基于串聯(lián)電感的新型故障電流控制

基于串聯(lián)電感的新型故障電流控制

0新型不對稱接地故障電流控制方法如果系統(tǒng)中移除的錯誤路徑是沉重的路徑，則會導致巨大的趨勢變化和大面積的停滯。而不對稱接地故障為電力系統(tǒng)的主要故障,僅單相接地故障就約占故障的70%。因此,如果能控制接地故障電流為0,并保持故障線路電流等于故障前的電流,則將提高電力系統(tǒng)運行的安全性和供電的可靠性。中性點不接地系統(tǒng)或消弧線圈接地系統(tǒng)就具有上述特征,因而其具有更高的可靠性。但是,消弧線圈系統(tǒng)(或中性點不接地系統(tǒng))僅對單相接地故障有效,同時還會引起系統(tǒng)過電壓。本文提出一種新型的不對稱接地故障電流的控制方法,它能控制單相接地或兩相短路接地的故障電流,使其為0;同時線路電流等于接地前的電流,也不會引起過電壓。1接觸無線故障電流a相線路感抗遠大于電阻,而故障電流控制器串聯(lián)的附加等效電感將進一步減小線路電阻的作用,因此圖1中的線路模型為電感模型,每相線路F點兩側(cè)的電感分別為kL和(1-k)L(其中k為0～1之間的常數(shù),它表征了F點的位置),L為每相線路的電感;開關KFM(M(28)A,B,C)的不同狀態(tài)表征了線路在F點的各種不對稱接地故障;U(5)M和U(5)M1分別為線路有功功率輸出端(發(fā)送端S)和輸入端(接受端S1)的電壓。線路兩端裝有故障電流控制器,它等效于電壓源U(5)KSM(或U(5)KSM1)和電感LKSM(或LKSM1)的串聯(lián);而正常運行時其等效電壓源電壓和輸出電感均為0。正常運行期間,線路兩端的A相電流分別為(以S端的電壓為參考點)式中:UA和UA1分別為S端和S1端的電壓幅值;uf064為S端電壓超前S1端電壓的角度。線路的A相在F點發(fā)生故障后,啟動A相兩端的故障電流控制器。控制S端故障電流控制器的等效電源電壓U(5)KSA,使U(5)KSA(28)kSAUAej2uf070/3。其中kSA為實數(shù);則S端的A相電流I(5)AF1為當kSA為時,則有式中:mA為它們的比值;XL為故障電流控制器的等效串聯(lián)電抗,控制其等于根據(jù)式(1)—(5),此時I(5)AF1(28)I(5)A?？刂芐1端故障電流控制器的等效電源電壓U(5)KSA1,使U(5)KSA1(28)kS1AUA1e-j(uf064(10)2uf070/3)。其中kS1A為實數(shù);則S1端的A相電流I(5)A1F1為當kS1A為則有式中:mA1為它們的比值;XL1為其等效串聯(lián)電抗,控制其等于根據(jù)式(1)、(6)—(9),該狀態(tài)下線路S1端的A相電流I(5)A1F1也等于正常運行時的電流I(5)A1。A相接地后,如果線路兩端故障相電流均等于正常運行電流時,則故障接地電流為0,同時A相線路電流也等于正常電流。根據(jù)圖1,A相的接地故障不會影響B(tài)、C相的運行,它們的電流均等于正常電流。B、C相的短路接地故障等價于B相和C相同時發(fā)生接地故障,而B相(和C相)的接地故障與A相接地故障的特征相同。因此,B、C相短路接地后,與A相情況相同,啟動B相(和C相)兩端的故障電流控制器,控制發(fā)送端(和接受端)的串聯(lián)電壓與超前(和滯后)于故障相的電源電壓同相,再控制其幅值和等效串聯(lián)電感的值能使其線路電流等于正常電流,而接地故障對非故障相的運行沒有影響。因此,故障線路上的電流等于其正常電流,同時故障電流為0。由此可知,不對稱接地故障后,僅啟動故障相的故障電流控制器就能控制線路電流使其等于正常電流,它不會影響非故障相線路和非故障線路的運行,也不會引起過電壓。2故障電流控制器t圖2為接地相線路一端的電路結(jié)構(gòu)示意圖,其中U(5)A為故障相電源,LL為接地點至電源間的線路電感,其間串聯(lián)了故障電流控制器。故障電流控制器由變壓器T1、T2,可調(diào)電感LB、LC以及固態(tài)開關K1和KS構(gòu)成。目前已有多種高性能可調(diào)電感成功應用于電力系統(tǒng)中[5,6,7,8,9,10,11,12],而故障電流控制器中的其他元件均已在電力系統(tǒng)中運行多年,這為該裝置的推廣應用提供了有利條件。在圖2中,U(5)A1、U(5)B1、U(5)C1為系統(tǒng)的備用電源,它們等于對應相的母線電壓。正常時,K1在位置4,KS在閉合狀態(tài),故障電流控制器不影響線路的正常運行;故障時,斷開KS,而T1的原、副邊電壓U(5)SS和U(5)CS之間存在如下關系:式中m為T1的變比。