（电力系统及其自动化专业论文）新型固态限流器整流桥在线故障诊断技术的研究.pdf

浙江大学硕上学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e rs y s t e ma n dm o d e r n i z a t i o no fi n d u s t r y , t h e s t r u c t u r eo ft h ep o w e rg r i d sb e c o m e si n c r e a s i n g l yc o m p l e x ，t h ep o w e rg r i d sh a v e b e e ne x p a n d i n g ，t h es h o r t c i r c u i tp o w e rs y s t e mc a p a c i t yi si n c r e a s i n g ，e s p e c i a l l yi n t h eh e a v y - l o a d r e g i o n sw h i c ha r e o fe c o n o m i c a l d e v e l o p m e n t ，a n dw h o s e s h o r t c i r c u i tc u r r e n th a sr e a c h e do re v e ne x c e e d e dt h ec a p a c i t yo ft h ei n t e r d i c t i o n s o ft h es w i t c h i n ge q u i p m e n t i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，t h ep e o p l ea c t i v e l y e x p l o r ea n ds t u d yt h et e c h n o l o g yo ft h ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r i nt h e19 7 0 s t h ec o n c e p t o fs h o r t c i r c u i tc u r r e n tl i m i t e rw a sr a i s e d t h e nm a n yt y p e so ft h ec u r r e n tl i m i t e r e m e r g e d ，f o re x a m p l e ，s f c l ，m a g n e t i cc o m p o n e n t sc u r r e n tl i m i t e r ，p t c ，h y b r i d c u r r e n tl i m i t e r , s s f c la n ds oo n i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n go fz h e j i a n g u n i v e r s i t yp r o p o s e san e ws o l i d s t a t es h o r t c i r c u i tc u r r e n tl i m i t e ro nt h eb a s i so f f o r e i g nr e s e a r c h e s i nt h i sp a p e r , w ea n a l y z ea l lk i n d so ft o p o l o g ym a i nc i r c u i to ft h en e ws o l i d s t a t e c u r r e n tl i m i t e r , i l l u s t r a t et h e i rp r i n c i p l e si nd e t a i l a n dc o m p a r et h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ft h e s h o r t c i r c u i tc u r r e n tl i m i t e ru n d e rv a r i o u st o p o l o g i c i a l s t r u c t u r e w ea l s oa n a l y z et h ef u n c t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mo ft h en e ws o l i d s t a t e s h o r t c i r c u i tc u r r e n tl i m i t e r , a n dd i s c u s st h ef u n c t i o no fe v e r ys u b m o d u l ef u n c t i o n s i nd e t a i l f i n a ll y 、p e ! ! 