[发明专利]一种复用接地变压器的配电网单相接地故障消弧系统及其控制方法

权利要求书

1.一种复用接地变压器的配电网单相接地故障消弧系统及其控制方法，其特征在于所述的配电网单相接地故障消弧系统由接地变压器、选相开关、单相隔离升压变压器、有源补偿装置、消弧线圈四部分组成；

接地变压器的一次侧相线端子分别与配电网的A相、B相、C相连接；接地变压器的一次侧中性点经消弧线圈接地；同时，接地变压器的一次侧中性点还与有源补偿装置输出端的一个端口相连；有源补偿装置输出端的另一个端口和单相隔离升压变压器二次侧的一个端口相连；单相隔离升压变压器二次侧的另一个端口接地；接地变压器二次侧与有源补偿装置输入端相连；同时，接地变压器二次侧与两组选相开关输入端相连；第一组选相开关的输出端接地；第二组选相开关的输出端和单相隔离升压变压器一次侧的一个端口相连；单相隔离升压变压器一次侧的另一个端口接地；单相隔离升压变压器一次侧及二次侧的接地端口互为同名端。

2.如权利要求1所述配电网单相接地故障消弧系统，其特征在于，有源补偿装置包括三相不可控整流桥、母线电容、单相逆变桥、滤波电感L、滤波电容C、单相隔离变压器；

三相不可控整流桥的交流侧构成有源补偿装置的输入端；单相隔离变压器的二次侧构成有源补偿装置的输出端；三相不可控整流桥输出端的正、负极分别接母线电容的正、负极；母线电容的正、负极分别接单相逆变桥直流侧正、负极；单相逆变桥输出端的第一个端口接滤波电感L的第一个端口，滤波电感L的第二个端口同时接滤波电容C的第一个端口和单相隔离变压器一次侧的第一个端口；单相隔离变压器一次侧的第二个端口同时接滤波电容C的第二个端口和单相逆变桥输出端的第二个端口；单相隔离变压器二次侧的一个端口和接地变压器的一次侧中性点相连；单相隔离变压器二次侧的另一个端口和单相隔离升压变压器二次侧的一个端口相连。

3.如权利要求1所述配电网单相接地故障消弧系统的控制方法，其特征在于由如下步骤组成：

步骤一：设置单相隔离升压变压器的二次侧和一次侧之间的变比k₂，计算接地变压器一次侧额定电流I_ZN1、接地变压器二次侧额定电流I_ZN2、单相隔离升压变压器一次侧额定电流I_SN1、单相隔离升压变压器二次侧额定电流I_SN2：

k₂＝1/k₁×(1-U_k2％/1000)

I_ZN1＝(3)^1/2×U_ZN1×jω×C₀

I_ZN2＝I_ZN1/k₁

I_SN1＝I_ZN2

I_SN2＝I_SN1/k₂

其中U_ZN1为接地变压器额定电压，k₁为接地变压器的二次侧和一次侧之间的变比，ω为电网角频率，C₀为配电网输电线路单相对地电容，通过电力建设施工单位获得，U_k2％为单相隔离升压变压器短路电压百分比，可通过单相隔离升压变压器铭牌数据获得；

步骤二：计算得到接地变压器的总内阻R_T1、总漏抗X_T1、总阻抗Z_T1；计算得到单相隔离升压变压器的总内阻R_T2、总漏抗X_T2、总阻抗Z_T2，分别为：

R_T1＝P_k1/(3×(I_ZN1)²)，R_T2＝P_k2/(3×(I_SN1)²)

X_T1＝(U_k1％/100×U_ZN1)/((3)^1/2×I_ZN1)，X_T2＝(U_k2％/100×U_SN1)/((3)^1/2×I_SN1)

Z_T1＝R_T1+jX_T1，Z_T2＝R_T2+jX_T2

其中P_k1为接地变压器短路损耗，U_k1％为接地变压器短路电压百分比，可通过接地变压器铭牌数据获得；其中P_k2为单相隔离升压变压器短路损耗，可通过单相隔离升压变压器铭牌数据获得；

步骤三：计算得到接地变压器二次侧电压U_ZN2，单相隔离升压变压器一次侧电压U_SN1，单相隔离升压变压器二次侧电压U_SN2：

U_ZN2＝k₁×(U_ZN1-I_ZN1×Z_T1)

U_SN1＝U_ZN2

U_SN2＝k₂×(U_SN1-I_SN2×Z_T2)

即U_SN2＝k₁×k₂×U_ZN1-k₁×k₂×I_ZN1×Z_T1-k₂/k₁×I_ZN1×Z_T2；

步骤四：计算单相隔离升压变压器二次侧电压和接地变压器一次侧电压相位夹角a：

a＝tan^-1((3)^1/2×k₁×k₂×ω×C₀×R_T1+(3)^1/2×k₂/k₁×ω×C₀×R_T2)/

(k₁×k₂+(3)^1/2×k₁×k₂×ω×C₀×X_T1+(3)^1/2×k₂/k₁×ω×C₀×X_T2)

步骤五：计算单相隔离升压变压器二次侧电压和接地变压器一次侧电压偏差U_max：

U_max＝(2/3×b²×(U_N1)²-2/3×b²×(U_N1)²×cosa)^1/2

其中，变量b表示配电网允许电压偏差，由电力公司提供；

步骤六：计算单相隔离变压器二次侧和一次侧之间的变比k₃：

k₃＝U_max/(0.707×U_dc)

其中，U_dc为母线电容额定电压；

步骤七：控制一组选相开关，使故障相接地连接；同时控制另一组选相开关，使故障相的滞后相与单相隔离升压变压器一次侧连通；

步骤八：测量得到单相隔离升压变压器二次侧电压值U₂，测量得到故障相线电压值U_l，计算得到有源补偿装置需要补偿的电压参考值U_invref：

U_invref＝(-U_l-U₂)/k₃

步骤九：测量得到滤波电容C两端电压值U_invl，将U_invl与U_invref进行比较，通过准PR控制器，得到单相逆变桥调制电压u_r：

u_r＝(U_invref-U_inv1)×(k_p+(k_r×s)/(s²+2×ζ×ω×s+ω²))

其中k_p为准PR控制器比例系数，k_r为准PR控制器谐振系数，ζ为准PR控制器阻尼系数；

步骤十：对u_r进行SPWM调制，得到单相逆变桥控制信号。

4.如权利要求1所述的复用接地变压器的配电网单相接地故障消弧系统及其控制方法，其特征在于，配电网线电压为10kV，接地变压器二次侧额定电压U_N＝380V，k₁＝380/(10000)^1/3，配电网允许电压偏差b＝7％，母线电容大小为2uF，母线电容额定电压U_dc＝530V，滤波电感L＝0.08mH，滤波电容C＝0.4uF，k_p＝0.01，k_r＝6.5，ζ＝0.00001，ω＝100π。