（电力系统及其自动化专业论文）新型固态限流器实用化研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h ee x p a n d i n gp o w e rn e t w o r k , t h ef a u l tc u n e n th a si n c r e a s e dg r e a t l y i tw i l lb r i n g h i d d e nt r o u b l e st ot h es e c u r i t y , s t a b i l i t y , c r e d i b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e m c o n v e n t i o n a lc u r r e n t l i m i t e r sg r a l i l a l l ys h o wt h e i rl i m i t a t i o na n dc m tf i tt h er e q u e s to fh i 醇p o w e rq u a l i t y t h ef a u l t c u r r e n tl i i i l i t i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m eah o t s p o to ff a u l tp r o t e c t sr e s e a r c h t h i sd i s q u i s i t i o nf o c u s e so nt h et o p o l o g yo f t h et m u s f o n n e rc o u p l i n gs o l i ds t a t ef a u l tc u r r e n t l i m i t e rw i mb y p a s si n d u c t a n c e i nt h i sp a p e r , t h r o u g he 删m e n t so i lt h em o d e ls y s t e ma n d s i m u l a t i o n s ，t h ea u t h o rv a l i d a t e st h ec o r r e c t n e s so f h a r d w a r ea n ds o f t w a r eu s e db yf a u l tc u r r e n t l i m i t e rc o n t n d l l e r , d e s i g na n dr e a l i z e sm a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o ns y s t e mf o rf a u l tc u r r e n tl i m i t e r , a n d e x p a t i a t e so n t h ee f f e c t st a k e n b y f a u l tc u r r e n tl i m r e n f i r s t , t h ep a p e re x p a t i a t e so nt h ed a m a g e sc a u s e db y f a u l t sa n dm a k e sas u r f l m a t yo ns o m e e x i s t i n gf c lt e c h n o l o g i e s t h e n , t h ea u t h o re x p e r i m e n t s0 1 1t h et r a n s f o r m e rc o u p l i n gs o l i ds t a t e f a u l tc u r r e n tl i m i t e rw i t hb y p a s si n d u c t a n c e i no r d e rt oe v a l u a t ec o n t r o ls t r a t e g ya n dw o r k i n g e f f e c t so ft h ep r o t o t y p e ，s f c lw i t hb y p a s si n d u c t a n c ei n1 0 k w 5 0 0 a 2 5 0 0 a ( m a x i m a lv i r t u a l v a l u eo ff a u l te u r m n t ) , w ed e s i g nc o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a lm o d e li n5 0 w l a ，5 & b a s e dt h e s t r a t e g y , w eh a we x p e r i m e n t e do nt h em o d e li n d i f f t a n ts h o r tc i r c u i tf a u l t s t h er e s u l t so f e x p e r i m e n t si n d i c a t e t h a tt h em i x e d - m o d ei n v e r s i o na n ds u b s e q u e