（电力系统及其自动化专业论文）固态限流器桥臂故障对系统影响的仿真研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e rc o n s t r u c t i o n ，p o w e rs t r u c t u r e sa n d s y s t e mc a p a c i t ya r ee x p a n d i n g ，s h o r t c i r c u i tc u r r e n tl e v e li sr a p i d l yi n c r e a s i n g i n m a n ya r e a s ，e s p e c i a l l yi ne c o n o m i c a l l yd e v e l o p e dr e g i o n s ，s y s t e ms h o r t c i r c u i t c u r r e n tl e v e li sa l m o s te q u a lt oo re v e ne x c e e dt h ea l l o w a b l er a n g e s o m e c o n v e n t i o n a lr e s t r i c t i o nm e a s u r e so ns h o r t c i r c u i tc u r r e n t , s u c ha ss e r i e sr e a c t o ra n d s t r a t i f i e da r e a ，h a v eal i m i t e de f f e c to nl i m i t i n gs h o r t c i r c u i tc u r r e n tb e c a u s et h e ya r e l i m i t e db ys o m ef a c t o r sl i k eg r i ds t r u c t u r e ，o p e r a t i o nm o d e ，s e c u r i t ya n ds oo n i n o r d e rt ot a k ee f f e c t i v es h o r t c i r c u i tc u r r e n t1 i m i t e dm e a s u r e s am o r ei d e a l “f a u l t c u r r e n tl i m i t e r ( f c l ) ”w a sr a i s e di nt h es e v e n t i e so ft h el a s tc e n t u r y w i t ht h e d e v e l o p i n go ft h ep o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , m a n yf c le m e r g e d ，s u c ha s 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 ，s f c la n ds oo n b a s e do nt h ep r o d u c t i o n a l r e a d yh a di 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 ji a n gu n i v e r s i t yp r o p o s e dan e w 够p eo f f c l i nt h i sp a p e r , t h ev a r i o u st o p o l o g i e so fs o l i d s t a t ec u r r e n tl i m i t e ra r ea n a l y s e da n d c o m p a r e d e v e r yt o p o l o g y sp r i n c i p l e ，i t sa d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s a r e e x p o u n d e d f o rt h er e s e a r c ho fi m p a c tt os y s t e mt h a ts o l i d - s t a t ec u r r e n tl i m i t e r sf a u l t b r i n g sh a sn o ty e ts t a r t e d ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h ef a u l tc a u s e sa n dt y p e so f t h r e e p h a s et r a n s f o r m e r - c o u p l e db r i d