（电力系统及其自动化专业论文）新型固态限流器控制系统的改进.pdf

浙江人学硕一l 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u s e x p a n s i o no fp o w e rs y s t e m s s c a l ea n d c a p a c i t y , s h o r t c i r c u i tc a p a c i t yb e c o m e sas i g n i f i c a n tc o n s t r a i n tf a c t o rt ot h ed e v e l o p m e n to f p o w e rs y s t e m t h e r e f o r e ，t a k i n gr a p i dm e a s u r e st ol i m i tt h es h o r tc i r c u i tc u r r e n ti s r e q u i r e dt or e d u c et h ed a m a g et ot h ep o w e rs y s t e mw h i c hi sc a u s e db yt h es h o r t c i r c u i tf a u l t t h et r a d i t i o n a lm e t h o d st ol i m i tt h es h o r tc i r c u i tc u r r e n th a v em a n y s h o r t c o m i n g s s on e wc u r r e n tl i m i t i n gt e c h n o l o g yt u r n si n t oo n eo ft h eh o tr e s e a r c h s p o t sa th o m ea n da b r o a d a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ，t h es o l i ds t a t e f a u l tc u r r e n tl i m i t e r ( s s f c l ) h a sb r o a dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t t h en e wt y p e s s f c lh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sas i m p l es t r u c t u r e ，f l e x i b l ea p p l i c a t i o n ，g o o d c u r r e n tl i m i t i n gp e r f o r m a n c ea n dl o ww a s t a g e o nt h eb a s i so ff o r m e rr e s e a r c ho nt h e n e wt y p es s f c l ，t h i sp a p e rf u r t h e ra n a l y s e sa n dd i s c u s s e st h ei m p r o v e m e n to nt h e c o n t r o ls y s t e ma n dp e r f o r m a n c e m o r e o v e r , i td o s e p r e l i m i n a r ys t u d yo nt h e a c h i e v a b l es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ec u r r e n t - l i m i t e du n i t e dp o w e rf l o w c o n t r o l l e r ( u p f c ) ，w h i c hi sb r o u g h tf o r w a r di nt h el a ba n ds i m u l a t e st h eo p e r a t i o na s w e l l t h ef i r s tt w oc h a p t e r sm a i n l yi n t r o d u c et h eb a c k g r o u n da n dr e s e a r c hs t a t u so f s s f c l ，e x p a t i a t et h et o p o l o g ya n dc o n t r o ls t r a t e g yo ft h en e wt y p es s f c l ，a n d b r i e f l yp r e s e n tt h ep r i n c i p l eo ft h ec u r r e n t l i m i t e du p f c t h et 1 1 i r d c h a p t e r e l a b o r a t e st h ei m p r o v