（电力系统及其自动化专业论文）基于igct的故障电流限制器的机理研究.pdf

侧扮d口 j 刀f 月 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文 基于 i g c t的故障电流限制器的 机理研究 ，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:日期: 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:导师签名: 日期:日期: 华北电力大学硕士学位论文 第一章 引 言 1 . 1选题背景 随着我国国民经济的飞速发展，我国的电力事业的发展也是一日千里，蓬勃发 展。电能作为一种清洁无污染的二次能源，是现代生产和生活中最主要的能源，它 的生产、输送和使用是所有能源中最方便和经济的一种，是人类社会发展不可缺少 的动力。为了满足人们不断增长的电能需求，现代电力系统不仅容量越来越大，而 且 其结构和 控制也更加复杂。 一般来说， 现代电 力系统具有如下一些主要特点1 一 : 系统容量越来越大，输电电压等级逐级升高( 交流电网最高电压等级己达到 7 5 0 k v甚至更高，直流输电电压达到士 s 00k v ; 高压直流( h i g hvol ta g en i r e c tc urr e nt h v d c ) 输电技术和灵活交流输电 ( f l e x i b l e ctr an s m i s s i o ns y s t e m s fac t s ) 技术广泛应用并大大增加t 系统的复杂 性: 采用跨区域乃至跨国的互联电网以实现安全、经济、可靠的供电; 电力系统的市场化运行产生了许多不利于系统稳定的因素。 我国电力系统的统计数字表明:直到2 0 0 5 年底，全国电网总装机容量达到5 . 1 亿千瓦，年发电量突破 2 .4万亿千瓦时，不论是装机容量还是发电量均居世界第二 位。下面提供一组对比数据:2 0 04年底全国电网总装机容量为4. 4 亿千瓦，年发电 量为2 1 8 70亿千瓦时。2 0 05年比2 0 0 4 年不论从装机容量还是发电量相比增幅均在 10%以上。目 前为止，我国电网的最高电压等级为 7 5 o k v ，为全长 140 余公里的官 亭至兰州东送电线路。 已正式投入运营的三峡输变电工程将中国华东、 华中、 川渝、 南方电网四大区域电网连接了起来，全国电网互联的格局基本形成。2 0 05年 7 月， 河南灵宝换流站投入运行，西北电网和华中电网实现互联，这标志着我国主要电网 实现了互联。 2002年末， 按照电力体制改革的要求， 剥离了发电职能的两大电网企 业国家电网公司和南方电网公司成立，给我国的电网建设插上了腾飞的翅膀。 从农村电价大幅度下降到城网线损率逐渐降低，从百分之百国产化的灵宝换流站到 翻山 越岭的贵广直流输电工程，从东北电网“ 大扰动” 实验到西北7 5 0 kv 示范工程， 从厂网分开开始，电网建设业绩辉煌。在电源端建设方面，电力市场的改革正在逐 步进行，电厂的垄断将要被打破，竞价上网已成为大势所趋。严峻的竞争形势使一 部分竞争优势较弱的电厂将面临被淘汰的威胁。发电厂的规模效应使高容量大机组 的发电厂竞争优势非常明显。目前百万等级容量的机组已经投入运行，并网发电。 预计在以后的几年之内，30 万至 60 万机组将成为我国电网发电端的主力电源。小 华北电力大学硕士学位论文 机组的应用空间更为狭小。 目前国家有关部门对“ 十一五” 期间电源和电网结构调整十分重视。在电网建设 方面，国家计划加大西电东送的力度，在北通道，继续加大内蒙古西部和山西向京 津冀电网送电规模，促进西北黄河上游水电与宁夏火电联合以及陕北火电向华北和 山东电网的送电。在中通道，要重点建设三峡水电站，同时开工建设金沙江和四川 水电流域大型水电站向华东和华中送电工程。 而在南通道， 以南方四省区“ 四交二直 大通道” 的建成为契机，继续开工一批电力项目，保证西电东送目标按期完成。 十六大提出的全面建设小康社会和到 2 0 2 0年使我国国民经济再翻两番这一目 标，是我们电力发展规划和预测的依据，也是目标。电力的发展和供应确保全面建 设小康社会和国民经济翻两番的目 标的实现。根据己有的一些研究成果和资料分 析， 预计到2 0 20 年全国需要的发电量为4. 3 万亿k wh ， 相应的装机容量为9 . 5 亿k w 左右。 这与今后2 0 年g d p 平均增长速度为7. 2 %基本上是相适应的。 电力增长速度 与国民经济增长速度的关系，根据 1 9 8 0 年到 2 0 00 年的20 年的统计，其电力弹性 系数约为0. 92，也是基本吻合的。 而且这一预测值也基本上在以前各种预测值的范 围内。 根据上述预测t6 一 9 ， 今后2 。 年内， 中国电力发展的任务将是十分艰巨的。 