g es s f c l u s i n gm a t l a bs o f t w a r e ，t h i sp a p e r d i dv e r yp a r t i c u l a rs i m u l a t i o ns t u d i e si nt h ec a s eo fs y s t e mn o r m a la n do c c u r r e n c e t h r e e - p h a s es h o r t c i r c u i t b ya n a l y z i n ge v e r yf a u l tr e a s o n ，t h i sp a p e ro b t a i n ss o m e c o n c l u s i o n s ，a n db r i n g sf o r w a r dc o n t r o ls t r a t e g i e st ot h e s ec o n c l u s i o n s t h i sp a p e ra l s od e s c r i b e dt h ea p p l i c a t i o na n df u n c t i o ni nd e t a i lw i t hs s f c l sd c s a m p l i n gm o d u l e ，m a i na n da s s i s t a n td s pm o d u l e ，p o w e rn e ts w i t c h i n gm o d u l e ， t r i g g e rm o d u l ea n dm a i nd s ps y s t e m sc o m m u n i c a t i o nw i t hp c a n df o ra c h i e v i n g t h e s ef u n c t i o n s ，t h i sp a p e rc o m p l e t e dt h ec i r c u i td e s i g nc o r r e s p o n d i n gt h em o d u l e s ， a n da l s oh a da na n a l y s i sa n dd e s c r i p t i o no fc i r c u i tt h e o r y k e y w o r d s ：s h o r tc i r c u i t ，s s f c l ，b r i d g ea r mf a i l u r e ，c o n t r o ls t r a t e g y ，c o n t r o ls y s t e m i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的 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谢意。 学位论文作者签名乏阈幻秘字日期：砂。年了月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权澎婆盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者虢毛硇锟 签字日期：冽p 年弓月f 日 导师签名： 签字日期：月f 日 ， 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危害 电力工业是保证国民经济发展的重要基础产业之一，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。在电力系统的各种故障中，短路故障是常 见的严重故障之一，它直接影响到千家万户的日常生活和各行各业的正常生产。 近年来随着社会的不断发展，用电负荷迅速增加，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 结构也日益复杂，造成了电力系统短路电流水平的不断增大，这势必不能满足用 户对供电质量及其可靠性的高要求。有资料计算表明三峡水电站可能的最大短路 电流周期分量将达3 0 0 k a t ，一些大型发电厂出l j 或厂站高压变电站出口的最大 短路电流也可能达到1 0 0 2 0 0 k a ，短路电流过大甚至超标带来了一系列的问题 1 2 - 7 】： ( 1 ) 过大的短路电流，对各种电气设备( 如变压器、断路器、线路构架、变 电站母线、支承绝缘予、导线和接地网等) 提出了更加苛刻的要求，使原有的许 多设备不能满足新的指标而必须进行改造。这种投资非常巨大，且更换设备工期 长，会造成电网长期处于不正常运行状态。 ( 2 ) 短路电流过大，会造成断路器切除故障不及时，使并列运行的发电机失 去同步而解列，破坏系统稳定，使整个系统处于不正常运行状态，引起大片地区 的停电。这是短路故障最严重的后果。 ( 3 ) 过大的短路电流引起的短路点电弧可能烧坏电气设备，同时短路电流通 过设备时会使发热增加，使大型设备的故障率提高，降低使用寿命。 ( 4 ) 短路电流增大后，因短路电流引起的突发事故的概率将会增加，影响到 电力系统的供电可靠性。 ( 5 ) 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，系统 中最主要的负荷一一异步电动机转矩会急剧下降而停转，造成产品报废及设备损 坏等严重后果，影响用户的正常工作。 ( 6 ) 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，在临近 浙i i ：大学硕士学位论文 的平行线路内( 如铁道信号系统，通信线路) 将感应出很大的电动势，这会造成 对通信的干扰，危急设备及人身安全。 1 2 常规短路限流技术 短路电流不仅会对电力设备造成危害，同时也会严重影响电力系统的稳定运 行以及供电电压质量和可靠性，因此寻找有效的短路限流措施，已成为目前我国 电力系统安全稳定运行以及电力建设、发展的迫切问题。限制短路电流可以从电 网结构、运行方式和限流设备着手，传统的限流措施4 】有： ( 1 ) 发展高一级电压电网、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 为了减小短路容量而发展高一级电压电网，这种方法不仪复杂、造价昂贵而 且涉及到环境污染；在电力系统高一级电压主网联系加强到一定程度后，低压电 网按供电区解开分片运行即实现电网分层分区运行，这足控制短路电流的最主要 也是最有效的措施；母线解列能够增大系统阻抗，有效降低系统的短路电流水平， 简单易行而且效果显著，但会削弱系统的电气联系，降低系统的安全裕度，限制 运行操作以及事故处理的灵活性；解列电网直接影响系统运行的经济性和可靠 性，且要求增加整个系统的备用容量，除非不得以才考虑。 ( 2 ) 加强电网规划 在电网规模日益增大的情况下，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，对限制短路电流有重要作用，但这可能会削弱系统的 可靠性。 ( 3 ) 采用直流输电联网 采用直流联网或通过直流输电将电网分成几个相对独立的交流系统，可避免 交流系统间相互注入短路电流，起到控制电网短路电流的作用。在联络线很长， 交换功率很大时采用直流输电联网，短路电流水平可以明显降低，但足两端换流 站的投资很大，因此直流输电不适用于短距离、小容量输电。 ( 4 ) 采用高阻抗变压器、加装限流电抗器，更换断路器以及相关的电气设备 采用高阻抗变压器是控制下一级电网短路电流的有效措施，在电网中已普遍 采用，但其稳态运行时将消耗大量无功功率，降低线路输送功率能力，或在相同 2 浙江大学硕士学位论文 输送功率下减小系统同步稳定裕度，因此应配置足够的电容器容量，以补偿高阻 抗变压器带来的电压损耗和无功损耗，这增加了变电站的建设投资；加装限流电 抗器是将一个固定阻值的电抗器串联入电网，是种传统的限流技术，运行方式 简单、安伞可靠，但影响电力系统的潮流分布且增加了无功损耗，对系统的稳定 性也有一定影响；更换设备以采用更大遮断容量的断路器，投资巨大，且在更换 设备期间，电网处于不正常运行状态，可靠性大大降低，并且目前合乎短路容量 要求的设备可能不满足不远将来的电网短路容量。 ( 5 ) 提高配电网供电电压等级 在实际工程中为限制l o k v 侧的短路电流不得不采用高阻抗变压器或在主变 低压侧装设限流电抗器，这不仅增大了变电站的建设投资，还加大了电网的无功 与电压损耗。将配网电压从1 0 k v 提高到2 0 k v 后，在变压器短路阻抗相同的情 况下，低压侧短路电流减少近一半，可以有效控制配网短路电流。 由此可见，上述限制短路电流的措施都可以不同程度上实现对短路电流的 约束和限制，但又都各自存在不足，多少是以牺牲电网在其他方面的指标为代价， 因此，研究既能够达到限制故障短路电流要求，又不会对电网正常运行产生不良 影响，且应用方便灵活的限流方法和限流设备具何重要意义。 1 3 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的不断发展，限制短 路电流以减轻断路器开断负担已成为可能，早在2 0 世纪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 ) 1 5 l 。它是一种串接在线路实现短路限流功能中的 电气设备，与普通限流电抗器相比，应具备以下功能特点【1 6 】。 ( 1 ) 启动、正常运行( 包括从故障限流状态返回到正常运行状态) 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，限流器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合理水平，最好能够限制故障电流的第1 个峰值； ( 3 ) 限流阻抗的设计不受其他因素制约，即要有极大的自由度： ( 4 ) 能满足短路保护时限配合的要求，以便与继电保护及其他自动控制装置 协调配合； 浙ii ：大学硕士学位论文 ( 5 ) 切除短路故障回路时应不会引起系统暂态振荡和过电压： ( 6 ) 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) ； ( 7 ) 合理的成本价格，能为电力部门接受。 