e m e n to nt h es t r u c t u r ea n dt h e o p t i m i z a t i o np e r f o r m a n c eo ft h e 10 k v 6 0 0 a 10 k ai n d u s t r i a lp r o t o t y p e sc o n t r o l s y s t e md e v e l o p e do nt h el a b o r a t o r y m e a n w h i l e ，i ts p e c i f i c a l l yi n t r o d u c e st h e r e a l i z a t i o na n dc i r c u i td e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi s c o n t r o l l i n gt h e a l t e r n a t i o na n di s o l a t i o nb e t w e e nt h es i t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lm o d u l ea n dt h ec o t e m o n i t o r i n gp l a t f o r mt h r o u g ho p t i c a lf i b e r f i n a l l yt h ec o r r e s p o n d i n gc i r c u i tb o a r di s b u i l t t h ef o r t hc h a p t e rb r i e f l yd e s c r i b e st h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h e c u r r e n t l i m i t e du p f c 。w h a t sm o r e ，i ta l s oi n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o no fs p e c i f i c h 浙江人学硕i ：学位论文 f u n c t i o n sa n dt h es w i t c h i n gb e t w e e nd i f f e r e n to p e r a t i n gm o d e sw h e nu p f cc o m b i n e s w i t ht h en e w t y p es s f c l b a s e do nt h ec o n t r o l l i n gm e t h o do f c r o s sd e c o u p l i n gt h e r e a l i z a t i o no fu p f c sp o w e rf l o wc o n t r o lf u n c t i o ni ss i m u l a t e da n da n a l y z e db yt h e s i m u l a t i o nt o o li nm a t l a bs o f t w a r e f i n a l l y , t h ep a p e rs u m m a r i z e dt h ew o r ka n dt h ee x i s t i n ga p p l i c a t i o np r o b l e m so f t h en e wt y p es s f c li sa n a l y z e d k e y w o r d s ：p o w e rs y s t e m ，s h o r tc i r c u i t ，t h en e wt y p es l i ds t a t ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r , c o n t r o ls y s t e m ，u n i t e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ( u p f c ) ，c u r r e n t l i m i t e d u n i t e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r , s i m u l a t i o n 1 1 1 浙江人学硕卜学位论文 第一章绪论 1 1 固态限流器的研究背景及实现方案 1 1 1 短路故障对电力系统的危害 电能作为一种清洁无污染的能源，可以远距离、大容量地输送和使用。电能 利用的广度和深度，同益成为一个社会现代化程度的重要标志。近几年来，我国 电网的规模迅速扩张：2 0 0 4 年的电网规模已达到1 9 8 2 年的6 倍以上；地区电网 网际互联日趋紧密，全国六大电网( 东北，华北，西北，华东，华中，南方) 已 经进入实质性的电能互补阶段，有效促进了能源的优化配置，增强了国家对电力 的宏观调控能力【l 】；同时，各大电网装机容量以每年1 0 2 0 的速度增长，中 压电网变压器容量增大，小容量电源也不断并入大电网，如众多新建电厂正不断 接入2 2 0 k v 电网1 2 1 。 