n tf l o ws t r a t e g y ，u s e db y s f c l ，n o to n l y l i m i tt h es h o r tc i r c u i tc n l l e n tt o p r o p o s e d l e v e l ，b u t a l s oh a s m a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha st h a t c o n t r o lm e t h o di s s i m p l ea n dr e l i a b l e , f a u l tt y p e s c a l lb ej u d g e d e x a c t l y s h e l o a d o f f l y - w h e e l t h y r i s t o r s t 7 、t 8c a n b e d e c “d t o a l o w l e v e l i n c o u t s e o f l i m i t i n g o rd i s e n a n e c 血gs h o l tc i r c u i tc u r r e n ta n ds oo i lt h et h i r o , t h ea u t h o ri n t r o d u c e sb a d d w a f ea n d s o f t w a r ed e s i g np r o p o s a lo f m a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o ns y s t e m , i n c l u d i n gc i r c u i td e s i g n , t h em e n u f r a l n o w o r k sa n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n f i n a l l y , t h ea u t h o rd i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o no f f c li nt h e p o w e rs y s t e m u s i n gs i m u l a t o rs o f t n w a r e ，c h a r a c t e r i s t i co f f c l a f f e c t i n gt ov o l t a g es a g sd u e t o s h o r tf a u l ti sa n a l y z e d i na d d i t i o n , h a r m o n i ce f f e c t sa n dp r o t e c t i o no na s y n c h r o n o u se l e e t a o m o t o r a a p p r a i s e db ys i m u l a t i o n t h ea u t h o rt h e np a r t i c u l a r l ya n a l y s e st h el o c a t i o n s af c l m a y b es e t i nt h es y s t e ma n dt h e i rf u n e t i o na n dc o r r e l a t i v e e f f e c t s e x p r e s s l y , t h ea u t h o ri n d i c a t e st h a tf c l i s g o o d f o rp m t e e t i n gt h ef a u l to c c u r r e do nh i g hv o l t a g es i d eo f g ：e n c a a t o re q u i p p e d n e w l y i ns y s t e m 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 , f a u l tc u n - e n t l i m i t e rf f c l ) ，v o l t a g es a g s ，m a w m a c h i n e c o n v e r s a t i o n ，p s c a d e m t d c 浙江大学硕士学位论文 第一章电力系统短路限流器技术发展及现状 电力系统的运行要求安全可靠、电能质量高、经济性好。但是，电力系统的组成元件数 量多，结构各异。运行情况复杂，覆盖的地域辽阔。因此，受自然条件、设备及人为因素的 影响，可能出现各种故障和不正常运行状态，故障中最常见，危害最大的是备种形式的短路。 本章主要介绍了短路限流技术在电网中的意义、短路限流技术的发展以及各种原理的限流器 技术应用现状，指出作为柔性交流输电技术的组成部分，固态短路限流器( s f c l ) 技术已 成为电力系统新型限流技术中较为实用及可行的解决方法。 l 短路故障、短路电流及其危害 电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故 障原因是相与相之间发生短路，在中性点直接接地的系统中，还有相与地之间的短路。在发 生短路故障时，短路电流可能达到很大的数值，上万安甚至十几万安。