此外，应考虑具备软重合闸功能，以利于改善重合闸操作，避免断路器等电 气设备重合于永久性故障回路时遭受二次冲击。 短路限流器根据其构成原理可分为：磁元件限流器【1 7 1 9 】、p t c 电阻限流器 1 1 6 ，如2 、超导限流器( s u p e r c o n d u c t i n gf c l ) 1 2 2 - 2 9 】、混合式限流器【3 0 - 3 1 1 以及固态 限流器( s o l i ds t a t ef c l ) 1 6 , 3 2 】，国内外研究较多的是超导限流器和固态限流器。 1 3 1 磁元件限流器 磁元件限流器由铁心、一次和二次线圈、直流偏置电源( 有时也可以用永磁 体代替，但是只能在小容量情况下才能找到合适的永磁体) 等组成，又称磁饱和 型短路限流器，女i l 图1 1 所示。 正常运行情况下，选取适当的安匝数，直流偏磁使a ( 左) 、b ( 右) 两个 铁心线斟工作在深饱和状态，因此等效阻抗几乎为零；当系统发生短路故障时， 一次交流线圈通过大幅值故障电流，使得两个铁心线圈分别在正、负半波退出饱 和状态，等效阻抗急剧增大，限制了故障短路电流。 磁元件限流器在理论上可行，并且不需要控制器，但是工作范围比较小，而 且设计合理的短路限流器倍数困难；在短路故障限流时，一次交流线圈通过大的 短路电流时将导致在二次直流线圈产生很大的交流电压；而且在技术和工艺上实 现限流器左右两个铁心线圈的一致性和对称性有较大难度。 ( a ) 直流电源偏置( b ) 永磁体偏置 图1 - 1 磁元件限流器( 分别为直流偏置和无源永磁体偏置) 4 浙i = 大学硕士学位论文 1 3 2p t c 电阻限流器 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 ) 电阻限 电嘲牢 流器利用p t c 材料的正温度系数非线性电阻 n 备 1 特性，如图1 - 2 所示。正常运行情况下，流过 t 矿 l o p t c 电阻限流器的是正常运行电流，温度较 ：= t i ， 低，呈现的电阻很低；当系统发生短路故障时， 巨大的短路电流将流过p t c 电阻限流器，引 图卜2p t c 电阻一温度特眭曲线 起p t c 材料发热膨胀，由于热量来不及散发使电阻温度迅速增加，从而在微秒 时间内使p t c 限流器的电阻值急剧增加，起到限制短路电流的作用。 p t c 电阻限流器在美国海军新战略舰上有相关应用，在低压商业领域也有应 用。但p t c 电阻限流器在高压系统中应用还需考虑下列因素：温度升高到时， p t c 电阻值可瞬时增加到室温的近一兆倍，因此在限制感性电流时会产生过电 压，必须并联过电压保护设备；由于p t c 电阻在限流过程中会急剧膨胀，因此 采用的连接设备必须充分考虑其热效应和机械强度；p t c 电阻在每次限制短路电 流、故障被切除后，需长时间恢复时间，而且多次使用后会导致性能变坏，必须 更换；此外，单个p t c 电阻的额定电压和电流只有几百伏和几安，因此在高压 场合下必须串联使用。 1 3 3 超导限流器 超导是指某些金属、合金和化合物在温度降到某一温度t c ( t 临界温度) 时，电 阻值变为零的现象。当超导体内电流超过某一数值i c ( 临界电流) 或当外界磁场 强度超过某一数值h e ( 临界磁场) 时，超导体会发生失超，具有正常态的电阻。 超导限流器( 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 , s f c l ) 根据其是否利用失超特 性限制短路电流，可分为失超型和非失超型。失超型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 型利用拓扑结构( 结合超导体线圈和其它元件，如电力电了或磁元件等) 进行限 流。超导限流器根据其结构特点还可进一步分为桥路型、电阻型、磁屏蔽型、饱 和铁芯型、变压器型等，图1 3 为超导限流器及其应用的一些典型拓扑结构。 浙江大学硕士学位论文 限制线圈( 普通材料) d ， ： ) h t s 厶 ：) ) d s ( 、v b 么 一+ ( a ) 电阻型( b ) 桥路型( c ) 变压器型 ( d ) 饱和型 低 招导体铜线圈 铁心 ( e ) 磁屏蔽型 【f ) s e m s 图1 - 3 超导限流器 图1 - 3 ( a ) 为电阻型超导限流器，由低交流损耗的极细超导电缆无感绕制的触 发线圈( h i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r ，h t s ) 及并联的普通限流线圈组成。 