基于STATCOM共模注入的配电网单相接地故障消弧和故障定位方法

摘要

中压配电网对供电可靠性和电能质量的要求不断提高，电力电子化配电设备是满足可靠性和质量要求的解决方案，是目前智能配网发展的趋势。基于三相级联H桥变换器的静止同步补偿器（StaticSynchronousCompensator,STATCOM）广泛应用于配网无功补偿，以改善电能质量，近年亦有将其复用于单相接地故障消弧的尝试。STATCOM从母线注入消弧电流，补偿容量巨大，通过与无功补偿功能复用，可以解决传统消弧设备闲置率高的问题。但是，现有STATCOM消弧方案需要大量直流源供电，桥臂耐压由相电压升高至线电压以上，而且不能实现无功补偿功能同时运行，导致其经济实用性较低，同时缺乏直流电容电压均衡机理分析，也未开展消弧与无功补偿协同控制理论研究。　　本文提出了STATCOM两相电流注入消弧方法，实现独立直流电容的电压均衡；通过与STATCOM串联的可调电抗降低桥臂耐压，提出了STATCOM差共模解耦控制策略，实现消弧和无功补偿功能的同时运行；利用STATCOM叠加注入特征频率共模信号，提出了基于共模信号相间不平衡的故障定位方法，准确高效判定故障位置，在同一硬件平台上实现消弧与故障定位功能。具体研究要点如下：　　①针对现有STATCOM消弧方案需要大量直流源供电的问题，提出了考虑直流电压均衡控制的两相电流注入消弧方法。基于（共模）消弧电流作用机理，通过电流相量分解法和直流电容电压均衡机理分析，论证只有两个非故障相注入消弧电流的方案，才能实现独立直流电容的电压均衡。进而，提出了消弧电流和直流电容电压控制方法，优化设计适应不同过渡电阻的控制参数，仿真验证两相注入消弧快速有效，并实现其与无功补偿功能的转换运行，搭建10kV兆瓦级样机和集中参数模拟配网实验平台，实验验证所提方法有效性。　　②针对现有STATCOM消弧方案和两相注入消弧方法都存在的桥臂耐压升高和不能同时输出无功补偿电流的问题，提出了STATCOM中性点串联可调电抗接地的有源无源混合消弧方法。利用无源设备分担接地故障引起的共模电压降，有效降低桥臂耐压需求。提出了STATCOM差共模解耦控制策略，实现消弧电流和无功补偿电流的同时叠加注入。设计差模和共模解耦控制器，提出了配电线路参数在线测量方法，实现控制参数的在线优化。通过仿真验证差共模协同控制理论的正确性，搭建低压样机，实验验证所提混合消弧方法的可行性。　　③针对传统信号注入定位方法存在精度低和误判率高的问题，拓展共模分量控制，在STATCOM消弧模式下叠加注入特征频率共模电流，提出了基于特征频率共模信号相间不平衡的故障定位方法，有效避免信号分流衰减的不利影响。通过分析注入共模信号在三相线路的分布情况，揭示流过故障馈线故障点上游的共模信号的相间不平衡特性，以此提出故障选线和定位判据。为了增强判据灵敏性和减小对配网运行的干扰，提出了适应不同接地电阻和系统参数的定位信号选取方法，设计定位信号叠加注入控制器，实现消弧和定位功能同时运行。通过与传统方法仿真对比，验证所提方法更加灵敏可靠，并实现10kV兆瓦级样机实验验证。　　上述研究成果为STATCOM应用于配电网单相接地故障消弧和故障定位奠定理论基础，也为真正实现STATCOM多功能复用提供技术支撑，使其有望成为电力电子化配电网的关键设备。

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