电网规模的不断扩大和结构的f 1 益复杂化，势必造成电力系统短路电流水平 的不断增大，有资料显示三峡电站可能的最大短路电流周期分量将达3 0 0 k a l 3 1 ， 一些大型发电厂出口或厂站高压变电站出口的最大短路电流可能达到 1 0 0 - 2 0 0 k a 。同时短路故障也会引起短路点电压的大幅度下降，这将导致破坏性 的后果1 4 j ： 1 ) 短路点的电弧可能烧坏电气设备，同时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，可能使设备过热而损坏。 2 1 很大的短路电流通过导体时，要引起导体间很大的机械应力，如果导体 和它们的支架不够坚固，则可能遭到破坏。 3 ) 短路时，系统电压大幅度下降，对用户工作影响很大。系统中最主要的 负荷是异步电动机，它的电磁转矩与端电压的平方成正比，电压下降时， 电磁转矩急剧下降，使电机转速减慢甚至完全停转，以致造成产品报废 及设备损坏等严重后果。 4 ) 电力系统短路，相当于改变了电网的结构，必然引起功率分布的变化。 有可能使发电机的输入输出功率不平衡而引起转速变化，导致发电厂失 浙江人学硕卜学位论文 去同步，破坏电力系统的稳定，引起大片地区停电。这是短路故障最严 重的后果。 5 1 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，会在邻 近的平行线路内( 如通信线路，铁道信号系统) 感应出很大的电动势。 这将造成对通信的干扰，并危及设备和人身安全。 面对短路故障的严重后果，如果不采取限制措施加以控制日益增大的短路电 流，不但使新变电所的设备投资大大增加，甚至需花费大量的投资进行改造、改 建或者更换。因此，为了保证电力系统运行的可靠性、安全性、稳定性、改善电 能质量，必须采取行之有效的方法限制短路电流。目前，世界上大多数国家都采 取一定措施对各级电网的短路水平予以限制。 1 1 2 常规的限流措施 寻找有效的短路限流措施，以限制电力系统的短路容量，从而极大地减轻断 路器等各种电气设备的负担，提高其工作可靠性和使用寿命，提高电力系统的运 行可靠性，已成为目前我国电力系统安全稳定运行和电力建设、发展的迫切问题。 限制短路电流可以从系统结构、系统运行和设备上采取措施，归纳起来，常规的 限流措施主要有【5 】： 1 ) 发展高电压等级的电力系统，将低电压等级电力系统解列分片运行。这 种措施可以有效抑制系统短路( 电流) 容量，但将降低电网供电可靠性和运行灵 活性，同时建造高一级电压的主环网不仅复杂、造价昂贵，而且涉及到环境电磁 污染问题。 2 ) 采用多母线运行或母线分段运行，对控制短路电流增长也很有效。但并 非电网发展的趋势，不能实现电网能源的最优配置。 3 ) 在电力系统互联时，尽量减少互联网络的紧密性，如采用直流联网等。但 是直流联网时其两端换流设备的投资很大，如联络线不长，交换功率不大，这种 办法往往不经济。 4 ) 从设备方面考虑，可以采用安装串联电抗器、高阻抗变压器、分裂电抗 器、分段电抗器和出线电抗器等多种方式。但是，这些措施都在一定程度上给系 统带来了负面影响，如压降损耗增大、存在操作振荡和过电压隐患等。 2 浙江大学硕i j 学位论文 5 ) 采用熔断式保护器。该措施对切断短路电流起到积极作用，但其反应速 度较慢，不利于电网的稳态稳定和暂态稳定，且对电网的瞬间电动力没有任何抑 制作用；另一方面，熔断式保护器一般是一次性的，给电网的维护以及自动化带 来不便。 6 ) 采用大容量断路器。选择遮断容量较大的断路器，也不失为一种解决方 案。但设备造价昂贵，投资巨大；在更换设备期间，电网运行的可靠性大大降低； 目前合乎容量要求的设备，在不远的将来，设备容量就可能不满足短路电流水平 了。 7 ) 加强电网规划。在电网规模逐渐增大的情况下，合理分配新电源位置， 采用电源分散接入电网的措施，优化潮流分布，对限制电网短路电流有重要作用。 但这可能会削弱系统的供电可靠性【6 】。 总之，常规的限流措施尽管可在某种程度上解决了电网短路电流的抑制问 题，但无一例外地将对电网运行的可靠性和经济性带来不同程度的负面影响。而 性能优良、经济合理的短路故障限流器，能够有效降低系统短路电流水平，有利 于改善电网中各种电器设备的热稳定和动稳定条件，延长设备的使用寿命，提高 设备的使用效率；有利于提高电力系统运行的安全、稳定性，提高供电可靠性、 供电质量和经济效益；有利于今后电力系统在基本不增加短路容量前提下的进一 步扩建改造和发展壮大。因此，研制经济实用的短路故障限流器已是大势所趋， 对我国电网建设具有重要的现实意义和应用价值。 1 1 3 短路故障限流器的类型 短路故障限流器( f c l - - f a u l tc u r r e n tl i m i t e r ，或c l 眦u r r e n tl i m i t i n g d e v i c e ) 是一种串接在电路中的电气设备，正常运行时呈现低阻抗，压降小，且 具有较高的稳态稳定性和暂态稳定性，电力系统受干扰小；发生短路故障时，其 表现为足够高的阻抗，短路电流受到有效的限制，使故障和非故障元件受到较小 的热的和机械的应力，确保设备的安全。 