譬! ：也：0 0 5 ：酗= ，f0 o s s u b s y s t e mc o r em o d u l ee x t e r n a l v o l t a g em o n i t o r i n gc i r c u i t ，r e s e tc i r c u i ta n df i b e r o p t i cc o m m u n i c a t i o n sc i r c u i to ft h e c o r em o n i t o r i n gp l a t f o r mo ft h ec u r r e n tl i m i t e rc o n t r o ls y s t e m a g a i n s tt h en e ws o l i d s t a t ec u r r e n tl i m i t e ri t s e l f , e s p e c i a l l yt h ep o s s i b l ef a l u t so f t h er e c t i f i e rb r i d g ei nt h ep r a c t i c a lo p e r a t i o n ，t h i sp a p e rp r o p o s e san e wm e t h o do f t h eo n l i n ed i a g n o s i so ft h ef a u l t so ft h er e c t i f i e rb r i d g e t h r o u g ht h es i m u l a t i o n a n a l y s i so ft h es i t u a t i o n sw h i c ho n eo rt w ot h y r i s t o ri so n s t a t eo ro f f - s t a t e s i m u l t a n e o u s l y ，t h ei m p o r t a n tc o n c l u s i o nc o m e st h a tt h ed cr e a c t o rc u r r e n ta n d f r e e w h e e l i n gc u r r e n tc a nc o m p l e t e l ya n dc o m p r e h e n s i v e l yr e f l e c tt h ef e a t u r e i n f o r m a t i o no ft h er e c t i f i e rb r i d g ea r mf a u l t w eu s em a t l a ba n ds p e c t r u ma n a l y s i s m e t h o dt od ot h ed i s c r e t ef o u r i e ra n a l y s i so ft h ec u r r e n t s ，t h e na b t a i nt h e e i g e n v a l u e ，a n df i n a l l yg i v et h ec r i t e r i ao ft h ef a u l tt y p e s t h em e t h o di ss i m p l e ， p r a c t i c a la n de a s yt oi m p l e m e n t ，a n dh a sp r a c t i c a ls e n s et ot h et h r e e p h a s eb r i d g e s o l i d - s t a t ec u r r e n tl i m i t e rf o rt h ei n d u s t r i a l i z e da p p l i c a t i o n k e y w o r d s ： s h o r tc i r c u i t ，s s f c l ，c o n t r o ls y s t e m ，f a u l td i a g n o s i s ，s p e c t r u m a n a l y s i s ，f a u l tc r i t e r i a l l 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 短路电流的危害 电力工业是保证国民经济发展的重要基础产业，电力系统的安全稳定运行， 是国民经济持续发展的重要保证。近年来，我国电力建设不断发展，地区电网 网际互联同趋紧密，全国六大电网已经进入实质性的电能互补阶段，全国能源 资源得到极大优化，电力系统在国家经济发展和国家安全中的地位日益重要【1 1 。 然而，由于受到电力系统自身原因和外部因素的影响，电网事故时有发生，给 电力企业和整个社会造成了严重影响。如2 0 0 3 年8 月1 4 日长达3 0 个小时的美 加大停电事故，其影响波及2 4 0 k m 2 、5 0 0 0 万人口的供电范围，造成每天近3 0 0 亿美元的经济损失。2 0 0 7 年4 月2 6r ，哥伦比亚首都波哥大北部的托尔卡总 发电厂发生技术故障，致使全国供电网络中断，造成全国8 0 以上地区的各行 业陷入瘫痪达3 个多小时，经济损失严重。