正常运行时，线路电流全部通过超导态的h t s ，其交流损耗很小。发生短路故 障时，h t s 通过的电流超过其临界电流，失超出现高阻态，电流被转移到普通 限流线圈巾，限制了故障短路电流。 图1 - 3 ( b ) 为桥路型超导限流器，它由二极管d 1 d 4 、高温超导线圈h t s 和直 流偏压源v b 构成。在正常运行时，调节v b 使流过h t s 的电流大于系统额定电 流峰值，桥路始终导通，s f c l 对系统不表现任何阻抗。一旦系统发生短路故障， h t s 转变为高阻态自动串入故障线路限流，然后由线路断路器切断故障线路。 6 浙江大学硕士学位论义 若将d r d 4 换成晶闸管则形成全控桥型的桥式超导限流器，通过控制晶闸管的触 发脉冲可以控制整个限流器使其表现出不同的等值电感，以便与断路器配合。 图1 - 3 ( c ) 为变压器型超导限流器，由原边常规绕组、副边短接的高温超导线 圈h t s 和铁心组成。正常运行时，因流经h t s 的电流低于临界值处于超导态而 使变压器呈现低阻抗。发生短路故障时，h t s 因感应电流大于临界值而失超， 即副边等效阻抗瞬间增大，从而使变压器原边的等效阻抗增大，达到限制短路电 流的目的。 图1 - 3 ( d ) 为饱和型超导限流器，它是一种非失超型的限流器，由一次交流绕 组、二次直流超导绕组、直流偏置电源以及铁心等组成。正常运行情况下，当额 定交流电流通过一次绕组时，选择合适的直流偏置电源使两个铁心处于深度饱和 状态。当系统出现短路故障时，瞬间增大的一次绕组的电流使交流线圈在铁心中 产生的磁动势接近于直流磁动势，使两个铁心分别在正负半波退出饱和状态，对 系统呈现出高阻抗从而自动限制了故障电流。 图1 - 3 ( e ) 为磁屏蔽型超导限流器，由外侧串入电网的铜线圈、中间短路的超 导体( 超导圆筒) 和内侧的铁心同轴配置组成。正常运行状态下，额定电流流过 铜线圈，超导圆筒感应的电流值小于其临界值而处于超导状态，且超圆筒感应的 电流产生的磁通与铜线圈所产生的磁通相互抵消，装置的阻抗仅由铜线圈和超导 屏蔽筒间的气隙磁通决定，对外表现出低阻抗。短路故障时，在短路电流的作用 下，超导体感应的电流迅速增大到临界值而呈现足够大的电阻，使超导圆筒不再 能够屏蔽铜线圈的磁通，装置的阻抗增大，从而限制短路电流。 磁屏蔽型超导限流器因其超导屏蔽筒的交流损耗低，低温热负荷小，可以使 用g m 制冷机来冷却，并且具有所需的高温超导体用量小，装置外侧的杂散磁 场小等优点。但是该装置的故障恢复时间较长，若用于快速重合闸则需要两套装 置以及转换开关，且限制故障电流期间有瞬态过电压产生。 图1 - 3 ( f ) 是固态换流、超导储能( s m e s ) 和超导限流相结合的多功能组合 装置( s m e s s f c l ) ，该装置在系统发生故障时起限制短路电流作用，在正常运 行时可用来改善电能质量，一举两得。它能够快速吸收和释放能量，补偿瞬时电 压扰动、电压波动及电压谐波等，以保证对负荷的高质量供电。 超导限流器可在较高压下运行，并可实现检测、转换、限流一体化，能在毫 浙江大学硕士学位论文 秒级内限制短路电流，是理想的短路故障限流器，且国内外已研制出样机。但是 超导技术在工程应用领域还存在着许多限制因素，如动作电流整定困难，对继电 保护的影响等，特别是在大功率场合的应用技术尚未成熟，成本也相当昂贵，因 此超导技术的实用化、商品化还有赖于超导技术及相关技术的发展。 1 3 4 混合式限流器 混合式限流器是由机械断路器+ 固态开关和或超导体、p t c 电阻等构成的 限流、断路器，以弥补各种限流器的缺点。限于篇幅，这里只简单介绍两种。 图1 - 4 ( a ) 为由高速机械式真空开关v c b 、双向s c r 、r c 缓冲电路和金属 氧化物变阻器z n o ( 限压器) 构成的混合断路器。正常运行时，电网电流流经 v c b ，不产生损耗；发生短路故障时，控制系统迅速触发导通s c r ，同时v c b 触头在电磁力的作用下分开并在触头间产生电弧电压，短路电流将在电弧电压的 作用下迅速换流到s c r ，从而v c b 得以迅速断开。当检测到v c b 完全断开后， 控制系统撤除s c r 触发脉冲，使其在短路电流过零点时自动关断，从而成功地 切除故障回路。 图1 4 ( b ) 为交直流两用的混合式限流断路器，线路正常运行时由机械开关 s w l 闭合流通负载电流，短路故障时则利用预先充好电的电容内储存的能量为 s w l 提供反向电流，从而达到限流和切断短路故障的目的。 这两种混合式故障限 流器大幅度减小了固态开关 的导通损耗，故障电弧引起 的危害也能得到有效抑制， 但其结构远比固态开关复 杂，成本可能也比固态开关 要高，使用的范围非常有限。 1 3 5 固态限流器 s w 2kf、s w 3 l d 。