从2 0 0 0 年起到2 0 2 0 年的2 0 年内需要增加装机容量将在6 3亿k w， 平均每年要新增装机容 量3 0 0 0 多万k w，如再考虑期间还有大量寿命期己到需要更新改造的设备， 其建设 规模将更为巨大。如何保证中国电力的可持续发展将是一个非常重要与迫切问题， 我们必须从现在开始对其能源供应、 电源结构、 电网结构技术进步、 电力设备进步、 环境保护等进行全面研究。 1 . 2国内外发展水平 从二十世纪七十年代开始就有人提出了短路电流限制器 ( f aul t c u rr e nilim i te r ) 的概念，直到现在可以将短路电流限制器的研究分为三个阶段。 从上世纪七十年代到八十年代中期可以算做研究的第一阶段。这一阶段的主要 特点是使用机械开关， 其主要技术是针对灭弧问题， 其缺点非常明显: 装置成本高; 速度慢;只能在第一半波后起作用以至难以抑制短路电流的峰值;难以灵活控制。 这一阶段针对短路电流限制器的研究并没有在电力系统中得到实际应用。 八十年代后期开始到九十年代初期是第二阶段。由于新技术的出现和原有技术 的发展， 一系列新型的f c l被提出。 在这一阶段， 研究人员的研究重点是自愈合熔 丝 ( h ea l in g fu s e) 和串联电弧设备 ( s e ri esar c) 的研制。但是，在自 愈合熔丝中， n a 气化产生的等离子具有腐蚀性， 装置的动作受到限制， 串联电弧的动作次数也受 到限制，所以两种限流装置都没能运用到实际中。 2 华北电力大学硕士学位论文 进入九十年代中 后期110141，随 着电 力电 子技术的飞 速发展和超导技术的 进步， 尤其是柔性交流输电 ( f a c t s )技术提出以后，研究人员分别提出电力电子型短路 电流限制器和以超导材料为代表的新型材料短路电流限制器.所谓柔性交流输电系 统，是指以晶闸管 ( 即可控硅)置换传统交流输电系统中各种机械式调节器和开关 后所呈现的新系统。fac t s 技术的提出是二十一世纪电力学科最伟大的变革之一， 它使系统网络的潮流更加容易控制，线路的输送能力可大幅度提高。各种故障得以 及早隔离，使系统的运行更灵活，可靠，稳定。故障电流限制器是f a c t s( 柔性输 电技术)技术最前沿的分支之一，也是最具有广泛应用前景的分支之一。 电力电 子型故障电 流限制器也称为固态故障限流器川. 17， 它的基本原理是利用 晶闸管的快速通断来代替传统的机械式切断开关来完成阻抗的转换。进入新的世纪 以来，研究人员对于固态故障限流器进行了卓有成效的研究，其中最有代表性的浙 江大学电气工程学院的研究。 固态故障限流器具有控制迅速灵活， 允许动作次数多， 成本低，结构简单的优点，被称为最具有实用价值的研究方向。最新使用该技术的 应用主要是与串联补偿技术结合起来共同研究的。 超导 故 障 限 流器 ， 一 2 叼( 5 即e r c o 叻u ct i n g r a u l t c urre ntl 而it e 卜s f c l ) 虽 然早在 1910 年即提出，但直到上世纪八九十年代才有相关的研究成果见诸于学术论文之 中。 比较有代表性的阶段性成果是: 1992 年日 本东芝公司和东京电力公司联合推出 用低温超导材料n b tijcu t i 及液氮低温冷却装置做出三相 6 6 k v j l . s k a级的s f c l ， 该装置经试验可将 55k a的短路电流限至 1 8 k a， 已接近实用规模， 并已进行试运行。 1 9 % 年，a b b公司成功研制一台 1 .z mv a的屏蔽式高温超导限流器 ( h t s f c l ) 。 该限流器已经成功通过了6 0 k a的短路电流试验，将短路电流限制到7 0 0 a ，并且在 一个电厂成功运行两年之久。在我国，2 0 06 年 1 月 13 日，首台高温超导限流器样 机在湖南省娄底市电业局高溪变电站正式并网运行，各项技术经济指标均达到国际 先进水平，成为继瑞士、德国、美国之后世界上第4 台并入实际电网试验运行的高 温超导限流装置。预计在 2 0 0 7年高温超导限流装置可以市场化批量生产。 t c p c o 计划在2 010 年在s o 0kv电压等级电网中配备h t s f c l 。 s f c l的工作原理是利用超 导体在一定温度和磁场条件下可以无阻传输小于其临界电流值的电流的原理，当线 路中的电流超过超导体的临界电流时，超导体失超而转变成常导体，从而在线路中 迅速串入一个阻抗，达到限制故障时短路电流增大的目的。高温超导限流器可以减 小电力系统的电抗值，提高电力系统的静稳定性，提高供电质量。在国内比较前沿 的研究机构代表是:中科院电工研究所，清华大学等. 13现今存在的问题 通过使用限流装置将短路电流控制在较低水平，可极大地提高系统的运行稳定 华北电力大学硕士学位论文 性。限流器的使用能够直接减轻断路器的开断负担，有利于电网电压质量的提高。 此外，还可以提高电网的热极限和稳定极限，提高线路的输电能力121召 6 。