本发明专利技术提供的面向有源配电网的无功电压支撑与故障主动调控复合装置，包括站内电容器单元、有源逆变单元和站内消弧线圈单元，站内电容器单元、有源逆变单元分别挂在于配电网，有源逆变单元的输出端经站内消弧线圈单元接地。在电网正常运行时，装置工作在无功补偿模式，站内电容器单元和有源逆变单元为负荷提供所需补偿的无功功率；在电网发生单相接地故障时，装置工作于故障调控模式，非故障相的单相逆变器和消弧线圈相互配合，共同向配电网注入消弧电流，以抑制故障相电压为零。本发明专利技术既能实现无功功率补偿和故障调控两个功能，提高装置的利用率，还能降低有源逆变单元的承受电压及容量，从而降低装置对电力电子器件数量及性能的要求。能的要求。能的要求。
【技术实现步骤摘要】
面向有源配电网的无功电压支撑与故障主动调控复合装置
[0001]本专利技术涉及配电网消弧
，尤其指一种面向有源配电网的无功电压支撑与故障主动调控复合装置。
技术介绍
[0002]配电网的高效可靠运行对于构建安全可控、灵活高效的新型电力系统具有十分重要的意义，配电网处于电力系统的末端，具有点多面广的特点，易发生单相接地故障等多类型故障。单相接地故障极易在故障点产生接地电弧并引起系统过电压，进而导致绝缘击穿、人身触电、森林火灾等严重事故。随着新能源的大量接入，配电网电力电子化程度日益加剧，单相接地故障电流中有功分量和谐波分量的比例不断上升，电弧难以自行熄灭。因此，具备接地故障调控功能的消弧装置是保证新型配电网可靠运行的关键装备。现有消弧装置仅在故障发生时工作，在电网正常运行时处于闲置状态，装备的利用率不高，为了提高消弧装置的利用率，兼具无功电压支撑与接地故障调控能力的复合装置应运而生。同时，为了减小复合装置成本，复合装置方案需要充分利用站内既有消弧线圈及电容器组降低有源逆变器容量，从而降低装置中电力电子器件数量及性能要求。
[0003]针对配电网单相接地故障，根据消弧装置的安全位置及能否实现故障电流的全补偿，现有的消弧装置分为三类：中性点无源消弧装置、中性点有源消弧装置及非中性点有源消弧装置。
[0004]目前配电网广泛应用的是无源消弧装置，图1为中性点接消弧线圈无源消弧装置电路示意图，其主要有固定补偿式消弧线圈与自动调谐式消弧线圈两种方案。在发生单相接地故障后，消弧线圈被投入补偿系统接地容性电流，从而达到消弧目的。从图中可以看出，这种方法虽然拓扑简单，在一定程度上能补偿单相接地故障电流。但是主要存在两个问题：首先，消弧线圈体积庞大，并且长期处于闲置状态导致其利用率低下；其次，消弧线圈只能补偿接地电流中的无功分量，无法补偿有功分量和谐波分量，残余电流可能导致电弧重燃。
[0005]随着电力电子技术的发展，有源消弧技术得到了广泛的研究。相比于无源消弧，有源消弧可以同时补偿故障电流中的无功分量、有功分量和谐波分量。图2为中性点有源消弧装置电路示意图，该装置采用有源逆变器与固定档位消弧线圈配合，消弧线圈补偿接地故障电流的无功分量，有源逆变器补偿有功和谐波分量，进而实现了对单相接地故障的有效抑制。但是，中性点有源消弧装置存在的问题主要是直流侧取电难度高和有源逆变器利用率低下。
[0006]图3为非中性点有源消弧装置电路示意图，该装置有源逆变器采用三相级联H桥拓扑，有源逆变器经滤波电感，可以无需工频变压器直接挂接于配电线路。在电网正常运行时，有源逆变器运行于无功补偿模式，实现无功补偿、谐波抑制、三相电压不平衡治理及过电压抑制等功能；在电网发生单相接地故障时，有源逆变器运行于故障调控模式，补偿接地故障电流以抑制电弧产生。该装置通过控制手段为有源逆变器附加无功补偿功能，有效提
高了电力电子装置利用率，但是有源逆变器在消弧期间需承受线电压，对设备的耐压要求高。
技术实现思路
[0007]为了解决传统消弧装置利用率不高以及对有源逆变器耐压要求高的问题，本专利技术提供一种面向有源配电网的无功电压支撑与故障主动调控复合装置。
[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方法：一种面向有源配电网的无功电压支撑与故障主动调控复合装置，包括站内电容器单元、有源逆变单元和站内消弧线圈单元；所述站内电容器单元包括三个分别挂接于配电网A、B、C相的分组电容器，每个分组电容器均包括n个并联的电容器以及分别控制各电容器投入的投切开关，其中，，为电容器的组号，，为电容器在当前组的序号；所述有源逆变单元采用三相结构，每相包括级联的多个单相逆变器，每个单相逆变器的直流侧安装有直流侧电容，每相第一个单相逆变器的输入端经滤波电感挂接于配电网，最后一个单相逆变器的输出端经站内消弧线圈单元接地；所述站内消弧线圈单元包括消弧线圈以及开关，所述消弧线圈的一端经开关连接于有源逆变单元，另一端接地；在电网正常运行时，开关断开，装置工作在无功补偿模式；当线路功率因数低于设定阈值时，通过闭合各分组电容器中不同的投切开关，以投入不同电容器为负荷提供所需补偿的无功功率，若待补偿无功功率大于分组电容器总容量，则由有源逆变单元为负荷提供剩余无功功率缺额；当线路功率因数高于设定阈值时，站内电容器单元将不投入运行，仅由有源逆变单元为负荷补偿无功功率；在电网发生单相接地故障时，投切开关和开关均闭合，装置工作于故障调控模式，故障相的单相逆变器退出运行，非故障相的单相逆变器和消弧线圈相互配合，共同向配电网注入消弧电流，以抑制故障相电压为零。
