（电力系统及其自动化专业论文）固态限流器的研制.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nal o to fs i m u l a t i o nr e s u l t so nt h es o l i ds t a t e sf a u l tc u r r e n tl i m i t e r ( f c l ) ， t h ea u t h o rd o e ss o m er e s e a r c ho ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no ft h es o l i ds t a t e sf a u l t c u r r e n tl i m i t i n gt e c h n o l o g yi nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h ea u t h o ri n t r o d u c e so p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h ef c l b a s i ct o p o l o g ya n d i t sc o n t i n u a t i o n b a s e do bt h i sp r e c o n d r i o n ，t w ot o p o l o g i e sf i t t i n gt ob ee n g i n e e r i n g a p p l i e da r eb r o u g h tf o r w a r d a n d c o n t r o ls t r a t e g i e sa n df a u l ti d e n t i f i c a t i o nm e t h o d so f t h et w o t o p o l o g i e sa r ep r e s e n t e di nt h i sp a r t t h e nt h ea u t h o rg i v e st h ep r i m a r yc i r c u i ta n di t sp r o t e c tc i r c u i td e s i g nm e t h o do f t h ef c l , a n do b t a i n sp r i m a r yc i r c u i tp a r a m e t e r so fa nf c lt e s tp r o t o t y p e ( 3 8 0 v 2 0 0 a ) a n da nf c l i n d u s t r yp r o t o t y p e ( 1 0 k v 5 0 0 a ) b yt h i sm e a n s a f t e rt h a tt h ea n t h o ti n t r o d u c e sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g np r o p o s a lo fc o n t r o l s y s t e m t h ec o n t r o l l e rh a r d w a r ei sc o m p o s e do fd i g i t a ls i g n a l sp r o c e s s i n g ( d s p ) s y s t e mp e r f o r m i n gs c rf i r ep u l s e sc o n t r o la n dm m is y s t e mp r o v i d i n gi n p u ta n d o u t p u ti n t e r f a c e d s ps y s t e m a n dm m i s y s t e ma r ec o n n e c t e db ys e r i a lc o m m u n i c a t i o n + t h ec o n t r o l l e rs o f t w a r ea d e - p t sm o d u l a rs t r u c t u r eb a s e do n “s c rf i r e p u l s e sc o n t r o l p l a t f o r m f i n a l l y , t h ea u t h o rm a k e ss o m ei n t r o d u c t i o no nd e b u gm e t h o d ，d e b u gq u e s t i o n a n di t sa n s w e ri nt h ee n g i n e e r i n gd e s i g no ff c la n dt h em e a s u r eo fl i m i t i n gt h o s e d i s t u r b a n c e s t h ea u t h o rm