1 卓d 3 普 s n 车溉： ( a ) v c b + s c r 构成的( b ) 交直流两用 混合断路器混合断路器 图卜4 混合式限流断路器 固态限流器由常规电抗器、电力电子器件( 可控功率半导体器件) 和控制器 构成，根据需要可以构成不同的拓扑结构，通过控制电力电子器件的工作状态， 8 浙江大学硕士学位论文 结合电感等其它元件来改变固态限流器的等效阻抗，从而达到限流短路电流的目 的。近年来随着电力电子技术的快速发展，电力电子器件性能的提高和造价的降 低，以及固态限流器新原理、新拓扑的研究和试验，固态限流技术曰趋成熟，是 最有可能首先实用化的限流技术。固态限流器根据原理主要有g t o 开关型限流 器【3 3 。3 4 】、谐振式限流器【3 2 , 3 5 - 3 8 】、可变阻抗式限流器【3 9 1 、具有串联补偿作用的限流 器【4 2 1 、无损耗电阻式限流器【4 3 】等，如图1 5 所示。 l ( a ) g t o 开关型限流器 c k ( b ) 谐振式限流器 _ 厂v ，- 丫、一 豁i l | c l ll 坠， 芷l j l p s ( c ) 可变阻抗式限流器 一篷幽卜 ( d ) 具有串联补偿作用的限流器( e ) 尢损耗电阻器式限流器 图卜5 固念限流器 图1 - 5 ( a ) 为美国e p r i 于1 9 9 1 年提出的g t o 开关型限流器，该限流器主要 由一组反并联的g t o ( 根据不同的电压等级可能有多组串联，且一般并联有电 力电容器) 、限流电感l 与氧化锌避雷器并联组成。正常运行时，g t o 常通以将 限流电感l 短接；系统发生短路故障时，控制系统在短路电流达到第一个峰值前 将g t o 断开，使l 插入短路回路以限制短路电流。这种限流器不但要求使用价 格昂贵的g t o ，还要求保护电路具有非常快的响应速度；同时，由于g t o 快速 截断数值远远大于额定值的短路电流而使之转移至限流电感l 中，会引起极大的 d i d t 及d u d t ，为此还需要采取有效措施以抑制因此而产生的高压及附加振荡。 此外，这种限流器拓扑只能与固态断路器( s s c b ) 相结合使用，否则由于机械 式断路器切断故障时刻的不可控，若切断线路时，经过l 的短路电流数值较大， 会激发极大的暂态振荡和过电压。 谐振式限流器可分为并联谐振式与串联谐振式两种类型，并联谐振式限流器 在线路发生短路时只能插入无穷大阻抗，亦即无法实现将短路电流限制到某一定 9 浙江大学硕士学位论文 值，不能实现与继电保护的配合；串联谐振式限流器具有正常运行状态下损耗接 近于零( 固态开关器件处于关闭状态) ，能够实现限流、便于与继电保护配合， 且正常运行状态下同样可实现串补功能，拓扑结构也更加灵活、丰富等特点，因 此更受推崇，也是目前开展实用化研究的主要方向，其典型拓扑结构如图1 - 5 ( b ) 所示。正常运行时，开关k 断开，选择合适的谐振电感l 与谐振电容c ，使其 发生串联谐振，此时限流器的等效阻抗接近于零，对系统不产生影响：当线路发 生短路故障时，开关k 立刻导通使c 发生短接，l 串入线路限流故障电流( l 值决定故障限流水平) ，再配合断路器切断线路。串联谐振限流器的谐振电容大 小跟电压等级成反比，因此只适用在高电压等级线路中；系统发生短路后，限流 器转换开关必须以最快的速度闭合以进入短路限流模式，否则电容器及转换开关 将工作在极其恶劣的环境下；在短路限流期间，限流器的转换开关将承受系统全 部短路电流以及电容高频振荡电流，当使用功率半导体器件构成转换开关时，应 充分考虑其是否能够承受这种运行工况。 图1 - 5 ( c ) 是通过控制s c r 触发相位角，以改变电感l 的大小，实现( 串入 回路) 等效阻抗( 电抗) 在一定范围内连续可调的一种可变阻抗式限流器。正常 运行时，这种可变阻抗式限流器的电容c 能起到串联补偿作用，发生短路故障 时，通过控制s c r 使电感l 足够大以限制短路电流。但s c r 触发角大小与等 效阻抗大小之间的关系比较复杂，且在运行过程巾会产生大量的谐波。 具有串联补偿作用的限流器可分为可控限流串补以及固定限流串补两种，图 1 - 5 ( d ) 是具有固定限流串联补偿功能的限流器，主要元件为电容器组c l ( 容量为 c 1 ) 和电抗l l ( 电感值为l 1 ) ，且l ( j o o c l ) j c o l l 。与s w i 串联的阻抗z i 和与b p s 串联的z 2 均很小，目的是防止闭合s w l 和b p s 时产生的涌流；z n o 为限压氧 化锌避雷器。在正常运行下，固态开关s w l 与旁路开关b p s 均断开，l l ，c l 所 在线路呈容性，补偿线路的阻抗。当线路发生故障时，s w l 闭合，电容c l 被旁 路，只有l l 串入线路工作，那么l l 起到限制线路故障电流作用。由于这利- 限流 器的限流电抗值的设计受到串补电容的约束，且整个限流器的限流率不能超过 o 5 ，因此限流效果具有很大的约束性。 图1 - 5 ( e ) 为华东冶金学院于1 9 9 4 年提出的无损耗电阻器( l l r l o s s l e s s r e s i s t o r ) 式限流器拓扑。