本發(fā)明涉及配電網(wǎng)故障消弧技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于雙閉環(huán)控制的配電網(wǎng)故障有源電壓消弧方法及裝置。

背景技術(shù)：

配電網(wǎng)的電力系統(tǒng)中輸配電線路十分復(fù)雜，輸配電線路間極易發(fā)生單相接地故障，其中，最常見的是瞬時(shí)性接地故障，嚴(yán)重影響配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。我國(guó)配電網(wǎng)一般采用中性點(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線圈接地、經(jīng)電阻接地、經(jīng)電阻和電容接地等中性點(diǎn)非有效接地方式。隨著配電網(wǎng)的發(fā)展，當(dāng)輸配電線路發(fā)生接地故障時(shí)，接地故障的瞬時(shí)電流增大，瞬時(shí)性接地故障的消弧能力減弱，故障點(diǎn)的電弧難以自行熄滅，易產(chǎn)生故障過電壓，進(jìn)而易引起停電事故，影響配電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

目前，傳統(tǒng)的針對(duì)單相接地故障消弧的方法為電流消弧方法，電流消弧方法分為兩種：一種是通過預(yù)調(diào)式消弧線圈補(bǔ)償接地故障殘流，減小介質(zhì)損耗，抑制故障相恢復(fù)電壓的上升速度，降低故障建弧率；另一種是通過隨調(diào)式消弧線圈在接地故障時(shí)增大系統(tǒng)的零序阻抗，減小故障電流，促進(jìn)故障消弧。

但是，采用上述的電流消弧方法都只能補(bǔ)償故障點(diǎn)的無(wú)功電流，不能補(bǔ)償有功電流，使電流消弧效果具有局限性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于雙閉環(huán)控制的配電網(wǎng)故障有源電壓消弧方法及裝置，以解決現(xiàn)有的電流消弧方法只能補(bǔ)償故障點(diǎn)的無(wú)功電流，不能補(bǔ)償有功電流，使電流消弧效果具有局限性的問題。

第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于雙閉環(huán)控制的配電網(wǎng)故障有源電壓消弧方法，所述方法包括以下步驟：

采集配電網(wǎng)的三相電壓和中性點(diǎn)電壓，根據(jù)所述三相電壓和所述中性點(diǎn)電壓的關(guān)系，判斷所述配電網(wǎng)是否發(fā)生單相接地故障；

如果所述配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障，則根據(jù)所述三相電壓的大小確定發(fā)生單相接地故障的故障相；

向發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中注入初始電流，獲取所述故障相的相電壓和所述中性點(diǎn)電壓，通過雙閉環(huán)控制方法，確定最佳的注入電流；

將所述最佳的注入電流注入所述發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)單相接地故障的消弧。

可選的，所述根據(jù)三相電壓和所述中性點(diǎn)電壓的關(guān)系，判斷所述配電網(wǎng)是否發(fā)生單相接地故障的步驟，具體包括以下步驟：

如果所述中性點(diǎn)電壓大于所述三相電壓的15％，判斷所述配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障；

如果所述中性點(diǎn)電壓小于或等于所述三相電壓的15％，判斷所述配電網(wǎng)未發(fā)生單相接地故障。

可選的，所述根據(jù)三相電壓的大小確定發(fā)生單相接地故障的故障相的過程，包括：

通過比較三相電壓的值的大小，確定相電壓為最小值的相為發(fā)生單相接地故障的故障相。

可選的，所述雙閉環(huán)控制方法，具體包括以下步驟：

獲取所述故障相的電壓和中性點(diǎn)電壓，以所述中性點(diǎn)電壓作為參考電壓，利用電壓閉環(huán)控制方法，控制所述故障相的電壓與所述參考電壓相等，輸出當(dāng)前電流值；其中，所述故障相的電壓與所述參考電壓的幅值相等，相位相反；

向發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中注入初始電流，將所述當(dāng)前電流值作為參考電流，利用電流內(nèi)環(huán)控制方法，控制所述初始電流與所述參考電流相等，將控制后的初始電流作為最佳的注入電流。

可選的，所述電壓外環(huán)控制方法，具體包括以下步驟：

根據(jù)所述故障相的電壓，得到故障相電壓相反數(shù)，以所述中性點(diǎn)電壓作為參考電壓，實(shí)時(shí)比較所述故障相電壓相反數(shù)與所述參考電壓的差值；

