（电力系统及其自动化专业论文）低压电网多目标控制短路电流限制器的研究.pdf

华北电力人学硕+ 学位论文 摘要 本课题研究的新型f c l 是f a c t s 技术的一种，是一个综合应用技术，通过在 线路中注入一定幅值，相位的电压来控制系统中的电压、电流，可以解决电力系统 方面的很多问题。论文主要实现了在不同系统故障条件下，f c l 的多目标控制算法， 并为物理模型的研发提供优化的拓扑结构及参数。主要工作如下：详细的介绍了当 前故障限流器的研究现状以及课题的目的和意义；研究了课题提出的多目标控制 f c l 的基本结构，工作原理及补偿方式；对装置的控制方法和补偿策略进行了分析， 并对各种控制方法进行比较，建立了单相的系统模型，并对仿真结果进行了分析； 对装置的能量控制环节进行了分析，并对提出的控制方案进行了验证；最后，对所 研究的新型限流方式和多目标控制方式在今后的应用进行了展望。 关键词：短路电流串联补偿 f c lp w m 变流器 多目标控制 a b s t r a c t t h en e wt y p ef c lt h i sp a p e rp r e s e n t e di so n ek i n do ff a c t s ，w h i c hi sa n i n t e g r a t e da p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y i tc o u l ds o l v em a n yk i n d so fp r o b l e m sr e s i s t e di n p o w e rs y s t e m ，s u c ha sv o l t a g es a ga n dh a r m o n i c s ，b yi n j e c t e dap r o p e rv o l t a g ev e c t o r w h i c hi s r e q u i r e d t h i sp a p e rm a i n l ya c h i e v e dt h em u l t i p l eo b je c t i v e c o n t r o l l e d a l g o r i t h m sd u r i n gd i f f e r e n tk i n d so fs y s t e mm a l f u n c t i o n ，a n ds u p p l i e dt h eo p t i m i z e d t o p o l o g ya n dp a r a m e t e r t h em a i nj o bo ft h i sp a p e ri sa s f o l l o w s ：i n t r o d u c e dt h e a c t u a l i t yo ff a u l tc u r r e n tl i m i t e ri nd e t a i l ，t h ec u r r e n tr e s e a r c ha c t u a l i t ya sw e l la st h e r e a s o na n dm e a n i n gt oi n v e s t i g a t eo nt h i st o p i c ；d or e s e a r c ho na n dp r e s e n t e dt h eb a s i c s t r u c t u r e ，p r i n c i p l eo fo p e r a t i o na n dm e c h a n i s mo fc o m p e n s a t i o no ft h i sm u l t i p l e o b j e c t i v ec o n t r o l l e df c l a n dt h e nc o m p a r e dm a n yk i n d so fc o n t r o ls t r a t e g i e sa n d e s t a b l i s h e das i n g l ep h a s em o d e lo nt h et h e o r yw h i c hp r e s e n t e db e f o r e ；a n a l y z e dt h e e n e r g ym a n a g e m e n tp a r to ft h i sd e v i c e ，a n df i n daw a y t os o l v et h ep r o b l e m ，a n dt h e n d e m o n s t r a t e dt h em e t h o d ；p r o s p e c t e dt h ea p p l i c a t i o no ft h i sn e w t h e o r y k e yw o r d ：s h o r t - c i r c u i tc u r r e n t ，s e r i e sc o m p e n s a t i o n ，f c l ，p w mc o n v e r t e r , m u l t i p l e o b j e c t i v ec o n t r o l i 士= i明明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文低压电网多目标控制短路电流限 制器的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：碧降屠日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：剑垒丝 e l期：竺! i ：三：! 