这样大的电流所产生 的热和力的作用会使电气设备遭到破坏，可能产生以下的后果【l 】： 通过故障点的很大的短路电流和所燃起的电弧，可能引起导体及绝缘体的严重发热从 而使故障元件损坏； 短路电流通过非故障元件，导体间将受到强大的电动力，如果结构不够坚固，可能引 起导体或线圈变形以致损坏或缩短它们的使用寿命； 发生不对称短路时。不平衡电流产生足够的磁通，在邻近的电路内感应出很大的电动 势，这对架设在高压电力线路附近的通信线路或铁道信号系统，尤其是平行于电力线 路的通信线路的危害性大大增加 电力系统中部分地区的电压大大降低，使受电器的正常工作受到破坏，尤其异步电动 机在电压低于7 慨以下时转速急剧下降以致停转，造成产品报废甚至设备损坏。； 严重情况可能使并列运行的发电机失去同步，引起系统解列或导致电网枢纽点电压的 崩溃，大面积停电，甚至使整个系统_ i 【：解。 为了预防上述情况，电气设备必须有足够的机械强度和热稳定度，即须经的起最大可能 短路电流的作用。在电力系统中，除应采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能性以外， 当故障一旦发生，必须迅速而有选择性的切除故障元件，这是保证电力系统安全运行的最有 效方法之一。但电力系统的规模越来越大 3 1 ( 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，增加了系统设各容量如主变压器、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素。其中一个重要的问题 就是，伴随羞电网容量的增大，短路电流的持续增大为系统的安全稳定运行埋下了隐患。 浙江大学硕士学位论文 2 常规限制短路电流措施与评价 为了虑对短路电流不断攀升对电网安全稳定带来的威胁，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 l “： 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刚不仅复杂、造价昂贵。而且涉及到环境电磁污染问 题。 选择适当的主接线方式和运行方式 为了减小短路电流，可选用计算阻抗较大的接线和运行方式。1 。如对大容量发电 机可采用单元接线，尽可能在发电机电压级不采用母线；在降压变电所中可采用变压器 低压侧分裂运行方式，即所谓“母线硬分段”接线方式；对具有双回路的电路，在负荷 允许时可采用单回路运行；对环型供电网络，可在环网中穿越功率最小处开环运行。该 措施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。 在电力系统互联时，尽量减少互联网络的紧密性1 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。 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 【0 儿1 1 1 2 13 为了限制短路电流，使发电机回路与用户侧能够采用轻型断路器，可以选择在发电 厂或变电所的某些回路加装电抗器，包括普通电抗器以及分裂电抗器。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。 采用低压分裂绕组变压器圈1 9 】 当发电机容量较大时，可以采用低压分裂绕组变压器，组成扩大单元接线。分裂绕 组变压器在正常工作和低压侧短路时其电抗值不同，从而可以起到限制短路电流的效 果。 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。 采用大容量断路器。 2 浙江大学硕士学位论文 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小经济的。 以上几种限制短路电流的于段从原理到应用方式上都有所不同，采用每一种手段限制短 路电流的效果也有差别，都可以不同程度上实现对短路电流的约束和限制。但与此同时，它 们又存在着各自的缺陷和不足，并以另一种形式对电蹦产生了不利的影响。采用变换主接线 形式和运行方式等手段会降低电网的供电可靠性和灵活性；同时，增大了的系统阻抗在正常 运行时也使电网的有功及无功损耗增加：采用加装线路限流电抗器或是增加变压器阻抗同样 不能避免在系统正常运行时消耗大量无功功率，降低电网无功功率裕度。此外，增加运行阻 抗也会降低线路功率输送的能力，或在相同输送功率下减小系统同步稳定裕度。可以讲，以 上限制短路电流的手段或多或少都是以电网在其他方面指标的让步和牺牲为代价的。因此， 采用常规或者传统的限流措施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，困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。 3 短路限流器的发展与现状 随着电力系统容量和规模的扩大，系统短路电流越大，这些对电器设备要求也越高，制 造成本也相应提高。单纯用提高电器设备承受短路电流能力的方法是十分不经济的，因而应 采取措施来限制短路电流的增长。故障电流限制器( f 工一f a i l l t c h m = e n t l i m i t e x ，或c i m c u r r e n t l i m i t i n g d e v i c e ) 就是用来限制故障电流的一种设备。研制这种设备已有二十多年的 历史，人们作了大量研究工作1 日 ”。