a k e sas u m m a r i z a t i o na b o u tt h ep r o b l e mi nt h eo n s i t e d e b u g g i n g w h i c hm a k e sa p r e p a r a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to f n o v e ls o l i ds t a t e sf a u l t l i m i t e r k e yw 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 ；f a u l tc u r r e n tl i m i t e r ；b r i d g et y p ec i r c u i t ；d s p ； t h y r i s t o r ；c o n t r o l l e rc o n t r o ls t r a t e g y ；e n g i n e e r i n g r e a l i z a t i o n 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 短路故障对电力系统的影响 短路故障是电力系统常见的严重故障之一，它直接影响各行各业的正常生产和干家万户 的日常生活。近年来随着社会的不断发展，用电负荷迅速增加，同时用户对供电质量及其可 靠性等也提出了越来越高的要求。为满足日益增长的电能需求，电力系统的规模越来越大( 包 括新建电网的增加和原有电网的改造、扩建) ，其结构也越来越复杂。电网规模的不断扩大和 结构的日益复杂化，一方面使短路电流水平不断提高，增加了系统设备容量如主变压器、断 路器等的配置难度；另一方面增大了对系统短路故障的保护配合和处理的难度，给系统的安 全、稳定和可靠运行“埋下”严重隐患，在某些情况下甚至成为电网改造、建设和发展的难 以逾越的制约因索。 上述情况在配网系统中尤为突出：配电网在整个电力系统中占有非常大的比重，其运行 的安全、可靠性和稳定性，直接影响各行各业的正常生产和千家万户的日常生活：同时，由 于配电网直接面向用户，具有设备类型多、结构复杂、运行环境条件相对较差( 相对输电网 而言) 等特点，因此经鬻发生短路故障。 短路故障对电力系统及其设备的破坏程度，取决于短路电流的大小，因为短路电流会产 生极大的电动力效应和热效应，处理不当将对电网中的各种设各造成严重危害，轻则使直接 受其冲击的电气设备使用寿命下降，重则使其扭曲变形甚至爆炸、烧毁，更进一步甚至会酿 成整个区域范围内的大事故。因此如何有效限制电网短路电流容量，一直以来都是国内外电 力行业专家学者不断努力探索并谋求解决的重要课题。 1 2 常规限制短路电流的措施 为有效抑制短路故障给电力系统及其用户带来的巨大危害，保证电力系统运行的安全性、 可靠性和稳定性，改善电能质量，必须采取行之有效的方法限制短路电流与切断故障线路。 通常可从电网结构、系统运行方式和设备三方面考虑限制短路电流与切断故障线路的措施， 常规或传统的措施归纳起来主要有“1 ： 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，而且涉及到环境宅磁污染问题。 2 ) 采用多母线运行或母线分段运行“”1 ，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”“”1 。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。 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。 浙江大学硕士学位论文 6 ) 采用大容量断路器。从现代电力系统及其技术发展来看，这种方案存在一定的局限性 因为研制超大容量断路器在技术上存在相当的难度。另一方面，断路器的遮断容量也是有限 制的，一般认为系统短路电流和断路器设备遮断容量太大是不经济的。表i - i 为国外电网对 不同电压等级断路器遮断容量的规定。 表i - i ；国外电网对断路器遮断容量的限制值( m v a ) “” i 电压( k v ) 3 30 6 7 71 1 02 2 0 3 8 0 4 0 05 0 0 i一般值 5 0 0 1 0 0 01 0 0 0 2 0 0 02 5 0 0 3 5 0 0 5 0 0 1 0 0 0 01 5 0 0 0 2 5 0 0 02 5 0 0 0 3 5 0 0 0 i最大值 1 5 0 03 0 0 05 0 0 01 5 0 0 03 5 0 0 04 5 0 0 0 以上信息表明，采用常规或者传统的限流措旄都存在这样或者那样的问题，已经很难满 足现代电力系统发展的需要，因此有必要寻求新的方法来解决现代电力系统短路电流日益增 大的问题。 1 3 现代限流技术的发展状况 探索有效的短路限流技术并进而研制出一种适合我国电力系统发展需要的短路限流器， 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。 