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摘要：基于零序电压柔性控制接地技术的新型FACTS装备是根据配电网运行环境实时优化中性点接地方式。在配电网正常运行时，基于PWM有源逆变设备注入零序电流，补偿三相不平衡电流，吸收暂态零序能量，抑制三相不平衡电压和铁磁谐振过电压；在接地故障初始时间，注入电流补偿接地故障全电流（包括有功和谐波电流），控制零序电压，促使故障点电压为零，实现瞬时故障100%消弧；在接地故障一定延时后，控制电流注入，增大故障残流，精确测量配电网对地参数，实现接地故障的动态感知和可靠保护。
研究零序电压柔性控制FACTS装备替代自动调谐消弧线圈等中性点接地装置，解决配电网接地故障零序过电压抑制、消弧和保護难题，具有广阔应用前景。
关键词：零序电压；柔性控制；FACTS装备；
1、零序电压柔性控制接地技术的研究内容
1.1、注入零序电流对零序电压的作用机理及位移过电压抑制
注入零序电流对零序电压的作用机理是实现零序电压柔性控制的理论基础。首先分析中性点非有效接地配电网在各种运行条件下的等效电路，推导注入零序电流条件下的零序电压计算公式，比较零序电流从母线或线路或中性点注入的不同；得到中性点非有效接地配电网注入零序电流与零序电压的作用机理，并研究通过注入零序电流控制零序电压的策略和算法。
同时研究配电网过电压的产生机理，分析三相不对称或断线引起的位移电压，调研配电网暂态过电压，探讨基于PWM有源逆变注入可控零序电流的过电压抑制方法。
1.2、单相接地故障消弧机理，提出零序电压柔性控制理论和方法
配电网在各种运行环境和条件下，单相接地故障消弧的机理，分析影响消弧的因素，调查传统基于补偿电容电流消弧的运行经验，提出有源电压消弧理论。研究有源电压消弧方法：通过注入零序电流，控制零序电压，强迫故障点恢复电压恒为零，破坏电弧再次重燃的条件，实现有源电压消弧。并研究有源电压消弧的控制策略和算法。
1.3、接地故障的动态感知理论和基于有源逆变注入电流的接地保护
在配电网全补偿条件下，易产生过高的零序电压；特别在瞬时接地故障消失后，中性点接地电感与电网对地电容发生串联谐振，零序电压幅值高，产生虚幻接地，易引起接地保护的错误动作。因此，接地故障辨识是进行接地保护的前提，需要深入研究故障消失前后配电网参数的变化情况，研究接地故障的动态感知理论和实现方法。
在永久性接地故障条件下，基于PWM有源逆变器可以方便向配电网注入零序电流测量信号，控制故障残流，可以实现注入信号接地保护和残流增量接地保护。为提高接地保护灵敏度和可靠性，需研究基于PWM有源逆变的注入信号大小、频率、相位和持续时间等参数的优化控制方法，研究故障检测特征参数选取、高精度测量和信噪比提升技术，并研究基于单一保护装置的多判据式和连续判别式信息融合保护技术、基于配电网广域分布多终端单位（FTU）信息融合的接地保护与故障定位技术。
1.4、PWM有源逆变注入电流控制技术，实现位移电压抑制、有源电压消弧
研究基于PWM有源逆变产生任意波形电流（包括不同频率、幅值和相位分量）的控制技术，提出零序电压柔性控制技术、控制策略和控制算法。比较A、B、C三相母线及中性点注入零序电流的差别，优化选择电流注入点。
开发基于零序电压柔性控制的接地故障消弧与保护成套原理样机。在1：1配电网模型的基础上，构建各种中性点非有效接地的配电网，测试、验证和分析注入零序电流控制零序电压的理论、方法和技术。并构建三相不对称电网模型、弧光接地故障模型，测试和分析配电网位移过电压抑制、有源电压消弧及故障保护与定位新技术。
2、结合新型FACTS装备的实现方案
通过上述的原理分析和仿真验证，形成了较详细的研究方案，准备开发柔性接地的新型FACTS装备，具体研究内容如下：
2.1、基于注入电流的零序电压柔性控制和电压消弧方案
A. 位移电压控制
则 ，故障相电压 ，即故障相恢复电压恒为零，破坏了电弧再次重燃的条件，从源头上实现电压消弧。且注入零序电流大小与故障电阻无关，控制简单。因故障相恢复电压恒为零，则故障电流为零，即注入电流补偿了故障电流的有功、无功和谐波分量，实现故障残流的全补偿。即使在金属性接地故障条件下，也能确保故障点电流为零，有效克服现有基于消弧柜旁路故障点的无源电压消弧技术的不足。因此，通过注入电流，可以柔性控制故障恢复电压，实现瞬时接地故障的100%熄弧。
综上所述，基于PWM有源逆变注入零序电流，实现配电网零序电压的柔性控制。
2.2、PWM有源逆变注入零序电流的控制技术研究方案
基于PWM有源逆变注入零序电流柔性控制零序电压的方法，实现任意波形电流（包括不同频率、幅值和相位分量）的产生。控制策略有：