短路限流器的研制，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。 3 1 国外固态f c l 进展 2 0 世纪9 0 年代初，e p r i 推出固态f c l 方案后，国外在固态限流器方面的研究取得巨 大进展。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 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 , u s 的时间内切断故障起到有效的保护作用“。 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s s c b 组合) ，于 9 5 年2 月安装在p s e & g 的变电站投入运行“。 日本东北电力公司及日立公司研制了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”。在实际试验装置中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 系统完仝可行。 对于混合限流器，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 3 浙扛大学硕j 学位论文 短装置，由真空开关和g t o 并联构成”“。a c e c t r a n s p o r t 和g e c a 1s t h o m 开发且已形成商 业化交直流两用的混合式故障限流器“。 最近两年来，一方面主要完善前面的几种固态限流器，使之满足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 2 国内固态f c l 研究现状 我国在固态f c l 方面研究比国外起步较晚，但初步也取得一定成果。华东冶金学院的 无损耗电阻器( l l r ) 式短路限流器研究取得一定进展并获得国家专利“2 。华中理工大学 研究的基于串联补偿作用的限流器，它以为真空触发问隙或用高速斥力机构操作的合闸开关 ”“”7 。代替双向晶闸管，真空间隙的点火时间在l 5 f 腰，用高速斥力机构操作的台闸开 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，具有定的研究意义。 浙江大学对新型固态短路限流技术。”“的研究工作起步于1 9 9 5 年，已对适用于交流系 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已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小容量实验，取得了满 意的结果。目前3 8 0 v 2 0 0 a 实验样机已通过验收“”，1 0 k v 5 0 0 a 带旁路电感的桥式固态限流 器的实验正在进行中。 3 3 短路限流器装置简介 一种能应用在电力系统中的限流器装置至少应具有如下特性： 线路正常运行时，限流装置应对供电线路无任何( 不利) 影响； 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符合当 地电网及电气设备安全的合理值。 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： 有利于改善重合闸操作； 能实现方便快捷的多次动作目标； 合理的成本价格。 目前在美国、法国以及日本等一些国家，故障限流器的研究开发已经取得了非常显著的 成绩，在限流理论较为成熟的基础上，一些样机也已投入实验运行并取得了良好的效果。而 在更加广泛的范围内，故障限流器的装置开发及应用研究等等也己成为业内的热门问题。从 限流原理的角度可以将众多的故障限流器划分为若干种类。研究较多的故障限流器主要有各 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) 、限流式断路器、超导故障限流器、固 态故障限流器。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一眭；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i b 4 , ，可忽略不计；电力系 4 浙江大学硕士学位论文 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。下面对与本文所涉 及的晶闸管控桥式同态限流器相近的超导故障限流器及其它类型故障限流器作简单介绍。 3 3 1 超导限流器 当处于超导态的超导体的温度超过i 临界温度t 。、穿过超导体的磁场超过临界磁场比、 流过超导体电流超过临界电流i 。，或者这几种情况同时出现时，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 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”( q u e n c h ) ，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 的超导正常( s n ) 态的转变来限流，并能在较高电压下运行，同时集检测、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。 