与其它限制过电流的措施相比，在电网中适当位置装设具有合适阻抗的短路 故障限流器具有以下优越性【7 1 ： 1 ) 一般来说，电压等级越高，故障电流越大，越难以开断；而短路故障限 浙江大学硕十学位论文 流器的使用可直接减轻断路器的开断负担。 2 1 快速限制短路电流可减少线路的电压损耗和发电机的失步概率，如果能 配置恰当的限流器，则系统的功角稳定、电压稳定和频率稳定都能得到 有效的改善，电网和设备事故也就可得到有效的控制。 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，大多数设备设计和选用时所要求的热稳 定极限及动稳定极限就可降低，电网的热极限及稳定极限比也可相应减 小，从而大大提高了输电线路的利用率，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。 探索有效的短路限流技术并进而研制出一种适合电力系统发展需要的短路 故障限流器，长期以来一直是国内外电力系统关心的一个热点问题。目前研究的 短路故障限流器主要有超导故障限流器、磁元件故障限流器、p t c ( p o s i t i v e t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 电阻故障限流器、固态故障限流器以及各种混合故障限流 器i 5 】【7 1 。 1 ) 超导故障限流器 超导故障限流器( 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 i t e r ，s f c l ) 是利用超导 体的超导正常( s n ) 念的转变，由无阻态变到高阻态，以达到限制短路电流 的目的。使其发生s n 转变的电流称为临界电流，当电力系统正常运行时，传 输电流在超导线临界电流以下，超导体的电阻几乎为0 ，对电力系统运行无影 响；一旦电网发生短路，短路电流大于临界电流时，超导体“失超”，由零阻抗 表现为非线性高电阻，从而限制了短路电流。 超导故障限流器能够集检测、转换和限流于一身，能在毫秒级时间内有效 地限制故障电流在线路正常运行电流的2 3 倍水平以下，从而不必在电网扩容 时替换现有开关设备，节省电力部门的投资，其研究已在世界范围内引起广泛 关注。但同时超导故障限流器在限制短路电流过程中产生大量的焦耳热量【引， 故障消除后超导体从高阻态恢复到超导态的时间过长对实现电力系统的重合闸 很不利f 9 j ，在大功率场合应用技术尚不成熟，成本及其昂贵【1 0 , 1 1 】，这些问题都 是制约超导故障限流技术发展的重要因素。 4 浙江人学硕上学位论文 2 ) 磁元件故障限流器 图l - l 磁兀件故障限流器 采用磁元件构成的限流器又称磁饱和型短路限流器【12 1 ，如图1 1 所示，它 由铁芯、一次和二次线圈、直流偏置电源等组成。选取适当的安匝数使两个电 抗器铁芯在正常工作情况下均处于磁饱和，因而交流绕组的电抗很小，当故障 电流通过交流绕组时，两个电抗器的铁芯分别在正、负半波磁通变得不饱和， 而呈现很大的电抗，起到了限制短路电流的作用。直流偏置电源可用永磁体代 替，构成无源磁体限流器【12 1 。 这种限流器在理论上可行，而且不需要限流控制系统。但其工作区范围很 小，只在短路电流的一定范围内，两个铁芯轮流处于不饱和区，而当短路电流 超出这一范围时，铁芯又会进入饱和区，从而限流作用失效【13 1 ，因此要求断路 器必须在限流器失效之前切断短路电流，且很难设计合理的短路限流倍数【协14 1 。 同时，左、右两个铁心线圈要有很好的一致性和对称性，在技术及工艺实现上 有较大难度。 3 ) p t c 电阻故障限流器 p t c 电阻是一种非线性电阻，在室温时电阻非常低，当温度升高到一定值 时，电阻迅速增加，其阻值比室温电阻高出8 1 0 个数量级。在电网正常运行时， 流过p t c 电阻的是正常运行电流，因此温度较低，电阻很低；当系统发生短路 故障时，大短路电流将流过p t c 电阻限流器，引起p t c 材料发热膨胀，使电阻 温度迅速增加，并在呻时间内使p t c 限流器的电阻值急剧增加，从而起到限 制故障电流的作用。 p t c 电阻故障限流器正常运行时产生的焦耳热，不用专门的散热设备处理， 通过和空气发生传导、对流、辐射等途径就能达到热平衡；短路时温度迅速增 5 浙江大学硕士学位论文 加，在极短时间内就能达到高电阻值。但p t c 电阻在限流过程中会膨胀，必须 采用特殊的连接设备和充分考虑连接设备的热效应和机械强度；在限制感性电 流时会产生很大的过电压，必须并联过压保护设备；p t c 电阻每次限制短路电 流后需要好几分钟的恢复时间，且多次使用后必须更换。此外，固有额定电压 电流小，在高压场合必须串并联使用1 7 1 。 4 1 固态故障限流器 固态故障限流器( s o l i d s t a t ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r , s s f c l ) 是一种结合了电 力电子、控制理论等技术的新型故障限流器。近1 0 多年来，随着电力电子技术 水平不断提高，其在中压电力系统中已可直接应用，经适当的串并联后甚至可 用到高压、超高压系统。