1）基于控制目标，实现开环控制；
2）在无配电网参数测量条件下，零序电流闭环控制。为减少注入容量，拟采用有源逆变装置与固定档位的消弧线圈配合使用。
3、柔性控制技术及新型FACTS装备的研究路线
研究采用理论分析、计算机仿真、模拟实验及现场试验相结合的研究方法。具体研究路线如图5所示，首先研究中性点非有效接地配电网注入零序电流对零序电压的作用机理，提出通过注入零序电流柔性控制位移过电压的方法；理论研究单相接地故障消弧机理，提出有源电压消弧理论；理论分析瞬时接地故障和永久接地故障的配电网参数变化特征，提出基于注入电流测量参数的接地故障动态感知理论和接地保护新原理；并研究基于PWM有源逆变器的注入电流控制技术、控制策略和控制算法。然后进行仿真分析，验证和完善理论方案。
4、总结：
本次研究是顺应零序电压柔性控制、电压消弧和残流增量接地保护的发展趋势，借鉴电能质量控制领域的静止同步补偿器（STATCOM）思想，探讨基于注入零序电流解决中性点非有效接地配电网长期存在的过电压、单相接地故障消弧与接地保护难题， 研究基于零序电压柔性控制的接地故障消弧与保护理论和技术。通过PWM有源逆变注入零序电流，补偿三相不平衡电流，并吸收电网暂态过程激励的零序能量和泄放分布电容上积累的多余电荷，从根源上消除零序过电压，实现过电压抑制。
参考文献：
[1] 陆国庆， 姜新宇， 梅中健， 等. 配电网中性点接地的新途径. 电网技术， 2004，28（2） ： 32-35.
[2] 蔡旭， 李仕平， 杜永忠， 等. 变阻尼调匝式消弧线圈及接地选线综合控制器. 电力系统自动化， 2004，28（5） ： 85-89.
[3]Escobax， G.，Stankovic， A.M， Mattavelli， P.An Adaptive Controller inStationary Reference Frame for D-STATCOM in UnbalancedOperatio. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2004， 51（2） ： 401-409.
[4]John SINCLAIR，Ian GRAY. Assessing The Potential For Arc Suppression Coil Technology Toreduce Customer Interruptions And Customer Minutes Lost. 20th International Conference on Electricity Distribution， 8-11 June 2009， CIRED.
研究零序电压柔性控制FACTS装备替代自动调谐消弧线圈等中性点接地装置，解决配电网接地故障零序过电压抑制、消弧和保護难题，具有广阔应用前景。
关键词：零序电压；柔性控制；FACTS装备；
1、零序电压柔性控制接地技术的研究内容
1.1、注入零序电流对零序电压的作用机理及位移过电压抑制
注入零序电流对零序电压的作用机理是实现零序电压柔性控制的理论基础。首先分析中性点非有效接地配电网在各种运行条件下的等效电路，推导注入零序电流条件下的零序电压计算公式，比较零序电流从母线或线路或中性点注入的不同；得到中性点非有效接地配电网注入零序电流与零序电压的作用机理，并研究通过注入零序电流控制零序电压的策略和算法。
同时研究配电网过电压的产生机理，分析三相不对称或断线引起的位移电压，调研配电网暂态过电压，探讨基于PWM有源逆变注入可控零序电流的过电压抑制方法。
1.2、单相接地故障消弧机理，提出零序电压柔性控制理论和方法
配电网在各种运行环境和条件下，单相接地故障消弧的机理，分析影响消弧的因素，调查传统基于补偿电容电流消弧的运行经验，提出有源电压消弧理论。研究有源电压消弧方法：通过注入零序电流，控制零序电压，强迫故障点恢复电压恒为零，破坏电弧再次重燃的条件，实现有源电压消弧。并研究有源电压消弧的控制策略和算法。
1.3、接地故障的动态感知理论和基于有源逆变注入电流的接地保护
在配电网全补偿条件下，易产生过高的零序电压；特别在瞬时接地故障消失后，中性点接地电感与电网对地电容发生串联谐振，零序电压幅值高，产生虚幻接地，易引起接地保护的错误动作。因此，接地故障辨识是进行接地保护的前提，需要深入研究故障消失前后配电网参数的变化情况，研究接地故障的动态感知理论和实现方法。
在永久性接地故障条件下，基于PWM有源逆变器可以方便向配电网注入零序电流测量信号，控制故障残流，可以实现注入信号接地保护和残流增量接地保护。为提高接地保护灵敏度和可靠性，需研究基于PWM有源逆变的注入信号大小、频率、相位和持续时间等参数的优化控制方法，研究故障检测特征参数选取、高精度测量和信噪比提升技术，并研究基于单一保护装置的多判据式和连续判别式信息融合保护技术、基于配电网广域分布多终端单位（FTU）信息融合的接地保护与故障定位技术。