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己引起 广泛关注，每年均有大量相关文献报导“小“3 ，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，此外还有其他型式的s f c l ， 其原理均为超导体的s n 态转变来限流“。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，在可预见的将 来尚无大量实用化的可能。也就是说，超导技术目前的实用 化、商品化程度还不能满足作为新产品开发的要求。同时 s f c l 的研制还有赖于超导技术的发展和其他相关技术的进 步。 3 3 2 磁元件限流器 图1 1 磁饱和型限流器 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 下处于磁饱和，一次线圈的阻抗很低。当故障电流通过一次线圈时，两个电抗器铁芯分别工 作正负半波不饱和，使一次线圈的阻抗值很大，限制了故障短路电流。这种限流器在理论上 可行，也有相关的应用。“，但是t 作区范围很小，合理的短路限流倍数很难设计。并且在大 的短路电流发生时，直流绕组线圈中将产生很大的交流电压。有时直流电源偏置回路用永磁 体替代，构成无源磁体限流器”“”“，而这些只能在小容量下可以达到，大容量等级下，很 难有合适的永磁体可以利用。 5 浙江大学硕士学位论文 3 3 3p 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 ) 电阻是一种非线性电阻，在室温时电阻非 常低，当温度升高到一值时，电阻迅速增加，利用p t c 电阻的这种特性研制的故障限流器在 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敞热设备处理， 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，p t c 电阻阻 值在z 腰时间内增加为高电阻值，从而起到限制故障电流的作用，已有相关应用于美国海军 新型战略舰上。 由于p t c 电阻在温度升高时电阻值瞬时增加到室温电阻的近一兆倍，在限制感性电网 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。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。p t c 电阻在每次限制短路电流故障被切断后，需要好几分钟的恢复时间，并且 这种限流器在使用多次后也会导致性能变坏，必须更换。 3 3 4 固态限流器 近十多年来，电力电子器件的技术水平提高很快，在中压电力系统中已有可直接麻用， 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 a c t s ) 在这种背景 下日益完善。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 & c t s 装置的造 价会降低，可能会在不远的将来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，下文将重点讨论固态限流器。 3 3 4 1g t o 开关型限流器 e p r i 提出的固态限流器如图1 2 所 示”。，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 图1 2 美国e p r i 提出的限流器 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 t ，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 6 浙扛大学硕士学位论文 外这种限流拓扑只能与固态断路器( s s c b ) 结合，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。 3 3 4 2 谐振式限流器 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。图1 3 为串联谐振 限流器，正常运行时，l 。c 发生串联谐振， 阻抗为0 。故障时，s c r 闭合，k 串入电 路限流。其中l 仅是保护同态开关不受 图1 3 串联谐振限流器 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。 图1 ，4 ( a ) ( b ) 为并联谐振式限流器结构图”“，其中图( a ) 中，电容c 与线路串联，提供 串联补偿，当短路发生时，晶闸管s c r 触发导通，使电感l 与电容c 并联谐振电路工作，限 制故障电流。图( b ) 中，正常运行情况下，电流流过g t o 开关，当故障发生时，g t o 开 关被切断，电流转移到并联谐振电路，从而限制故障电流。由于图( a ) 中s c r 只在故障时才 接通，而( b ) 中g t o 正常运行时，一直接通，电路产生一定损耗，并且需要较昂贵的g t ot 作，比较可知图( a ) 电路更好些。但仍然存在与串联谐振电路中一样的大电容量问题。 l 仁卦甘 图1 4 ( a ) s c r 控制的并联谐振限流器图1 4 ( b ) g t o 控制的并联谐振限流器 3 3 4 3 可变阻抗式限流器 图1 5 ( a ) ( b ) 都为晶闸管控制的可变阻抗的f c l ，其中( a ) 与图3 拓扑结构相同1 ，但 是控制原理不一样。