限流装置 本身硬件的研究国内外均有不同的进展，其在应用过程中面临的许多问题目前并没 有得到很好的解决t19 2 71 限流装置对电力系统暂态稳定性的影响问 题 ; 1 .限流装置与电力系统综合动态特性和仿真分析; 2 .限流装置对继电保护的影响问题; 3 .多个固态限流器或与其他fac t s 装置控制系统的协调配合问题; 4 .固态限流器控制纳入现有的电网调度控制系统问题。 14本文的主要工作 本文在前人研究的成果基础上，进行了以下研究工作: 1 .论文从近年来出现的各种不同拓扑结构的故障限流器入手，分析了这些限 流器各自的特点和弊端， 进而研究了一种基于i g c t的故障电流限制器。 首 先，论文从该限流器的拓扑结构出发，对该限流器的各个元器件作了有针 对性的介绍，同时结合拓扑图，分析了该类限流器的工作原理和特点。其 次，论文从设计的角度，分析了该类限流器的参数选择和故障检测方法。 为了验证该限流器的工作性能， 并以一配电系统为例， 采用ma t l a b软件 对新型f c l 进行仿真，验证其对系统的稳定性、电能质量提高的有效性。 2 .论文第三章， 在提出f c l暂态模型的基础上， 详尽地分析了具有f c l的电 力系统在各种情况下的功率特性，并且利用等面积准则推导了具有 f c l系 统的极限切除角的严格数学表达式。基于以上分析，从理论上严密地解释 了f c l 对电力系统暂态稳定性影响的机理。 3 .论文的第四章详细介绍了采用单片机控制方案的限流器。本章从故障电流 限制器的控制原理入手，主要分为硬件和软件两部分。硬件部分以各部分 的功能为线索，介绍了实现各个功能所采用的芯片，包括芯片的功能和特 点及其具体应用。软件部分介绍了程序流程以及一些主要的程序片断。仿 真分析验证，该限流器的可行性。 4 .论文第五章，针对当今热门的分布式发电所存在的问题，深入分析了利用 故障电流限制器消除分布式电源与保护的协调问题。随着分布式电源技术 的发展，其必在未来的配电系统中起着相当重要的作用，故障电流限制器 的应用为其发展开辟了道路。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 基于i g c t的故障电流限制器的拓扑结构与仿真 2 . 1不同拓扑结构的f c l的比较 短路电流限流器( (f 耐t c urre ntli m i te r) 是一种串接在线路中的电气设备。系统 正常运行时限流器阻抗很小( 几乎为零) ，系统故障时其阻抗迅速增大，从而串入线 路限 制故障短路电流。 它必须满足下列一些基本要求哪1 : 线路正常运行时，限流 装置应对线路影响很小( 系统可接受的程度) ，低阻抗、低功率损耗;线路发生短 路故障时，限流装置应能迅速投入工作并有效限制短路电流不超过设定的合理水 平，最好能够限制故障电流的第 1 个峰值:限流器动作可靠且具有较长的使用寿 命，当限流器自 身故障时不会恶化系统运行状态( 正常运行或故障运行时) ;能满 足短路保护时限配合的要求，不影响原有的自 动装置及保护设备的正常动作;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;合 理的成本价格，能为电力部门所接受等。 上世纪 70 年代左右已有人提出短路电流限流器的概念，此后不断有人对此进 行研究，但使用机械开关存在灭弧问题，并且装置成本高，速度慢，难以限制短路 电流的峰值，故未能在电力系统中得到实际应用。由于新技术的出现及原有技术的 发展，近年来又提出了一系列新型的限流器。 2 . 1 . 1电力电子型 f c l 近 10年来，电力电 子技术蓬勃发展，水平提高很快12 9 ，其各种设备已可直接 应用于电力系统中。美国 e p ri 曾组织专家对配电网络的各种限流技术进行调研， 认为应用电力电子技术发展限流器是较现实的技术途径。 2 . 1 . 1 . 1电抗器型 f c l 一般由一组反并联的g t o与限流电抗器并联组成。正常运行时g t o常通，将 限流电抗器短接，一旦发生短路，在短路电流达到第 1 个峰值前迅速将g t o断开， 使电抗器插入短路回路以限制短路电流。 g t o快速截断会引起过大的电流上升率及 电压上升率，从而产生瞬间过电压及附加振荡，必须配合辅助设施使用24， 30。 2 . 1 . 1 。 2谐振型f c l 利用电力电子器件使正常工作时处于串联谐振( 阻抗 殡0) 状态下的电路在短路 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 ( 导纳厂0) ，使线路阻抗增大而限制短路电流。 ( 1 ) 联谐振型f c l 12 1 华北电力大学硕士学位论文 如图 2 一1 所示，正常运行时晶闸管不导通，l与 c发生串联谐振，装置阻抗 为零。故障时，s c r闭合，电抗器串入电路限流。在此基础上发展起来的串联补偿 限 流 器 是f c l 发 展 的 新 方 向 之 一 9.3 1 一 】 。 ( 2) 并联谐振型f c l1 3 司 图 2 一2中电容 c与线路串联，正常运行时可提供串联补偿。