近2 0 年来，我国各大电网发生重大 停电事i 玖1 0 0 余起，最近于2 0 0 6 年7 月发生在河南电网的大面积停电事故，给 当地的社会生活和经济建设造成了极大的损失【2 1 。 在各种电力系统事故中，短路是危及电力系统安全稳定运行、导致大面积 停电的最为常见的严重事故之一。短路故障对电力系统的破坏程度主要取决于 短路电流的大小。当前，我国电网规模不断扩大、结构日益复杂化，必然造成 电力系统短路电流水平不断提高【3 5 1 ，特别是沿海经济发达地区电网的短路电流 水平已经直逼甚至超过电力规程所允许的最大水平，给电力系统安全、稳定运 行以及电力系统中的各种电气设备提出了更为苛刻的要求，由此带来了系列 的问题【6 1 1 】： 1 ) 过大的短路电流对开关设备电流的开断能力有了更高的要求； 2 ) 较大的短路电流，对各种电气设备( 如断路器、变压器、变电站母线、 线路构架、导线、支承绝缘子和接地网等) 提出了更苛刻的要求，原 有的设备为了满足新的运行条件而必须进行改造。这种改造投资巨大， 更换周期长，严重降低了电力系统运行的可靠性； 浙江大学硕士学位论文 3 ) 短路电流增大，会使断路器切除故障不及时，破坏系统的稳定，更严 重的还会造成系统解列； 4 ) 极大的短路电流，会对系统中的设备造成很大的冲击，造成大型设备 的故障几率提高，使用寿命下降； 5 ) 短路电流增大后，由短路电流引起的突发事故概率也会增加，影响电 力系统的供电可靠性； 6 ) 严重影响电压质量。发生短路时，短路点电压几乎为零，附近的系统 电压大幅度下降，异步电动机转矩急剧下降而停转，会造成产品报废 及设备损坏，对工农业生产造成恶劣的影响。 此外，极大的短路电流会带来电磁环境的改变，对通信造成干扰，危害人 体健康。 1 2 限流措施的发展状况 1 2 1 常规限流方法 寻找有效的短路限流措施，以限制电力系统的短路容量，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。目前，常规或传统的限流措施【1 2 舶】主要有： 1 ) 低压电网分片运行、多母线分裂运行或母线分段运行、解列电网： 低压电网分片运行，削弱系统的电气密度，该法简单易行而且效果显著， 但可能会降低系统的安全裕度，限制运行操作和事故处理的灵活性；解 列电网直接影响系统运行的经济性和可靠性，并要求增加整个系统的备 用容量。 2 ) 加强电网规划： 在电网规模逐渐增大的情况下，加强电网规划，合理分配新电源位置， 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 的可靠性。 3 ) 发展更高一级电压电网、采用直流输电联网： 发展更高一级电压的电网，投资巨大并且涉及到环保问题；采用直流输 电联网，短路电流水平可以明显降低，但是两端换流设备的投资巨大， 一2 一 浙江人学硕十学位论文 不适用于短距离、小容量输电。 4 ) 在电力线路上使用串联常闭并联旁路开关的限流电阻： 当线路发生短路故障，旁路开关打开，故障电流即被转移到限流电阻上。 该方法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， 采用并联电阻及熔断元件的并联开关装置以及驱动使导体进入正常阻抗 状态。由于对检测时问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。 5 ) 采用高阻抗变压器、加装限流电抗器： 采用高阻抗变压器限制线路短路电流，在电网中已普遍采用，但其稳态 运行时损耗较大，只适用于较低电压等级的系统中。若在高压、超高压 系统中采用，电网正常运行时将消耗大量无功功率，降低线路功率输送 能力，或在相同输送功率下减小系统的同步稳定裕度。因此，该限流电 抗不能太大，在故障发生时不能显著地降低短路电流。 6 ) 更换断路器以及相关的电气设备。但更换设备投资巨大，在更换设备 期间，电网长期处于不正常运行状念，可靠性大大降低；并且目前合 乎容量要求的设备，在将来，设备容量就可能不满足短路电流水平了。 由此可见，上述限制短路电流的各种措施都可以在不同程度上实现对短路 电流的约束和限制。但它们各自又都存在不足，或多或少是以牺牲电网在其它 方面的指标为代价的，已经很难满足现代电力系统发展的需要。因此，研究既 能够达到限制短路电流的要求，又不会在正常运行时对电网产生不良影响，应 用方便、灵活的限流方法和限流设备具有重要意义。 1 2 2 现代短路限流器 随着计算机技术、电力电子技术、超导技术和新材料等学科的发展，限制 短路电流以减轻断路器开断负担己成为可能。7 0 年代有人提出了短路限流器 ( f a u l tc u r r e n tl i m i t e r ，f c l ) n7 | ，在电力系统正常运行时，其呈现低阻抗状态， 具有较高的稳念稳定性和暂态稳定性，电力系统受干扰小；系统发生短路故障 时，其表现为足够高的阻抗，使短路电流受到有效的限制，确保电网和电气设 备的安全。一种理想的短路限流装置，一般应具有如下特点： 一3 一 浙江大学硕上学位论文 1 ) 启动和正常运行时应不影响电力系统的正常工作； 2 ) 保护范围内的系统发生短路故障时应能立即自动插入限流阻抗并有效 限制短路电流至要求的水平； 3 ) 切除故障回路时应不会引起系统暂态振荡和过电压； 4 ) 限流阻抗的设计要有较大的自由度，便于自行设计； 5 ) 限流水平、限流时间应能根据需要在一定范围内可调，以便与线路继电 保护装置及其它自动控制设备的协调配合； 6 ) 合理的投入成本。 