通過電壓負(fù)反饋調(diào)節(jié)，使所述故障相電壓相反數(shù)逼近所述參考電壓；

經(jīng)過比例積分傳遞函數(shù)，使所述故障相電壓相反數(shù)與所述參考電壓相等，得到相等時(shí)的當(dāng)前電流值；

輸出所述當(dāng)前電流值。

可選的，所述電流內(nèi)環(huán)控制方法，具體包括以下步驟：

根據(jù)所述初始電流，以所述當(dāng)前電流值作為參考電流，通過一次傳遞函數(shù)的過程，得到注入電流的初值；

通過電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)，將所述注入電流的初值反饋至所述初始電流進(jìn)行比較，通過數(shù)次傳遞函數(shù)的過程，控制所述注入電流的初值與所述參考電流相等；其中，所述注入電流的初值與所述參考電流的幅值相等，相位相反；

通過比較和計(jì)算，得到控制后的注入電流的初值，即為最佳的注入電流。

可選的，所述將最佳的注入電流注入所述發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)單相接地故障的消弧的過程，包括：

將所述最佳的注入電流注入發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中，使所述故障相的電壓和電流分別抑制到零，補(bǔ)償所述配電網(wǎng)的無(wú)功電流分量、有功電流分量和諧波分量，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)單相接地故障的消弧。

第二方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種基于雙閉環(huán)控制的配電網(wǎng)故障有源電壓消弧裝置，所述基于雙閉環(huán)控制的配電網(wǎng)故障有源電壓消弧裝置包括用于執(zhí)行第一方面各種實(shí)現(xiàn)方式中方法步驟的模塊。

采樣判斷模塊，用于采集配電網(wǎng)的三相電壓和中性點(diǎn)電壓，根據(jù)所述三相電壓和所述中性點(diǎn)電壓的關(guān)系，判斷所述配電網(wǎng)是否發(fā)生單相接地故障；

數(shù)據(jù)處理模塊，用于如果所述配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障，則根據(jù)所述三相電壓的大小確定發(fā)生單相接地故障的故障相；

注入電流確定模塊，用于向發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中注入初始電流，獲取所述故障相的相電壓和所述中性點(diǎn)電壓，通過雙閉環(huán)控制方法，確定最佳的注入電流；

有源消弧模塊，用于將所述最佳的注入電流注入所述發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)單相接地故障的消弧。

由以上技術(shù)方案可知，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于雙閉環(huán)控制的配電網(wǎng)故障有源電壓消弧方法及裝置，方法包括以下步驟：采集配電網(wǎng)的三相電壓和中性點(diǎn)電壓，并判斷配電網(wǎng)是否發(fā)生單相接地故障；如果配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障，則根據(jù)三相電壓的大小確定發(fā)生單相接地故障的故障相；向發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中注入初始電流，獲取故障相的相電壓和中性點(diǎn)電壓，通過雙閉環(huán)控制方法，確定最佳的注入電流；將所述最佳的注入電流注入發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)單相接地故障的消弧。本發(fā)明實(shí)施例提供的有源電壓消弧方法及裝置，基于雙閉環(huán)控制方法，在配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，通過有源消弧裝置向中性點(diǎn)注入可控零序電流，控制故障相電壓為零，實(shí)現(xiàn)故障消弧。雙閉環(huán)控制方法以故障相電壓為控制目標(biāo)，無(wú)需測(cè)量電容電流等配電網(wǎng)的對(duì)地參數(shù)，使消弧實(shí)現(xiàn)方便。先通過電壓外環(huán)控制方法，得到當(dāng)前電流值，并作為電流內(nèi)環(huán)控制方法的參考電流，再通過電流內(nèi)環(huán)控制方法，對(duì)有源消弧裝置注入配電網(wǎng)的初始電流進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)控制，最終得到最佳的注入電流。將此最佳的注入電流注入發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中，控制故障相的電壓為0，即故障相電流為0，補(bǔ)償故障相的無(wú)功電流分量、有功電流分量和諧波分量，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)單相接地故障的快速、高精度的徹底消弧。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例示出的基于雙閉環(huán)控制的配電網(wǎng)故障有源電壓消弧方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例示出的基于雙閉環(huán)控制的配電網(wǎng)故障有源電壓消弧方法的原理電路圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例示出的雙閉環(huán)控制方法的結(jié)構(gòu)框圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例示出的雙閉環(huán)控制方法的傳遞函數(shù)波特圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例示出的基于雙閉環(huán)控制的配電網(wǎng)故障有源電壓消弧裝置的結(jié)構(gòu)框圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例示出的發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)故障點(diǎn)電流波形圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例示出的發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)故障相電壓的抑制波形圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例示出的發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)注入電流的頻率波形圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例示出的發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)參考電流和注入初始電流的動(dòng)態(tài)跟蹤波形圖。

具體實(shí)施方式

第一方面，參見圖1，為本發(fā)明實(shí)施例示出的基于雙閉環(huán)控制的配電網(wǎng)故障有源電壓消弧方法的流程圖。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于雙閉環(huán)控制的配電網(wǎng)故障有源電壓消弧方法，包括以下步驟：