图( a ) 的工作原理为在正常情况下l - 与c 串联谐振，s c r 关断，使线 路阻抗为0 ；当故障时，通过s c r 的控制，使l 2 c 并联谐振线路阻抗很大，从而起到限流 的作用。作为一种后备保护，若故障时，电容c 受到破坏，那么m l 的阻抗应大到足以限制 故障电流的水平。图( b ) 结构比图( a ) 较简单，它也是改变s c r 的触发角，等效于改变l 的大 小，电路正常运行时，电容能起到串联补偿作用；故障时。控制s c r 使l 足够大，达到限流 作用。上两结构控制s c r 触发角口与等效阻抗：赶小关系比较复杂，并且运行过程中有大量 7 浙江大学颁十学位论文 的谐波产生。这类限流器相关文献报导不多。 舢 目h 图1 5 可变阻抗式限流器 3 3 4 4 具有串联补偿作用的限流器 ( b ) 具有串联补偿作用的限流器拓扑结构如图1 6 所示“，主要元件为电容器组c 和电抗 l 且形崛 j m l - 。与c - 并接的线路开关s 是打开的，只有在线路故障时关合。在正 常运行状态下l - c - 线路呈容性，补偿线路的 阻抗。与s w ，串联的阻抗z ，很小，目的是防止 关合s w 、的涌流。b p s 为旁路开关，z 。也很小， 是为防止b p s 关闭时大的涌流。z n o 为限压氧 化锌避雷器。其工作原理为：在正常状态下， c ，、l 。一起工作呈容性，线路起串联补偿作用： 当线路发生故障时，s w ，闭合，c 。被旁路，只 有l - 工作，那么l - 起到限制线路故障电流作 用。 3 3 4 5 无损耗电阻器式限流器 华东冶金学院于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 is t o r ) 限流拓扑。，如 图1 7 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 管开关的调制 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， l l ，、r 、l 0 1 1 c 1 1i l | r z n 0 z 2 b p s 图1 6 具有串联补偿作用的限流器 其调制频率将非常高，因此桥中的各i g b t 实 际上是工作在硬开关条件下，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，且正负半波与调制电流波形相同，若无其他特殊措施将无法在交流状 况下正常工作。 3 3 4 6 混合限流器 8 浙江大学硕士学位论文 写卜 寸崔卜ii l i 嵫。 ( a ) i = ：丰阱嚣 n y 管年岈 图18 混合式限流器 ( b ) 由于各种限流器均存在缺点，因此又有不少各种限流技术构成的混台型限流器，主要有 固态开关和机械断路器构成的混台式限流器，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。本文只讨论前者。 文献“对各种由大功率半导体开关和机械开关组成的混合开关做了综述，如图 1 8 ( a ) ( b ) 所示。图( a ) 电路正常运行时电流流经高速真空开关，当检测到短路故障时机械式 开关触头在电磁力作用下迅速打开，g t o 同时导通，短路电流在电弧电压的作用下换流到g t 0 内，当故障电流完全换流到g t o 内时，g t o 关断切断短路电流，关断过程所产生的电压尖峰 被并联的金属氧化物变阻器和g t o 的r c 缓冲电路吸收。图( b ) 为交直流两用的混合式限流器， 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冲好电的 电容内存储的能量给s w l 进入反向电流达到限流和切断短路故障的目的。 以上各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限。 9 浙江大学硕士学位论文 4 小结 目前，同态限流技术的应用还局限于个别1 程( 从实用化程度看，国内与国际先进水平 还有一定的差距) ，如果大规模应用圃态限流装置，还要解决一些全局性的技术问题： ( 1 ) 多个固态限流器或与其他f a c t s 装置控制系统的协调配合问题； ( 2 ) 固态限流器与已有的常规控制、继电保护的衔接问题； ( 3 ) 固态限流器控制纳入现有的电网调度控制系统问题。 随着电力电子器件的性能提高和造价降低，以电力电子器件为核心的f a c t s 装置的造价 会降低，将比常规的输配电方案更具竞争力。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、二十年间高 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。应用电力电子技术的固态限流技术，能限制控 制短路电流值，而且以现今条件，是可以实现的。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章新型固态桥式限流器原理简介及实验分析 探索有效的短路限流技术并进而研制出碍十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。浙江大学电气学院在国内外已有的各种限流器原理的基础上，提出 了一种新型崮态短路限流方法，并获得多项国家专利“。