短路限流技术，长期以来都是国内外电力系统关心的一个热点问题。近十年来，先进国 家如美国、瑞典、日本等都投入巨资积极开展短路限流技术的研究，并取得了一些有实际应 用价值的成果。 从理论上讲，一种理想的限流装置至少应具有如下特性： a 线路正常运行时，限流装置应对供电线路无任何( 不利) 影响； b 线路发生短路故障时，限流装置应能立即投入工作并有效地限制短路电流至设定的台 理水平。 c 当系统保护装置切除短路故障时，限流装置应不会引起系统暂态振荡和过电压； d 有利于改善重合闸操作： e 合理的成本价格。 目前研究较多的故障限流器主要有限流式断路器、超导故障限流器、固态故障限流器、 各种p t c ( p o s i t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 电阻故障限流器以及各种混合故障限流器( 包 括固态开关和超导混合的故障限流器、固态开关和机械式断路器混合的故障限流器、固态开 关和机械式断路器及p t c 电阻混合的故障限流器等) 。这些故障限流器的基本特性为：具有较 高的稳态稳定性和暂态稳定性；电力系统正常运行时，限流器呈现低阻抗，其上的电压降落 和损耗都很小，可忽略不计；电力系统发生短路故障时，限流器又表现为足够高的阻抗以限 制短路电流，使故障及非故障设备免受大短路电流的冲击，从而可有效保证设备安全和提高 系统暂态稳定性。但是这些限流装置目前大都处于实验室研制阶段，要真正达到实用化、工 程化还有一系列技术问题需要解决。下面针对目前国内外有关文献报道较多的超导故障限流 器及固态故障限流器作简单介绍。 1 3 1 超导故障限流器 当处于超导态的超导体的温度超过临界温度t 。、穿过超导体的磁场超过i 临界磁场也、流 2 浙江大学硕士学位论文 过超导体电流超过临界电流i 。或者这儿种情况同时出现时，超导态被破坏转变为有电阻 的正常态。因此如果将超导装置接入电网中，当电力系统正常运行时，传输电流在超导线i 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t 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 导限流器( s f c l s u p e r c o n d u c t i v ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r ) 正是利用超导体的超导态正常 ( s n ) 态的转变来实现限流的，并能在较高电压下运行，同时集检测、转抉雨i 限流于一身，能 在毫秒级时间内有效地限制故障电流”。 自2 0 世纪8 0 年代中期发现高温超导体以来，超导限流器的研究在世界范围内已引起广 泛关注每年均有大量相关文献报导“”“”“”“”。目前超导限流器有多种型式，主要有四种 类型：电阻型、电感型( 又称变压器型) 、磁屏蔽型“”、饱和铁芯型“1 ，此外还有其 他型式的s f c l 。其原理均为利用超导体的s n 态转变来实现限流。但目前超导技术在电工领 域的应用还受到许多条件的限制，特别是在大功率场合的应用技术尚不成熟。成本也极其昂 贵，同时s f c l 的研制也有赖于超导技术的发展和其他相关技术的进步，因此在可预见的将来 尚无实用化的可能，特别在大功率条件下的应用尚有一定的距离“o 。 1 3 2 磁饱和型短路限流器 采用磁元件构成的限流器又称磁饱和型短路限流器，如图卜1 所 示它由铁芯、一次( 交流) 线圈、二次( 直流) 线圈及直流偏置电 源等组成。选取适当的安匝数和直流偏置电流，可使两个电抗器铁芯 在正常工作情况下均处于磁饱和状态一次线圈侧的等效阻抗很低： 当一次线圈通过故障电流时，使两个电抗器铁芯分别在正、负半波工 作于磁不饱和状态，从而使一次线圈侧的等效阻抗值很大，达到限制 故障电流的目的。这种限流器在理论上可行也有相关的应用研究报 导”1 ，但是其工作区范围很小，合理的短路限流倍数很难设计，而且 当交流线圈中通过大的短路电流时，直流线圈中将产生很大的交流电 压。也有直流电源偏置回路用永磁体替代构成的无源磁体限流器”“ 但这种限流器只能在小容量下可以做到，大容量情况下很难找到合适 的永磁体。 1 3 3 p t c 电阻限流器 目卜1 磁饱和型限溅器 p t c ( p o s i t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 电阻是一种正温度系数的非线性电阻，在室 温时电阻非常低，当温度升高到某一值时，电阻迅速增加。利用p t c 电阻的这种特性研制成 的故障限流器在低压领域已有商业应用。p t c 电阻限流器是由能导电的活性物质和金属或非金 属填充物构成的合成物，在电路正常运行时电阻小、压降低，产生的焦耳热损耗不用专门的 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：当发生过流或短 路时电流增加超过临界电流值，引起p t c 电阻发热膨胀热量来不及散发使电阻温度迅速增 加，并在加时间内使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。