S1、采集配電網(wǎng)的三相電壓和中性點(diǎn)電壓，根據(jù)所述三相電壓和所述中性點(diǎn)電壓的關(guān)系，判斷所述配電網(wǎng)是否發(fā)生單相接地故障；

S2、如果所述配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障，則根據(jù)所述三相電壓的大小確定發(fā)生單相接地故障的故障相；

S3、向發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中注入初始電流，獲取所述故障相的相電壓和所述中性點(diǎn)電壓，通過雙閉環(huán)控制方法，確定最佳的注入電流；

S4、將所述最佳的注入電流注入所述發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)單相接地故障的消弧。

本發(fā)明實(shí)施例提供的方法，搭配有源消弧裝置一起使用。有源消弧裝置可等效為一可控電流源，通過控制IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)的通斷向配電網(wǎng)中性點(diǎn)注入一特定幅值和相位的零序電流補(bǔ)償接地故障全電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)零序電壓的控制，促使故障點(diǎn)電壓為0，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)單相接地故障的徹底消弧。

參見圖2，為本發(fā)明實(shí)施例示出的基于雙閉環(huán)控制的配電網(wǎng)故障有源電壓消弧方法的原理電路圖。

如圖2中虛線框內(nèi)為有源消弧裝置，包括調(diào)壓器、不可控整流器、逆變器、濾波電感器、電容、電阻和變壓器；調(diào)壓器的一端與電源連接，另一端與所述不可控整流器相連接；不可控整流器的信號(hào)輸出端與逆變器的信號(hào)接收端相連接，逆變器的信號(hào)輸出端與濾波電感的信號(hào)接收端相連接，濾波電感的信號(hào)輸出端與變壓器的初級(jí)線圈相連接，變壓器的次級(jí)線圈一端接地，另一端與配電網(wǎng)中性點(diǎn)的消弧線圈相連接。有源消弧裝置通過中性點(diǎn)消弧線圈與配電網(wǎng)相連接。其中，不可控整流器與逆變器之間還并聯(lián)有電容和電阻。

調(diào)壓器用于將來(lái)自電源的電流電壓升高，達(dá)到額定值；不可控整流器用于對(duì)電路進(jìn)行整流和濾波；電容、電阻和濾波電感形成組合濾波，對(duì)電路進(jìn)行精準(zhǔn)濾波；逆變器用于將直流電轉(zhuǎn)換成交流電；變壓器用于變換電壓，以使有源消弧裝置輸出的電流電壓與配電網(wǎng)的額定電壓相適配。

本發(fā)明實(shí)施例提供的有源電壓消弧方法的原理為：基于PWM有源逆變器向配電網(wǎng)中性點(diǎn)注入一幅值和相位可控的零序電流來(lái)抑制零序電壓，通過對(duì)零序電壓的控制，達(dá)到抑制故障點(diǎn)電流的目的，破壞電弧重燃的條件，實(shí)現(xiàn)電壓消弧。

圖2中，U_S為電源，U_DC為直流母線電壓，C_DC、R_DC為直流側(cè)電容、電阻，L為輸出濾波電感，L_p為中性點(diǎn)消弧線圈，E_A、E_B、E_C分別為配電網(wǎng)電源電動(dòng)勢(shì)，U_A、U_B、U_C分別為三相電壓，U_N為中性點(diǎn)電壓，I為通過PWM有源逆變器注入配電網(wǎng)的初始電流，r_A、r_B、r_C為配電網(wǎng)對(duì)地泄漏電阻，C_A、C_B、C_C為配電網(wǎng)對(duì)地電容，R_f為接地故障過渡電阻。

由基爾霍夫電流定律可知：

式中分別為配電網(wǎng)三相對(duì)地參數(shù)的導(dǎo)納，為中性點(diǎn)對(duì)地導(dǎo)納。

為實(shí)現(xiàn)單相接地故障的有源電壓消弧，使故障相電壓恢復(fù)恒為零，即U_C＝0，而U_C＝U_N+E_C，所以U_N＝-E_C，將式(1)化簡(jiǎn)得到注入的初始電流公式為：

I＝E_A*Y_A+E_B*Y_B-E_C*(Y_A+Y_B+Y₀) (2)

由式(2)可知注入的初始電流與接地故障過渡電阻R_f無(wú)關(guān)，只與配電網(wǎng)相電壓、三相對(duì)地導(dǎo)納和中性點(diǎn)對(duì)地導(dǎo)納有關(guān)。且注入電流能夠補(bǔ)償故障電流的有功和無(wú)功分量，實(shí)現(xiàn)故障殘流的全補(bǔ)償，能有效克服現(xiàn)有消弧技術(shù)只能補(bǔ)償無(wú)功電流的不足。因此，通過有源消弧裝置注入電流，可以有效的控制故障電壓恢復(fù)到零，實(shí)現(xiàn)單相接地故障的徹底消弧。