近十年来，美国、r 本、瑞典等发达国家都投入了巨资积极开展短路限流 技术的研究，并取得了一些具有实际应用价值的成果。目前研究较多的短路限 流器，根据其构成原理可分为：超导限流器( s u p e r - c o n d u c t i v ef c l ) 、磁元件 限流器【1 8 2 们、p t c 电阻限流器【2 1 1 、固态限流器( s o l i ds t a t ef c l ) 以及各种混 合式限流器( 如固态丌关和超导混合的限流器、固态开关和机械式断路器混合 的限流器及p t c 电阻混合的限流器等) 。下面对研究较多的超导限流器和固态 限流器作简单的介绍。 超导限流器【1 2 讲1 是一种全新的技术，根据其是否利用失超特性限流，可分 为失超型和非失超型；根据其结构特点可分为电阻性、桥路型、磁屏蔽型、变压 器型和饱和铁心型等。失超型超导限流器主要是利用超导体超导正常( s n ) 态 的转变，由无阻态变到高阻态，达到限制短路电流的目的；非失超型超导限流器 由超导体线圈和其它元件组成，通过控制运行模式以达到限流的目的。其典型拓 扑结构如图1 1 所示； 图a 是电阻型超导限流器，由高温超导线圈( h i 曲t e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t o r ，h t s ) 和普通限流线圈并联组成。正常运行时，电流全部通过处 于超导状态的h t s 。发生短路时，流过h t s 的电流超过其临界电流值而使其呈 现高阻念，短路电流由普通限流线圈限制。 图b 是桥路型超导限流器，由二极管d l d 4 、高温超导线圈h t s 和直流电 源v b 组成。正常工作时，h t s 上的电流始终大于系统额定电流的峰值，桥路导 通，s f c l 处于低阻抗状态；发生短路时，h t s 进入高阻态并自动串入系统限流。 图c 是变压器型超导限流器，由一次侧原边常规绕组、副边短接的高温超导 一4 一 浙江大学硕上学位论文 线圈h t s 和铁心组成。正常运行时，变压器副边短接，h t s 处于超导状态；发 生短路时，副边的h t s 感应电流迅速上升超过其临界电流值而呈高阻态，变压 器原边等效阻抗增大，有效限制短路电流的上升。 凇制残l y - ! f 謦蟹螈”豢1 t v ，蹙，= k 勰嘲 l 搴三 孓d i2t 爿 1 1 1 1 l d - 2 墨。1 | 謦)$ f c l - 4 5 me s 腔膊尹材电踊 图1 - 1 超导限流器各种拓扑结构 图d 是非失超型饱和超导限流器，由铁心、一次绕组、二次超导绕组和直流 电源组成。系统正常工作时， 两个铁心处于深度饱和状态，对外不呈现阻抗； 系统发生短路故障时，电流迅速上升，交流线圈在铁心中感应出足够大的磁动势， 两个铁心迅速退出饱和状态，系统呈现高阻态从而限制短路电流的上升。 图e 是固态换流、超导储能和超导限流相组合的多功能装置。它具有改善电 能质量和故障限流等多种功能。 目前超导技术在世界范围内被广泛关注，但在工程应用领域还存在着许多的 制约，在大功率场合的应用技术尚不成熟，动作电流整定困难，成本也极其昂贵。 因此超导技术的实用化、商业化还有赖于超导技术及其它相关技术的进一步研究 和发展。 固态限流器f 2 8 之9 】由常规电抗器、电力电子器件和控制器构成，根据需要可 构成各种拓扑结构。它通过控制电力电子器件的工作状态改变固态限流器的等 效阻抗，从而达到限制短路电流的目的。随着电力电子技术的发展，电力电子 一5 一 浙江大学硕上学位论文 器件性能的不断提高和成本的降低，固态限流技术在电力系统中将有非常广阔 的应用前景。 目前固态限流器主要有g t o 开关型限流器、谐振式限流器、可变电阻式 限流器以及混合式限流器等。 美国e p r i 与1 9 9 1 年提出了g t o 开关型限流器【3 0 】，并于1 9 9 3 年研制 成功，安装在新泽西州m o r t m o n m o u t h 的a r m yp o w e rc e n t e r 的一 条4 6 k v 8 0 0 a 交流馈电线路上，拓扑 结构如图1 2 所示。根据电压等级的 不同，反并联的g t o 可以组成多组 图1 2g t o 开关型限流器 串联。氧化锌避雷器用以吸收开关s s c b 切断短路回路时可能产生的瞬i 、h j 过电 压。该限流器在系统讵常工作时，g t o 常导通，限流电感l 被短接；系统发 生短路故障时，限流器控制系统迅速采取措施，及时关断g t o ，使限流电感l 各动串入故障酬跆，达剑限制短路电流的目的。 这种限流器的保护电路比较复杂。在发生短路时，短路电流迅速被转移到 限流电感l 中，会产生极大的过电 压，必须采取措施以保护设备本身 的安全。 谐振式限流器【3 1 1 主要是利用 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而 成，以串联谐振为例，其结构拓扑 如图1 3 所示。 图i - 3 谐振式限流器 正常运行时，电感l 2 与电容c 发生串联谐振，阻抗为零，不影响系统正 常工作。