这种p t c 限流器在美国海军新型战略舰上也已有相关应用。 p t c 电阻在温度升高时电阻值瞬时增加到宣温电阻的近一兆倍，在限制感性电流时会产生 很大的过电压，因此在p t c 电阻两端必须并联限过压设备：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的和机械的强度ip t c 叱阻在每次限制短路电 流、故障被切除后。需要好几分钟的恢复时间，并且这种限流器在使川多次后也会导致性能 浙江大学硕士学位论文 变坏，必须更换。另外，p t c 电阻固有的电压和电流额定值不高，只有几百伏几安，必须串 并联使用，这限制了其在高压系统中的应用。 1 3 4 固态短路限流器 美国e p r i 于九十年代在详细调研现有的各种可用限流技术后认为，应用电力电子技术发 展固态限流器是较现实的技术途径，并提出图卜2 所示的电路结构。这一原理已由西屋公 司开发成试验样机( 1 3 8 k v b 7 5 a ) 并于1 9 9 5 年2 月投入试运行。该限流器主要由一组反并联 的g t o 与限流电感l 并联组成，正常运行时g t o 常开通，将限流电感短接：一旦发生短路，在 短路电流达到第一个峰值前迅速将g t o 断开，使 电感l 插入短路回路以限制短路电流。这种限流 器不仅要求使用昂贵的g t o ，而且要求保护电路具 有极快的响应速度；同时由于g t o 快速截断数值 远大于额定值的短路电流而使之转移至限流电感 l 中，将引起极大的d i d t 及d v d r ，因此必须另 外采取有效措施以抑制由它所产生的高压及附加 振荡，以免危及系统绝缘与安全。此外这种限流 拓扑只能与固态断路器( s s c b ) 结台，否则由机械 式断路器断开储存在l 中的数值较大的短路电流 同样会激发极大的暂态振荡和过电压。 憧雷卦 图卜2 一种固态限流器的拓扑结构 从上面的分析可知，上述短路限制技术与限流器的基本特性要求相比尚有许多不足之处。 因此研制一种新型的短路限制装置使之具有更完美的理想特性就具有重大的理论意义和实用 价值。 1 4 研制新型固态短路限流装置的可行性分析 近年来电力电子技术以及大容量电力电子器件如s c r 、g t o 、g t r 、i g b t 等的迅速发展和 在实际系统中的应用，使得我们有可能探讨一种有效的技术措施，能在故障情况下迅速将短 路电流限制在远低于可能的最大短路电流值范围内( 限定值可整定) ，以限制系统的短路容量 从而极大地减轻断路器等各种电气设备的负担，提高其动作可靠性和使用寿命，提高系统运 行可靠性。另一方面，由于采取新技术后能够有效限制系统的短路容量，因此有可能大大降 低电网中各种电器设备如变压器、断路器等对短路电流的设计容量标准，这将带来极大的经 济效益和社会效益。浙江大学有关人员经过积极探索提出了一种全新的固态短路限流技术， 它不仅能满足上述的理想限流特性的要求，而且还具有许多灵话的控制方式，完全有条件开 发成一种性能优良的短路限流装置。 1 4 1 新型固态短路限流器的工作原理及其特性p 7 】 图卜3 ( a ) 为理想单相桥式限流器原理图，它由单相桥电路和一个电流源组成。在电网正常 运行时，四个晶闸管的触发脉冲常加，电流源电流i c 恒太子负载电流i 的峰值。当i 为正半 波时，等效电路如图1 - 3 ( b ) 所示，t h y i 、t h y 2 正常导通，t h y 3 则由于i c i 也迫使其导通， 因此当忽略功率半导体器件的管压降时，限流器呈现“0 ”阻抗，不会影响电源对负载的正常 4 浙江大学硕士学位论文 供电：同理，当i 为负半波时其等效电路如图1 3 ( c ) 所示，限流器也不会影响i 也源对负载的 正常供电。当负载发生短路故障导致短路电流i t u t t i c 时，将迫使品闸管t h y 3 ( i m “为正半 波) 或者t h y 2 ( i 。t 。为负半波0 关断，电流源自动串入回路，并晟终迫使i m 。= i c ，从而有 效地限制了短路电漉。 ( b ) ( a 载 载 ( c ) ( a ) 限流器拓扑 ( b ) 负载电流为正时等效电路( c ) 负载电流为负时等效电路 图卜3 单相限流器原理瞰 ( a ) 载 ( a ) 限流器工程拓扑( b ) 电流波形 圈1 - 4 实用的单相限流器拓扑 载 在实际工程应用中，图卜3 ( a ) 中的电流源可用一个电感代替( 称其为限流电感，下同) 此时限流器的拓扑结构如图卜4 ( a ) 所示。图卜3 ( b ) 示出了该限流器接入电路运行时的负载电 流和限流电感电流的仿真波形，可见经过短暂的充磁过程后，限流电感中的电流即可达到负 载电流峰值。由于电感电流流过续流半导体器件时存在能量损耗，因此续流过程中会逐渐下 降，但限流电感在负载电流峰值附近将自动重新短时串入主回路充磁( 其它时间段的工作与 囤卜3 ( a ) 电路分析相同) ，以补偿其在桥路上的损耗，因此限流电感中的电流起到了电流源的 作用。 将单相桥式限流器拓扑结构加以变换。即可应用于三相系统。三相中性点接地系统的三 相桥式限流器的主电路拓扑结构原理如图卜5 其工作原理简述如下：交流系统未发生过流故 障时，8 个晶闸管的触发脉冲常加。 