基于串联电感的新型故障电流控制

基于串联电感的新型故障电流控制

0新型不对称接地故障电流控制方法如果系统中移除的错误路径是沉重的路径，则会导致巨大的趋势变化和大面积的停滞。而不对称接地故障为电力系统的主要故障,仅单相接地故障就约占故障的70%。因此,如果能控制接地故障电流为0,并保持故障线路电流等于故障前的电流,则将提高电力系统运行的安全性和供电的可靠性。中性点不接地系统或消弧线圈接地系统就具有上述特征,因而其具有更高的可靠性。但是,消弧线圈系统(或中性点不接地系统)仅对单相接地故障有效,同时还会引起系统过电压。本文提出一种新型的不对称接地故障电流的控制方法,它能控制单相接地或两相短路接地的故障电流,使其为0;同时线路电流等于接地前的电流,也不会引起过电压。1接触无线故障电流a相线路感抗远大于电阻,而故障电流控制器串联的附加等效电感将进一步减小线路电阻的作用,因此图1中的线路模型为电感模型,每相线路F点两侧的电感分别为kL和(1-k)L(其中k为0～1之间的常数,它表征了F点的位置),L为每相线路的电感;开关KFM(M(28)A,B,C)的不同状态表征了线路在F点的各种不对称接地故障;U(5)M和U(5)M1分别为线路有功功率输出端(发送端S)和输入端(接受端S1)的电压。线路两端装有故障电流控制器,它等效于电压源U(5)KSM(或U(5)KSM1)和电感LKSM(或LKSM1)的串联;而正常运行时其等效电压源电压和输出电感均为0。正常运行期间,线路两端的A相电流分别为(以S端的电压为参考点)式中:UA和UA1分别为S端和S1端的电压幅值;uf064为S端电压超前S1端电压的角度。线路的A相在F点发生故障后,启动A相两端的故障电流控制器。控制S端故障电流控制器的等效电源电压U(5)KSA,使U(5)KSA(28)kSAUAej2uf070/3。其中kSA为实数;则S端的A相电流I(5)AF1为当kSA为时,则有式中:mA为它们的比值;XL为故障电流控制器的等效串联电抗,控制其等于根据式(1)—(5),此时I(5)AF1(28)I(5)A。控制S1端故障电流控制器的等效电源电压U(5)KSA1,使U(5)KSA1(28)kS1AUA1e-j(uf064(10)2uf070/3)。其中kS1A为实数;则S1端的A相电流I(5)A1F1为当kS1A为则有式中:mA1为它们的比值;XL1为其等效串联电抗,控制其等于根据式(1)、(6)—(9),该状态下线路S1端的A相电流I(5)A1F1也等于正常运行时的电流I(5)A1。A相接地后,如果线路两端故障相电流均等于正常运行电流时,则故障接地电流为0,同时A相线路电流也等于正常电流。根据图1,A相的接地故障不会影响B、C相的运行,它们的电流均等于正常电流。B、C相的短路接地故障等价于B相和C相同时发生接地故障,而B相(和C相)的接地故障与A相接地故障的特征相同。因此,B、C相短路接地后,与A相情况相同,启动B相(和C相)两端的故障电流控制器,控制发送端(和接受端)的串联电压与超前(和滞后)于故障相的电源电压同相,再控制其幅值和等效串联电感的值能使其线路电流等于正常电流,而接地故障对非故障相的运行没有影响。因此,故障线路上的电流等于其正常电流,同时故障电流为0。由此可知,不对称接地故障后,仅启动故障相的故障电流控制器就能控制线路电流使其等于正常电流,它不会影响非故障相线路和非故障线路的运行,也不会引起过电压。2故障电流控制器t图2为接地相线路一端的电路结构示意图,其中U(5)A为故障相电源,LL为接地点至电源间的线路电感,其间串联了故障电流控制器。故障电流控制器由变压器T1、T2,可调电感LB、LC以及固态开关K1和KS构成。目前已有多种高性能可调电感成功应用于电力系统中[5,6,7,8,9,10,11,12],而故障电流控制器中的其他元件均已在电力系统中运行多年,这为该装置的推广应用提供了有利条件。在图2中,U(5)A1、U(5)B1、U(5)C1为系统的备用电源,它们等于对应相的母线电压。正常时,K1在位置4,KS在闭合状态,故障电流控制器不影响线路的正常运行;故障时,断开KS,而T1的原、副边电压U(5)SS和U(5)CS之间存在如下关系:式中m为T1的变比。