又有式中:L1、L2、M為T2的原、副邊繞組電感及它們之間的互感;1U(5)、U(5)2和I(5)、I(5)C分別為T2的原、副邊繞組的電壓和電流,根據(jù)式(11)有式中:根據(jù)式(12),T2的原邊等效于電壓源U(5)ec和電感Le的串聯(lián),其中U(5)ec與U(5)SS同相。因此,故障電流控制器等效于電壓源U(5)ec和電感Leq的串聯(lián),其中Leq為Le與LC之和,即:根據(jù)圖2和式(12),K1在位置2(或位置3)時,U(5)SS等于U(5)B1(或U(5)C1),U(5)ec與滯后(或超前)于故障相的電源電壓同相;再控制LB,使Mm/(L2(10)LB)等于kSA(或kS1A);控制LC,使Leq對應的電抗等于XL(或XL1),則故障相線路的電流就等于正常電流,其中kSA、kS1A、XL、XL1分別由式(3)、(5)、(7)和(9)決定。忽略UA和UA1的微小差異,而uf064又為0～uf070/3,因此式(3)、(7)中kSA和kS1A為1.0～2.0。因此設計故障電流控制器時應適當選擇m和LB的調(diào)節(jié)范圍,使Mm/(L2(10)LB)的變化范圍為1.0～2.0。3故障電流控制器的控制由于確定故障點的精確位置非常困難,因此控制系統(tǒng)幾乎不可能根據(jù)式(3)、(5)、(7)和(9)的計算結(jié)果控制故障電流。由于故障電流控制器等效于U(5)ec和Leq的串聯(lián),因此,故障電流控制器投入后圖2中的線路電流為式中:U(5)S1為U(5)A與U(5)ec之和;L為LL和Leq之和。根據(jù)式(12)—(14),調(diào)節(jié)LC不會改變U(5)ec,因而就不會影響I(5)的相位,但會改變Leq從而改變I(5)的幅值;調(diào)整LB不會改變U(5)ec的相位,但會改變U(5)ec的幅值和Leq,從而改變U(5)S1和I(5)的幅值和相位。但是調(diào)整LB引起I(5)幅值的變化總可以通過調(diào)節(jié)LC給予補償,實現(xiàn)在不改變I(5)幅值的情況下使其相位得到調(diào)節(jié)。因此,調(diào)整LC將改變電流的幅值而不改變電流的相位,電流幅值背離希望值時,在有效調(diào)節(jié)范圍內(nèi),調(diào)節(jié)LC總可以使電流幅值達到希望值,這與引起電流幅值偏移的原因無關,即使偏移是調(diào)節(jié)LB引起的;調(diào)節(jié)LB能調(diào)節(jié)電流的相位,它也會改變電流的幅值,但電流幅值的變化可以通過調(diào)節(jié)LC來補償。因此故障電流控制器的控制策略為:根據(jù)線路的運行狀態(tài)(發(fā)送端還是接受端)控制K1的位置,使T1的原邊電壓與超前或滯后于故障相的電源電壓同相;調(diào)節(jié)LB以控制電流相位,調(diào)節(jié)LC以控制電流幅值。圖3為控制系統(tǒng)的原理框圖,開關控制信號G由線路的運行狀態(tài)決定。正常時,G控制K1在位置4,KS在閉合狀態(tài)。故障時,G控制KS斷開;如果控制器位于發(fā)送端(或接收端),則G控制K1使其T1的原邊電壓與超前(或滯后)于故障相的電源電壓同相。測量線路電流,經(jīng)快速傅里葉變換(fastFouriertransform,FFT)計算其幅值和相位,選擇非接地相基波電流幅值作為故障電流控制幅值的給定值;根據(jù)選擇的非故障相基波電流的相位以及正常運行期間它與控制的接地相基波電流相位的關系確定故障電流控制器的相位給定值。例如,A相接地,可以選擇B相(或C相)的基波電流幅值作為A相故障電流控制器電流幅值的給定值;而正常運行時B相(或C相)電流滯后(或超前)A相電流2uf070/3,因此B相(或C相)電流的相位與2uf070/3(或-2uf070/3)之和作為A相故障電流控制器電流相位的給定值。圖3中的“相位校正”為2uf070/3(或-2uf070/3);“FFT”就是對輸入電流進行快速傅里葉分析;“選擇”就是選擇其中的非接地相電流,其幅值和相位作為故障電流幅值和相位控制給定值的基礎。圖3是以故障電流控制器的控制策略為基礎,因此它將電流相位的給定值與故障相電流相位的差作為PI控制器的輸入信號,其輸出信號作為LB的控制信號;將電流幅值的給定值與故障相電流幅值的差作為另一個PI控制器的輸入信號,其輸出信號作為LC的控制信號。圖3中“LB控制信號”和“LC控制信號”為對應電感控制器的給定值。4實驗與模擬4.1u3000感染電流控制器設計故障電流控制器的目標就是控制故障線路電流等于正常電流。