柔性交流输电系统( f l e x i b l e a ct r a n s m i s s i o ns y s t e m s ， f a c t s ) 在这种背景下r 益完善。随着电力电子器件性价比提高，以电力电子 器件为核心部件的f a c t s 装置的造价也随之降低，在不远的将来可能会比常规 的输配电方案更具有竞争力。固态短路限流器作为f a c t s 组件成员之一，如雨 后春笋不断涌现。 1 1 4 固态限流器的实现方案 固态故障限流器是基于电力电子技术和器件丌发的一种新型短路限流器 1 1 5 - 17 】，以电力电子器件的快速开关控制为核心，通过晶闸管的快速通断替代传统 的切换开关来完成阻抗的快速切换，并结合电感等其它元件来达到故障限流的目 的。它具有控制迅速灵活、允许重复动作、控制简便等优点，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【1 3 】。美国e p p d 在9 0 年代初曾组织专 家组对配电网络的各种限流技术进行了专门的调研，认为应用电力电子技术发展 固态限流器是较现实的技术途径【1 9 1 。 固态故障限流器又可分为g t o 开关型限流器、谐振式限流器、可变阻抗式 限流器、具有串联补偿作用的限流器、无损耗电阻器式限流器、混合限流器和 新型桥式固态限流器。 g t o 开关型限流器由一组反并联的g t o 与限流电感l 并联组成，j 下常运行 时g t o 常通，将限流电感短接；一旦发生短路，g t o 短路电流峰值前断开， 使电感插入以限流。这种限流器要求昂贵的g t o ，而且要求保护电路具有极快 6 浙江大学硕十学位论文 的响应速度；同时g t o 快速截断大短路电流，引起极大的d i d t 及d v d t ，将产 生高压及附加振荡。此外这种限流拓扑只能与固态断路器结合【2 0 】。 图! - 2 g t o 开关型限流器 谐振式限流器主要是分别利用串联谐振电路的阻抗为零、并联谐振电路的 导纳为零的特点设计成串联谐振限流器和并联谐振限流器。以串联谐振为例， 其拓扑如图1 3 所示，j 下常运行时，l 2 和c 发生串联谐振，阻抗为0 。故障时， s c r 闭合，l 2 串入电路限流。其中l l 仅是保护固态丌关不受大电流冲击。这 种限流器的主要矛盾是在大负载电流系统中，由于限流电感值较小，则所需的 补偿电容数量极大，根本无法投入实际应用。并联谐振限流器也存在同样问题。 图1 3 串联谐振限流器 可变阻抗式限流器是通过改变晶闸管的触发角来控制与之串联电抗器的等 效阻抗值，从而达到限流的目的。以图1 4 所示拓扑为例，正常运行时l 1 与c 串联谐振，晶闸管s c r 关断，使线路阻抗为0 ；故障时，通过s c r 的控制，改 变l 2 的阻抗值，使之与电容c 并联谐振，等效阻抗很大，从而起到限流的作 用。但这种限流器控制s c r 触发角伍与等效阻抗大小的关系比较复杂，并且运 行过程中有大量的谐波产生。 图1 - 4 可变阻抗式限流器 7 浙江大学硕上学位论文 具有串联补偿作用的限流器是j 下常运行时有串联补偿作用，通过开关串入 限流电感的的限流器。以图1 5 所示拓扑为例，j 下常运行状态时，开关s w l 断 开， 形血c j o l 。，线路呈容性，对线路起串联补偿的作用；故障时，s w l ，j i 闭合，c l 被旁路( z l 阻抗值很小，防止关合s w l 的涌流) ，只有l l 工作，起到 限制故障电流作用。这种限流器除限制短路电流外，还可以提供串联补偿的作 用，但开关s w l 的动作要求保护电路有极快的响应速度。 图1 5 具有串联补偿作用的限流器 华东冶金学院于1 9 9 4 年提出一种无损耗电阻( l l r l o s s l e s sr e s i s t o r ) 限流拓 扑1 2 1 2 2 】，如图1 - 6 所示。该拓扑由8 个i g b t 组成桥式电路，应用p w m 技术， 控制i g b t 管丌关的调制频率来控制该桥式电路的“等效电阻”。该桥的调制频率 必须远高于5 0 h z ，频率越高“等效电阻”值越大。为了使短路时呈现高阻值，其 调制频率将非常高，因此桥中的各i g b t 实际上是工作在硬丌关条件下，损耗很 大，而且调制频率越高，开关损耗越大；同时该电路将产生丰富的谐波电流。 图1 6 无损耗电阻式限流器 混合限流器主要有固态开关和机械断路器构成的混合式限流器、超导体或 p t c 电阻与固态开关构成的混合式限流器等等。以前者为例，其一种拓扑结构如 图1 7 所示，正常运行时电流流经高速真空开关，故障时机械式开关触头在电磁 力作用下迅速打开，g t o 同时导通，短路电流换流到g t o 内，换流完全时，g t o 8 浙江入学硕j ：学位论文 关断，切断短路电流。这种故障限流器大大减小了固态丌关的导通损耗，故障电 弧引起的危害亦得到有效抑制，但是结构比固态开关复杂，成本可能比固态开关 要高，其他缺点和固态开关基本相同，使用的范围也非常有刚2 3 1 。 图l - 7 混合限流器 新型桥式固态故障限流器【2 4 之9 1 ，是一种由s c r 构成的全控桥和普通限流电 感组成的固态限流器，通过控制各晶闸管触发脉冲相位使桥路工作在不同的状 态，从而达到限流目的。