这利，限流器由普通电感和i g b t 桥路构成，应用p w m l o 浙江大学硕士学位论文 技术，通过控制i g b t 管的调制频率来控制其串入的“等效电阻”，频率越高“等 效电阻”值越大( 调制频率远大于5 0 h z ) ，因此短路时调制频率将非常高，此时 桥路中的各i g b t 实际上是工作在硬开关条件下，损耗巨大；同时该电路将产生 丰富的谐波电流，而且正负半波与调制电流波形相同，若无特殊措施将无法在交 流状况下正常工作。 这些限流器对短路电流都有明显的抑制作用，但各种限流器都存在着缺点， 且适用范围非常有限，鉴于此，浙江大学电气工程学院提出了新型桥式固态限流 器。 1 4 本文内容 电力设备的正常运行对电力系统稳定性有及其重要的作用，但是，若在正常 工作或在短路限流时，限流器本体发生故障必然对系统发生不可忽视的影响，本 文使用m a t l a b 仿真软件，分系统正常运行及发生三相短路故障时，对变压器耦 合三相桥式固态限流器发生故障对系统的影响进行仿真研究；同时，本文对饱和 变压器耦合三卡h 桥式固态限流器工业试验样机的控制系统主控 d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 芯片的外围硬件电路、端口通信、数据传输系统( 光纤电路) 、 部分模拟电路的设计、制作进行了阐述。具体而言，本文包括以下内容： 第一章阐述了短路故障对电力系统的危害，介绍了国内外限流技术和短路限 流器的研究现状，包括传统限流方案、磁元件限流器、p t c 电阻限流器以及混合 式限流器，对其中的超导限流器和固态限流器作了详细分析。 第二章对固态限流器的各种拓扑结构进行详细介绍，并对每种拓扑的原理和 其在电网应用的优缺点进行详细分析。 第三章简单介绍了变压器耦合三相桥式固态限流器发生故障的原因，并对其 故障作了详细的分类，在此基础上，对在系统正常运行以及发生三相对地短路时 限流器发生故障对系统的影响作了详细的仿真研究，并提出了简单的控制策略。 第四章从整体上概述了固态限流器的结构及每部分的功能，并详细介绍了本 人研究生期间负责设计、制版、调试的系统模块原理和和结构，包括固态限流器 的直流采样模块、主从d s p 模块、电网开关量模块、触发模块、主d s p 系统与p c 机通讯模块。 浙江大学硕士学位论文 第五章对全文的工作作了总结并提出将来的工作。 1 2 浙江大学硕士学位论文 第二章新型固态限流器的拓扑结构及原理分析 浙江大学电气工程学院提出的新型桥式固态限流器，经过科研人员十多年的 仿真研究以及样机试验、已发展出灵活的拓扑结构，并可以以不同方式接入电网 运行。新型固态限流器根据拓扑结构可分为单相式和三相式两大类，进一步又可 细分为有变压器耦合和无变压器耦合、有变压器耦合又可分为带交流旁路限流电 感和不带交流旁路限流电感以及饱和变压器型。 2 1 单相桥式固态限流器 图2 - 1 ( a ) 为理想单相桥式固态限流器原理图【州5 。，它由单相桥电路和一个理 想电流源组成。电网正常运行时，控制系统控制四个晶闸管的触发脉冲常加，理 想电流源电流i c 值恒大于负载电流i 的峰值，当i 为正半波时，等效电路如图 2 - 1 ( b ) 所示，此时t h y l 、t h y 2 、t h y 3 正常导通，其中t h y 3 是由于i c i 迫使其 导通，当忽略功率半导体器件的管压降时，显而易见限流器呈现“0 ”阻抗，因 此正半波时不会影响电源对负载的正常供电：同理，当i 为负半波时其等效电路 如图2 1 ( c ) 所示，其导通机理与正半波时相同，限流器也不会影响电源对负载 的正常供电。当负载发生短路故障时，由于短路电流i f a u l t i c ，对应于正常 情况下品闸管t h y 3 ( i f a u l t 为正半波时) 或者t h y 2 ( i f a u l t 为负半波时) 将关 断，则电流源自动串入回路，迫使i f a u l t = i c ，从而有效地限制了短路电流。 ( 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2 - 1 单相桥式固态限流器原理图 载 浙i f = 大学硕士学位论文 ( a ) 载 ( a ) 限流器工程拓扑( b ) 电流波形 图2 2 实用的单相限流器拓扑 在实际工程应用中，图2 1 ( a ) r p 的理想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2 - 2 ( a ) 所示。图2 - 2 ( b ) 显示了该限流 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，可见电路启动后经过 短暂的充磁过程，限流电感中的电流即可达到负载电流峰值。考虑到晶闸管的通 态损耗及电感线圈的铜耗，稳态时电感电流在续流过程中会逐渐下降，这将导致 限流电感在负载电流峰值附近将自动重新短时串入负载回路，由电网电压为其充 磁( 其它时间段的工作与图1 - 3 ( a ) 电路分析相同) ，以补偿其在桥路上的损耗( 假 如晶闸管及电感上的损耗与电感的储能相比足够小，由此引起电感电流在峰值附 近的失真可以忽略不计) ，因此限流电感中的电流起到了电流源的作用。 