浙江大学硕士学位论文 图卜5 固态短路限流器主电路拓扑 由于三相电路从拓扑的角度来看是对称的，故可取a 相进行单独分析，如图卜6 所示。 图i - 6 ( a ) 为f 。正半波时的等效电路，可知当电感电流j ，i o 时。由基尔霍夫电流定律知， k = f ，一i o 0 ，即b 导通。如果认为t - 、n 的导通压降相等则a 2 点与地同电位，即相当 于a 2 直接接地；当f ，( 时t 7 自然关断限流电感l 与负载短时串联电源圪给l 补充能 量，使f ，保持在的峰值附近。由于电源给电感的能量只是用来补充其在桥路上的损耗，而 该损耗很小，故l 串入负载回路的时间极短，对负载的电压、电流的影响可以忽略。图i - 6 ( b ) 为屯负半波时的等效电路同样可以分析得知，a 2 的电位为零电位。所以，系统正常运行时， a 2 始终相当于与地直接连接电源电压k 全部加在负载上。 ( a ) ( b ) ( a ) 毛为正时等效电路( b ) i o 为负时等效电路 图卜6 三相桥式限流器 相工作等效电路 对b 、c 两相可以按照同样的道理进行分析。将三相一起考虑，可以看出，当系统正常运 行时，若忽略限流电感电流的微小波动，则可认为五为直流电流，其数值为相电流的峰值， 而三相电源则等同于各相壹接接地，形成中性点接地的星形连接。 正常运行期间，三相桥晶闸管t l t 6 各导通1 8 0 。t 7 、t 8 触发脉冲常加，如果忽略电 感和晶闸管上的内阻引起的功耗，则隈流电抗l 中通过的电流为恒定的直流电流，其数值等 于三相负载电流的峰值。因此，电抗器上无压降，无功耗。 当系统发生故障时，电源电压通过已导通的晶闸管加到限流电感上，引起电感电流的增 加，当检测电路检测到故障发生后，控制器调整触发脉冲，调节限流器串入故障点阻抗，从 而调节控制电网的故障电流。甚至可将故障电流切断，起到固态开关的作玛。 该类固态限流器有以下特性： 1 ) 无论限流电感多大，在正常运行时不会产生附加压降，即其等效阻抗几乎为零； 2 ) 发生短路时，限流阻抗立即自动插入( 无需保护电路响应) ： 3 ) 断开时该限流器阻抗自动被二极管短接，不会引起瞬态振荡及过电压： 4 ) 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，有极大的臼由度： 6 浙江大学硕士学位论文 5 ) 既可在l o m s 左右快速断开已被限制的短路电流，也可在较长时间内流通低水平的稳 态短路电流以满足各种保护时限配合的要求； 6 ) 可以实现无冲击的软自动重合闸； 1 4 2 新型固态限流器工业化实现的可行性分析 由新型固态限流器的工作原理可知，该限流器一次回路部分实质上就是一个直流侧为一 限流电感的晶闸管全控桥，只是其控制模式与常规晶闸管换流器不同，而是按照电力系统对 短路保护限流的各种要求采取特殊的控制模式。但就其晶闸管可控桥的结构和工艺设计而言 与普通可控换流桥并无区别。而晶闸管可控换流桥的工业应用已有3 0 4 0 年的历史，近年来， 高压大电流的电力电子器件已有飞速的发展，特别是在近一、= 十年间高压直流输电技术的 应用得到了很大的发展和渐趋成熟，说明固态( 半导体) 换流、逆变技术在高压大电流电力 系统中的应用已具备了充分的基础。 新型固态限流器的控制相对于普通换流器要复杂得多，但它毕竟工作在5 0 h z 交流系统中， 采用目前的微机控制技术实现对它的运算处理和控制并无技术上难以克服的难点。 此外，研制新型固态限流器所需的大功率晶闸管器件，基本上可以在国内市场买到。因 此，目前开展l o k v 及以上电压等级的新型固态限流器开发研制，不仅已有充分的技术准备， 而且各种客观条件也已具备。 从以上分析以及国内外报导的文献资料来看，该类型的固态限流器在技术上是可行的 ”“1 ；随着大功率电力电子技术的发展，大功率器件的成本有望进一步降低，因此在经济上也 是可行的。目前我校在三相桥式限流装置的研制已完成了实验室阶段的工作，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。结合本 课题的研究已获得了四项国家专利，同时已开始进行l o k v 5 0 0 a 、最大短路限流2 5 0 0 a 的工业 性试验样机的研制工作并取得了一定的进展。 1 5 本文的工作 本文对固态短路限流器进行工程化研究。 第一章介绍了国内外限流技术的进展和固态限流装置的可行性；第二章阐述新型固态短 路限流器的拓扑结构以及控制策略问题，进而探讨控制策略的实现和对应的故障判断和故障 选相方法；第3 章主要解决固态限流器主电路设计问题，包括主电路各个元件的参数计算和 保护电路设计：第4 章和第5 章给出了新型固态限流器控制系统硬件、软件设计方法；第6 章是新型涸态限流器现场调试总结和结论。 7 第二章新型固态限流主电路拓扑及控制策略研究 2 1 固态限流器的拓扑结构 第一章对新型固态限流器的基本原理及其拓扑结构进行了简要分析，但在实际工程应用 中，还需要对限流器拓扑作相应的修正。