称电流计算的参考目标值。6.根据权利要求1所述的一种不对称配电网的多功能补偿方法，其特征在于，所述三相桥臂变流器接地故障补偿电流计算方法为：三相桥臂的接地故障补偿电流之和始终为接地故障全补偿电流，即故障相电源电压负值与系统对地导纳的乘积，故障相补偿电流为故障相电源电压负值和本相对地导纳以及数字2的乘积，非故障相补偿电流为本相电源电压和本相对地导纳的乘积。7.根据权利要求1所述的一种不对称配电网的多功能补偿方法，其特征在于，所述三相桥臂变流器直流侧电容稳压电流的相间控制方法为：三相桥臂变流器直流侧的稳压电流仅在相间流通，不经过对地支路，即三相稳压电流之和始终保持为零；而每一相总的稳压电流为本相稳压电流和其它两相稳压电流二分之一的差值求得。8.根据权利要求1所述的一种不对称配电网的多功能补偿方法，其特征在于，所述接地桥臂变流器接地故障补偿电流计算方法为：接地桥臂的接地故障补偿电流为接地故障全补偿电流，即故障相电源电压负值与系统对地导纳的乘积。9.根据权利要求1所述的一种不对称配电网的多功能补偿方法，其特征在于，所述接地桥臂变流器直流侧电容稳压电压的计算方法为：保证接地桥臂的输出电流始终为接地故障全补偿电流，接地桥臂变流器的直流侧稳压采用调控三相桥臂公共点电压的方式。

技术总结
本发明涉及一种不对称配电网的多功能补偿方法，该方法以无独立直流源的四桥臂级联H桥变流器为多功能变流器，以分序控制为多功能变流器的控制策略，包括无功补偿电流目标值计算方法、三相对地参数不对称补偿电流计算方法、三相桥臂变流器接地故障补偿电流计算方法及其直流侧电容稳压电流的相间控制方法、接地桥臂变流器接地故障补偿电流计算方法及其直流侧电容稳压电压计算方法，实现无功功率补偿、接地故障补偿和不对称电流补偿。该方法对于设备的利用率高，实现成本低，且补偿效果全面，具有更好的故障抑制性能。具有更好的故障抑制性能。具有更好的故障抑制性能。


技术研发人员：郭谋发 游建章 高伟 洪翠 杨耿杰
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：2021.12.10
技术公布日：2022/3/8