本發(fā)明實(shí)施例提供的有源電壓消弧方法，其具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

在步驟S1中，采集配電網(wǎng)的三相電壓和中性點(diǎn)電壓，根據(jù)所述三相電壓和所述中性點(diǎn)電壓的關(guān)系，判斷所述配電網(wǎng)是否發(fā)生單相接地故障。

由于配電網(wǎng)中隨著負(fù)荷的變化，隨時(shí)會(huì)出現(xiàn)單相接地故障，因此需要實(shí)時(shí)控制，以達(dá)到消弧的目的。

首先，實(shí)時(shí)對(duì)配電網(wǎng)的A、B、C三相電壓和中性點(diǎn)電壓進(jìn)行采集，根據(jù)中性點(diǎn)電壓與A、B、C三相電壓的關(guān)系，判斷當(dāng)前配電網(wǎng)是否發(fā)生單相接地故障，其判斷方法如下：

如果所述中性點(diǎn)電壓大于所述三相電壓的15％，則判斷所述配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障；

如果所述中性點(diǎn)電壓小于或等于所述三相電壓的15％，則判斷所述配電網(wǎng)未發(fā)生單相接地故障。

在步驟S2中，如果所述配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障，則根據(jù)所述三相電壓的大小確定發(fā)生單相接地故障的故障相；

如果配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障，則通過比較A、B、C三相電壓的大小，確定相電壓為最小值的相為發(fā)生單相接地故障的故障相。

例如，如果當(dāng)前配電網(wǎng)的三相電壓的關(guān)系滿足U_A>U_B>U_C，C相的電壓值最小，則確定C相為故障相。

在步驟S3中，向發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中注入初始電流，獲取所述故障相的相電壓和所述中性點(diǎn)電壓，通過雙閉環(huán)控制方法，確定最佳的注入電流；

當(dāng)確定當(dāng)前配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障并判斷出故障相后，利用有源消弧裝置向配電網(wǎng)中注入初始電流，而注入的初始電流可能無(wú)法完全補(bǔ)償故障相的無(wú)功電流分量、有功電流分量和諧波分量，因此需要通過有源消弧裝置對(duì)注入的初始電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到最佳的注入電流，實(shí)現(xiàn)注入的電流可以完全補(bǔ)償故障相的無(wú)功電流分量、有功電流分量和諧波分量，以使故障相的電流和電壓變?yōu)?，即實(shí)現(xiàn)消弧的目的。

如圖3所示，為本發(fā)明實(shí)施例示出的雙閉環(huán)控制方法的結(jié)構(gòu)框圖。

可選的，有源消弧裝置對(duì)初始電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以得到最佳的注入電流的方法可采用雙閉環(huán)控制方法，包括以下步驟：

S301、獲取所述故障相的電壓和中性點(diǎn)電壓，以所述中性點(diǎn)電壓作為參考電壓，利用電壓閉環(huán)控制方法，控制所述故障相的電壓與所述參考電壓相等，輸出當(dāng)前電流值；其中，所述故障相的電壓與所述參考電壓的幅值相等，相位相反；

S302、向發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中注入初始電流，將所述當(dāng)前電流值作為參考電流，利用電流內(nèi)環(huán)控制方法，控制所述初始電流與所述參考電流相等，將控制后的初始電流作為最佳的注入電流。

具體地，由式(2)可知，注入電流由配電網(wǎng)對(duì)地導(dǎo)納等參數(shù)確定，而實(shí)際上配電網(wǎng)的該參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量困難。為實(shí)現(xiàn)故障相電壓為零的控制目標(biāo)，采用電力電子設(shè)備的閉環(huán)控制方法，無(wú)需測(cè)量配電網(wǎng)零序?qū)Ъ{、電容電流等參數(shù)，反饋控制注入電流幅值和相位，強(qiáng)迫故障相電壓為零，達(dá)到電壓消弧的目的。

為此，本發(fā)明實(shí)施例提出了比例諧振控制(PR控制)和PI控制的雙閉環(huán)控制方法，由有源消弧裝置執(zhí)行相應(yīng)過程。該方法采用串級(jí)控制，包括電流內(nèi)環(huán)控制方法和電壓外環(huán)控制方法，電流內(nèi)環(huán)控制方法為PI控制器，電壓外環(huán)控制方法為比例諧振控制器，電壓外環(huán)控制為電流內(nèi)環(huán)控制提供參考電流，電壓外環(huán)控制的目標(biāo)是中性點(diǎn)電壓。比例諧振控制器能夠?qū)μ囟l率信號(hào)實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差控制，消除諧波影響；PI控制器響應(yīng)速度快、控制精度高，兩者的結(jié)合能快速、可靠地實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)電流的抑制。

