消弧线圈残余电流补偿系统及方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911022780.9 (22)申请日 2019.10.25 (71)申请人 国电南瑞科技股份有限公司 地址 211106 江苏省南京市江宁区诚信大 道19号 (72)发明人 昌瑜周百灵田炜孙祖勇 朱丹林婵娟 (74)专利代理机构 南京纵横知识产权代理有限 公司 32224 代理人 董建林 (51)Int.Cl. H02H 9/08(2006.01) (54)发明名称 一种消弧线圈残余电流补偿系统及方法 (57)摘要 本发明公开了一种消弧线圈残余电流补偿 系统及方法， 消弧。

2、线圈残余电流补偿系统采用整 流、 逆变原理， 由三相交流电源经整流、 逆变， 产 生交流电源注入电网中性点与地之间。 消弧线圈 残余电流补偿系统由前级三相整流桥和后级单 相全桥逆变组成。 前级采用三相可控整流， 输出 稳定的直流电压； 后级采用单相全桥逆变， 通过 构建虚拟矢量， 采用锁相环得到参考角度， 采用 电流环调节器实现对给定电流的跟踪。 本发明电 流跟踪效果较好， 对系统中的残余电流(有功分 量)具有良好的补偿能力。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 110994577 A 2020.04.10 CN 110994577 A 1.一种消弧线圈残余电流补偿系统， 其特征在于，。

3、 所述系统包括： 参数采集模块， 与消弧线圈连接， 用于采集线圈电性参数数据； 虚拟矢量模块， 与所述参数采集模块连接， 将采集的线圈电性参数数据作为输入并经 过矢量转化得到电压分量数据和电流分量数据； 电流环运算模块， 与所述虚拟矢量模块连接， 将电流分量数据作为输入进行运算； 锁相环运算模块， 与所述虚拟矢量模块连接， 将电压分量数据作为输入进行运算； 数据运算模块， 与所述电流环运算模块和所述锁相环运算模块连接， 将所述电流环运 算模块和所述锁相环运算模块运算得到的输出数据进行数据运算得到调制电压； 以及数据调制模块， 分别与所述数据运算模块和所述消弧线圈连接， 用于对调制电压 进行调制。

4、后对所述消弧线圈进行补偿。 2.根据权利要求1所述的一种消弧线圈残余电流补偿系统， 其特征在于： 所述虚拟矢量 模块包括与所述锁相环运算模块连接的电压分量运算模块， 所述电压分量运算模块包括依 次连接的电压检测模块、 低通滤波器模块一以及幅值补偿模块一； 所述锁相环运算模块包括分别与所述电压检测模块和幅值补偿模块一连接的PLL锁相 环模块以及与所述PLL锁相环模块连接的积分运算模块； 所述积分运算模块与所述数据运算模块连接。 3.根据权利要求1所述的一种消弧线圈残余电流补偿系统， 其特征在于： 所述虚拟矢量 模块包括与所述电流环运算模块连接的电流分量运算模块， 所述电流分量运算模块包括依 次连。

5、接的电流检测模块、 低通滤波器模块二、 幅值补偿模块二和运算模块一； 以及依次连接的低通滤波器模块三、 幅值补偿模块三和所述运算模块一； 所述低通滤波器模块三与所述参数采集模块连接； 所述电流检测模块连接运算模块二， 所述运算模块二与所述参数采集模块连接； 所述电流环运算模块包括与所述运算模块二依次连接的PI调节器模块一和运算模块 三； 与所述运算模块一依次连接的PI调节器二和运算模块四； 分别与所述电流检测模块和所述运算模块四连接的解耦量计算模块一； 分别与所述幅值补偿模块二和所述运算模块三连接的解耦量计算模块二； 所述运算模块三分别与所述参数采集模块和所述数据运算模块连接； 所述运算模块四。

6、与所述数据运算模块连接。 4.根据权利要求1所述的一种消弧线圈残余电流补偿系统， 其特征在于： 所述数据运算 模块通过反PARK变换将输入的数据变换为调制电压。 5.一种消弧线圈残余电流补偿方法， 其特征在于： 所述方法包括如下步骤： 将获取的线圈电性参数输入预先构建的虚拟矢量模型中； 通过虚拟矢量模型进行运算得到电压分量和电流分量； 将电压分量和电流分量分别输入锁相环和电流环运算； 根据锁相环和电流环运算得到的值以及线圈电性参数值通过变换得到输出电压； 根据输出电压调制计算得到调制比， 根据调制比下发脉冲， 产生电流进行补偿。 6.根据权利要求5所述的一种消弧线圈残余电流补偿方法， 其特征在。