适用于三相电网的新型固态限流器拓扑可分为两大 类：( 1 ) 不带耦合变压器的三相固态限流器：( 2 ) 带耦合变压器的三相固态限流器，本章讨 论这两类固态限流器的拓扑结构及其控制策略。 2 1 1 不带耦合变压器的固态限流器主电路拓扑 不带耦合变压器的三相固态限流器的拓扑结构，因三相电网中性点是否接地而有所不同。 三相不接地系统的固态限流器3 拓扑结构如图2 - i 所示，其中图2 1 ( a ) 所示限流器拓 扑与第一章给出的固态限流器基本拓扑相类似，其稳态工作原理也很相近。在系统未发生故 障时，t i - t 。全导通，限流电感被三对桥臂并联短接，对系统不呈现阻抗。当系统发生单相接 地故障时，系统电流不会上升( 除了电容电流) ，限流器按正常方式工作，但给出报警信息： 当系统发生两相以上短路故障时，则通过改变三相桥路晶闸管的触发方式，可实现向故障点 串入限流阻抗，达到限制短路电流的日的。图2 1 ( b ) 所示限流器的工作原理与图2 1 ( a ) 限流器相似，在系统未发生故障时，t l - r 按各相电流轮流导通1 8 0 度方式工作，t 7 常导通， 给限流电感提供续流回路，因此限流器对系统不产生阻抗；同样在系统发生单相故障时，限 流器按正常方式控制，但给出报警信息；当发生两相以上短路故障时，撤离n 的触发信号， t t 截至后，其工作方式与图2 1 ( a ) 在相同情况下的工作方式完全一致。 三相不接地系统固态限流器包含1 个限流器电感和6 7 个桥臂，所以硬件成本比较低， 但该拓扑结构限流器的三相耦合程度较高，在系统发生两相不对称短路故障情况下。非故障 相基本上无法正常供电，这是该限流器的一大弱点。 “髅珊哉 图2 - 1 三相不接地系统固态限流器 三相接地系统的固态限流器拓扑如图2 - 2 所示。1 ，图中( a ) 类限流器的限流电感中心点 接地，主电路中的晶闸管t t t 6 组成三相可控换流桥。系统正常运行模式下，该桥工作在全导 通状态，三对桥臂并联给限流电感提供续流回路，使得a 、b 、c 三点电位为零，不影响系统 对负载正常供电。负载侧发生短路故障时，正常状态下加在负载上的电压将突然全部( 或部 分) 加到换流桥上，导致限流电感自动串入系统，从而达到短路瞬间自动抑制故障电流迅速 上升的目的；同时控制系统进入故障限流控制模式，通过调节三相换流桥t 卜t 6 的触发脉冲， 达到控制系统故障电流的目的。图中( b ) 类限流器在第一章里已经给出了详细的工作原理说 8 浙江大学硕士学位论文 明，在此不再赘述。 三相接地系统固态限流器由于采用三相换流桥拓扑结构- 因此在系统发生不对称短路故 障时也无法完全避免故障相通过桥路耦合而影响非故障相的正常供电。 圈2 2 三相接地系统短路限流器拓扑 如果采用以单相固态限流器为单元构成如图2 3 所示的三相固态限流器( 每个单元的工 作原理和单相桥式限流器完全一致，在此不再赘述) ，则由于该三相固态限流器的每一相都是 一台完整的单相限流器，运行控制完全独立，因此其控制将更加简单、灵活，特别在不对称 短路故障情况下有明显的优势，可以保证非故障相不受故障相的影响。这种拓扑结构的固态 限流器造价较高，使用了3 个限流电感和1 2 个可控硅桥臂，在超高压接地电网中，当采用三 相桥式固态限流器存在加工、制造等方面的困难时可考虑采用。 上面给出的各种三相固态限流器拓扑，除了三相分立式固态限流器以外，一般要求三相 电源采用星型接法，而且要求星型接法的中心点可以解开，以便串入三相桥式固态限流器。 但实际上电力系统中的电源接线方式不可能全部满足这种苛刻的要求。可以采用耦台变压器 来解决三相桥式固态限流器接入电网的问题。 图2 - 3 独立结构三相桥式固态限流器 囤2 - 4 变压器穆台三相桥式固态限漉器拓扑 2 1 2 带耦合变压器的固态限流器主电路拓扑 图2 - i 和图2 - 2 所示的任何一个拓扑结构，都可以拓展成带耦合变压器的三相桥式固态 限流器。以图2 - 2 ( b ) 为例，其拓展成带耦合变压器的三相桥式固态限流器拓扑结构如图2 - 4 所示。 该限流器的工作原理为：系统正常运行时，换流桥三相桥臂t - t 。全开通( 触发延迟角 n = 0 0 ) 。续流管n 、t b 常导通为限流电感l 提供续流回路并维持其中电流在负载电流峰值水 平( 理想情况) ：t nt 8 同时使换流桥直流侧“短接”，因此耦合变压器副边等效于短按状态， 原边压降等效为“零”整个限流器对系统呈现“零”阻抗。负载侧发生短路时由于系统电 压通过耦合变压器突然全部加到换流桥上迫使t 7 、t 8 管其中之一或两个被迫关断，限流电感 通过耦合变压器自动串入系统，从而达到短路瞬间自动限制故障电流迅速上升的目的。通过 合理控制t r t e 管触发脉冲相位角，可以有效控制故障电流的大小。由圈2 - 4 可知，不论电网 主电路和系统电源采用何种接线方式带耦合变压器三相同态限流器都可以方便地接入限流 9 浙江大学硕士学位论文 回路，从而很好解决了三相桥式固态限流器接入电网的问题。 