甲 导师签名： 日期： 华北电力大学硕+ 学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 、 所谓短路故障，就是电力系统相与相或相与地之间的绝缘被破坏而构成通路。 造成短路故障的原因主要有：各种形式的过电压，如遭到雷击；绝缘材料的自然老 化、脏污；自接机械损伤；运行人员误操作，如带负荷拉刀闸、线路检修后未拆地 线加电压等：鸟兽跨接在裸露的载流部分：风、雪、冰雹等自然现象。 电力系统短路故障的基本表现为电流的剧烈增加和系统电压的大幅度下降。例 如，发电机出线端处三相短路时，电流最大瞬时值能高达额定电流的l o 1 5 倍，短 路点电压降至零i 短路点及其附近各点的电压明显降低。 短路故障对电力系统造成严重的负面影响，主要有下列几个方面【1 4 】 1 ) 短路点的电弧有可能烧坏电气设备：很大的短路电流通过设备，会使发热增 加，当短路持续时间较长时，也可能使设备过热而损坏； 2 ) 短路电流产生的电动力，会引起导体间很大的机械应力，可能会对导体及其 支撑造成破坏，如变压器绕组变形，巨大的电流通过导体时，还会使导体大量发热 甚至融化； 3 ) 不对称接地短路所造成的不平衡电流，将产生零序不平衡磁通，在邻近的平 行线路( 如通信线路、铁道信号线路等) 内感应出很大的电动势，造成对通信的) 干扰， 并危及设备和人身安全； 4 ) 系统电压短时大幅度下降，即电压跌落，产生电能质量问题。对于异步电动 机负荷，其电磁转矩同端电压平方成正比，电压下降时，电磁转矩显著降低，会导 致电动机停转，造成产品报废及设备损坏的严重后果； 5 ) 短路故障有可能使并列运行的发电机失去同步，破坏电力系统稳定运行，引 起大面积停电，这是短路故障最严重的后果； 6 ) 短路电流很大时，造成断路器开断困难。 目前新出现的高科技企业，如半导体企业，对电压质量的要求非常严格，所以 必须找到一种行之有效的方法来限制短路电流。 为了限制短路电流水平，减小短路因其而导致电压跌落，常规限制短路电流水 平的措施主要从电网结构、系统运行方式和设备3 个方面考虑【l2 1 。( 1 ) 电网结构方 面，往往采取高一级电压或采用直流联网等均可控制系统短路电流水平：( 2 ) 系统 运行方式方面：对具有大容量机组的发电厂采用单元接线。对环形供电网络可以在 环网中穿越功率最小处开环运行。对具有双回线路，在负荷允许条件下可以按单回 路运行。在降压变压所中可采用多母线分裂运行或母线分段运行；( 3 ) 在设备上采 华北电力人学硕士学何论文 取措施：相应的增大断路等设备的容量。 对于低压电网来说，一味提高断路器的开断能力会大大增加成本，增加设备投 入。即使断路器能切断故障线路，仍将使电机、电缆和开关和以及用电设备等受到 巨大的热和机械应力而有损坏的危险；此外，传统的机械断路器相应速度慢，切断 短路电流通常需要两个或两个以上的周期，而且体积大、价格昂贵，由于产生的电 弧易烧损电触头，需要经常维修或更换，因此，今年来国内外都致力于研制现代化 的故障限流器( f a u l tc u r r e n tl i m i t e r - f c l ) 以限制短路电流【埔】。快速故障限流器 和断路器的配合使用能够缩短故障切除时间，并将短路容量控制在断路器的瞬时容 量和切断容量以内，从而延长了断路器和变压器的使用寿命，为用户带来显著的经 济效益。而且电压降落通常由配电系统中故障电流引起，故障期间的电压决定于故 障点与用户之间的电气距离，而电压下降的持续时间决定于保护的故障切除时间， 就辐射状的配电系统而言，从一条母线发出多条溃线，如果在母线连接端以及每条 馈线上都安装限流器，由短路引起的母线电压跌落就会受到限制【l 。因此，只要限 流器的动作足够快，非故障馈线上的负荷就不会明显受到电压跌落的影响。因此， 只要限流器的动作足够快，非故障馈线上的负荷就不会明显受到电压跌落的影响。 短路电流限制器( f a u l tc u r r e n tl i m i t e r - f c l ) 是现代电力系统中的重要装置， 在正常负载情况下，f c l 所呈现的是低阻抗，发生短路时，f c l 动作保护就会呈现 出大的阻抗以限制短路电流。它具有如下优点：( 1 ) 可直接减轻断路器的开断负担。 ( 2 ) 减小线路的电压损耗和发电机的失步概率，系统的功角稳定、电压稳定和频 率稳定都能得到有效的改善。( 3 ) 目前输电线路的实际输送能力均在稳定极限以下， 如果限流器能在短路电流达到峰值之前就发挥作用，大多数设备在设计和选型时所 要求的热动稳定极限就可降低，从而大大提高输电线路的利用率，降低整个电网的 投资。