圖3中，U_N*、U_N、I*、I分別為故障相電壓相反數(shù)、中性點(diǎn)電壓、注入的初始電流、當(dāng)前電流值。G_PR為比例諧振控制器傳遞函數(shù)、G_PI為PI控制器傳遞函數(shù)、G_INV為逆變器的傳遞函數(shù)、G_O為逆變器輸出電壓與注入的初始電流之間的傳遞函數(shù)、G_S為注入的初始電流與中性點(diǎn)電壓之間的傳遞函數(shù)。

可選的，本發(fā)明實(shí)施例提出的電壓外環(huán)控制方法，具體包括以下步驟：

S3011、根據(jù)所述故障相的電壓，得到故障相電壓相反數(shù)，以所述中性點(diǎn)電壓作為參考電壓，實(shí)時(shí)比較所述故障相電壓相反數(shù)與所述參考電壓的差值；

S3012、通過電壓負(fù)反饋調(diào)節(jié)，使所述參考電壓逼近所述故障相電壓相反數(shù)；

S3013、經(jīng)過比例積分傳遞函數(shù)，使所述故障相電壓相反數(shù)與所述參考電壓相等，得到相等時(shí)的當(dāng)前電流值；

S3014、輸出所述當(dāng)前電流值。

具體地，電壓外環(huán)控制方法的最終目的就是控制中性點(diǎn)電壓U_N，目的等同于將接地故障電壓抑制到0，實(shí)際配電網(wǎng)的中性點(diǎn)電壓U_N是隨著時(shí)間變化的，參考電壓U_N應(yīng)滿足與故障相電壓幅值相等，相位相反的關(guān)系，以達(dá)到最終注入配電網(wǎng)后，使故障相電壓調(diào)節(jié)為0的目的。

為實(shí)現(xiàn)故障相電壓與中性點(diǎn)電壓的幅值相等、相位相反的關(guān)系，可在采集到故障相電壓后，通過計(jì)算，得到故障相電壓相反數(shù)，并根據(jù)該故障相電壓相反數(shù)與中性點(diǎn)電壓的差值，控制故障相電壓相反數(shù)隨著中性點(diǎn)電壓的變化而變化，直至二者相等。

雙閉環(huán)控制方法的過程即為雙閉環(huán)控制的傳遞函數(shù)的過程，通過數(shù)次傳遞函數(shù)，控制故障相電壓相反數(shù)與參考電壓相等，參考電壓即為中性點(diǎn)電壓。

經(jīng)過一次傳遞函數(shù)控制的中性點(diǎn)電壓再反饋到初始的故障相電壓，通過電壓負(fù)反饋調(diào)節(jié)，由外環(huán)控制器實(shí)時(shí)比較故障相電壓相反數(shù)與中性點(diǎn)電壓之間的差值，使故障相電壓相反數(shù)逼近參考電壓；經(jīng)過比例積分傳遞函數(shù)，使故障相電壓的相反數(shù)與中性點(diǎn)電壓相等，并得到二者相等時(shí)的當(dāng)前電流值。

電壓外環(huán)控制方法的傳遞函數(shù)為：

其中，

式中，k_p、k_r為PR控制的比例系數(shù)和積分系數(shù)，ω_c為截止頻率，ω為基波頻率。

可選的，本發(fā)明實(shí)施例提出的電流內(nèi)環(huán)控制方法，具體包括以下步驟：

S3021、根據(jù)所述初始電流，以所述當(dāng)前電流值作為參考電流，通過一次傳遞函數(shù)的過程，得到注入電流的初值；

S3022、通過電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)，將所述注入電流的初值反饋至所述初始電流進(jìn)行比較，通過數(shù)次傳遞函數(shù)的過程，控制所述注入電流的初值與所述參考電流相等；其中，所述注入電流的初值與所述參考電流的幅值相等，相位相反；

S3023、通過比較和計(jì)算，得到控制后的注入電流的初值，即為最佳的注入電流。

具體地，電流內(nèi)環(huán)控制方法以有源消弧裝置向配電網(wǎng)注入的初始電流為控制目標(biāo)，以電壓外環(huán)控制方法得到的當(dāng)前電流值作為參考電流，通過PI控制器實(shí)現(xiàn)初始電流的高精度實(shí)時(shí)控制。