1.4、PWM有源逆变注入电流控制技术，实现位移电压抑制、有源电压消弧
研究基于PWM有源逆变产生任意波形电流（包括不同频率、幅值和相位分量）的控制技术，提出零序电压柔性控制技术、控制策略和控制算法。比较A、B、C三相母线及中性点注入零序电流的差别，优化选择电流注入点。
开发基于零序电压柔性控制的接地故障消弧与保护成套原理样机。在1：1配电网模型的基础上，构建各种中性点非有效接地的配电网，测试、验证和分析注入零序电流控制零序电压的理论、方法和技术。并构建三相不对称电网模型、弧光接地故障模型，测试和分析配电网位移过电压抑制、有源电压消弧及故障保护与定位新技术。
2、结合新型FACTS装备的实现方案
通过上述的原理分析和仿真验证，形成了较详细的研究方案，准备开发柔性接地的新型FACTS装备，具体研究内容如下：
2.1、基于注入电流的零序电压柔性控制和电压消弧方案
A. 位移电压控制
则 ，故障相电压 ，即故障相恢复电压恒为零，破坏了电弧再次重燃的条件，从源头上实现电压消弧。且注入零序电流大小与故障电阻无关，控制简单。因故障相恢复电压恒为零，则故障电流为零，即注入电流补偿了故障电流的有功、无功和谐波分量，实现故障残流的全补偿。即使在金属性接地故障条件下，也能确保故障点电流为零，有效克服现有基于消弧柜旁路故障点的无源电压消弧技术的不足。因此，通过注入电流，可以柔性控制故障恢复电压，实现瞬时接地故障的100%熄弧。
综上所述，基于PWM有源逆变注入零序电流，实现配电网零序电压的柔性控制。
2.2、PWM有源逆变注入零序电流的控制技术研究方案
基于PWM有源逆变注入零序电流柔性控制零序电压的方法，实现任意波形电流（包括不同频率、幅值和相位分量）的产生。控制策略有：
1）基于控制目标，实现开环控制；
2）在无配电网参数测量条件下，零序电流闭环控制。为减少注入容量，拟采用有源逆变装置与固定档位的消弧线圈配合使用。
3、柔性控制技术及新型FACTS装备的研究路线
研究采用理论分析、计算机仿真、模拟实验及现场试验相结合的研究方法。具体研究路线如图5所示，首先研究中性点非有效接地配电网注入零序电流对零序电压的作用机理，提出通过注入零序电流柔性控制位移过电压的方法；理论研究单相接地故障消弧机理，提出有源电压消弧理论；理论分析瞬时接地故障和永久接地故障的配电网参数变化特征，提出基于注入电流测量参数的接地故障动态感知理论和接地保护新原理；并研究基于PWM有源逆变器的注入电流控制技术、控制策略和控制算法。然后进行仿真分析，验证和完善理论方案。
4、总结：
本次研究是顺应零序电压柔性控制、电压消弧和残流增量接地保护的发展趋势，借鉴电能质量控制领域的静止同步补偿器（STATCOM）思想，探讨基于注入零序电流解决中性点非有效接地配电网长期存在的过电压、单相接地故障消弧与接地保护难题， 研究基于零序电压柔性控制的接地故障消弧与保护理论和技术。通过PWM有源逆变注入零序电流，补偿三相不平衡电流，并吸收电网暂态过程激励的零序能量和泄放分布电容上积累的多余电荷，从根源上消除零序过电压，实现过电压抑制。
参考文献：
[1] 陆国庆， 姜新宇， 梅中健， 等. 配电网中性点接地的新途径. 电网技术， 2004，28（2） ： 32-35.
[2] 蔡旭， 李仕平， 杜永忠， 等. 变阻尼调匝式消弧线圈及接地选线综合控制器. 电力系统自动化， 2004，28（5） ： 85-89.
[3]Escobax， G.，Stankovic， A.M， Mattavelli， P.An Adaptive Controller inStationary Reference Frame for D-STATCOM in UnbalancedOperatio. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2004， 51（2） ： 401-409.
[4]John SINCLAIR，Ian GRAY. Assessing The Potential For Arc Suppression Coil Technology Toreduce Customer Interruptions And Customer Minutes Lost. 20th International Conference on Electricity Distribution， 8-11 June 2009， CIRED.