( 4 ) 高压电网短路电流水平的限制有利于架设在高压电力线路附近的通信线 路和铁道信号系统的工作。 正因如此，f c l 被认为是2 1 世纪电力系统主要研究方向之一i i 引，电力研究院 ( e p r i ) 更是在1 9 7 4 年其成立不久就前瞻性的将故障限流器的研究与应用作为研 究和发展( r & d ) 的首要项目之一。无独有偶，七十年代以来，美国许多大系统的 联网，使电力系统向更高电压和更大发电机组的方向发展，虽然已证明这些互联 网系统是可靠而经济的，但是，从运行方法来看，也遇到了一些问题，并增加了维 持系统稳定的困难钔。针对这些问题，n e p c ( n e we n g l a n dp l a n n i n gc o m m i t t e e ) 的s d t f ( s y s t e md e s i g nt a s kf o r s e ) 组建了s e w g ( s t a b i l i t ye q u i p m e n tw o r k i n g g r o u p ) 以寻求维持并提高系统稳定性的可行而使用的新方法，其中就有采用短路 电流限制器以期能替换系统负荷，在故障期间增加发电机的功率输出，提高系统稳 定性。 随着电力电子技术、超导技术、计算机技术、新材料技术的空前发展，各种限 2 华北电力大学硕+ 学位论文 流技术层出不穷。 电力电子型f c l 基本原理是利用晶闸管的快速通断来替代传统的切换开关来 完成阻抗的快速切换，从而快速限制短路电流。它具有控制迅速灵活、允许动作次 数多，成本低、体积小等优点，因此具有很高的实用性，在电力系统中有着广阔的 应用前景。所以对这类型的f c l 进行研究具有很强的现实意义。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 国内外研究情况 7 0 年代以来，国际上就有人提出短路电流限制器的概念。8 0 年代初期，不断 有人对此进行研究，提出了不同原理和类型的限流器。这可视为f c l 发展的第一阶 段，这一阶段f c l 的特点是使用机械开关，其主要技术是针对灭弧问题，但由于这 些装置几乎都存在技术或经济性能的缺陷，如成本高、速度慢、难以限制短路电流 峰值等，因而未能在电力系统中得到实际应用。 但是这一阶段的研究工作积累了大量的理论经验，使人们对短路电流限制器的 设计要求有了具体而清晰的设计要求【】。 ( 1 ) 正常运行时对系统无不良影响且损耗小； ( 2 ) 快速响应，故障时能在1 2 m s 内动作，可限制短路电流峰值及稳态值到 安全水平； ( 3 ) 动作时不造成过电压和过电流，谐波小； ( 4 ) 故障后自动复位； ( 5 ) 不影响继电保护的工作，所限制的系统短路电流不要超过后面保护设备 的瞬时和切断等级；一 ( 6 ) 能够进行多次操作，使用寿命较长； ( 7 ) 成本较低，能为电力部门所接受。 为了达到以上要求，8 0 年代中后期，由于原有技术的发展及新技术的出现，研 究者又提出了一系列新型的f c l ，e p r i 对它们进行调查后，将这一阶段的f c l 主 要分为两大类：一类是一次性设备( s i n g l e s h o td e v i c e s ) ，如限流熔断器等；另一类 是可重复操作的设备( m u l t i o p e r a t i o nd e v i c e s ) ，如真空、半导体、超导体类的限流 器和采用非线性元件在故障发生时增加阻抗以限流的限流器等。实际上，根据这些 限流器所采用的技术，它们可以细分为以下几类【l l 】： 一、自愈合熔丝型 基于对热处理进行的广泛的分析，研究者对自愈合熔丝进行了实验，用以判定 在短路期间，采用自愈合熔丝的限流方案时，设备是否可以经受住短路电流的考验。 实验证明，这种方案在限流方面是可行的，该限流器可以将短路电流降至原来的4 0 以下，但是由于n a 气化所释放的等离子体具有腐蚀性，它会严重腐蚀f c l 内部， 3 华北电力大学硕十学位论文 因此装置的动作次数受到很大程度的限制，大概在5 1 5 次左右，因此，可以认为 将该类f c l 投入实际使用尚需进一步的研究【l3 1 。 二、采用电力电子器件控制线路阻抗的故障限流器 电力电子器件是柔性交流输电系统的基础元件。采用电力电子期间限流的方案 也比较多，总的原理是利用电子期间的可控性和快速性，使正常工作时处于串联谐 振( 阻抗z = 0 ) 状态下的电感( l ) 电路在短路故障时脱谐，或使正常工作下处于 非谐振状态下的电路在短路故障时进入并联谐振( 导纳y o ) ，从而使线路的阻抗 增大而得到限制短路电流的目的。图1 1 就是一个用晶闸管控制的谐振电路1 3 1 ) 在 正常工作时，d 1 和d 2 均不通过电流，而当短路发生时，会在几毫秒内快速触发这 些电力电子元件，使线路阻抗增大，达到限流的目的。 