带耦合变压器三相桥式固态限流器与不带耦合变压器三相桥式固态限流器相比，具有如 下明显优点： ( 1 ) 其应用不受一次系统接线方式的影响，同一种拓扑结构可以同时适用于三相星形或 三角形接法、接地或不接地系统； ( 2 ) 通过合理选择耦合变压器的变比，可以方便地选择固态限流器桥侧的电压等级，从 而使固态限流器的性价比达到最优： ( 3 ) 通过对耦合变压器的特殊设计处理( 例如采用磁饱和技术等) ，有可能在不影响限流 效果的情况下，降低固态限流器换流桥的设计容量。 上述列举的各种固态限流器拓扑，通过原理上的大量仿真，证明都是可行的。但它们要 进入大功率工程应用，还要解决下面两个主要问题： ( 1 ) 考虑到与继电保护的配合问题，限流器在电力系统发生故障进入限流运行模式后， 需要一直控制维持故障电流在设计的限流定值上( 如5 倍系统额定电流) ，直到继电 保护动作切除故障回路。因此限流器的容量必须按故障限流定值、并考虑与继电保 护配合时间进行设计。所设计出来的固态限流器一般存在成本高、体积大的缺点， 其实际工程应用的可行性问题值得探讨。 ( 2 ) 系统发生故障后，固态限流器在通过控制换流桥触发脉冲相位角来抑制短路电流到 设计的限流水平的同时，也给系统带来很大的谐波污染，可能对继电保护等电力系 统中的其它电气设各造成不利影响。 2 1 3 带旁路电感变压器耦合三相桥式固态限流器 采用在限流器上并联一个承当故障后限流作用的旁路电感的措施，可以有效解决上述固 态限流器拓扑在故障控制模式下存在的缺陷。 图2 - 5 ( a ) 所示为带旁路限流电感的单相固态限流器拓扑，其工作原理简述如下：系统 正常运行情况下，全控桥晶闸管t 2 和t 3 常触发导通、t - 和t 分别在相电压的正负过零点触 发导通半周，在忽略晶闸管导通压降和功率损耗的情况下，全控桥处于“等电位”，因此旁路 电感被短接，整个限流器对系统不呈现阻抗；系统发生短路放障时，限流器中的直流电感l d 将与旁路交流电感k 并联后自动插入故障回路以抑制短路电流的上升率，同时控制系统立即 封锁t ，、t 的触发脉冲( t z 、t 3 管继续触发导通，以便给l d 提供续流回路) 并在半个周波内使 全控桥( 包括直流电感l d ) 退出运行( 从回路中剥离) ，改由旁路电感l 限制全部短路电流。 l ( a ) 带旁路电感单相固态限流器拓扑( b ) 高压电网中带旁路电感单相固态限流器拓扑 图2 - 5 三相独立限流器拓扑拓展 显然，这种拓扑结构的固态限流器，其换流桥的工况可以用导通( 正常运行模式) 或关断( 故 1 0 浙江大学硕士学位论文 障运行模式) 来等效，即要么接入回路“短接”旁路限流电感l ，要么彻底从回路中“剥离”， 由旁路电感l 独立承担限流任务，因此无论在正常还是故障运行模式下，它都基本上不会对 系统制造谐波污染。同时，由于它在故障运行模式下换流桥( 包括直流电感l o ) 退出运行， 因此可以适当减小换流桥( 包括直流电感l d ) 的设计容量。当然，这种拓扑结构的固态限流 器，由于增加了旁路限流电感，整个设备的体积仍然是一个有待解决的问题。 在高压三相电力系统中实际应用时，可以采用带旁路限流电感的单相固态限流器构成三 相固态限流器，并通过耦台变压器接入系统，其单相拓扑结构如图2 - 5 ( b ) 所示，工作原理 与图2 5 ( a ) 基本相同，从略。这种拓扑结构的三相固态限流器具有基本不产生谐波、运行控 制灵活且简单可靠等一系列优点，但也存在造价高、体积大的缺点，因此也只有在超高压系 统中且存在制造工艺、技术及安装困难等情况下才有可能考虑采用。 在图2 4 所示三相固态限流器的耦合 变压器一次系统侧并联旁路限流电感，可 以获得如图2 - 6 所示的新型固态限流器拓 扑”。这种拓扑结构的三相固态限流器， 与由图2 - 5 ( b ) 所示的单相固态限流器构成 的分立式三相固态限流器相比，具有结构 紧凑、造价低、体积小等特点，因此更适 合应用于高压系统。 图2 - 6 所示拓扑结构的固态限流器的 工作原理简述如下：系统正常运行时，由 晶闸管t ，t 6 组成的三相可控换流桥工作 在全导通状态桥，t t 、t e 常触发导通以便给 直流限流电感k 提供续流回路。理想条件 图2 - 6 带旁路电感的变压器耦台三相桥式限流器拓扑 下，电感l d 因t t 、t 8 管续流而等效于“短接”，且其电流等于负载电流峰值，因此耦合变压器 的副边近似处于短接状态专原边的交流旁路限流电感l ( k 、k 、k ，下同) 近似被短接，其 压降接近于“零”，因此几乎不影响系统的正常运行。系统发生短路故障时，电源电压将全部 ( 或部分) 加在耦合变压器原边以及交流旁路限流电感l 。上，并通过耦合变压器加到换流桥 上，追使续流管t t 、t b 其中之一或者全部因反压而关段，从而交流旁路限流电感l 和直流限 流电感l d 通过耦台变压器并联后立即自动串入系统，限制故障电流的上升速率；同时限流器 控制系统判断出故障封锁固态限流器所有晶闸管的触发脉冲( t 1 t 8 ) ，在适当时刻触通晶闸 管t t 、t 日给直流限流电感提供续流回路，从而关断t ，t 。桥臂，使直流限流电感及桥电路与系 统隔离，相当于变压器副边开路。固态限流器桥电路退出系统，全部改由交流旁路限流电感 l 。承担短路电流的任务，直到继电保护装置动作切断故障回路。 