系统发生短路故障时，s c r 闭合导通，l 2 迅速串入故障回路进行限流。 其中l 1 的作用主要是保护固态开关免受较大电流的冲击。 谐振式限流器要求监控系统响应迅速，以避免过高的短路电流对固态开关 造成损害。同时由于引入了电感、电容等元件，可能会给电网系统带来新的暂 一6 一 浙江大学硕十学位论文 态稳定问题。 可变电阻式限流器出2 1 如图1 4 所示，是通过控制s c r 触发相位角，以调节 等效电感的大小，实现等效阻抗在一定范围内连续可调的限流器。这种可变阻 抗式限流器在电网正常运行 时，电容c 可起到串联补偿 作用。系统短路时，合理的 控制s c r 使电感足够大以 限制短路电流。 该限流器控制s c r 的 触发角与等效阻抗大小之间 图1 4 可变电阻式限流器 的关系比较复杂，且在运行过程中会产生大量的谐波。 混合式限流器拓扑结 构如图1 5 所示， 图1 5 ( a ) 为由高速 杭械式真主j - r ：天v c b v、双影l 僦风共z、仪 向s c r 、金属氧化物变阻 器z n o 和r c 缓冲电路构 成的混合断路器。正常运 行时，电流流经v c b ，不 堂 s 崩刚3 b 刮 ( a )( b ) 图1 5 混合式限流器 产生附加损耗；发生短路故障时迅速触发s c r 导通，同时v c b 触头开始分开 并在触头间产生电弧电压，短路电流迅速换流到s c r ，v c b 迅速断开。当检 测到v c b 完全断开后，撤除触发脉冲，s c r 在短路电流过零点时自动关断， 进而成功地切除短路故障回路。图1 5 ( b ) 为交直流两用的混合式限流断路器， 电力系统正常运行时由机械开关s w l 闭合流通负载电流，发生短路故障时利用 预先充好电的电容内存储的能量为s w l 提供反向电流，达到限流和切断短路故 障的目的。 这两种混合式故障限流器大大减小了固态开关的导通损耗，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，成本也较高。 上述几种限流器对短路电流都有明显的抑制作用，但因各种限流器都存在 一7 一 浙江大学硕上学位论文 着不同的缺点，且结构复杂，适用范围非常有限。鉴于此，浙江大学电气工程 学院在综合国内外最新短路限流技术的基础上提出了新型桥式固态限流器。 1 2 3 新型固态限流器 浙江大学提出的新型桥式固态限流器( s s f c l ) 1 3 5 - 3 7 1 是一个由s c r 构成 的全控桥、普通限流电感以及控制器组成的固态限流器，它通过控制各晶闸管 触发脉冲相位使桥路工作在不同的状态，以实现限流的功能。新型桥式固态限 流器根据拓扑结构的不同可分为单相式和三相式两大类，后者又可细分为有变 压器耦合和无变压器耦合、带交流旁路限流电感和不带交流旁路限流电感等多 种类型。下面以单相式固态限流器为例说明其工作原理，其结构拓扑如图1 - 6 所示，该限流器主要由一个单相桥路和一个电流源组成，结构比较简单。 图l 石单项式固态限流器拓扑 弋了厂 兮哪 f i - t y 3i j l b ur 、 n ： r1 负载 i ，f m y 4 、= ，1 1 卜一 t i n 2 - j k u n r 、 ： 厂1 图1 7 单项式固态限流器工作原理 ( b ) 负载 限流器正常工作时，桥路中4 个晶闸管常导通，电流源i c 始终大于系统电 一8 一 浙江大学硕士学位论文 流i 。当系统电流i 处于正半周期时，限流器工作原理如图1 - 7 ( a ) 所示。此 时电流i 流经t h y l 、电流源i c 和t h y 2 回路，由于电流源i c 始终大于系统电 流i ，t h y 3 被迫导通为其提供续流回路，整个桥臂呈现零阻抗状态，对系统正 常运行不造成影响。当系统发生短路时，系统电流i 迅速增加并超过电流源i c 的峰值，迫使t h y 3 管关断，电流源i c 迅速串入系统，限制短路电流的急剧上 升，达到限流的目的。图( b ) 是系统电流i 处于负半周期时的工作情况，原理 同上，不再赘述。 目前，该新型固态限流器已经完成了实验室的理论研究工作，并进行了一 系列样机的试验，取得了良好的实验效果，证实了其良好的限流性能。 1 3 故障诊断的发展概述 1 3 1 故障诊断产生的背景及意义 电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的新兴学科。近 年来，电力电子技术得到迅猛发展，经过该桔术朴王匝的由台匕夺整令圆曼经济耗 能中所占的比例越来越大，在发达国家，电能的7 5 已经被经过电力电子技术 转换后再利用【3 引。目前，电力电子技术已经广泛应用于国防、工业、交通、农 业、医药卫生以及家电等产业。电力电子装置效率高、控制灵活方便，在直流 输电、分布式发电、机车牵引、电力系统无功补偿以及不问断电源等领域得到 日益广泛的应用，因此，电力电子装置的故障诊断问题也油然而生，对电力电 子装置进行故障检测和诊断具有重大的意义。 1 3 2 电力电子装置的故障诊断特点 电力电子装置的故障诊断具有重要的现实意义。目前国内外大批的科研机 构和学者对此进行了大量的研究，并取得了显著的成果。电力电力装置故障诊 断具有以下特点【3 9 4 0 】： 1 ) 一般为结构性故障，主要是由器件的开关特性所引起，以功率丌关管的 开路和直通故障最为常见； 2 ) 较强的实时性。