d 1 o 图1 1谐振型故障限流器 三、固态故障限流器 在1 9 9 3 年日本提出了固态故障限流器的设计方案【l8 1 ，原因为：传统过流保护 系统由断路器和过流延时( o c r ) 组成，从短路发生到断路器动作，时间较长，这 将会使线路的电压降低或功率输送间断，影响输送电能的质量，为减小保护动作的 时间，提高电能传输质量，限制短路电流，提出了固态限流器设计方案，由于g t o 相应速度快，通常从控制装置发生信号到g t o 动作相应只需4 0 1 t s ，控制装置检测 到故障电流发出开通信号给g t o ，限流电阻r 串入主电路，限制故障电流，这样整 个系统的故障电流被限制在一定范围内，从而提高了系统的传输能力。 四、利用放电间隙法的故障电流限制器 该方法实际上也是利用谐振和非谐振两种状态下阻抗值的变化而达到限制短 路电流的目的。它的基本原理与电力电子器件实现的f c l 是一样的，只不过它的控 制元件由间隙放电替代了电力电子器件。从给间隙发出点火放电信号到间隙完全导 通所需的时间是微秒级图1 2 为其原理图【i9 1 。正常工作时由c 和l 2 组成的电路处 于串联谐振状态，间隙s w 击穿成为导电状态，当发生短路的故障时，则在几个毫 秒内点火电路使得这时l 2 投入限流工作。z n o 为过电压保护器件。 4 华北电力大学硕士学位论文 s w 图l 一2 放电i 司隙限流器 五、串联补偿故障限流器 1 9 9 6 年在日本提出了带串联补偿的故障限流器，图1 3 给出了带串联补偿的 f c l 的原理图【2 0 1 。正常运行时，s w 关断，电容c 与电感l 2 串联呈容性，它可以 补偿输电线路的串联感抗及无功功率。在故障发生时，s w 迅速导通短接电容器c ， 此时电抗器l 2 限制短路电流：图1 3 中，低值阻抗z 1 限制冲击电流；与电容器并联 的过电压保护器件z n 0 和旁路开关b p s ，用以保护s w 开关和电容器c ，低值阻抗 z 2 不仅可以限制冲击电流，而且c 所储存的电能通过z 2 释放。s w 可以采用晶闸 管固态开关，也可采用真空触发间隙或用高速斥力机构操动的合闸开关。真空间隙 的点火时间为1 m s 之内。这种限制器的特点是，正常运行时，相当于常规串补，提 高了系统的传输能力和稳定性，同时也提高了限流器的使用率。 图l 一3 串联补偿型限流器 六、采用正温度系数聚合材料的限流器 1 9 9 8 年左右，瑞士a b b 研究协会提出采用具有正温度系数( p t c ) 的聚合材料作 为限制器的基本组成部份，这种设备在故障电流流过时能快速增大自身阻值来限制 和切断故障电流，通常其阻值可提高8 到1 0 个数量级。由p t c 电阻并联限压器构 成的限流器，其阻值具有随温度升高而增大的特点。在正常运行状态下，p t c 呈现 低阻值，额定电流全部通过p t c 电阻，此时p t c 电阻上的功率损耗很低；当出现故 障，电流大于临界电流值时，引起温度升高，p t c 的阻值迅速增大，从而限制故障 电流【l6 1 。但这种设备也存在一些缺点：( 1 ) 限制和切断故障电流的时间是毫秒级；( 2 ) p t c 电阻比较容易受外界因素的影响：( 3 ) 对于限制较高数值的电流，效果比较明显， 而对限制低值电流效果不佳。 华北电力人学硕士学位论文 七、限流分裂电抗器 分裂电抗器是一个感应线圈，它的绕组是由同轴的线匝和绕向均相同的两个分 段组成。一个分段的末端与另一分段的始端相连，在使用时，中间两段连接处接电 源，首、末端子接负载。正常运行时，两段( 两臂) 电流方向相反，而两臂绕向相同， 山于互感的影响，每臂的有效电感很小，压降不大。当一臂所接线路发生短路故障 时，电流将急剧增大，而另一臂的电流却不大，对短路臂的互感影响可以忽略，短 路臂的有效电感很大，从而限制短路电流。【l 8 】 。八、无损耗电阻器型f c l 无损耗电阻型l l r ( l o s s l e s sr e s i s t o r ) 拓扑如图1 4 所示。该限流器由4 个 i g b t 和流二极管元件组成，其电阻值由电感或电容模拟。 3 8 1 l 图1 4 无损耗式电阻型f c l 通过p w m 技术控制i g b t 开关频率来桥路的“等效电阻”，工作过程中不会 产生功和焦耳热量，当发生故障时可迅速有效的控制电流的峰值和稳态值。但是 i g b t 调制频率置开关损耗大，并会产生一定的谐波电流。 九、变压器型 ( 1 ) 普通型 主要有超导二次侧绕组短路的变压器型d a s c 和四绕组变压器型两种。d a s c 由一次侧绕组、短路的超导二次侧绕组和铁心组成。正常运行期间，变压器因二次 侧短路表现出低阻抗。当故障发生时，二次侧因感应电流超过其临界电流而失超， 使变压器阻抗增大，从而限制了故障电流。四绕组变压器型s f c l 是原二次侧都有 各自并联的主绕组和辅助绕组的超导变压器，原理类似。目前此类s f c l 还处于初 期研究阶段。【1 2 】 ( 2 ) 混合型 由可变耦合磁路的变压器和无感绕制的超导线圈组成，变压器原二次侧绕组反 绕。正常运行期间，磁路不饱和，原二次侧绕组问的耦合非常好，装黄阻抗非常小。 6 华北电力大学硕十学位论文 当线路发生故障时，二次侧绕组电流增大，超导线圈因电流达到临界电流而失超使 整个变压器阻抗增大，从而限制了故障电流。 十、磁通型 ( 1 ) 磁屏蔽型 由外层的铜线圈、中间的超导层和内侧的铁心或空心电抗器组成，铜线圈接入 电网。