其拓扑结构如图1 8 所示，j 下常运行时，大电感l 等效 为一直流源，其值i l 恒为负载电流峰值，s l s 4 常触发导通，当电流i 为j 下方向 时，晶闸管s 1 ，s 4 ，s 3 ( 或s 2 ) 导通，限流器电压降几乎为零；i 反向时同理。 故障时，负载电流激增，在第一个电流峰值之前i 增大到i l 时，s 3 ( 或s 2 ) 关 断( 假如i 为正方向) ，电感l 串入电路，从而起到限制短路电流的作用。 图1 8 新型桥式l 司态限流器 新型桥式固态限流器具有以下优良特性：a ) 无论限流电感多大，正常运行 时几乎不产生附加压降，即其等效阻抗接近于零；b ) 发生短路时，限流电抗立 即自动插入故障回路( 无需保护电路响应) ；c ) 抑制短路电流上升率，并将短 路电流第一波峰限制到设定水平，从而控制系统有足够的时间准确判断短路故 障类型，并在2 0 m s 时间内快速将稳态短路电流控制到设定水平；d ) 既可在1 0 m s 左右快速断丌已被限制的短路电流，也可在较长时间内流通低水平的稳态短路 9 浙江大学硕：卜学位论文 电流，以满足各种保护时限配合的要求；e ) 切断故障回路时限流电抗自动被二 极管短接，不会引起瞬念振荡及过电压；f ) 限流电抗值可根据短路限流要求独 立选定，不受其他因素制约，有极大的自由度；g ) 加以适当的控制策略可配合 继电保护实现无冲击的软重合闸操作。 1 2 国内外固态限流器的研究现状及前景展望 1 2 1 固态限流器的研究现状及发展趋势 近十几年来，先进国家如美国、瑞士、日本等都投入巨资积极丌展固态限流 器的研究，并取得了一些有实际应用价值的成果。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 肛s 的时间内切断故障，起到有效的保护作用【1 7 】。西屋公司与e p r i 合作， 制造出一台( 1 3 8 k v ，6 7 5 a ) f c l ( 与固态断路器组合) ，于1 9 9 5 年2 月安装 在p s e & g 的变电站投入运行【3 0 1 。瑞士某水电站安装了一套1 2 m v a 1 0 5 k v 的 固态限流器样机在运行【1 8 1 。同本东北电力公司及同立公司研制了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1 3 i 】，在实际实 验装置中g t o 开关放在密闭的容器中，采用液体自循环冷却系统。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 ，电压为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。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【3 2 】。 我国在固态限流器方面研究比国外起步较晚，但也初步取得了一些成果。华 东冶金学院的无损耗电阻器式短路限流器研究取得一定进展并获得国家专利【3 3 1 。 华中理工大学研究的基于串联补偿作用的限流器，它用真空触发间隙或用高速斥 力机构操作的合闸开关【3 4 j 代替双向晶闸管，真空间隙的点火时间在l 5 p s ，用 高速斥力机构操作的合闸开关的动作时间为l 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【1 8 1 1 3 5 1 。 浙江大学对新型桥式固态短路限流技术的研究工作起步于1 9 9 5 年，己对适 l o 浙江大学硕十学位论文 用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己 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 验室样机的模拟试验，取得了满意的结果，目前已进入i o k v 工业样机的研制中。 我国对限流器的研究目前仍处于试验阶段，还没有进入实际应用中。 最近两年来，一方面主要完善前面的几种固态限流器，使其工业现场运行更 加实用化、商业化。另一方面，更多工作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【3 6 1 ，本实验室在新型固态 限流器的基础上，研究固态限流器与其他f a c t s 装置相结合而构成具有综合功 能的f a c t s 装置，从而提高性能价格比。比如，限流式统一潮流控制器，提出 与统一潮流控制裂3 7 】结合控制的研究。 1 2 2 限流式统一潮流控制器的提出 统一潮流控制器( u n i t e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r , u p f c ) 是由并联部分和串 联部分组成，并联部分包括并联变压器和1 牟换流器；串联部分包括串联变压器 和2 f f 换流器，串联部分和并联部分通过一个公用的直流耦合电容背靠背连接在 一起，其拓扑结构如图1 - 9 所示。 