7、于： 获取的线圈电 性参数包括采集得到的电压和电流以及残余电流的给定幅值和相位。 权利要求书 1/2 页 2 CN 110994577 A 2 7.根据权利要求5所述的一种消弧线圈残余电流补偿方法， 其特征在于： 所述虚拟矢量 模型包括d-q旋转坐标系。 8.根据权利要求5所述的一种消弧线圈残余电流补偿方法， 其特征在于： 所述电压分量 包括参考电压d轴分量和参考电压q轴分量。 9.根据权利要求7所述的一种消弧线圈残余电流补偿方法， 其特征在于： 所述电流分量 包括残余电流给定量d轴分量、 残余电流给定量q轴分量、 残余电流反馈量d轴分量以及残余 电流反馈量q轴分量。 10.根据权利要求7所述。

8、的一种消弧线圈残余电流补偿方法， 其特征在于： 根据锁相环 和电流环得到的值以及线圈电性参数值通过变换得到输出电压的方法包括如下步骤： 将残余电流给定量d轴分量、 残余电流给定量q轴分量、 残余电流反馈量d轴分量以及残 余电流反馈量q轴分量输入电流环得到输出一； 将参考电压d轴分量和参考电压q轴分量输入锁相环得到输出二； 将输出一和输出二以及残余电流的给定相位通过变换得到输出电压。 权利要求书 2/2 页 3 CN 110994577 A 3 一种消弧线圈残余电流补偿系统及方法 技术领域 0001 本发明涉及电子器件领域， 具体涉及一种消弧线圈残余电流补偿系统及方法。 背景技术： 0002 随。

9、着特高压交直流输电不断发展， 国家电网有限公司对输变电方面的投资也是与 日俱增， 消弧线圈作为10kV-110kV配电网中的关键设备， 关系着电网安全稳定运行。 0003 消弧线圈主体是带有铁芯气隙的电感线圈， 当系统发生单相接地故障时， 消弧线 圈的电感电流补偿了电网的对地电容电流， 限制了接地故障电流的破坏作用， 使得补偿后 剩余的故障电流(残余电流)的接地电弧易于熄灭。 当残余电流过零熄弧后， 又能降低故障 相恢复电压的初速度及其幅值， 避免接地电弧的重燃， 并使之彻底熄灭。 由于接地故障电流 的减小， 有效地限制了接地电流和电弧的电动力、 热效应和空气游离等的破坏作用， 防止或 减小了。

10、在故障点形成残留性故障的概率， 使故障点介质绝缘的恢复强度很容易超过故障相 电压的恢复初速度， 从而， 得以彻底熄灭接地电弧， 补偿电网在瞬间恢复正常工作。 0004 发生接地故障时， 故障电流包含无功电流分量和残余电流分量(有功分量)。 因电 网中存在大量电容， 导致无功电流分量成为主导因素。 消弧线圈(谐振点)精调后能消除故 障电流中的电容电流， 因为电感电流和电容电流二者能相互抵消， 使得回路中只留下残余 电流(有功分量)。 残余电流(有功分量)不仅会影响接地电弧的熄灭， 而且会给电力系统和 广大用户造成严重的危害。 发明内容 0005 本发明的目的在于提供一种消弧线圈残余电流补偿系统及。

11、方法， 以解决现有技术 中导致的， 当系统发生单相接地故障时， 消弧线圈的电感电流只补偿了电网的对地电容电 流， 而对故障电流中的残余电流(有功分量)无法进行补偿的缺陷。 0006 一种消弧线圈残余电流补偿系统， 所述系统包括： 0007 参数采集模块， 与消弧线圈连接， 用于采集线圈电性参数数据； 0008 虚拟矢量模块， 与所述参数采集模块连接， 将采集的线圈电性参数数据作为输入 并经过矢量转化得到电压分量数据和电流分量数据； 0009 电流环运算模块， 与所述虚拟矢量模块连接， 将电流分量数据作为输入进行运算； 0010 锁相环运算模块， 与所述虚拟矢量模块连接， 将电压分量数据作为输入。