正常运行时，超导线圈感应磁通可抵消( 屏蔽) 铜线圈产生的磁通，整个装置 呈现很小的电抗值。当电流超过一定值后，超导线圈失超，磁屏蔽作用消失，s f c l 呈 现较大阻抗而限流。此类s f c l 所需高温超导材料用量较少，所以热负荷较小，但 体积较大，且限流期间会产生瞬态过电压。 ( 2 ) 饱和铁心电抗器型 结构为“日 字型铁心电抗器，双交流线圈置于铁心一端磁轭上极性相反地串 联，双超导线圈置于铁心另一端磁轭上并加直流偏压。正常情况下，调节直流偏压使 铁心饱和，电抗器呈低电感。电网故障时，随着交流电流增大，短路电流使两个铁 心在一周期内交替地失去饱和，装置阻抗变大从而限制故障电流。由于正常运行期 间铁心处于饱和状态，故有显著的漏磁场，限流期间会产生较大的电压谐波。 ( 3 ) 三相电抗器型 三相电抗器型s f c l 由绕在铁心上的三个匝数相同的超导绕组组成。正常运行 时，三相电流平衡，铁心中无磁通变化，装置表现出很小的阻抗。当发生单线对地 故障时，三相电流失衡，电抗变得非常大，故障电流被s f c l 的大的零相序电抗所 限制。 十一、超导故障限流器 超导故障限流器( s c f c l 或s f c l ，s u p e r c o n d u c t i n gf a u l tc u r r e n tl i m n e r ) 是近年来 发展起来的限制短路电流的新技术，它具有多种结构类。一般是利用超导体的超导 正常态转变特性，由零电阻迅速转变为高阻值，从而降低系统的短路电流，也可利 用迈斯纳效性( 抗磁性) 制成限流器，这种限流器由外侧初级常规一导体绕组、中间 次级超导空心圆筒和内层铁芯等同心装配组成眨1 2 2 1 。正常运行时，超导筒处于超 导态，从而屏蔽初级绕组产生的磁通装置的阻抗仅由初级绕组和超导屏蔽筒间的气 隙漏磁所确定，因而阻抗很小，当发生短路故障时，超导筒因感应电流很大而转变 为正常态，使其不能屏蔽初级绕组的磁通，实际上成为具有铁芯的绕组，从而限制 短路电流。 超导故障限流器动作时间快，大约几十微秒，可将故障电流限制在系统的额定 电流的两倍以内，并可降低回路的过电压，它集检测、转换和限流于一体，是一种 理想的电力系统故障限流装置。 但是，由于超导设备的低导电密度的限制，它们很少用于高电压、大电流的电 路中。经分析【l2 1 ，为了满足正常导电和短路电流限制的要求，超导体需要具备两个 7 一 华北电力大学硕十学位论文 条件；第一，正常情况下，它的电阻在1 0 欧左右；第二，在大于0 1 特斯拉的电磁 场中导电能力达到一万安培。而目前，超导体的导电密度为1 0 0 a 平方厘米，与实 际要求( 1 0 6 a 平方厘米) 相差四个数量级，因此，虽然这种超导体有很大的发展前 景，但是高温超导设备技术目前离应用还有很大的差距。 1 2 2 工程应用情况： 1 2 2 1 国外情况 为了限制故障电流，早在2 0 多年前，美国电力研究院( e p r i ) 就开始研究和开发 故障电流限制器。从研究情况来看，这种设备可分为两大类：第1 类是在电力线路 上使用串联感应电抗，即利用感应电抗来限制短路电流。其缺点是设备体积庞大， 投资费用和操作费用高。第2 类是在电力线路上串联常闭并联旁路丌关的限流电阻， 故障时打开旁路开关，故障电流即被转移到限流电阻上。这种方法包括：通过磁场 或其它有并联电阻的高压断路器控制不稳定真空电弧，采用有并联电阻及熔断元件 的并联开关装置，以及驱动导体进入正常阻抗状态。由于对检测时间和断路器动作 时间有要求，所以这种方法的许多缺点都与断路器动作困难、反应时间长有关。 2 0 世纪9 0 年代初推出固态限流器方案后，国外在这方面的研究取得巨大进展。 1 9 9 3 年初，在美国新泽西州m o r tm o n m o u t h 的a r m yp o w e rc e n t e r 的4 6 k v 交流馈 电线路上安装了一个由反并联g t o 构成的6 6 m w 的固态断路器，平均工作电流为 8 0 0 a ，在发生短路故障3 0 0 l as 的时间内切断故障，起到有效的保护作用。 西屋公司与e p r i 合作，制造出一台短路限流器( 1 3 8 k v ，6 7 5 a ，与固态断路 器s s c b 组合) ，于1 9 9 5 年2 月安装在p s e g 的变电站，投入运行。 日本东北电力公司及日立公司研制了d c l d ( d i s t r i b u t i o nc u r r e n tl i m i t i n gd e v i c e ) 的试验装置，并进行了试验。在实验试验装置中g t o 开关放在密闭的容器中，采 用流体自循环冷却系统。通过试验发现d c l d 的动作十分迅速。在电流为4 0 0 a 、 电压6 6 k v 、通过功率为4 5 7 0 k w 的情况下，g t o 及二极管的损耗不大于通过功率 的0 2 ，表明采用自循环冷却系统完全可行。 对于混合限流器，日本富士电机与关西电力公司联合开发的4 0 0 v 配电用混合 式限流分断装置，由真空开关和g t o 并联构成。 