故障信息仅存在于发生故障到断电之前数十毫秒之内， 因此需要实时监控，以便可及时捕捉到故障信息，及时有效地阻止故障 一9 一 浙江大学硕士学位论文 的扩大，最大可能地减小故障所引起的危害； 3 ) 测试点少。较少的测试点可以大大减小故障诊断电路的复杂性，增强系 统的稳定性，同时也可以降低整个装置的投资成本。 4 ) 多为故障波形检测。由于电力电子装置的功率已经达数千万，模拟电路 和数字电路的故障诊断方法已经不适用于这种电路，电力电子电路只 能以输出波形来诊断是否发生故障。 1 3 3 现有电力电子装置故障诊断方法 早期的电力电子装置诊断主要是依靠维修人员的工作经验，这种方法效率 极低，给系统的维护带来很多的不便。在线故障诊断是通过动态的监视电力电 子装置的工作运行状态，实时的检测它是否发生故障。当装置发生故障时，控 制系统对故障状况进行分析和判断，并及时发出报警信息。电力电子装置的在 线故障诊断可大大缩短装置的停机时间，提高使用效率，极大地提高了装置的 可靠性。 。b 力电亍装置的在线故障诊断电路结构主要有以下几种【4 l 】： 1 ) 通过硬件电路对电流、电压进行故障检测。该方法需要复杂的测试电 路，其可靠性及抗干扰能力较差； 2 ) 采用单片机系统。该方法电路结构简单，但不适用于诊断方法复杂、 需要大批量实时数据处理的系统； 3 ) 采用多c p u 处理系统。该方法具有良好的实时性，但同时也加大了系 统硬件和软件调试的难度，成本较高； 4 ) 基于d s p 的故障诊断系统。d s p 处理器具有内部资源丰富、速度快、 体积小等优点，可以同时完成数据采集和诊断算法处理等功能，具有 较大的应用价值。 目前，各种故障诊断系统采用的理论分析方法主要有以下几种【4 2 。4 5 】： l 、谱分析法 该方法的目的是最大可能得排除信号中的噪声干扰，清晰地得到故障信号 在时域中不能反映出的故障波形特征。在故障诊断中，比较常用的信号处理方 法是频谱分析法，主要包括傅立叶谱和沃尔什谱。 一l o 浙江大学硕十学位论文 2 、直接检测功率器件的端电压或桥臂电流 通过实时检测各个功率管的端电压或各个桥臂流经的电流，得到各个功率 管的工作状态，并结合各个功率管的触发脉冲进行时序分析，从而判断功率管 是否发生故障。 3 、字典库诊断方法 该方法将典型的故障特征值以表格的形式存放起来，大量的故障特征值可 由模拟试验和仿真得到。通过不断的对比测量值和特征值，就可以判断是否发 生故障。 4 、专家系统的方法 专家系统是利用计算机推理能力和领域专家的丰富经验，利用系统内部逻 辑关系和人工智能的学习功能，设计出一种智能计算机程序系统，以解决复杂 系统的故障诊断问题。 5 、基于神经网络的故障诊断方法 神经网络理论是在现代神经科学研究成果的基础上提出来的。人工神经网 络是一种于田冢的数学模型，信息处理通过神经元之问的大规模连接权值与作用 函数的并行运行实现。通过调节各个单元之间的权值可以实现网络训练，具有 强大的学习能力和联想记忆功能。近几年来，神经网络理论在故障珍断中的应 用越来越广，国内外已有很多的成功案例。 1 4 本文的工作 目前电力系统的发展越来越快，电网结构日趋复杂，系统短路容量越来越 大，给整个电力系统的安全稳定运行带来了极大的不稳定因素。为了更好地解 决电力系统的短路限流问题，浙江大学电气过程学院在吸收国内外最近研究成 果的基础上提出了新型桥式固态限流器。 新型桥式固态限流器对电力系统的j 下常运行无明显影响，在短路故障发生 的瞬间可自动插入等效阻抗进行限流。该限流器不会引起系统附加振荡和过电 压等问题，控制策略简单、可靠，具有良好的限流特性，极有可能在电力系统 中投入实际应用。因此，为了实现其工业化、实用化，如何解决限流器本体的 故障问题，成为目前急需要解决的课题。 一1 1 浙江大学硕上学位论文 目前，对新型固态限流器本体尤其是整流器桥路的故障诊断研究做的还比 较少，还没有提出一套可行的整流器桥臂故障诊断方案。本文的主要工作就是 在综合国内外电力电子装置故障诊断成果的基础上，研究新型固态限流器整流 器桥臂的运行状态动态监视方法，以便在其内部桥路发生故障时，可以及时的 采取相应措施，避免或减少事故的发生，最大可能的减少限流器本体故障给自 身以及系统带来的不良影响。 一1 2 浙江大学硕士学位论文 第二章新型固态限流器主电路及工作原理分析 在第一章绪论中对新型固态限流器的基本原理进行了简单的分析。在实际 工程应用中，适用于三相电网的新型固态限流器拓扑可分为两大类：三相不接 地系统新型固态限流器和三相接地系统新型固态限流器。后者又可分为不带耦 合变压器的三相固态限流器、带耦合变压器的三相固态限流器、带旁路电感的 变压器耦合三相桥式固态限流器和耦合饱和变压器型固态限流器。这几种拓扑 结构的限流器工作原理不尽相同，各有优缺点。下面重点对其工作原理进行分 析。 2 1 三相不接地系统新型固态限流器 三相不接地系统新型固态限流器结构拓扑如图2 一l 所示，主要由一个整流桥 和直流限流电感组成。 限流 限流 ( a ) 图2 1 三相不接地系统新型矧态限流器 图中( a ) 在系统正常工作时，限流电感l 的中点相当于接地，桥臂6 个晶闸 管触发脉冲常加，整流桥处于全导通状态。