又有式中:L1、L2、M为T2的原、副边绕组电感及它们之间的互感;1U(5)、U(5)2和I(5)、I(5)C分别为T2的原、副边绕组的电压和电流,根据式(11)有式中:根据式(12),T2的原边等效于电压源U(5)ec和电感Le的串联,其中U(5)ec与U(5)SS同相。因此,故障电流控制器等效于电压源U(5)ec和电感Leq的串联,其中Leq为Le与LC之和,即:根据图2和式(12),K1在位置2(或位置3)时,U(5)SS等于U(5)B1(或U(5)C1),U(5)ec与滞后(或超前)于故障相的电源电压同相;再控制LB,使Mm/(L2(10)LB)等于kSA(或kS1A);控制LC,使Leq对应的电抗等于XL(或XL1),则故障相线路的电流就等于正常电流,其中kSA、kS1A、XL、XL1分别由式(3)、(5)、(7)和(9)决定。忽略UA和UA1的微小差异,而uf064又为0～uf070/3,因此式(3)、(7)中kSA和kS1A为1.0～2.0。因此设计故障电流控制器时应适当选择m和LB的调节范围,使Mm/(L2(10)LB)的变化范围为1.0～2.0。3故障电流控制器的控制由于确定故障点的精确位置非常困难,因此控制系统几乎不可能根据式(3)、(5)、(7)和(9)的计算结果控制故障电流。由于故障电流控制器等效于U(5)ec和Leq的串联,因此,故障电流控制器投入后图2中的线路电流为式中:U(5)S1为U(5)A与U(5)ec之和;L为LL和Leq之和。根据式(12)—(14),调节LC不会改变U(5)ec,因而就不会影响I(5)的相位,但会改变Leq从而改变I(5)的幅值;调整LB不会改变U(5)ec的相位,但会改变U(5)ec的幅值和Leq,从而改变U(5)S1和I(5)的幅值和相位。但是调整LB引起I(5)幅值的变化总可以通过调节LC给予补偿,实现在不改变I(5)幅值的情况下使其相位得到调节。因此,调整LC将改变电流的幅值而不改变电流的相位,电流幅值背离希望值时,在有效调节范围内,调节LC总可以使电流幅值达到希望值,这与引起电流幅值偏移的原因无关,即使偏移是调节LB引起的;调节LB能调节电流的相位,它也会改变电流的幅值,但电流幅值的变化可以通过调节LC来补偿。因此故障电流控制器的控制策略为:根据线路的运行状态(发送端还是接受端)控制K1的位置,使T1的原边电压与超前或滞后于故障相的电源电压同相;调节LB以控制电流相位,调节LC以控制电流幅值。图3为控制系统的原理框图,开关控制信号G由线路的运行状态决定。正常时,G控制K1在位置4,KS在闭合状态。故障时,G控制KS断开;如果控制器位于发送端(或接收端),则G控制K1使其T1的原边电压与超前(或滞后)于故障相的电源电压同相。测量线路电流,经快速傅里叶变换(fastFouriertransform,FFT)计算其幅值和相位,选择非接地相基波电流幅值作为故障电流控制幅值的给定值;根据选择的非故障相基波电流的相位以及正常运行期间它与控制的接地相基波电流相位的关系确定故障电流控制器的相位给定值。例如,A相接地,可以选择B相(或C相)的基波电流幅值作为A相故障电流控制器电流幅值的给定值;而正常运行时B相(或C相)电流滞后(或超前)A相电流2uf070/3,因此B相(或C相)电流的相位与2uf070/3(或-2uf070/3)之和作为A相故障电流控制器电流相位的给定值。图3中的“相位校正”为2uf070/3(或-2uf070/3);“FFT”就是对输入电流进行快速傅里叶分析;“选择”就是选择其中的非接地相电流,其幅值和相位作为故障电流幅值和相位控制给定值的基础。图3是以故障电流控制器的控制策略为基础,因此它将电流相位的给定值与故障相电流相位的差作为PI控制器的输入信号,其输出信号作为LB的控制信号;将电流幅值的给定值与故障相电流幅值的差作为另一个PI控制器的输入信号,其输出信号作为LC的控制信号。图3中“LB控制信号”和“LC控制信号”为对应电感控制器的给定值。4实验与模拟4.1u3000感染电流控制器设计故障电流控制器的目标就是控制故障线路电流等于正常电流。