最近两年来，一方面，主要完善前面的几种固态限流器，使之满足工业现场运 行更加实用化、商业化的需要；另一方面，更多工作的均放在具有多种功能的限流 器研究上，大部分研究倾向于将串联无功补偿和限流功能集于一身。 1 2 2 2 国内情况 我国在固态限流器方面研究比国外起步晚，但也初步取得了一定成果。 华东冶金学院的无损耗电阻器( l l r ) 式短路限流器研究取得一定进展并获得 冀 华北电力大学硕十学位论文 国家专利。 华中科技大学研究的基于串联补偿作用的限流器拓扑结构为真空触发间隙或 用高速斥力机构操作的合闸开关，真空间隙的点火时间为1us - - - 5l js ，用高速斥力 机构操作的合闸开关的动作时间为1 m s 之内，都是快速动作的，且成本不是很高， 具有一定的研究意义。具有串联补偿功能的新型短路限流器既能控制补偿度又能控 制故障限流程度。 浙江大学对新型固态短路限流技术的研究工作起步于1 9 9 5 年，已对适应于交 流系统的限流技术进行了较为深入的研究，目前交流系统限流保护技术已完成了实 验室的研究工作，不仅进行了大量的仿真研究，也进行了各种工况下实验室样机的 小容量实验，取得了满意的结果。根据目前已获得的研究成果，和国家相关部门合 作，正在开发工业试验样机，并已经取得重大进展。 1 2 3 选题意义 目前的许多短路电流限制设备都是针对高压输电系统中对线路故障电流进行 限制的，而低压配电网中的故障限制器鲜有人研究，低压配电网与用户设备安全息 息相关，配电网中的短路电流造成的危害也是显而易见的，除了前文中提出的危害 以外，短路故障造成的影响会迅速的反映在用电设备上，短路电流使设备发热增加， 短路持续时间较长时，设备可能过热以致损坏。虽然以上各种f c l 对低压系统短路 电流限制也很有借鉴意义，但是一种专门针对于低压电网的f c l 的研究是十分必要 的。另外，本课题提出的这种新型的f c l 由于其拓扑结构和控制方法的特性，能够 大大的节约成本，减小使用多种装置而带来的占地面积过大，检修维护麻烦等问题， 其不仅具备了短路电流限制的功能，而且还可以实现动态电压恢复，有源滤波，节 能等功能，实际上是一种综合d v r 、s a p f 、f c l 、e s 功能于一体的多目标控制电 压质量调节器。 一 1 3 选题研究内容 本文提出一种新型短路电流限制器的思路，即利用一种拓扑结构，通过控制方 法的改变，根据不同情况，向系统中注入需要的电压，进而同时实现动态电压恢复 器，有源滤波器，短路电流限制器的多重功效。主要采用数字仿真的方法，结合一 定的试验支持。仿真软件采用e m t d c p s c a d ，研究f c l 动、静态装置特性；实 现不同系统故障条件下，f c l 的多目标控制算法，并为物理模型的研发提供优化的 拓扑结构及参数。 9 华北电力人学硕士学位论文 第二章多目标控制f c l 主电路的研究 本文提出的多目标控制f c l 其工作原理的等效电路如图2 1 所示： u s z z l o a d a ) 系统正常时 b ) 系统发生短路时 图2 - 1采用注入电压的来限制短路电流的等效模型 图( a ) 为系统正常时的等效模型，( b ) 为系统发生短路时的等效模型，图中 u s 为系统电压，u f c l 为系统的注入电压，z 为线路阻抗，z 1 0 a d 为负载阻抗，系统正 常下，线路电流幅值i = u s ( z + z i o 。d ) ，当系统发生短路电流时，系统的电流幅值泵 升为i k = u s z ，此时由于线路的阻抗很小，系统电压均降落在z 上，i k 通常会有额定 电流的十几倍甚至几十倍，这对线路的损害是相当大的。而注入补偿电压后，线路 阻抗不变，而此时的短路电压为u ，即u s 与u f c l 的向量和，短路电流即减小为i k = u r z ， 通过改变u f c l 的大小，即根据线路原有的断路器开断容量的电流限值对输出电压进 行控制，即可达到短路电流限制的目的。 2 1 引言 本文所要研究的多目标控制f c l 主电路是一种典型的串联型电能质量调节装 置，将其串联到系统和用户设备之间，当检测到供电电压出现问题时，产生补偿电 压以保证用户的电压质量。由于与动态电压恢复器( d v r ) 同属串联型补偿装置， 所以在电路拓扑上有很大的相似性。其电路拓扑结构如下图2 2 所示。主功率回路 系统由储能装置( 能量源) 、能量接口、直流电容器、逆变器、滤波器及串接耦合 l o 砜1rt 华北电力人学硕十学位论文 器组成。储能装置提供补偿时所需要的有功功率，而能量接口的作用是将储能装置 中的能量取出。控制单元完成信息的采集、处理、运算及驱动脉冲的产生。保护回 路则实现系统短路或过负荷情况下对多目标控制f c l 回路的保护3 1 。 系统铡 负麓铡 图2 2 多目标控制f c l 装置电路结构示意图 2 2 主电路结构形式 2 2 1 主电路能量源 ( 1 ) 利用储能装置 主电路的不同，首先体现在能量单元的不同，主要分为利用储能装置和使用整 流单元从电网汲取能量两种。一 一利用大电容储能。当系统未发生电压暂降时，系统通过逆变器给电容器充 电，当充电到一定数值时，装置从系统中切除；当系统发生电压暂降时，逆变器向 系统输出功率，在电容电压跌落到一定数值前，可以基本维持用户电压不变。