当短路发生时， 晶闸管导通使电感与电容c组成并联谐振电路，从而限制故障电流。 此类限流器容量有限，实用较少。 图2 一1串联谐振限流器图2 一2并联谐振限流器 2 . 1 . 1 . 3可变阻抗式限流器 可变阻抗型f c l是在串联谐振f c l的基础上发展起来的。如图2 一3 所示，正 常情况下l z 与c串联谐振，s c r关断;故障时，通过s c r控制使l l 与c并联谐 振， 从而起到限流作用。 改变s c r的触发角， 等效于改变电 感li 的大小11 11 ，即可 控制装置阻抗大小。由于s c r触发角 a 与阻抗关系复杂，控制较难操作。 、 1 五 艺 _ 艺 l_ 一 图2 一3可变阻抗式限流器 2 . 1 . 1 . 4无损耗电阻器型 f c l 图 2 一4无损耗电阻式限流器 无损 耗电 阻 型 137 l l r (l os sl es s r es is to r) 限 流 器拓扑如图2 一 4 所示。 该限 流 器由 华北电力大学硕士学位论文 4 个i g b t 和4 个续流二极管元件组成， 其电阻值由电感或电容模拟而成。 通过p wm 技术控制 i g b t开关频率来调节该桥路的“ 等效电阻” ，工作过程中不会产生功率损 耗和焦耳热量，当发生故障时可迅速有效的控制短路电流的峰值和稳态值。由于 i g b t 调制频率高，装置开关损耗大，并会产生一定的谐波电流。 2 . 115混合限流器 图2 一 5 所示给出 一交直流混合限 流 器12 的 拓扑结构，系统正常运行时由 机械 开关s wl 闭合流通负载电流， 发生短路故障时利用预先冲好的电容内存储的能量给 s wl ，进入反向电流， 达到限流和切断短路故障的目 的。但此限流器缺点是:结构 复杂， 成本较高， 使用范围 也非常有限 川 。 sw i c 自协亦 漏 图2 一5混合限流器图2 一6 桥式固态短路限流器 2 1 1 6 桥 式 固 态 短 路 限 流 器 16.15.23 38 图2 一6 所示为新型固态短路限流器单相拓扑结构原理图。正常时，515 4常 加， 调节电源v b 使满足红 i， 则正常负载电流流经该限流器时的压降几乎为零。当 负 载侧发生短路时( 例如在电 源电 压正半波) ， 电流1 跳至几 值时53 截止， 电感l 立 即自 动串入短路回路，限制短路电流。 这种桥式限流器能有效地将短路电流抑制到 一预先设定的安全范围内，并且能够和其他保护电器配合动作，满足电力系统对保 护的基本要求，但其限流的程度与预先设定值有直接的关系，难以灵活地满足不同 结构的系统或者是不同安装地点的限流要求。 2 . 1 . 2超导型 s f c l 超导限流器是利用超导体的超导/ 正常 ( 5 加)态的转变来限流，一旦电网发生 短 路， 超导体“ 失超” ( quen ch) 由 零阻抗 表现为非线性高电阻， 从而限 制短路电流。 s f c l同时集检测 效地限制故障电流 转换和限流于一身，能在较高电压下运行，可在极短时间内有 是f c l发展的重要方向。 专家预测在未来几年内超导技术必将 在电力工业中获得广泛的应用. 华北电力大学硕士学位论文 21 . 2 . 1电阻型 在电流增大到一定程度时，s f c l将呈现高电阻而达到限流目的，转变时间一 般为百微秒级。为了减小s f c l转变时产生的热量对超导体材料的损害，通常在两 端并联电阻器或电抗器。此类限流器结构简单，但检修、维护较难。 21 . 2 . 2电抗器型 ( 1)电感型 由超导线圈与普通线圈( 限制线圈) 反绕并联组成。正常情况下，限制线圈与触 发线圈有相等的电流，产生反向的磁场并相互抵消，线圈内无主磁通，装置阻抗接 近于零。当电流超过一定值后，超导线圈失超变为电阻态，大部分电流由限制线圈 限制。此类 s f c l的不足就是不适于快速重合闸运行。 (2 ) 桥路型 桥路型 s f c l的概念是 l a n l和西屋电力公司在 1 9 8 3 年提出的，它由4个二 极管连成桥路，如图2 一7 所示。 负暇 咖 图2 一7桥路式 s f c l电路拓扑 正常情况下桥路始终导通，超导线圈通过直流，线圈两端无电压降。在故障状 况时，正负两个周期内分别有一对二极管不导通，失超线圈自动地串入线路，可看 成有一电抗器突然插入电路起限流作用。由于正常运行期间超导线圈通过大直流电 流，因此装置低温损耗较大。 2 . 1 . 2 . 3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 e 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。 华北电力大学硕士学位论文 ( 2) 饱和铁心电抗器型 结构为 旧” 字型铁心电抗器， 双交流线圈置于铁心一端磁扼上极性相反地串联， 双超导线圈置于铁心另一端磁扼上并加直流偏压。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.