图1 - 9 统一潮流控制器拓扑结构 通过控制两个电压源型换流器的触发角，可使串联侧输出一个幅值和相位可 调的注入电压，从而u p f c 能动态调节输电系统的潮流分布，使系统各部分潮流 达到合理分配，提高系统的输电能力，改善系统的运行状态。它还可以灵活地调 节补偿线路中的无功功率，同时还可以实现移相调节等功能。此外u p f c 还能够 浙江人学硕士学位论文 有效的抑制功角振荡，提高暂稳极限【3 8 】。u p f c 集潮流控制、无功补偿、移相调 节、电压调节、线路阻抗的补偿等多种功能于一身，是f a c t s 家族中最具代表 性和创造性，且功能最完善的一种新颖的控制器，它能够真正地实现有功和无功 潮流之间的柔性控制，因此被认为是现代输电系统中很有应用前景的f a c t s 装 置之一。 目前，国内外的有关专家已经对u p f c 进行了深入的研究，但实际应用方面 还尚未成熟。世界上第一台u p f c 于1 9 9 8 年安装在美国i n e z 地区1 3 8 k v 输电 线上，并成功运行，但我国的研究还仅停留在试验阶段【3 9 l 。 然而，u p f c 在系统短路故障时必将遭受大短路电流的冲击，尤其是过载能 力较低的电力电子元件，将造成致命的危害，由此提出了固态限流器与统一潮流 控制器结合控制的研究方案，即限流式统一潮流控制器。其拓扑结构如图l - 1 0 所示。 并 图1 1 0 限流式统一潮流控制器的拓扑结构 正常运行时，限流器对电网不表现任何阻抗，压降几乎为零，因此接入点相 当于接地，该装置运行于常规的u p f c 模式；一旦系统发生短路，限流电感立即 自动插入电路，进入故障限流( f c l ) 模式，从而抑制短路电流，从而实现了限 流式统一潮流控制器。 1 3 本文所做的工作 浙江大学对新型桥式固态限流器的研究，目前1 0 k v 5 0 0 a 2 5 0 0 a 的新型固 态限流器实验样机，已通过了样机鉴定和验收。同时通过对1 0 k v 5 0 0 a 带旁路 1 2 浙江人学硕十学位论文 电感的桥式固态限流器的仿真分析和模型样机试验验证，提出了电力电子型短路 故障限流器【2 引，即饱和变压器型固态限流器及其设计方法。在此基础上，实验室 对1 0 k v 6 0 0 1 0 l 认的工业样机进行了研究，目前正在研制中。此外，本实验室 还进一步拓展了现有固态限流器的功能，提出了新型固态限流器与潮流控制器结 合控制，论证了限流式统一潮流控制器的可行性。本人的工作是根据已获得的研 究成果和经验，在应用新型固态限流器拓扑结构及控制策略的基础上，结合电网 的结构特点、运行环境和条件等，进一步研究1 0 k v 工业样机控制系统硬件电路 的优化和实用化，同时对限流式统一潮流控制器的可行性进行理论性的研究和论 证。具体工作包括以下几个方面： 结合实验室的研究进度，在实验室原有1 0 k v 5 0 0 2 5 0 0 a 试验样机电路 板的基础上，利用p r o t e l9 9 对1 0 k v 6 0 0 1 0 k a 工业样机的控制系统进 行设计和改进，使其性能更趋优化和完善。 基于实验室提出的限流式统一潮流控制器，研究统一潮流控制器的数学 模型和控制方法，利用交叉解耦的控制方案，并通过仿真验证其可行性， 最后又在此基础上从理论的角度论证了限流式统一潮流控制器的可行 性。 浙江大学硕上学位论文 第二章新型固态限流器的拓扑结构与控制策略 适用于三相电网的新型固态限流器的拓扑结构可分为五大类：1 ) 三相分立 式桥式固态限流器；2 ) 不带耦合变压器的三相桥式固态限流器；3 ) 带耦合变压 器的三相桥式固态限流器；4 ) 带旁路电感的变压器耦合三相桥式固念限流器；5 ) 饱和变压器式三相桥式固态限流器。本章将分别具体介绍这五类固态限流器的拓 扑结构和工作原理，并简要介绍了系统故障时新型固态限流器的控制策略。 2 1 新型固态限流器的拓扑结构 2 1 1 三相分立式桥式固态限流器 第一章简单介绍了单相桥式固态限流器的拓扑结构和基本原理，其理想模型 如图2 1 所示。 图2 - 1 单相桥式同态限流器的理想模型 单相桥式固念限流器的理想模型由单相桥电路和一个电流源组成，正常运行 时，晶闸管t h y l t h y 4 的脉冲常加，电流源电流i c 恒大于负载电流i 的峰值， 所以i c i 。 由基尔霍夫电流定律可得： i + f 珊y 45i r n r l ( 2 - 1 ) 钿y l + i m y 3 = 七 由桥式电路的对称性可得： l y l2 i t h y 2 1 4 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 浙江大学硕士学位论文 i r a r 3 2i r a y 4( 2 4 ) 求解以上方程可得： 钿l ：锄2 = 牛 o ( 2 - 5 ) 二 f 舢：钿4 = 竿 o ( 2 - 6 ) 二 所以理想条件下，四个晶闸管常导通。 但实际运行中，各个晶闸管的导通等效阻抗不同，导通的具体条件各异，因 此实际运行中晶闸管的导通情况与理性条件下有所不同。以正半波即i 0 时为 例，晶闸管t h y l 、t h y 2 必导通，由于i c i ，所以t h y 3 和t h y 4 中至少有一 个被迫导通，这取决于t h y 3 和t h y 4 的具体导通条件。