實(shí)際控制時(shí)，初始電流I*根據(jù)G_PR的結(jié)果為參考，即以當(dāng)前電流值作為參考電流，通過數(shù)次傳遞函數(shù)的過程，得到注入電流的初值；然后將此初值通過電流負(fù)反饋至初始電流I*進(jìn)行比較，使得經(jīng)過每一次傳遞函數(shù)的過程后，初始電流逐漸與參考電流相等。經(jīng)過計(jì)算和比較，最終得出最佳的注入電流。其中，數(shù)次傳遞函數(shù)包括PI控制器傳遞函數(shù)G_PI、逆變器的傳遞函數(shù)G_INV及逆變器輸出電壓與注入初始電流之間的傳遞函數(shù)G_O。

由于注入電流的初值與所述參考電流的幅值相等、相位相反，因此，最佳的注入電流與故障相電流也存在幅值相等、相位相反的關(guān)系，進(jìn)而可以保證當(dāng)最佳的注入電流被注入到配電網(wǎng)中后，可以補(bǔ)償故障相的無(wú)功電流分量、有功電流分量和諧波分量，使故障相電流變?yōu)?，即故障相電壓為0，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)單相接地故障的徹底消弧。

本發(fā)明實(shí)施例提供的電流內(nèi)環(huán)控制方法的傳遞函數(shù)為：

其中，G_INV＝K_INV、

式中，C_eq＝C_A+C_B+C_C；

式中，K_P、K_I為PI控制的比例系數(shù)和積分系數(shù)。

本發(fā)明實(shí)施例提供的方法還對(duì)雙閉環(huán)控制方法的傳遞函數(shù)的穩(wěn)定性進(jìn)行了控制，為了保證各傳遞函數(shù)的穩(wěn)定性，需要控制PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)K_P、K_I以及PR控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)k_p、k_r在合適的取值范圍內(nèi)。傳遞函數(shù)的控制系統(tǒng)參數(shù)取值如下表1所示：

表1傳遞函數(shù)的控制系統(tǒng)參數(shù)的取值

對(duì)雙閉環(huán)控制方法的穩(wěn)定性進(jìn)行分析后，分別取K_P、K_I、k_p、k_r為1、5、1、5得到傳遞函數(shù)的波特圖，如圖4所示，從圖4中可以得知，在基波頻率附近幅值裕度大，穩(wěn)定性高，增益大，高次波頻率處增益趨向零，說明比例諧振與PI結(jié)合的雙閉環(huán)控制能夠有效減小穩(wěn)態(tài)誤差、濾除諧波，提高有源系統(tǒng)抑制精度，可使發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)徹底消弧。

本發(fā)明實(shí)施例提供的雙閉環(huán)控制方法，即電壓外環(huán)控制方法和電流內(nèi)環(huán)控制方法，以故障相電壓為控制目標(biāo)，無(wú)需測(cè)量電容電流等配電網(wǎng)的對(duì)地參數(shù)，使消弧實(shí)現(xiàn)方便。該雙閉環(huán)控制方法以故障相電壓為初始控制的電壓值，通過電壓外環(huán)控制方法，得到當(dāng)前電流值，并作為電流內(nèi)環(huán)控制方法的參考電流，通過電流內(nèi)環(huán)控制方法，對(duì)有源消弧裝置注入配電網(wǎng)的初始電流進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)控制，雙閉環(huán)控制方法的結(jié)果為U_N*＝U_N，I*＝I，最終得到最佳的注入電流。將此最佳的注入電流注入發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中，控制故障相的電壓為0，即故障相電流為0，補(bǔ)償故障相的無(wú)功電流分量、有功電流分量和諧波分量，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)單相接地故障的徹底消弧。

本發(fā)明實(shí)施例提供的通過比例諧振和PI結(jié)合的雙閉環(huán)控制方法向配電網(wǎng)中性點(diǎn)注入電流的方法，能夠強(qiáng)制接地故障相電壓和故障點(diǎn)電流為零，且響應(yīng)速度快，波形畸變率低，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)單相接地故障的可靠消弧，具有控制精度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，且能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高逆變器的輸出波形質(zhì)量等特點(diǎn)。

在步驟S4中，將所述最佳的注入電流注入所述發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)單相接地故障的消弧。

具體地，將所述最佳的注入電流注入發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中，使所述故障相的電壓和電流分別抑制到零，補(bǔ)償所述配電網(wǎng)的無(wú)功電流分量、有功電流分量和諧波分量，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)單相接地故障的消弧。