当发生二相或三相短路故障时，故障电流达到超导绕组的临界电流时，超导 绕组失超，故障电流被大的常态电阻所限制。因为有铁心，此类 s f c l重量较大， 且总损耗也较大。 2 . 1 . 2 . 4变压器型 ( 1) 普通型 主要有超导一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。 (2)混合型 由可变祸合磁路的变压器和无感绕制的超导线圈组成，变压器原一次侧绕组反 绕。 正常运行期间， 磁路不饱和，原二次侧绕组间的祸合非常好， 装置阻抗非常小。 当线路发生故障时，二次侧绕组电流增大，超导线圈内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。 目前s f c l 应用存在的问题主要有: ( 1) 动作电流整定问题。由于材料制作工艺水平的限制，及超导体本身“ 锻炼 效应” 等因素的影响，s f c l的整定电流不是恒值，这是实用化过程中存在的一个大 问题。 ( 2) s f c l对继电保护的影响。s f c l会影响保护处的测量阻抗，且由于超导 体失超恢复时间较长，一般难以满足重合闸等方而的要求。 ( 2 ) s f c l的失超恢复、散热和维护问题。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 . 2基于i g c t的故障电流限制器的拓扑结构及其组成部分 2 . 2 . 1基干i g c t 的故障限流器的拓扑结构 具有可控串联补偿功能的基于i g c t的f c l ， 如图2 一7 所示， f c l主要由固定 电容器c o ， 晶闸管控制的电容器组ci， c z ， c 3 等， 旁路电感l ， ， 串联电感玩， i g c t 和保护用的 z n o避雷器组成。 图2 一7基于i g c t的故障电流限制器的拓扑结构 2 . 22i g c t介绍 igc t是在 gto ( gatetu rn 一 。 fft h y r i s to r) 的基础上发展起来的新器件，兼有 i gbt(insul ated 一 gate hi polartr an si stor) 和g t o的优点， 又克服了二者的 不足， 具有如 下优点:通态压降小，耐压高，电流密度大;易于触发和开关特性好;易于 实现触发、状态监视电路和 i g c t管芯的一体化集成，通过2 根光纤输入触发信号 和输出工作状态信号，从而简化了电路设计，大大提高了装置的可靠性。i g c t是 一种较为理想的兆瓦级、中高压开关器件，非常适合在限流器等 f a c t s装置中应 用，已在中高压系统中得到了广泛的商业推广。 2 . 2 . 2 . ii g c t的特点 i g c t 是从g t o发展而来的， 它将改进结构的g t o ( 即g c t)与具有极低电感的 门极驱动单元的紧密集成在一起，是在 g t o应用技术达到相当高的水平并对 g t o 的驱动原理和技术有深入认识的基础上，半导体器件设计制造专家与电子线路设计 工程师为改善器件的性能而紧密合作的产物i g c t 保持了g t o的高性能价格比和可 靠 性 13 9 1 . igc t主要从三个方面采取措施改善了器件的性能: ( 1) 与半导体器件密切结合的门 极驱动电路设计和控制技术; 华北电力大学硕士学位论文 (2 ) 半导体器件结构与工艺的改进; (3 ) 可把二极管与g c t集成于一体。 2 . 2 . 2 . zi g c t 、g t o和 i g b t的比较 i o c t ， g t o和 i g b t各有自己的特点， 应用得当，都能在相应的应用领域发挥 最佳的效果。现将i g c t 、g t o和1 0 b t作一个比较。 比较的器件为:i g c t-4 5 0 0 v1 3 0 0 0 a，g t o 一 4 5 0 0 vi3 0 0 0 a，i g b t-3 3 0 0 v l l 2 0 表2 一l l g c t 、g t o 、i g b t性能比较 比较项 i gctgt oi cbt 可靠性最高很高高 硅片面积 0 . 6 50 . 6 5 .l 通态损耗 5 0 %7 0 %1 0 0 % 开通损耗5 %3 0 %1 0 0 % 关断损耗1 0 0 %1 0 0 %1 0 0 % 门极驱动功率 5 0 %1 0 0 %1 % 开关频率很高高最高 变流器功率最高很高高 可控功率大大较小 价格/ 每mw可控功率低低高 功率密度 ( mw/ m 3 )大大较小 d y/dt吸收电路可不用必须用可不用 di / dt限制电路有有无 短路电流限制方式外部限制 ( 电抗器) 外部限制 ( 电抗器)自身限制 实现串并联的难易串并都容易串并都较容易并联容易 损坏后的特征短路短路开路 芯片封装压接压接焊接 合适的应用领域大功率大功率中等功率 注:igc t 、g t o和i g b t三者比较而言。 