12、进行运算； 0011 数据运算模块， 与所述电流环运算模块和所述锁相环运算模块连接， 将所述电流 环运算模块和所述锁相环运算模块运算得到的输出数据进行数据运算得到调制电压； 0012 以及数据调制模块， 分别与所述数据运算模块和所述消弧线圈连接， 用于对调制 电压进行调制后对所述消弧线圈进行补偿。 0013 进一步的， 所述虚拟矢量模块包括与所述锁相环运算模块连接的电压分量运算模 块， 所述电压分量运算模块包括依次连接的电压检测模块、 低通滤波器模块一以及幅值补 偿模块一； 说明书 1/5 页 4 CN 110994577 A 4 0014 所述锁相环运算模块包括分别与所述电压检测模块和幅值补。

13、偿模块一连接的PLL 锁相环模块以及与所述PLL锁相环模块连接的积分运算模块， PLL(Phase Locked Loop， 锁 相回路)； 0015 所述积分运算模块与所述数据运算模块连接。 0016 进一步的， 所述虚拟矢量模块包括与所述电流环运算模块连接的电流分量运算模 块， 所述电流分量运算模块包括依次连接的电流检测模块、 低通滤波器模块二、 幅值补偿模 块二和运算模块一； 0017 以及依次连接的低通滤波器模块三、 幅值补偿模块三和所述运算模块一； 0018 所述低通滤波器模块三与所述参数采集模块连接； 0019 所述电流检测模块连接运算模块二， 所述运算模块二与所述参数采集模块连接。

14、； 0020 所述电流环运算模块包括与所述运算模块二依次连接的PI调节器模块一和运算 模块三， PI(Proportional Integral)， 比例积分； 0021 与所述运算模块一依次连接的PI调节器二和运算模块四； 0022 分别与所述电流检测模块和所述运算模块四连接的解耦量计算模块一； 0023 分别与所述幅值补偿模块二和所述运算模块三连接的解耦量计算模块二； 0024 所述运算模块三分别与所述参数采集模块和所述数据运算模块连接； 0025 所述运算模块四与所述数据运算模块连接。 0026 进一步的， 所述数据运算模块通过反PARK变换将输入的数据变换为调制电压。 0027 一种消。

15、弧线圈残余电流补偿方法， 所述方法包括如下步骤： 0028 将获取的线圈电性参数输入预先构建的虚拟矢量模型中； 0029 通过虚拟矢量模型进行运算得到电压分量和电流分量； 0030 将电压分量和电流分量分别输入锁相环和电流环运算； 0031 根据锁相环和电流环运算得到的值以及线圈电性参数值通过变换得到输出电压； 0032 根据输出电压调制计算得到调制比， 根据调制比下发脉冲， 产生电流进行补偿。 0033 进一步的， 获取的线圈电性参数包括采集得到的电压和电流以及残余电流的给定 幅值和相位。 0034 进一步的， 所述虚拟矢量模型包括d-q旋转坐标系。 0035 进一步的， 所述电压分量包括参。

16、考电压d轴分量和参考电压q轴分量。 0036 进一步的， 所述电流分量包括残余电流给定量d轴分量、 残余电流给定量q轴分量、 残余电流反馈量d轴分量以及残余电流反馈量q轴分量。 0037 进一步的， 根据锁相环和电流环得到的值以及线圈电性参数值通过变换得到输出 电压的方法包括如下步骤： 0038 将残余电流给定量d轴分量、 残余电流给定量q轴分量、 残余电流反馈量d轴分量以 及残余电流反馈量q轴分量输入电流环得到输出一； 0039 将参考电压d轴分量和参考电压q轴分量输入锁相环得到输出二； 0040 将输出一和输出二以及残余电流的给定相位通过变换得到输出电压。 0041 本发明的优点在于： 本。