正常運行時,圖1中的電流I(5)M、I(5)M1分別為當U(5)M超前U(5)M1的角度為uf064,且忽略其幅值差時,則有因此I(5)M和I(5)M1分別為由此可知,正常運行期間線路發(fā)送端的電流滯后其母線電壓uf064/2,接受端的電流滯后其母線電壓uf070-uf064/2。而線路重載時uf064不會大于uf070/3,輕載時uf064也在uf070/18左右,因此線路發(fā)送端電流滯后其母線電壓uf070/36～uf070/6,接受端電流滯后其母線電壓5uf070/6～35uf070/36。圖4為實驗系統(tǒng)示意圖,K、KB、KC、KG為固態(tài)開關,U(5)A模擬故障相電源,其有效值為250V,頻率為60Hz;R和L模擬故障點至電源間的電阻和電感,其中R為1uf057、L為20mH。故障電流控制器由變壓器1、2和可控電感LB、LC構(gòu)成,變壓器1的變比為1(25)2.5,U(5)A、U(5)B、U(5)C為對稱正序電源。變壓器2的變比為1(25)1,LB、LC為負載可調(diào)節(jié)的可調(diào)電抗器,它們的調(diào)節(jié)范圍分別為1～10mH和10～90mH。其控制方案如圖5所示,由于僅模擬了單相故障線路,同時也不存在故障前線路的狀態(tài),因此圖5不同于圖3,但它與圖3的控制原理相同。在圖5中,“測量電流”和“測量電壓”為圖4中I(5)和U(5)A的測量值,經(jīng)FFT計算其幅值和相位;“電流幅值給定”為控制電流幅值的希望值,“電流相位給定”為控制電流滯后電源電壓的希望值。非工作狀態(tài)時,“啟動信號”無效,“判斷”輸出的G將控制K和KG導通,KB和KC關斷;工作狀態(tài)時,“啟動信號”有效,如果“電流相位給定”在uf070/36～uf070/6之間,表明控制器處于發(fā)送端,G控制K、KG、KB關斷,KC導通;“電流相位給定”在5uf070/6～35uf070/36之間,表明控制器位于接收端,G控制K、KG、KC關斷,KB導通?！半娏鞣到o定”與實際電流幅值的誤差控制LC;由于“電流相位給定”為控制電流滯后電源電壓的希望值,因此首先將電源電壓相位減去“電流相位給定”,其差與實際電流相位的誤差控制LB。LB、LC的控制器采用文獻中的控制器。在圖6—9中,I滯后UA的角度為uf061,USM為故障電流控制器的等效串聯(lián)電壓(包括了等效電壓源電壓和串聯(lián)電感的壓降)。圖6—9是保持I的幅值為25A,控制uf061時的USM、I和UA的實驗波形圖。圖6為在30ms時投入控制器的實驗波形。投入前I的幅值接近50A,uf061約為4uf070/9;投入后,電流控制器控制I幅值為25A,uf061為uf070/6;保持I的幅值為25A,將uf061調(diào)節(jié)為不同值時的實驗結(jié)果如圖7—9所示。保持uf061為35uf070/36,I的幅值從25A調(diào)整到15A的實驗結(jié)果如圖10所示。根據(jù)圖6—10,在保持電流幅值不變的情況下,控制器能控制故障電流的相位等于正常電流的相位;在保持電流相位不變的情況下,它也能控制電流幅值。因此故障電流控制器能控制故障相電流使其等于正常運行電流。4.2故障電流控制器的設計在SABER仿真軟件上建立圖1所示系統(tǒng),為對稱三相電源,頻率為50Hz,幅值為179.6kV,超前的角度為uf070/9,該系統(tǒng)模擬了220kV電壓等級的線路;k取0.3。與圖1不同的是,線路模型為電阻、電感的串聯(lián)模型,其中每相線路的總電阻和電感分別為10.14uf057和0.252H。故障電流控制器為圖2所示模型,其中T1的變比為2.2,T2的變比為1,可調(diào)電感采用文獻中的電感,其調(diào)節(jié)范圍均為0.1～1.5H;控制系統(tǒng)為圖3所示模型。線路A相在F點發(fā)生接地后的故障電流Id如圖11所示,故障電流控制器的等效串聯(lián)電壓(包括了等效電壓源電壓和電感壓降)及線路電流如圖12、13所示分別為發(fā)送端和接收端的等效串聯(lián)電壓)。在大約1s前,系統(tǒng)處于正常狀態(tài),Id為0,線路三相電流對稱均為0;接近1s時,A相接地,線路電流嚴重不對稱,A相電流增大;故障電流控制器投入后,大約在1.26s故障電流接近0,而線路的三相電流再次對稱,且等于故障前的電流。線路B、C相在F點發(fā)生接地故障后,啟動故障電流控制器也能控制故障電流為0,故障線路上的電流等于故障前的電流。5故障電流控制器不對稱接地故障為電力系統(tǒng)的主要故障。本文分析了不對稱接地狀態(tài)下控制串聯(lián)電壓源電壓及電感以控制故障線路電流等于正常電流的可能性,提出了線路發(fā)送端(和接受端)的串聯(lián)電壓與超前(和滯后)于