华北电力大学硕士学位论文 2 . 3基干i g c t的故障电流限制器的工作原理和特点 2 . 3 . 1基于i g c t的故障电流限制器的工作原理 具有可控串联补偿功能的基于i g c t的f c l ，正常时i g c t截止，负荷电流从 电容c( 电容器组的等效电容) 流过，由于容抗大于串联电感玩的感抗，电容c对 线路起串联补偿作用，根据线路补偿的需要投切不同组数的电容器，按步长调节线 路电抗值;故障时，i g c t导通，两个管子轮流导通半周，旁路电感l ， 接入，l ， ， c选择适当的参数，并联后可以得到较大的电抗，与l z 串联后共同限流，并且根据 不同的短路情况、短路电流大小改变i g c t的导通角，以改变限流程度。 2 . 3 . 2基于i g c t的故障电流限制器的特点 基于i g c t的故障电流限制器具有如下特点: ( 1) 固态开关控制可快速限流。i g c t提供比机械开关更快的保护，并能提供 更快的再次启动、进行串联补偿。 ( 2) 固态开关无电能损耗。采用半导体器件的电力设备工作时将产生损耗， 但在故障电流限制器线路中，由于稳态时负荷电流不流过i g c t ，故不产生损耗。 ( 3) 通过串联补偿提高设备利用率。常规限流器正常时不工作，故障时才投 入限流，而本文的故障电流限制器正常时提供串联补偿。可以提高线路传输能力、 系统稳定性和电能质量。 ( 4) 短路电压由系统短路阻抗、串联限流电抗和并联等效电抗共同承担，所 以电容两端无过电压。 23 . 3限流器的损耗分析 故障电流限制器的损耗主要来源有两方面:其一是稳态时负荷电流流过串联电 容c 和电 感l z ， 玩有一 定电 阻rz ， 会产生 损耗p = i z r z ; 二是故障 期间固 态开 关i g c t 的损耗，旁路电感l ; 的损耗，由于i g c t能够快速的开通和关断，故障时间大大缩 短，损耗自 然就很小。正常时负荷电流不流经 i g c t ，因而此结构的故障电流限制 器损耗很小。 故障电流限制器损耗的大小与系统的容量、限流系数a 、补偿度 k有关。在串 联电感l z 有一定的电阻rz的情况下， 损耗与电流的平方成正比， 显然系统的容量增 加时，电流增大，损耗也就增大。限流系数 a 增加，串联电感 l z 增大，其电阻 rz 也增大，从而损耗成比例增加。当补偿度k增大时，损耗略有增加，影响不大。 华北电力大学硕士学位论文 2 . 4参数选择和故障检测 2 . 4 . i f c l元件参数选择 l ; 的等值电路见图2 一8 ，当i g c t的导通角。发生变化后，投入的等值电感量 l(司 会改变。由图2 一 8 可知， 短路电 流为 tgl : ，() 二 f “ v (。 、 (， ) l ( 2 一 1 ) f (t) 图2 一8旁路电感 l ; 的等值电路 如果电源只含基波分量，则可得: 1 ( t ) = v 扣 0 5 口一 c o s “) /( 诚) ( 2 一2 ) 对该式进行傅里叶分析，取其电流的基波分量，可得 人= 呱， 位一 s in司/( 兀 口 l ) ( 2 一3 ) 由此可得l(的与。 的函数关系为: l(a)= 入f ( ) 户 j 、汀 jl 仃) = 口 一 s m j ( 2一4 ) 从而可得限流电抗及 为: 戈 弋 十 一 丝 竺 些 匕 x( 口 ) + x c ( 2 一5 ) 触发角a与导通角a 之间的关系为: 口= 2(汀 一 a ) ( 2 一 6 ) 由以上关系可知， 改变导通角。 ， 可以改变f c l的限流电抗及， 从而可以改变 华北电力大学硕士学位论文 限流程度。0的取值范围:00一1800。当。从 1500逐渐减小时，限流程度增大，电 流减小且为感性; 当减小到一定值 氏时， 旁路电感l ， 和电容器组电容的等效电容c 发生并联谐振，此时限流程度最大，电流最小:当小于。 ， 后，随着。的减小，限流 程度减小，电流增大且为容性;当。 减小到9 00时，限流程度为0 ;小于9 00后，容 性电流会继续增大。当。 减小时，电容两端的电压也会增大。故对于限流器，导通 角。 合适的取值范围是。 r s a 勺8 00。其中， 。 ， 为旁路电感li与等效电 容c发生并联 谐振程度最大时的i g c t所对应的导通角。 2 . 4 . 2限流率和补偿度 图2 一9装有f c l的输电系统 带串联补偿的 f c l 系统，其两端装有f c l ， 有两个电路参数，限流率 a和补偿度 k 。图 2 一9为一电力 共同补偿线路电抗。 ( 1) 限流率a (0 1 0 0 娜 介 巨 气 1 气 其中 ，仁 、气 、k ， 为阐 值，t 为 延时 时间。 2 . 4 . 4f c l在系统稳态运行方式下的工作性能 稳态时，f c l通过控制晶闸管的投切实现按步长调整 f c l对线路的串联补偿 华北电力大学硕士学位论文 度。