储能 电容器的容量决定了多目标控制f c l 在故障期间可以提供的能量。其设计参数与系 统容量以及补偿要求有关。随着超级电容的出现，这种储能方式的应用前景十分广 阔。 二。电池储能。采用这种方式可以在储能单元之前向系统并联接入a c d c 变换器，从而起到充电器的作用，又可以采用电流控制方式补偿系统的电流谐波和 无功电流，起到a p f 的作用。这种储能方式目前也有相应的应用实例。 三其他储能方式。包括超导储能( s m e s ) ，飞轮储能等等，飞轮储能的主要 组成部分是飞轮、轴承等。关键部分是轴承，摩擦小的轴承才能使飞轮储能效率高。 现有的电磁轴承摩擦小、寿命长，但是用来稳定和定位飞轮的控制系统较复杂。与 华北电力人学硕士学位论文 其他储能形式相比，飞轮储能效率高、寿命长、没有污染、可以地下安装【2 1 。超导 储能是一种新型的储能方式。具有能量密度大、转换效率高、可四象限运行、冲放 电快等优点。s m e s 应用的突出问题是成本较高，随着对超导储能的不断深入的研 究，其成本将会大幅度下降，其应用前景是十分广阔的。 ( 2 ) 利用整流方式 ( a ) 并联侧输入取自电网侧 电源 ( b ) 并联侧输入取自负载侧 图2 3 采用二极管整流桥为直流电源的主电路图 灸载 ( a ) 并联侧输入取自电网侧 1 2 华北电力人学硕士学位论文 v s h ( b ) 并联侧输入取自负载侧 图2 4 采用p w m 可控整流桥为直流电源的主电路图 r ： 认i v a l - 仄_ 、- y () i a( )( hu i l i i s a v s h y i l b (9 () ( i l j l 1 u y s b ( a ) 并联侧输入取自电网侧( b ) 并联侧输入取自负载侧 图2 5主电路简化图 多目标控制f c l 由串联及并联变压器，功率变换器，直流电容及控制电路构成。 主电路的几种不同结构式如图2 3 和图2 3 所示。将图2 3 、2 4 所示的电路联接方 式分别简称为a l 、b 1 、a 2 、b 2 型电路。a 型与b 型电路的区别是提供给装置的并 联侧输入的位置不同，a 型电路取自电源侧；b 型电路取自负载侧。图2 3 所示电 路的并联侧的直流电容上的电压是通过三相整流桥整流而得的，它相对于电网来 说，本身就是谐波电流源；图2 5 所示电路通过三相p w m 整流桥变换而得，与2 3 电路相比其控制较为复杂，但可以保持电容电压恒定，而且可以控制电网输入并联 侧的电流为与电网电压基波同频率同相的正弦波。 整流桥输入取自电源及负载侧 a 1 型电路整流输入取自电网侧，故其电容上的电压会随着电网电压的波动而波 动，为不可控的，b 1 型电路的整流输入取自负载侧，为补偿装置的输出，因此可以 基本保持电容电压恒定。但这是以串联补偿变压器中没有输入有功功率为条件的， 因为当串联变压器中存在有功功率输入时，必然要对电容进行充电，而二极管整流 桥不可能使能量进行双向流动，这会导致电容电压不断增加，当然为了避免这种情 1 3 华北电力大学硕十学位论文 况的发生，可以在电容上并联一个电阻，当电容电压高到一定值时，使电阻开通， 以释放能量来保持电容电压的恒定，但这将导致系统效率降低，下面以单相电路为 例作一些分析。图2 5 ( a ) ( b ) 分别为装置主电路的简化图，图中虚线部分为多目 标控制f c l 的简化图，串联与并联部分分别用电压源和电流源等效代替，其中v s l ， v s h 表示电网的基波与谐波电压，i l l ，i l h 表示负载的基波与谐波电流。为简便起见， 假设v s l = ( 1 + a ) p u ，v s h = i s h = 0 ，负载为阻性，即不考虑谐波。 当q o 时，为将负载电压补偿至l p u ，图2 - 5 ( a ) ，( b ) 中输入串联变压器的有功功率 分别为0 i l l ，a i s b , 均大于零对于图l 电路来说电容电压会逐渐上升，当电压上 升至整流桥输入线电压幅值时，并联侧输入整流桥的电流为0 ，这时输入串联变压器 的有功功率为a i l l p u 当q 时，直流电容电压不可 能稳定；当q o 时，会降低补偿器的补偿范围而且电能质量补偿器不能限制q 必须 小于零，因此，采用二极管整流桥为直流电源的主电路结构实用价值不大。 p w m 整流桥输入取自电源及负载侧【6 j 一对直流电容电压的影响 对于图2 3 所示电路来说，因为采用了p w m 整流器来控制电容电压，可以使 输入串联变压器的有功功率返回电源，所以不论串联变压器是输入有功还是输出有 功，都可以保持直流电容电压基本不变。 二对装置容量的影响 为了降低系统并联部分的容量，降低控制的复杂性，可以使p w m 整流桥输入 电流与输出电压基波同相且同频率，为简便起见，先只分析电网电压不包含谐波且 负载为线性阻抗，其阻抗为1 o ，因为谐波情况下的分析与分析基波的情况类似， 计算装置容量时只要将包括基波与谐波的电压与电流的均方根值相乘即可。 