[0009]进一步地，所述有源逆变单元每相有三个单相逆变器级联，各单相逆变器均包括四个全控型器件IGBT以及分别与四个IGBT并联的续流二极管，各单相逆变器中，第1个IGBT的发射极和第3个IGBT的集电极共线作为该单相逆变器的输入端，第2个IGBT的发射极和第4个IGBT的集电极共线作为该单相逆变器的输出端，各单相逆变器直流侧的直流侧电容的正极和第1个IGBT的集电极相连，负极和第3个IGBT的发射极相连。
[0010]进一步地，所述分组电容器总容量为变压器容量的10%~30%。
[0011]更进一步地，在电网发生单相接地故障时，假设A相发生单相接地故障，则非故障相B相、C相注入的消弧电流分别为：(1)式中：、分别为B相和C相有源逆变器注入消弧电流；、、分别是A相、B相和C相配电网电源电压；、分别是B相和C相对地电阻值；、分别是B相和C相对地电容
值；消弧线圈承受电压为：(2)式中：是消弧线圈承受电压；是消弧线圈电感值；B相与C相单相逆变器承受的电压分别为：(3)式中，、分别是B相和C相单相逆变器承受电压。
[0012]更进一步地，所述分组电容器总容量的计算公式如下：(4)式中：为变压器空载电流百分数；为变压器短路电压百分数；为变压器额定容量；为变压器运行最大电流与变压器额定电流之比；的计算公式为：(5)式中：为补偿前功率因数；为补偿以后需要达到的功率因数；结合式（4），所述分组电容器中全部电容器的电容值为：(6)式中：为分组电容器中全部电容器的电容值；为电容器对应的电网相电压；为角频率。
[0013]优选地，所述站内电容器单元中每个分组电容器均包括并联的电容器，电容器的电容量大小按照等比级数分配，为：，，(7)。
[0014]优选地，所述站内消弧线圈单元中消弧线圈的电感值为：(8)式中：为配电网线路等效电抗值；为滤波电感值，其值为：(9)式中，为直流侧电容电压，为开关频率，为装置允许的最大纹波注入电流。
[0015]优选地，所述功率因数的设定阈值为0.9，补偿以后需要达到的功率因数为1。
[0016]本专利技术提供的面向有源配电网的无功电压支撑与故障主动调控复合装置能实现无功功率补偿和故障调控两个功能，具体的，在电网正常运行时，本装置的站内电容器单元和有源逆变单元为负荷提供所需补偿的无功功率，在电网发生单相接地故障时，本装置非故障相的单相逆变器和消弧线圈相本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.面向有源配电网的无功电压支撑与故障主动调控复合装置，其特征在于：包括站内电容器单元、有源逆变单元和站内消弧线圈单元；所述站内电容器单元包括三个分别挂接于配电网A、B、C相的分组电容器，每个分组电容器均包括n个并联的电容器以及分别控制各电容器投入的投切开关，其中，，为电容器的组号，，为电容器在当前组的序号；所述有源逆变单元采用三相结构，每相包括级联的多个单相逆变器，每个单相逆变器的直流侧安装有直流侧电容，每相第一个单相逆变器的输入端经滤波电感挂接于配电网，最后一个单相逆变器的输出端经站内消弧线圈单元接地；所述站内消弧线圈单元包括消弧线圈以及开关，所述消弧线圈的一端经开关连接于有源逆变单元，另一端接地；在电网正常运行时，开关断开，装置工作在无功补偿模式；当线路功率因数低于设定阈值时，通过闭合各分组电容器中不同的投切开关，以投入不同电容器为负荷提供所需补偿的无功功率，若待补偿无功功率大于分组电容器总容量，则由有源逆变单元为负荷提供剩余无功功率缺额；当线路功率因数高于设定阈值时，站内电容器单元将不投入运行，仅由有源逆变单元为负荷补偿无功功率；在电网发生单相接地故障时，投切开关和开关均闭合，装置工作于故障调控模式，故障相的单相逆变器退出运行，非故障相的单相逆变器和消弧线圈相互配合，共同向配电网注入消弧电流，以抑制故障相电压为零。2.根据权利要求1所述的面向有源配电网的无功电压支撑与故障主动调控复合装置，其特征在于：所述有源逆变单元每相有三个单相逆变器级联，各单相逆变器均包括四个全控型器件IGBT以及分别与四个IGBT并联的续流二极管，各单相逆变器中，第1个IGBT的发射极和第3个IGBT的集电极共线作为该单相逆变器的输入端，第2个IGBT的发射极和第4个IGBT的集电极共线作为该单相逆变器的输出端，各单相逆变器直流侧的直流侧电容的正极和第1个IGBT的集电极相连，负极和第3个IGBT的发射极相连。3.根据权利要求2所述的面向有源配电网的无功电压支撑与故障...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭祺，涂春鸣，黄泽钧，钱信君，肖凡，侯玉超，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：
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