由以上技術(shù)方案可知，本發(fā)明實(shí)施例提供的基于雙閉環(huán)控制的配電網(wǎng)故障有源電壓消弧方法，包括以下步驟：采集配電網(wǎng)的三相電壓和中性點(diǎn)電壓，并判斷配電網(wǎng)是否發(fā)生單相接地故障；如果配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障，則根據(jù)三相電壓的大小確定發(fā)生單相接地故障的故障相；向發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中注入初始電流，獲取故障相的相電壓和中性點(diǎn)電壓，通過雙閉環(huán)控制方法，確定最佳的注入電流；將所述最佳的注入電流注入發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)單相接地故障的消弧。本發(fā)明實(shí)施例提供的有源電壓消弧方法，基于雙閉環(huán)控制方法，在配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，通過有源消弧裝置向中性點(diǎn)注入可控零序電流，控制故障相電壓為零，實(shí)現(xiàn)故障消弧。雙閉環(huán)控制方法以故障相電壓為控制目標(biāo)，無(wú)需測(cè)量電容電流等配電網(wǎng)的對(duì)地參數(shù)，使消弧實(shí)現(xiàn)方便。先通過電壓外環(huán)控制方法，得到當(dāng)前電流值，并作為電流內(nèi)環(huán)控制方法的參考電流，再通過電流內(nèi)環(huán)控制方法，對(duì)有源消弧裝置注入配電網(wǎng)的初始電流進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)控制，最終得到最佳的注入電流。將此最佳的注入電流注入發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中，控制故障相的電壓為0，即故障相電流為0，補(bǔ)償故障相的無(wú)功電流分量、有功電流分量和諧波分量，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)單相接地故障的快速、高精度的徹底消弧。

第二方面，參見圖5，為本發(fā)明實(shí)施例示出的基于雙閉環(huán)控制的配電網(wǎng)故障有源電壓消弧裝置的結(jié)構(gòu)框圖。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于雙閉環(huán)控制的配電網(wǎng)故障有源電壓消弧裝置，包括：

采樣判斷模塊，用于采集配電網(wǎng)的三相電壓和中性點(diǎn)電壓，根據(jù)所述三相電壓和所述中性點(diǎn)電壓的關(guān)系，判斷所述配電網(wǎng)是否發(fā)生單相接地故障；

數(shù)據(jù)處理模塊，用于如果所述配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障，則根據(jù)所述三相電壓的大小確定發(fā)生單相接地故障的故障相；

注入電流確定模塊，用于向發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中注入初始電流，獲取所述故障相的相電壓和所述中性點(diǎn)電壓，通過雙閉環(huán)控制方法，確定最佳的注入電流；

有源消弧模塊，用于將所述最佳的注入電流注入所述發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)單相接地故障的消弧。

可選的，所述采樣判斷模塊包括：采樣模塊和判斷模塊；

采樣模塊，用于采集配電網(wǎng)的三相電壓和中性點(diǎn)電壓；

判斷模塊，用于根據(jù)所述三相電壓和所述中性點(diǎn)電壓的關(guān)系，判斷所述配電網(wǎng)是否發(fā)生單相接地故障。

其中，判斷模塊的判斷方法為：如果所述中性點(diǎn)電壓大于所述三相電壓的15％，判斷所述配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障；如果所述中性點(diǎn)電壓小于或等于所述三相電壓的15％，判斷所述配電網(wǎng)未發(fā)生單相接地故障。

可選的，數(shù)據(jù)處理模塊具體用于，通過比較三相電壓的值的大小，確定相電壓為最小值的相為發(fā)生單相接地故障的故障相。

可選的，注入電流確定模塊包括：電壓外環(huán)控制模塊和電流內(nèi)環(huán)控制模塊；

電壓外環(huán)控制模塊，用于獲取所述故障相的電壓和中性點(diǎn)電壓，以所述中性點(diǎn)電壓作為參考電壓，利用電壓閉環(huán)控制方法，控制所述故障相的電壓與所述參考電壓相等，輸出當(dāng)前電流值；其中，所述故障相的電壓與所述參考電壓的幅值相等，相位相反；

電流內(nèi)環(huán)控制模塊，用于向發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中注入初始電流，將所述當(dāng)前電流值作為參考電流，利用電流內(nèi)環(huán)控制方法，控制所述初始電流與所述參考電流相等，將控制后的初始電流作為最佳的注入電流。

可選的，電壓外環(huán)控制模塊包括：

電壓差值比較模塊，用于根據(jù)所述故障相的電壓，得到故障相電壓相反數(shù)，以所述中性點(diǎn)電壓作為參考電壓，實(shí)時(shí)比較所述故障相電壓相反數(shù)與所述參考電壓的差值；

電壓負(fù)反饋調(diào)節(jié)模塊，用于通過電壓負(fù)反饋調(diào)節(jié)，使所述故障相電壓相反數(shù)逼近所述參考電壓；

比例積分調(diào)節(jié)模塊，用于經(jīng)過比例積分傳遞函數(shù)，使所述故障相電壓相反數(shù)與所述參考電壓相等，得到相等時(shí)的當(dāng)前電流值；