17、发明通过构建虚拟矢量， 将交流电压和交流电流转换到旋 转坐标系下， 采用锁相环得到参考角度， 实现对系统电压和电流相位的锁定与跟踪； 采用电 流环得到调节器输出， 通过计算得到输出电压； 输出电压通过计算得到调制比， 完成脉冲下 说明书 2/5 页 5 CN 110994577 A 5 发， 实现对给定电流的较好跟踪。 实验表明， 本发明能够有效补偿系统中的残余电流(有功 分量)， 具有良好的应用前景。 附图说明 0042 图1本发明的消弧线圈残余电流补偿系统拓扑图。 0043 图2本发明的消弧线圈残余电流补偿系统后级单相逆变控制流程图。 0044 图3本发明的消弧线圈残余电流补偿系统后级单相。

18、逆变锁相环控制框图。 0045 图4本发明的消弧线圈残余电流补偿系统后级单相逆变电流环控制框图。 0046 图5本发明的消弧线圈残余电流补偿系统软件录波波形。 具体实施方式 0047 为使本发明实现的技术手段、 创作特征、 达成目的与功效易于明白了解， 下面结合 具体实施方式， 进一步阐述本发明。 0048 如图1至图5所示， 一种消弧线圈残余电流补偿系统， 所述系统包括： 0049 参数采集模块， 与消弧线圈连接， 用于采集线圈电性参数数据； 0050 虚拟矢量模块， 与所述参数采集模块连接， 将采集的线圈电性参数数据作为输入 并经过矢量转化得到电压分量数据和电流分量数据； 0051 电流环。

19、运算模块， 与所述虚拟矢量模块连接， 将电流分量数据作为输入进行运算； 0052 锁相环运算模块， 与所述虚拟矢量模块连接， 将电压分量数据作为输入进行运算； 0053 数据运算模块， 与所述电流环运算模块和所述锁相环运算模块连接， 将所述电流 环运算模块和所述锁相环运算模块运算得到的输出数据进行数据运算得到调制电压； 0054 以及数据调制模块， 分别与所述数据运算模块和所述消弧线圈连接， 用于对调制 电压进行调制后对所述消弧线圈进行补偿。 0055 在本实施例中， 所述虚拟矢量模块包括与所述锁相环运算模块连接的电压分量运 算模块， 所述电压分量运算模块包括依次连接的电压检测模块、 低通滤波。

20、器模块一以及幅 值补偿模块一； 0056 所述锁相环运算模块包括分别与所述电压检测模块和幅值补偿模块一连接的PLL 锁相环模块以及与所述PLL锁相环模块连接的积分运算模块， PLL(Phase Locked Loop， 锁 相回路)； 0057 所述积分运算模块与所述数据运算模块连接。 0058 在本实施例中， 所述虚拟矢量模块包括与所述电流环运算模块连接的电流分量运 算模块， 所述电流分量运算模块包括依次连接的电流检测模块、 低通滤波器模块二、 幅值补 偿模块二和运算模块一； 0059 以及依次连接的低通滤波器模块三、 幅值补偿模块三和所述运算模块一； 0060 所述低通滤波器模块三与所述参。

21、数采集模块连接； 0061 所述电流检测模块连接运算模块二， 所述运算模块二与所述参数采集模块连接； 0062 所述电流环运算模块包括与所述运算模块二依次连接的PI调节器模块一和运算 模块三， PI(Proportional Integral)， 比例积分； 0063 与所述运算模块一依次连接的PI调节器二和运算模块四； 说明书 3/5 页 6 CN 110994577 A 6 0064 分别与所述电流检测模块和所述运算模块四连接的解耦量计算模块一； 0065 分别与所述幅值补偿模块二和所述运算模块三连接的解耦量计算模块二； 0066 所述运算模块三分别与所述参数采集模块和所述数据运算模块连接。

22、； 0067 所述运算模块四与所述数据运算模块连接。 0068 在本实施例中， 所述数据运算模块通过反PARK变换将输入的数据变换为调制电 压。 0069 一种消弧线圈残余电流补偿方法， 所述方法包括如下步骤： 0070 将获取的线圈电性参数输入预先构建的虚拟矢量模型中； 0071 通过虚拟矢量模型进行运算得到电压分量和电流分量； 0072 将电压分量和电流分量分别输入锁相环和电流环运算； 0073 根据锁相环和电流环运算得到的值以及线圈电性参数值通过变换得到输出电压； 0074 根据输出电压调制计算得到调制比， 根据调制比下发脉冲， 产生电流进行补偿。 0075 在本实施例中， 获取的线圈电。