这样，一方面可以实现可控的线路补偿，另一方而可以消除因线路补偿过程中 产生的谐波影响，这就是该限流器在串联补偿功能方面的一大突破。如图1 中有三 个晶闸管控制的电 容器组，因而有七种串 联补偿运行方式脚 1 ， 运行模式见下表。 表 2 一2 串联补偿装置的运行模式及投入级数与各组电容器投切配置情况 投入级数 第 3 组第 2 组第 1 组连接形式运行方式 00 l0 0l ll 00 l0 0l 1l 并联 并联 并联 并联 并联 并联 并联 并联 串补 串补 串补 串补 串补 串补 串补 串补 011 注: 0 表示该电容器切除; 1 表示该电容器投入。 当再增加第4 组时可实现0 一 15级补偿。 2 ， 5实际配电网仿真 2 . 5 . 1仿真模型 本文选择ma t l a b进行数字仿真， 仿真系统等值电路如图5 所示， 线路各参数 等效在20k v等级，馈线2 一10 已 等效成一条线路。图中各主要元件的参数如下: 系统高压侧电压为 1 32kv ，短路功率为2 4 00mv a ，低压侧电压为20k v ;主变压器 为 132j 2 0 k v ，4 o mv a ，短路电压 u cc二 13%，铜耗 0 .6 %;传输线路的分布参数为 r “ 0 . 2 2 4 0 / k m ，l = 1 . 1 3 m 川k m，c = 1 0 . 3 nf/k m，卜1 0 k m:线路负荷的有功和无功功率 分别为4 . 4 m w和2 3 m v ar lz ( 功率因素为0 8 8 ) 。 广二二二二一一一一一一一一二一一一一一一一一f 鹭 l_ _ _ _ _ _ 1 图2 一10包含f c l的ma t l a b仿真系统单相模型 华北电力大学硕士学位论文 25 . 2仿真结果 线路1 在1 .3005离母线i k m处发生三相短路故障， 1 .4 005 断路器动作切除故障。 图6 一7的仿真结果表明:馈线 1 的电流在故障期间其峰值达到1 4 ，z ka，给同一线 路上的其它装置带来极大考验;同时母线电压暂降严重，母线电压的峰值从稳态的 约 1 1 k v下降到约 z kv。断路器切除故障时，电压波形发生畸变，因此会对同一母 线上其他用户的电能质量产生严重的影响， 故障后s m s 内， f c l迅速投入限流， i g c t 触发角。 = 。 。f c l的参数为co= 579 吓，li二 7 %1 力 h ， l 户40m h ( 仿真时只考虑可控 限流) . 图2 一11至 2 一14仿真结果表明: ( 1) 该新型故障电流限制器限流效果良好，短路电流峰值被限制到z k a 。限流 系数达0. 87; ( 2) 母线电压没有明显的暂降，因此与该母线相连的其他线路和负荷 ( 线路 2 一 1 0 )不会受到严重影响，电能质量显著提高; ( 3) 短路电压由系统短路阻抗，串联限流电抗和并联等效电抗三者承担，所 以电容器组两端无过电压: ( 4) 由于i g c t能迅速开通和关断，使故障时间控制在最小的范围。 20 k 1 0k 眼叱 吧记1 . 2 0 k 仁 一， 一 ，-一一司一 2 o k 1 一 261 邓1 .301 3 21 . 3 4 1 .3 61 .洲l 叨1 刁 2 确 图2 一11 无f c l时线路故障电流 1251 图2 一12 无时母线电压 岌。 力 1 261 2 81 01 .犯1 .341 3 61 91 月 0 l2612513 0l j21341 3 61 38 1 40 t/s 图2 一13 有r c l时线路故障电流图2 一1 4有f c l时母线电压 华北电 力大学硕士学位论文 2 . 6小结 本文提出的新型的基于 i g c t的故障电流限制器能在系统正常时，采用独有的 按步长调节线路电抗值方式，实现可控的线路串联补偿功能。不仅能提高了输电系 统的传输能力，并且在线路发生故障时迅速响应，快速地改变拓扑结构，限制短路 电流，改善母线电压暂降;通过数字仿真和理论分析证明，本装置可有效地抑制故 障电流，减小母线电压暂降，并有效抑制谐波的传播，大大提高了故障期间的电能 质量。 华北电力大学硕士学位论文 第三章 f c l对电力系统暂态稳定性影响的机理分析 3 . 1引 言 目前， 各种基于晶闸管的快速开断来投切限流电抗的f c l的研究已经有了一定 进展，但都主要集中在拓扑结构、原理和参数完善上， 但 f c l对系统暂态稳定的影 响方面的研究才刚刚开始。本章首先提出了具有可控串联补偿作用的新型故障限流 器( f c l)的暂态模型， 在此基础上， 从安装有f c l的系统功率特性以及极限切除角 两个方面进行了详尽的公式推导和理论研究， 结果表明该f c l对于提高电力系统暂 态稳定性具有重要的意义。 3 ， 2可控串联补偿故障限流器的暂态模型 具有可控串联补偿功能的新型f c l的基本原理是以i g c t的快速开断来实现限 流电抗的快速投切，即:在系统正常运行和系统发生故障而f c l未动作之前，f c l 的等效电抗为一组电容，对线路起串联补偿作用:系统故障发生后很短时间，f c l 动作，即投入限流电感进行故障限流。