三个桥臂并联为限流电感l 提供续 流回路，使整流桥与系统相接的三个接点电位为零，限流器不影响系统的正常 运行；当系统发生单相接地短路故障时，系统电流不会明显的上升，限流器仍 一13 浙江大学硕士学位论文 然工作于正常方式并给出报警信息。当系统发生两相或以上短路故障时，限流 器通过及时改变晶闸管的触发方式，使限流电感l 迅速串入系统故障回路，限 制短路电路的上升。 图中( b ) 增加了一个续流管t 7 。在系统j 下常工作时，6 个晶闸管各导通 1 8 0 。，t ，触发脉冲常加，为限流电感l 提供续流回路，整流桥与系统相接的 三个接点电位为零，限流器不影响系统的正常运行；当系统发生两相或以上短 路故障时，及时关断续流管t ，并改变其它6 个晶闸管的触发方式，使限流电 感l 迅速串入系统，短路电路得到抑制。 三相不接地系统固态限流器具有如下特点： 1 ) 主电路仅包含1 个直流限流电感和6 7 个桥臂，结构简单、硬件成本比 较低； 2 ) 由于该限流器三相耦合程度比较高，当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； 3 ) 该限流器的入网方式受电网一次系统接线方式的影响，因此不方便接入 电用，小利于以后的工程化、实用化。 2 2 三相接地系统新型固态限流器 2 2 1 不带耦合变压器的固态限流器 不带耦合变压器的新型固态限流器n 6 1 拓扑结构如图2 - 2 所示，主要由整流 桥和直流限流电感组成。 系统j 下常工作时，在控制系统作用下，桥臂6 个晶闸管t l t 6 全部常导通， t ，、t 。为限流电感l 提供续流回路，限流电感被桥臂“短接 ，对系统其阻抗近 似为“零”，不影响系统的正常运行。以a 相为例，如图2 - 3 ( a ) 所示，正常 工作时，系统电流i a 始终小于限流电感电流i l ，当i a 处于正半周时，t ，为其 提供续流通道，限流电感被短接，对系统不产生任何影响。当系统发生短路时， 系统电压突然全部加到换流桥上，迫使续流回路t ，关断，限流电感l 迅速串入 系统并及时限制短路电流的上升。随后在控制系统作用下采取合适的策略改变 晶闸管的触发方式，可有效的限制短路电流。图( b ) 所示原理与图( a ) 限流 器相似，是系统电流i a 处于负半周的情况，不再赘述。 一1 4 一 浙江大学硕十学位论文 图2 2 带耦合变压器的限流器结构 一。l 百 ot 7 。l ? z t ；z t 7 意二 一禽葭扮i 、叼 1 a ( a ) 1 l 丁、j 豫。 趣a亏 负载 一 ，。) 、l ( b ) 图2 - 3 不带耦合变压器的限流器一f ：作原理 与= 相不接地系统固志限流器j h 比，不帚福音灸胜裕的新型固态限流对系 统发生单相或多相短路故障的情况都具有明显的限流功能；存在的主要缺点亦 是接线方式受一次侧系统的影响，限流器本身不方便接入电网。 2 2 2 变压器耦合三相桥式固态限流器 变压器耦合三相桥式固态限流器【4 7 】拓扑结构如图2 4 所示，该限流器通过 一个耦合变压器与系统一次线路相连接。 系统正常运行时，换流桥三相桥臂t t 。全开通，续流管t ，、t 。常导通， 为限流电感l 提供续流回路，换流桥直流侧被“短接”，耦合变压器副边等效为 “短接 状态，原边压降等效为“零 ，整个限流器对系统呈现“零”阻抗状态， 在正常情况下限流器不影响系统的运行；系统发生短路故障时，系统电压通过 耦合变压器突然全部加到换流桥上，迫使t ，、l 管其中之一或两个关断，限流 电感l 通过耦合变压器迅速串入系统，可以在系统发生短路的瞬间自动限制短 路电流的上升。随后通过限流器控制系统，采用合适的控制策略，适当地控制 t 。t 。管触发脉冲的相位角，可以有效控制短路电流的大小。 一1 5 一 浙江大学硕十学位论文 图2 4 变压器耦合三相桥式i 司态限流器 带耦合变压器三相桥式固态限流器具有如下特点： 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方便地接 入电网； 2 ) 通过合理选择耦合变压器的变比，可以选择固态限流器桥侧的电压等 级，以使固态限流器的性价比达到最优； 3 ) 通过对耦合变压器进行“磁饱和”特殊设计，可以在保持限流功能的 同时大大降低耦合变压器的体积，减少整个换流桥的设计容量； 4 ) 由于增加了对耦合变压器的设计，该固态限流器一般存在成本高、体 积大的缺点。 5 ) 在通过控制晶闸管触发脉冲相位角来抑制短路电流时，控制过程比较 复杂，同时会给系统带来很大的谐波污染。 2 2 3 带旁路电感的变压器耦合三相桥式固态限流器 该限流器拓扑结构h 8 4 9 1 如图2 5 所示，限流器在通过耦合变压器接入系统 一次侧的同时，在耦合变压器的原边并联了一个旁路交流限流电感l a ( l a a 、 l a b 、l a c ) 。 系统正常运行时，换流桥三相桥臂t 。t 。全开通，t ，、t 。常触发导通给直流 限流电感l d 提供续流回路。正常情况下，电感l d 因t ，、t 8 管续流而等效于“短 接 ，耦合变压器的副边近似处于“短接”状态，原边的交流旁路限流电感l 。 ( k 、b 、l c ) 近似被“短接”，其压降接近于“零，因此不影响系统的正常 一16 浙江大学硕t ：学位论文 运行；当系统发生短路故障时，系统电压将全部( 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，迫使续流管 图2 5 带旁路电感的变压器耦合二相桥式同态限流器 t ，、r 其中之一或者两个关断，交流旁路限流电感l 。和直流限流电感l d 通过耦 合变压器并联后立即自动串入系统，限制故障电流的上升。同时限流器控制系 统及时做出判断，封锁所有晶闸管的触发脉冲，并在适当时刻触通晶闸管t ，、 t 。给直流限流电感l d 提供续流回路。关断t 。t 。桥臂后，直流限流电感l d 及整 流桥路将与系统隔离，固态限流器退出系统，短路电流由交流旁路限流电感独 自限制。 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特点： 1 ) 正常运行时，等效阻抗几乎为零，短路时限流阻抗立即自动插入； 2 ) 直流限流电抗仅由短路限流动作定值确定，不受其它因素制约； 3 ) 旁路电感值由系统稳态故障电流值确定； 4 ) 无论系统正常工作还是在故障情况下，固态限流器都基本不产生谐波； 5 ) 采用逆变续流的控制方式，控制策略简单、可靠； 6 ) 短路电流通过交流旁路电感限制，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，限流器失去了控制短流电流大小的能力。 一17 浙江大学硕十学位论文 7 ) 交流旁路电感以及耦合变压器的存在，整个设备的体积仍然是一个有待 解决的问题 基于上述几种不同拓扑结构的限流器的优缺点，浙江大学电气工程学院又 提出了新型饱和变压器耦合三相桥式固态限流器。经过初步的理论分析，该固 态限流器不仅控制策略较为简单，在实现“短路限流”目的的同时，限流器本 身的体积还可以大大缩小，器件的成本可以大大降低，有利于实现其工业化、 市场化。 2 2 4 耦合饱和变压器型新型固态限流器工作原理 饱和变压器型固态限流器就是在考虑充分利用耦合变压器容量及其饱和特 性【5 0 】础上提出来的，其特点是耦合变压器采用特殊设计的饱和型变压器拓扑结 构，如图2 - 6 所示。j 下常运行状态下，固态限流器流过j 下常运行电流，承受的 电压接近于零，耦合变压器的额定电流等于一次系统额定电流、额定电压小于 一次系统额定电压。通过对耦合变压器的铁心、结构等进行特殊没计i5 1 】，使系 统友主短跆町，固念限流器进入短路限流工作模式，耦合变压器快速进入深饱 和状态，利用其深饱和等效电抗限制短路电流的上升。 系统j 下常情况下，该限流器工作过程与变压器耦合桥式固态限流器相同。 当系统发生短路时，接入点处系统电压将全部( 或部分) 加到饱和型变压器的 原边，该值远超过其额定电压，致使铁心进入深饱和状态，使激磁电感大为减 小，原副边之间的耦合度下降，直流限流电抗l 与变压器激磁电抗并联后立即 自动串入系统回路限制短路电流的上升。同时控制系统及时检测到故障并采取 相应的控制策略( 逆变续流式) ，封锁所有晶闸管的触发脉冲( t ，t 。) ，使耦合 变压器副边等效于开路状态，固态限流器退出系统。此时耦合变压器铁心仍处 于深度饱和状态，系统的短路电流将完全由耦合变压器的饱和激磁电抗与其原 边绕组的等效漏抗串联后限制。 一18 浙江大学硕十学位论文 图2 - 6 耦合饱和变压器型同态限流器 耦合饱和变压器型限流器限流器具有很多优点： 1 ) 饱和变压器允许在短路时进入深度饱和状态，其额定运行电压可低于系 统额疋咆墟。凶此在对其设计时，其匝数、铁芯截面等均可以大为减少， 重量、体积和成本等可显著下降； 2 ) 短路故障时饱和变压器进入饱和状念，二次侧最大冲击电流较小，因此 降低了对直流电抗电感值l 的设计要求。同时省去了旁路限流电感，大 大减小了整个限流装置的体积； 3 ) 饱和变压器额定电压越低，正常运行时的利用率越高，故障限流阶段铁 芯的饱和程度越深，等效激磁阻抗越接近于空芯电抗。因此在保证j 下常 运行时饱和变压器铁芯不饱和的前提下，其额定电压可尽量取较小值。 这不仅可以提高正常运行时变压器的利用率，而且通过设定饱和变压器 深度饱和时的等效激磁电抗可以限定短路电流的水平； 4 ) 变压器进入饱和状态后，变压器原副边的耦合程度降低，降低了二次侧 晶闸管承受的电压，有利于晶闸管性能的可靠、稳定。 目前饱和型变压器因其特殊的工况用途，需要对影响饱和激磁电抗的因素开 展进一步的研究，以使饱和激磁电抗的设计满足短路限流的要求。 一1 9 浙江大学硕上学位论文 2 3 小结 本章对新型固态限流器的各种拓扑结构和工作原理进行了详细的分析，指 出了各种拓扑结构下新型固态限流器的优点和缺点。目前，实验室已研制成功 了3 8 0 v ( 额定电压) 2 0 0 a ( 额定电流) 1 0 0 0 a ( 稳态短路电流限定值) 三相 桥式固态限流器样机( 不带旁路限流电感) 、4 0 0 v ( 额定电压) 2 5 0 a ( 额定电 流) 2 5 0 0 a ( 稳态短路电流限定值) 三相桥式固态限流器、5 0 v ( 相电压) 1 a 5 a 小模型样机( 主要用于验证控制策略以及控制系统的有效性) 和1 0 k v ( 额定电 压) 5 0 0 a ( 额定电流) 2 5 0 0 a ( 稳态短路电流限定值) 三相桥式固态限流器样 机，通过现场试验取得了较好的限流效果，验