假如t h y 3 导通，则 其等效电路如图2 - 2 ( a ) 所示，此时t h y 4 不导通。由图当忽略功率半导体器件的 管压降时，限流器呈现o ”阻抗，不会影响电源对负载的正常供电：同理，当负 半波i i 。时，由基尔霍夫电流定律知，i t 7 = i l i 之o ，因 此t 7 导通，如果认为t l 、t 7 的导通压降相等，则a 2 点与地同电位，相当于 a 2 直接接地；当i l 8 4 - o上o o 、王，、芷= o0 1 u f1 1 1 1 9 d l ； ：4 - t , l1 0 k 1 】 k i n 5 8 2 2 ii 渤 j 31 6 k g n d 图3 2 1 + 5 v 电源生成电路 t p s 5 4 5 0 是一种快捷的d c d c 降压转换器，能在瞬态条件下实现严格的稳 压准确性。输入引脚v i n 支持宽泛的输入电压范围5 5 3 6 v ，输出通过引脚 v s e n s e 的分压实现。引脚v s e n s e 在内部过电压保护电路的作用下，稳定输 出电压参考值1 2 2 1 v ，分压电路中r 2 1 一般取1 0 k f 2 ，可适当设计另一分压电阻 r 2 2 ，使输出为指定值。 + 1 2 v 模拟电源生成电路与+ 5 v 电源生成电路类似，由直流电压信号d c i n 通过稳压芯片7 8 1 2 直接得到。7 8 1 2 是一种通用的固定电压稳压器，应用广泛。 1 2 v 的模拟电源生成电路是由直流电压信号d c i n 通过d c d c 转换器 m o c 3 4 0 6 3 ，实现电压倒相功能，又经稳压芯片7 9 1 2 生成1 2 v 电源电压，具体 电路图如图3 2 2 所示。 5 2 j 富附 一 赶茹4 。卜r=：一，一：一一一 浙江大学硕十学位论文 7 图3 2 2 1 2 v 电源生成电路 m o c 3 4 0 6 3 是一种d c d c 电压转换器，可实现升压、降压和电压倒相等多 种功能，电压转换精度可达2 。输入信号d c i n 连接内部电源引脚v c c ，同时 连接引脚i s e n s e 、d r v 和c ，以驱动芯片内部电路。输出电压可通过2 个分压电 阻r 1 7 、r 1 8 来调节，由于内部1 2 5 v 参考电压调节器的作用，引脚c o m p 和g n d 电压差恒为1 2 5 v ，从而适当选择分压电阻，便可实现指定的电压输出。考虑到 电源稳定性，输出电压接负电压稳压芯片7 9 1 2 以稳定输出电压。 本电路中各个电源单点共地，以防止电源之间的干扰。 3 ) l i 电池电源管理模块 为保持l i 电池的电压恒定，以便非正常情况下l i 电池后备电源能够正常供 电，引入了l i 电池电源管理模块。 l i 电池电源管理模块由m a x l 8 7 3 及其外围电路组成，m a x l 8 7 3 是一种耗 能低、电路简单的l i 电池电源管理器，电池电压调节误差仅为士0 7 5 ，其电路 如图3 2 3 所示。 1 ) 正常运行时，当电池电压u l i + 的值降低，小于某一个阈值时，m a x l 8 7 3 的引脚b a t t 测试到这一信息，送与m a x l 8 7 3 芯片予以处理。此时m a x l 8 7 3 通过整流电路的输出d c ，对l i 电池进行充电。充电电流流经电阻m ，使引脚 b a t t 和c s b 之间产生一个电压降。而引脚l o u t 的电压与这一压降成正比，从 而使接到引脚l o u t 的发光二极管发光，以标志电池的充电状态。 2 ) 非正常情况下，整流电路的输出d c 小于l i 电池电压( 引脚d c i n 的电 压小于引脚b a t t 的电压) 时，l i 电池作为后备电源供电。同时，芯片m a x l 8 7 3 断电，以减少电能损耗。 浙江火学硕十学位论文 整流电路的输出d c 经稳压管b 3 3 0 ( 稳压值3 0 v ) 接到引脚d c i n 上，避 免了d c 短路接地时，l i 电池通过m o s f e t 放电。 图3 2 3l i 电池电源管理模块 浙江大学硕十学位论文 第四章限流式统一潮流控制器初探 4 1 统一潮流控制器的研究 随着电力工业的不断发展，尤其是超高压、远距离、大容量输电技术的成熟 和应用，各地区电网互联己成为必然趋势。为解决电力系统中普遍存在的潮流分 布不合理、暂态稳定性不高、对功率阻尼不够等制约大电网互联的重要问题【4 8 1 ， 同时保证系统运行的灵活性、快速性及经济性的要求，f i a c t 卜柔性交流输电 系统应运而生。f a c t s 是基于大功率电力电子技术、微机技术、控制技术，装 有电力电子器件及其控制电路的交流输电系统，在不改变网络结构的情况下，对 电网中影响潮流分布的电压、线路阻抗及功率角等3 个主要电气参数进行实时有 效地控制，从而大大改善了网络的潮流分布，提高了电网的功率输送能力，更好 的发挥联网运行的经济性。 通用的f a c t s 装置包括：可控串联补偿器( t c s c ) 、可控移相器( t c p s ) 、 静态无功补偿器( s t a t c o m ) 等等，然而这些装置只是单一地实现：控制线路 阻抗( 如t c s c ) ，控制功率角( 如t c p s ) ，控制线路电压( 如