正常运行时,图1中的电流I(5)M、I(5)M1分别为当U(5)M超前U(5)M1的角度为uf064,且忽略其幅值差时,则有因此I(5)M和I(5)M1分别为由此可知,正常运行期间线路发送端的电流滞后其母线电压uf064/2,接受端的电流滞后其母线电压uf070-uf064/2。而线路重载时uf064不会大于uf070/3,轻载时uf064也在uf070/18左右,因此线路发送端电流滞后其母线电压uf070/36～uf070/6,接受端电流滞后其母线电压5uf070/6～35uf070/36。图4为实验系统示意图,K、KB、KC、KG为固态开关,U(5)A模拟故障相电源,其有效值为250V,频率为60Hz;R和L模拟故障点至电源间的电阻和电感,其中R为1uf057、L为20mH。故障电流控制器由变压器1、2和可控电感LB、LC构成,变压器1的变比为1(25)2.5,U(5)A、U(5)B、U(5)C为对称正序电源。变压器2的变比为1(25)1,LB、LC为负载可调节的可调电抗器,它们的调节范围分别为1～10mH和10～90mH。其控制方案如图5所示,由于仅模拟了单相故障线路,同时也不存在故障前线路的状态,因此图5不同于图3,但它与图3的控制原理相同。在图5中,“测量电流”和“测量电压”为图4中I(5)和U(5)A的测量值,经FFT计算其幅值和相位;“电流幅值给定”为控制电流幅值的希望值,“电流相位给定”为控制电流滞后电源电压的希望值。非工作状态时,“启动信号”无效,“判断”输出的G将控制K和KG导通,KB和KC关断;工作状态时,“启动信号”有效,如果“电流相位给定”在uf070/36～uf070/6之间,表明控制器处于发送端,G控制K、KG、KB关断,KC导通;“电流相位给定”在5uf070/6～35uf070/36之间,表明控制器位于接收端,G控制K、KG、KC关断,KB导通。“电流幅值给定”与实际电流幅值的误差控制LC;由于“电流相位给定”为控制电流滞后电源电压的希望值,因此首先将电源电压相位减去“电流相位给定”,其差与实际电流相位的误差控制LB。LB、LC的控制器采用文献中的控制器。在图6—9中,I滞后UA的角度为uf061,USM为故障电流控制器的等效串联电压(包括了等效电压源电压和串联电感的压降)。图6—9是保持I的幅值为25A,控制uf061时的USM、I和UA的实验波形图。图6为在30ms时投入控制器的实验波形。投入前I的幅值接近50A,uf061约为4uf070/9;投入后,电流控制器控制I幅值为25A,uf061为uf070/6;保持I的幅值为25A,将uf061调节为不同值时的实验结果如图7—9所示。保持uf061为35uf070/36,I的幅值从25A调整到15A的实验结果如图10所示。根据图6—10,在保持电流幅值不变的情况下,控制器能控制故障电流的相位等于正常电流的相位;在保持电流相位不变的情况下,它也能控制电流幅值。因此故障电流控制器能控制故障相电流使其等于正常运行电流。4.2故障电流控制器的设计在SABER仿真软件上建立图1所示系统,为对称三相电源,频率为50Hz,幅值为179.6kV,超前的角度为uf070/9,该系统模拟了220kV电压等级的线路;k取0.3。与图1不同的是,线路模型为电阻、电感的串联模型,其中每相线路的总电阻和电感分别为10.14uf057和0.252H。故障电流控制器为图2所示模型,其中T1的变比为2.2,T2的变比为1,可调电感采用文献中的电感,其调节范围均为0.1～1.5H;控制系统为图3所示模型。线路A相在F点发生接地后的故障电流Id如图11所示,故障电流控制器的等效串联电压(包括了等效电压源电压和电感压降)及线路电流如图12、13所示分别为发送端和接收端的等效串联电压)。在大约1s前,系统处于正常状态,Id为0,线路三相电流对称均为0;接近1s时,A相接地,线路电流严重不对称,A相电流增大;故障电流控制器投入后,大约在1.26s故障电流接近0,而线路的三相电流再次对称,且等于故障前的电流。线路B、C相在F点发生接地故障后,启动故障电流控制器也能控制故障电流为0,故障线路上的电流等于故障前的电流。5故障电流控制器不对称接地故障为电力系统的主要故障。本文分析了不对称接地状态下控制串联电压源电压及电感以控制故障线路电流等于正常电流的可能性,提出了线路发送端(和接受端)的串联电压与超前(和滞后)于