很显然，在系统发生短路故障、限流器尚未控制换流桥退出运行前的一段时间内，故障 电流中包含两部分：流过旁路限流电感的电流i 。和流过直流限流电感并经耦合变压器耦合到 一次系统的电流i m 其中的i n 在系统发生三相不对称故障时将对非故障相产生一定的影响， 可能给继电保护等造成一定的影响。因此，在设计限流器控制系统时，应该尽量考虑采用快 速、可靠的故障判据和简单、易行的控制策略，以便在系统发生短路故障后能迅速做出判断 并隔离换流桥退出工作，使变压器副边等效于开路，尽快让系统的短路电流完全由交流旁路 电感限制，以尽量减小系统发生不对称故障情况下对非故障相的影响。 针对上述不利影响，设计该类固态限流器时，可考虑采用如下简单可靠的控制策略：只 要交流系统发生短路故障( 不论是对称还是不对称故障) ，限流器都按“退出换流桥( 包括直 流限流电感) 、让交流限流电感l a 串入故障回路独立限制短路电流，再判断故障性质、考虑是 否恢复非故障相正常运行”。另外，由于短路时故障回路的三相中都串入了限流电抗，因此有 利于抑制故障的连锁发展。 浙江大学硕士学位论文 综合上述，带交流旁路电感的变压器耦合三相桥式固态限流器具有以下优点： i )正常运行时，等效阻抗几乎为零： 2 ) 短路时限瀛阻抗立即自动插入： 3 )直流限流电抗仅由短路限流动作定值确定，不受其他因素制约； 4 )旁路电感值由系统稳态故障电流值确定； 5 )晶闸管桥电路容量按正常额定容量设计即可； 6 )无论交流系统正常还是故障情况下，固态限流器都基本不产生谐波； 7 ) 控制燕路简单可靠。 当然，三相桥式固态限流器增加交流旁路电感后也失去了一些优良的性能，主要表现为 以下几个方面： ( 1 ) 并联交流旁路限流电感后，限流器失去了“切断故障电流”的能力，因此它必须与断 路器配合使用： ( 2 ) 由于故障后的短路电流通过交流旁路电感限制，因此其限制短路电流的水平完全由交 流旁路限流电抗的大小确定，即限流器失去了控制短流电流大小的能力： ( 3 ) 并联交流旁路限流电感后，在系统发生短路故障的初期阶段，可能出现较大的短路冲 击电流和非周期分量电流，但它们存在的时间都很短暂，最多不会超过半个周波， 因此对系统设备造成的不利影响不会太大。 2 2 桥式固态限流器切断故障电流的三种模式 不带交流旁路限流电感的桥式固态限流器，除了具有控制短路电流到任意设定水平的能 力外，还具有瞬时切断短路电流的能力。其切断短路电流一般分为逆变瞬断、续流瞬断和逆 变续流混合瞬断三种方式。下面以图2 4 带耦合变压器三相桥式固态限流器拓扑为例，分别 应用上述三种瞬断控制模式，分析系统发生三相对称短路敲障时，固态限流器切断敏障电流 的过程。分析时假设限流器已工作于系统正常运行的控制模式下，其主电路中的晶闸管t 。、 t ，、t 5 和t 4 、t 6 、t 2 被分别控制在三相电压u 。u 、吐的正、负向过零点时触发导通，各个晶闸 管导通时间约1 8 0 。电角度；n 、t 日管被控 制为常触发导通，为直流限流电感l 提供 续流回路，使l 中始终流过负载峰值电流 ( 耦合变压器= 次侧峰值电流) 。 2 2 1 逆变瞬断方式嘲 如图z 一7 所示，假设在a 褐负过零点 时刻发生三相短路。短路发生前限流器的 t 2 、t a 、t 管导通。由于三相短路后耦合变 压器原边承受全电压，致使电网电压通过 耦台变压器加到限流器的桥路上，且此时 有u o ，u c u 。 0 ， 因此t nt 3 导通， 而l 被迫截止，限流电感上的电压从零电 位突变为u 。，迫使电感上的电流从相电流 峰值开始迅速上升。假设限流器控制响应 时问需要6 0 9 电角度( 约3 3 3 m s ) ，则在 这段时间内限流器将按正常触发顺序换流图2 7 逆变式瞬断方式切断故障电流过程 1 2 浙江大学硕士学位论文 一次，t 2 将换流到t 一导通( 因u 。 u 。 u u 。 o 保持不变，t 。触发已发山) ，因 此限流电感上的电压也由虬专u n ，电流也将继续上升。短路发生6 0 。后，限流器控制系统判 断出故障并及时将后续触发脉冲移至1 5 0 。后按正常顺序发出，如图2 7 所示( 若以相电压u c 正过零点位置为参考点，则移至1 8 0 。) ，以使抉流桥的后续工况进入逆变状态。显然。在第 一个“逆变”触发脉冲发出之前，固态限流器将继续维持t 3 、t 一管导通，限流电感两端的电压 也一直等于u - ，电感电流也将按图中所示规律变化。当第一个“逆变”触发脉冲( t s ) 发出之 后，由于此时u b “ 以 以 口， 因此乃、乃导通，而乃被迫截 止，限流电感上的电压从零电位突变为如， 迫使电感上的电流从相电流峰值开始迅速 上升。假设限流器控制响应时间需要6 0 。电 角度( 约3 3 3 m s ) ，贝u 在这段时间内限流器 将按正常触发顺序换流一次，乃将换流到乃 导通( 因u 。 u 。 0 u 。 (。l 持不变，n 触发已发出= ，因此限流电感上图2 - 8 续流瞬断方式切断故障电流过程分析波形 的电压也由u * - - ，电流也将继续上升。短路发生6 0 。后，限流器控制系统判断出故障并及 时封锁t ，t b 触发脉冲，同时向t 7 、t 8 加开通信号，但由于此时t 。、t e 仍然