若忽略f c l中各元件本身的电 磁暂态过程， 并且将与线路串联的限 流电 抗折算到线路上， 则可以得到f c l的暂态模型1 ， 如图 3 一1 所示。系统正常以及故障后 f c l未动作之前，开关 5一直处于开断状态，故 障发生后z m s ，开关5 闭合，限流电感戈投入系统进行限流。 图 3 一1 故障限流器的暂态模型 3 . 3具有f c l的系统暂态稳定性机理分析 3 . 3 . 1具有f c l的系统的功率特性 一具有可控串联补偿作用的f c l的简单系统如图3 一2所示，在两条出线的始 端分 别 装有一台f c lo 假定在一出线出口 处发生三相短路故障，系统在各情况下的等效电路的功率特 性推导如下: 华北电力大学硕士学位论文 图3 一2具有 f c l输电系统 系统正常运行时: x ，2 “ 工 d + 工 ti 十 于 ( x : 一 x 。 ) + x ， 2 ( 3 一1 ) 则凡= ( e 、 u / xl : ) 、 s in 咨 = 只 、 s in 占( 3 一2 ) 故障初始，f c l未动作时: x= 仪) p 汀=p z xs i n 占=oxs i 儿 占=0( 3 一3 ) f c l动作后，电路化简整理后可得: 孔 : = 礼+ x : +(x : 一 x 。 ) + z x 气 岛= ( e x u / x 3 : ) x s i n 占 = 几 x s i n 占 ( 3 一4) ( 3 一5 ) 故障切除后: x 4 : = x 奋 + x : + ( x : 一 x 。 ) + x : 弓 犷 = ( e x u / x 4 : ) x s i n 占 = 几x s i n 占 ( 3 一6 ) ( 3 一7 ) 由 ( 3 一1) 一( 3 一7 )式可得出各功率特性之间的关系: 几 凡 p4 只 ( 3一8 ) 3 . 3 . 2系统功角特性分析 由(3一8)式得出的系统在各种情况下的功角特性关系如图3 一3 所示。正常运行 时，发电 机向无穷大系统输送的有功功率为po，原动机的输入功率p t=p 。 ，发电机 的工作点为a 点， 对应功角为凡; 发生 短路瞬间， 发电 机的功角特性立即降为寿， 工作点 移动到b 点; z m : 后，工作点沿p，i移动到。 点， 对应功角为今， f c l 在此 时动作， 功率特性立即变为p ，ii ，工作点也相应地变到d点;当工作点沿尸 班移动到 e 点时故障被切除，功率特性立即变化为乃犷 ， 工作点也相应变化到9 点， 对应功角 为乓， 此后工作点将沿乃 。 向h 点移动。 由图中 可以 看出， 具有f c l 的 系统的加速 面积为s abcd “ ; 若无f c l ， 工作点将会沿通常的a 一 b 一 c 一 k 一 e 一 f- g 一 h 移动， 加速面积sa 加 如 f 。 华北电力大学硕士学位论文 速面积大小相等， 则系统将处于稳定的极限情况， 大于此角切除故障， 系统将失稳， 这个角度即 称为极限 切除 角凡， 。 无f c l 的系 统几 ，的公式为: 戈 ，二 口 况 亡 。 风( 氏一 戈 少 + 几x cos氏 一 几x co “ 几 /( 凡一 凡 )(3一1 0 ) 式中氏为故障起始角，戈 。 。 二 in ( po/ 凡 ) ;氏为临界角，么= 二 一 似s in(p0/ 几 ) 当系统具有 f c l时，应用等面积定则可以得出: 今。 一 、 + 之 po 一 。 “ 一 犷 _ (p4 一 pa) “ ( 3 一1 1 ) 求出积分后整理可以得出: 戈 、 了 = ar c cos 几 ( 么一 氏 ) 十 几 “ c os 么一 几 、 co 碱 + ( 凡一 君 ) x ar c c o 占 乓1 /( 尺一 几 )(3一1 2) 其中， 丙为限 流器动作时刻 对应的发电 机功角， 它可以 利用分段法由 如下运动 方程式来求: d 占 二 t 口 7 一 1 甲 x 心 私 dt ( 3 一1 3 ) 登 = 会 (“ 一 “ “ 、 % ( 3一1 4 ) 只需计算出故障发生后 z m s ，也即是限流器动作时的功角即可。由于限流器动 作时间短， 角 速度。 变换不大， 因此在计算今时 可近似忽略阻尼。 根据式 (3一 8) ， 可以对式( 1 0) 及式( 1 2) 做一比较: 由于: 几一 几 凡一 尺:几一 几 ( 凡一 几 ) x cos凡 ( 3 一1 5 ) 从而可以得出: 戈 、= v n时则保留d 企1 为 1 ;否则 d n 一 1 清零。然后，控制逻辑 使寄存器的下一位置 1 ，与上次的结果一起在 d 从 转换后与v x比较，重复上述过 程，直到判别出最低位d o 取 1 还是0 。这时，户 以 d转换器会发出一个 d o n e信号 来表示转换结束。这样，经过n次比较后， n为寄存器的状态就是转换后的数字量 数据，经输出缓冲器读出。其转换速率由