電流輸出模塊，用于輸出所述當(dāng)前電流值。

可選的，電流內(nèi)環(huán)控制模塊包括：

電流處理模塊，用于根據(jù)所述初始電流，以所述當(dāng)前電流值作為參考電流，通過一次傳遞函數(shù)的過程，得到注入電流的初值；

電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)模塊，用于通過電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)，將所述注入電流的初值反饋至所述初始電流進(jìn)行比較，通過數(shù)次傳遞函數(shù)的過程，控制所述注入電流的初值與所述參考電流相等；其中，所述注入電流的初值與所述參考電流的幅值相等，相位相反；

最佳電流確定模塊，用于通過比較和計(jì)算，得到控制后的注入電流的初值，即為最佳的注入電流。

可選的，有源消弧模塊具體用于，將所述最佳的注入電流注入發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中，使所述故障相的電壓和電流分別抑制到零，補(bǔ)償所述配電網(wǎng)的無(wú)功電流分量、有功電流分量和諧波分量，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)單相接地故障的消弧。

需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)于有源電壓消弧裝置的實(shí)施例而言，由于其基本相似于方法實(shí)施例，所以描述的比較簡(jiǎn)單，相關(guān)之處參見方法實(shí)施例中的說明即可。

下面結(jié)合具體的仿真實(shí)驗(yàn)過程來(lái)說明本發(fā)明實(shí)施例提供的基于雙閉環(huán)控制的配電網(wǎng)故障有源電壓消弧方法對(duì)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的消弧效果。

采用RTDS軟件對(duì)10kV配電網(wǎng)模型進(jìn)行仿真分析，由于雙閉環(huán)控制方法無(wú)需測(cè)量對(duì)地參數(shù)，進(jìn)行多組仿真實(shí)驗(yàn)，確定對(duì)地參數(shù)對(duì)雙閉環(huán)控制方法沒有影響。仿真波形的仿真參數(shù)如表1所示，在配電網(wǎng)中注入電流前后的對(duì)比參數(shù)如下表2所示，仿真在0.1s時(shí)注入電流，抑制前后的電氣參數(shù)如圖6～圖9所示：

表2注入電流前后配電網(wǎng)參數(shù)對(duì)比

圖6為本發(fā)明實(shí)施例示出的發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)故障點(diǎn)電流波形圖。在0.08s前系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，在0.08s時(shí)發(fā)生接地故障，有源消弧裝置投入前，故障點(diǎn)電流達(dá)到198A，有源消弧裝置投入后，故障點(diǎn)電流被抑制到1.8A，故障電流抑制幅度達(dá)到99.1％，抑制效果明顯。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例示出的發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)故障相電壓的抑制波形圖，在0.08s時(shí)投入電阻模擬接地故障，在0.1s時(shí)，投入有源消弧裝置，故障相電壓由4.95kV下降到0.04kV，故障相電壓下降幅度到99.2％。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例示出的發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)注入電流的頻率波形圖，高次諧波的總含量低于0.1％，幾乎不存在波形畸變。

圖9為本發(fā)明實(shí)施例示出的發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)參考電流和注入電流的動(dòng)態(tài)跟蹤波形圖，注入電流為545.6A，參考電流為553.1A，跟蹤精度達(dá)到98.6％，穩(wěn)態(tài)誤差低。

由以上結(jié)果可以得知：通過比例諧振控制器和PI控制器的雙閉環(huán)控制方法向配電網(wǎng)注入電流的方法能夠在無(wú)需測(cè)量配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)的情況下抑制接地故障相電壓和故障點(diǎn)電流，使故障相電壓為零，即故障點(diǎn)電流為零，補(bǔ)償配電網(wǎng)接地故障的無(wú)功電流分量、有功電流分量和諧波分量，且響應(yīng)速度快，控制精度高，能實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)故障的徹底消弧。

本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮說明書及實(shí)踐這里公開的發(fā)明后，將容易想到本發(fā)明的其它實(shí)施方案。本申請(qǐng)旨在涵蓋本發(fā)明的任何變型、用途或者適應(yīng)性變化，這些變型、用途或者適應(yīng)性變化遵循本發(fā)明的一般性原理并包括本發(fā)明未公開的本技術(shù)領(lǐng)域中的公知常識(shí)或慣用技術(shù)手段。說明書和實(shí)施例僅被視為示例性的，本發(fā)明的真正范圍和精神由所附的權(quán)利要求指出。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明并不局限于上面已經(jīng)描述并在附圖中示出的精確結(jié)構(gòu)，并且可以在不脫離其范圍進(jìn)行各種修改和改變。本發(fā)明的范圍僅由所附的權(quán)利要求來(lái)限制。