23、性参数包括采集得到的电压和电流以及残余电流的 给定幅值和相位。 0076 在本实施例中， 所述虚拟矢量模型包括d-q旋转坐标系。 0077 在本实施例中， 所述电压分量包括参考电压d轴分量和参考电压q轴分量。 0078 在本实施例中， 所述电流分量包括残余电流给定量d轴分量、 残余电流给定量q轴 分量、 残余电流反馈量d轴分量以及残余电流反馈量q轴分量。 0079 在本实施例中， 根据锁相环和电流环得到的值以及线圈电性参数值通过变换得到 输出电压的方法包括如下步骤： 0080 将残余电流给定量d轴分量、 残余电流给定量q轴分量、 残余电流反馈量d轴分量以 及残余电流反馈量q轴分量输入电流环得到。

24、输出一； 0081 将参考电压d轴分量和参考电压q轴分量输入锁相环得到输出二； 0082 将输出一和输出二以及残余电流的给定相位通过变换得到输出电压。 0083 基于上述， 将本发明的技术方案结合附图进行说明： 0084 图1所示是本发明的消弧线圈残余电流补偿系统拓扑图， 由前级三相可控整流和 后级单相全桥逆变组成。 图2为本发明的消弧线圈残余电流补偿系统后级单相全桥逆变控 制流程图， 具体步骤如下： 0085 (1)、 电压、 电流采样， 电流给定获取； 0086 (2)、 构建虚拟矢量， 得到d-q旋转坐标系下电压电流分量； 0087 (3)、 电流环PI调节器控制； 0088 (4)、 。

25、锁相环PI调节器控制； 0089 (5)、 控制电压计算； 0090 (6)、 输出电压计算； 0091 (7)、 调制比计算， 输出脉冲。 0092 图3为本发明的消弧线圈残余电流补偿系统后级单相逆变锁相环控制框图， 具体 步骤如下： 0093 (1)、 在d-q旋转坐标系下， 将Vs作为参考电压d轴分量ud,将Vs通过截止频率为50Hz 的一阶低通滤波器后的输出量作为参考电压q轴分量uq； 说明书 4/5 页 7 CN 110994577 A 7 0094 (2)、 将步骤(1)中得到的ud和uq通过锁相环PI调节器实现对ud0的控制， 根据锁 相环PI调节器的输出得到参考角速度， 对锁相。

26、环PI调节器的输出进行积分得到参考角度 。 0095 图4为本发明的消弧线圈残余电流补偿系统后级单相逆变电流环控制框图， 具体 步骤如下： 0096(1)、 在d-q旋转坐标系下， 将作为残余电流给定量d轴分量将通过截止频 率为50Hz的一阶低通滤波器后的输出量作为残余电流给定量q轴分量将Is作为残余电流 反馈量d轴分量id， 将Is通过截止频率为50Hz的一阶低通滤波器后的输出量作为残余电流反 馈量q轴分量iq； 0097(2)、 将步骤(1)中得到的和id、 和iq分别通过电流环PI调节器控制， 分别得到 调节器输出PIout_d和PIout_q； 0098 (3)、 在d-q旋转坐标系下。

27、， 根据公式(1)计算控制电压uid和uiq： 0099 0100(4)、 将步骤(3)中得到的uid和uiq、 锁相环中得到的 以及角度给定值通过反 PARK变换得到输出电压VPWM； 0101 (5)、 将步骤(4)中得到的VPWM通过(2)式得到调制比， 输出脉冲： 0102 0103 图5为本发明的消弧线圈残余电流补偿系统软件录波波形-系统给定电流相位差 44.3度、 幅值80.4A， 曲线1为补偿系统输出电压， 曲线2为补偿系统输出电流。 0104 由技术常识可知， 本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方 案来实现。 因此， 上述公开的实施方案， 就各方面而言， 都只是举例说明， 并不是仅有的。 所 有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。 说明书 5/5 页 8 CN 110994577 A 8 图1 图2 说明书附图 1/3 页 9 CN 110994577 A 9 图3 图4 说明书附图 2/3 页 10 CN 110994577 A 10 图5 说明书附图 3/3 页 11 CN 110994577 A 11 。