由图2 5 可得， i l i = i 么一0( 2 1 ) 为了保持直流电容电压恒定必须使输入装置串联部分的有功等于并联部分输 出的有功，得 3ac o so + 3 ( 1 + q ) i a = o 3q ( i g + c o so ) + 3 i b = 0 即， 1 4 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 华北电力大学硕十学伉论文 i a = i b = - qc o s0 ( 1 + q ) 所以， i s a = i s b = c o s0 ( 1 + a ) - j s i n0 由以上推导可知，当q 时， 电路大。 ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 输入b 2 型电路串联变压器的视在功率要比a 2 型 并联部分输入位置的不同会导致串联变压器容量的不同，原因是流过a 2 型电 路串联变压器的电流为负载电流，而流过b 2 型电路的串联变压器电流为负载电流 加上输入负载电流同相的p w m 整流电源电流。表中的口为最大补偿度，曰指负载 阻抗角，设负载阻抗为l 么，p w m 整流电源的功率因数为1 时，串联变压器，并 联变压器，逆变器以及p w m 整流桥所应包含的基波容量。 表2 1a 2 型与b 2 型电路各部分的基波容量【3 j 基波容量a 2 型电路b 2 型电路 串联变压器 3 h3 吲 逆变器器件 3 h3 h 并联变压器3 ) 啪荆 p w m 整流器 3 i 口| c o s t 9 3 - c o s - 刚 j。 7 ( 1 一帅 3 1 a l c o s o ( 1 一帅 从表2 1 可见，为使装置能够正常运行，a 2 型电路的串联变压器。逆变器。p w m 整流桥所对应的基波容量均比与b 2 型电路要小；但并联变压器的基波容量却是a 2 型电路大，这是因为流过二者的最大电流相同，而a 2 型电路的最大输入电压比b 2 型电路要大，以上分析是只考虑基波的情况，若要同时考虑电网谐波电压与负载谐 波电流时，结论仍然相同，只是计算装置的容量应考虑谐波容量。【6 】 2 2 2 逆变器 逆变器是多目标控制f c l 的重要组成部分，通过逆变单元对直流单元电压进行 变化得到需要的补偿电压。逆变器有半桥式、全桥式和推挽式等结构形式，推广到 三相系统中，就有三相全桥逆变器、三单相全桥逆变器和三相半桥逆变器等。 目前使用较多的是前两种方式。三单相全桥逆变器各相输出完全独立，可以补 偿零序电压、控制简单，但是与全桥逆变器相比器件成本较高。桥式逆变器都存在 华北电力大学硕十学位论文 桥臂直通的问题，所以采用上述这两种桥式逆变器结构都需要可靠的桥臂保护手段 来防止桥臂直通问题。推挽逆变器的最大优点是在任何时刻都只有最多一个开关器 件土作，不存在桥臂直通问题，在输出功率相同时开关损耗也较小，但是其功率器 件的开关集电极电压应力为电容电压的两信，适用于低压的大功率变换器。 2 2 3 耦合方式 与系统耦合方式的不同对装置的补偿性能有很大的影响，目前普遍采用的耦合 方式主要分为两种：采用串联变压器耦合和采用电容器耦合。【6 】 一采用串联变压器结构 这是常用的方式，这种方式的好处是可以采用升压变压器，从而降低逆变器直 流侧电压等级，在电压较高的应用中，这可以提高装置的可靠性，同时可以更加灵 活地选择开关器件。此种耦合方式另一个重要的优点是将逆变器和电网隔离了，从 而使得直流电容上的能量可以由系统整流得到。 这种耦合方式的缺点来自于串联变压器的非线性特性和其短路阻抗。主要有以 下缺点： a 逆变器输出的高次谐波给变压器的设计带来了困难，必须采用较高容量的变 压器。当然，这一点可以通过加装输出侧滤波器解决，不过这样又增加了系统的投 资，特别在高电压、大容量场合，滤波器的设计也是相当困难的。 b 串联变压器的短路阻抗降低了开环控制的电压精度，并带来了相移，影响装 置的性能，同时还产生功耗。这一点可以通过电压闭环控制得到解决，小过这样就 增加了控制的复杂性。 c 使用串联变压器成本较高，占地而积较大。【6 】 由于以上所述的优缺点，是否采用串联变压器需要综合考虑各种因素，结合应 用系统的特点进行选择。在各种配电网中，考虑到逆变器结构、开关器件容量、直 流母线电压、装置成本等各种因素，采用串联变压器是较好的选择。 串联变压器的设计与多目标控制f c l 的主电路结构以及系统参数等有很大的 关系。从系统侧看，变压器原边( 即串入系统的一边) 的电压等级主要决定于系统电 压等级、暂降的幅度以及滤波器装设的位置。原边的电流容量和短路电抗则都取决 于负荷的额定电流和滤波器装设的位置。副边( 逆变器一侧) 电压等级是由逆变器的 输出决定的。当逆变器的结构可变时，其输出电压可变，变压器变比也是可以变化 的。应该根据逆变器的结构、装置成本、装置的性能等方而考虑选择一个最优的变 比。从逆变器侧看，串联变可以设计成升压变压器也可以设计成降压变压器。如果 采用降压变压器，逆变器电流容量可以减小。但是，如果直流侧电压是通过小控整 流的方式提供的，采用降压变压器对减小电流容量的作用是非常有限的。如果设计 1 6 华北电力大学硕十学位论文 成升压变压器，可以用较低的直流侧电压获得较高的线路侧输出电压，不过逆变器 的电流容量将相应增加。 在实际的应用中，可以采用多抽头的升压变压器，这样可以适应多种逆变器电 路结