在单相桥式固态限流器的基础上，浙江大学还提出了带旁路电感和带变压器 耦合两种拓扑结构f 4 9 1 ，如图2 3 所示。 带旁路电感的单相桥式固态限流器如图2 - 3 ( a ) 所示，晶闸管t 1 t 4 组成伞控 桥，l d 为直流限流电感，交流旁路电感l 。与桥路相并联。当系统电压较高，如 l a ( a ) 带旁路电感的单相桥式固态限流器( b ) 带旁路电感的变压器耦合单相桥式固态限流器 图2 3 单相桥式固态限流器 1 4 浙江大学硕士学位论文 l o k v 和3 5 k v 以上时，需要多只高压可控硅串联成单只桥臂使用，这不但增加 了限流设备的成本，还增加了电路的复杂程度，降低了电路的可靠件，因此必须 通过降压耦合变压器接入高压系统，如图2 - 3 ( b ) 所示，交流限流电抗器l 。并联在 变压器原边。图2 3 所示的两种单相桥式固态限流器拓扑原理相似，以带旁路电 感的变压器耦合单相桥式固态限流器的原理为例说明。 限流器投入运行开始阶段，控制系统控制四个晶闸管的触发脉冲常加。串联 耦合变压器的原边和并联在变压器原边的旁路电感上流过一次侧电流，其中变压 器原边电流耦合到变压器副边通过桥路给直流电感充电，直流电感上直流电流逐 渐增大，同时，旁路电感上通过的交流电流逐渐减小。经过几个周波的充电，限 流器进入到稳态运行阶段。 变压器变比为n ，原、副边电流定义为i ”i 。，如图2 - 3 ( b ) 所示，则其电流关 系为 争：i1(2-1) = 一 i l i s n 1 限流器直流电感上i l d 等于变压器副边电流的峰值， l = 4 2 , = n 、 2 i p ( 2 2 ) 限流器启动至稳态运行阶段后，直流电感上电流i l d 接近一常量，即d i l d d t 几乎为零，t 2 、t 3 的续流作用使大部分时间直流电感上压降即为t 2 、t 3 的导通 压降，接近为零，所以变压器副边绕组压降很小，耦合到原边使并联在原边上的 交流电感上压降几乎为零。因此稳态运行时限流器的压降很小，主要由串联变压 器的漏抗、绕组电阻和晶闸管压降引起，由此产生的压降在高中压系统中可以忽 略。 电网短路故障发生时，变压器原边突然加上很大的短路压降，交流电感上电 流经过短时增大至稳态短路电流i l a 直流电感上电流i l d 同时增大。由于交、直 流电抗器的存在，故障电流会立刻受到抑制而不会急剧上升。通过封锁晶闸管脉 冲或者正确的控制策略，使直流电感和桥路退出故障回路的运行，交流限流电感 完全承担限流作用，再配合断路器切断故障线路，这样固态器件安全性比原桥式 固态限流器大大提高。 单相桥式固态限流器可以应用在三相线路中，此时每相都是一台运行控制完 浙江大学硕士学位论文 全独立的单相固态限流器，因此控制更加简单灵活，可以保证在不对称故障时， 非故障相不受故障相的影响，但是这种拓扑结构的固态限流器造价太高，需要使 用1 2 个晶闸管和3 个限流电感，加旁路电感和带变压器时，更需要使用3 个旁 路电感以及3 台变压器，因此只有当三相桥式固态限流器存在制造、加工方面的 困难时才考虑使用。 2 2 三相桥式固态限流器 将单相桥式固态限流器拓扑结构加以变换，即可应用于三相系统。三相中性 点接地系统与三相中性点不接地系统的三相桥式固态限流器的主电路拓扑结构 原理如图2 - 4 和图2 5 所示。 限 簪_ 聚；2 _ 移一二瓢l 靛鼍逛黪| | 争盈蔽 b怠- 一? 一= 砑r 曩一； ，7 t 量 一一一一 i ， ：。， ，。 负载 ! ；r ；t 1 ：j 3j j s 一。一i _ _ ： ：一j 。一 f b 图2 - 4 三相接地系统固态限流器 限 图2 5 互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【5 叽5 4 1 如图2 4 所示，其中( a ) 类限流器的 泫i s l l , 电感中心点接地，晶闸管t ，t 。组成三相可控换流桥。系统正常运行时，换 流器晶闸管工作在全导通状态，三对桥臂并联给限流电感提供续流回路，使得a 、 b 、c 三点都为零电位状态，不影响系统对负载的正常供电。当负载侧发生短路 过流故障时，负载上的电压将突然全部( 或部分) 加到换流桥上，此时限流电感 自动串入故障系统，从而达到短路瞬间限流器自动抑制故障电流迅速上升的目 1 6 浙江大学硕士学位论文 的；短路发生后，控制系统同时进入故障限流控制模式，通过对三相换流桥晶闸 管t ，一t 6 触发脉冲的调节，达到控制系统故障电流的目的。 图2 - 4 中( b ) 类限流器的晶闸管t ? 和t 。桥臂中点接地，系统正常运行时， t 。一t 。晶闸管的触发脉冲常加，由于三相电路的拓扑结构是对称的，故可以取a 相分析其原理，当a 相为正半波时，若电感电流f ，f 。，由基尔霍夫电流定律可 知，=