，在此基础上提出并实现了能实 用于电剐的多种拓扑结构。已完成了变压器耦合的三相固态限流器理论论证。并针对其一些 固有缺陷提出并实现了带旁路电感的变压器耦合三相固态限流器电路结构，分别成功试制了 变压器耦合的三相固态限流器3 8 0 v 2 0 0 a 模型样机、带旁路电感的变压器耦合三相固态限流 器5 0 v a 试验模型系统，带旁路电感的变压器耦合三相固态限流器1 0 k v 5 0 0 a ，最大短路 限流2 5 0 0 a 的工业性试验样机实验已经接近尾声。 l 新型固态限流器原理 图2 1 所示为新型固态短路限流器单相 拓扑结构原理图”。t l t 4 为晶闸管，t l 、 t 2 作为固态开关，控制负载电流i 在正负半 波的正常导通，t 3 、t 4 常加触发脉冲，其工 作就象二极管，电感电流i l 可经t 3 、3 4 流 通( 续流) 。限流器投入时，经过短暂的充磁 过程后，电感中的电流即可达到负载电流峰 值。当电感己充电，t 3 、t 4 加触发脉冲，则 可保持恒续流导通，如假设晶闸管管压降为 图21 新型固态短路限流器单相拓扑结构 零，正常的负载电流i 流经该限流器时压降亦为零，即限流器几乎呈现零阻抗。当负载侧发 生短路( 例如在电源电压正半波) 时，电流i 跳至i l 值时t 3 截止，电感l 立即自动串入短 路回路限制了短路电流的上升速率及其最大峰值，只要及时封锁t l 、t 2 的触发脉冲，则最 多在半周波( 1 0 m s ) 左右时间内，当短路电流过零时t i ( 以及t 2 ) 关断，短路故障被迅速 切除，而较大的电感电流经1 3 、t 4 续流而短接，不会产生过电压。该桥式限流器实际上是 一个全控桥，不仅仅可以完成速断开关功能，如控制t 1 、t 2 的触发脉冲之触发时刻即可控 制其工作在整流或逆变状态。在短路时可控制使其工作在逆变状态使电感中的能量反馈至电 网，大幅降低续流管t 3 、t 4 的压力，使得i l 迅速下降到零。并且恰当控制桥路各管的触发 角作时还可调节稳态短路电流的大小以及满足时限配合保护的要求。当需要重合闸时，开始 将触发角拉至极大，使重合闸以较小的电流开始，再逐步减小触发角直至正常工作，以这种 软启动莺合闸方式工作可避免重合于永久性故障所造成的巨大冲击电流的损害。 浙江大学硕士学位论文 将三组单相桥式限流器分别接入三相系统中运行，即可构成控制完全独立，具有控制加 简单、灵活，在不对称短路故障情况f ，可以保证非故障相小受故障相的影响等优势。但由 于成本及加工制造困难等因素，不实用。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。如图2 2 2 、变压器耦合三相桥式固态限流器 但在电力系统中，发电机和变压器一般为星型或三角型，中性点无法接开，该三相固态 限流器拓扑无法直接运用于系统中。故可以采用耦合变压器来解决三相桥式固态限流器接入 电刚的问题。针对高压接地系统，增加一对晶闸管凡、乃。如图2 3 所示，系统正常运行模 f ， ll k t 3t 5。_ 。- 。- 。- 。 f ， - _ - _广f 一一 - i - - l i l t 6t 2 图2 , 2 新型桥式固态限流器三相拓扑结构 式下，限流器主电路中的晶闸管乃、乃、五和乃、乃，乃被分别控制在三相电压以、乩、改 的正、负向过零点后导通，各个晶闸管导通时问约1 8 0 。电角度；乃、而管被控制为常导通， 为限流电感厶提供续流回路，使厶中始终流过负载峰值电流( 耦台变压器二次侧电流) 。此 时在不考虑晶闸管压降和回路电感损耗的情况下，换流桥和限流电感相当于一个无内阻的恒 流源，因此耦合变压器副边等效于短接状态，原边压降等效为“零”，整个限流器对系统呈 现“零”阻抗。系统发生短路后，由于负载电压通过耦台变压器突然加到换流桥上，使得 ，、乃管其中之一或两个被迫关断，因而限流电感通过耦合变压器自动串入系统，达到限制 故障电流的目的。通过合理控制乃乃管，可以有效控制故障电流的大小。至于系统故障情 况下的同态限流器控制模式，则与系统具体短路方式有关“1 。依据上述原理，我们研制了额 1 2 浙江大学硕士学位论文 图2 3 变压器耦台三相桥式固态限流器拓扑 定3 8 0 v 2 0 0 a 、最大短路限流1 5 0 0 a 的试验样机，并进行了一系列试验，取得了令人满意 的限流效果。图2 4 所示为一次系统发生三相短路故障时，固态限流器限流电感中的电流变 化情况( 图中纵坐标为电流，1 5 0 a 格；横坐标为时间，删格) 。由图可知，系统发生三 相短路后，固态限流器的限流电感自动插入，有效抑制了短路电流的上升速度；另一方面， 控制系统及时反应并采取相应控制策略，使短路电流很快从最大峰值下降，并经过一段时间 的调整后到达设定的控制值， 而且在整个控制过程中没有 出现系统振荡和过电压，从而 实现了短路限流目的，很好地 维护了系统的安全运行。 但是，该限流器拓扑结构 控制策略较为复杂。对不同的 系统故障类型，固态限流器的 控制模式有所差异。其工作模 式与系统运行状态密切相关， 本质还是通过改变换流桥各 桥臂触发相位角来达到控制 国2 43 8 0 v 2 0 0 a试验样机短路电感电流波形| 璺| 试验样机短路电感电流波形 目的，只0 i 过系统发生不对称 短路( 单相、两相接地或两相短路) 和三相对称短路时，限流器换流桥工作方式及其控制模 式不一样( 不对称短路以单相桥方式控制短路电流。- - 十f l 对称短路以三相桥方式控制短路电 流) 。所以在处理不同类犁短路故障时对限流器主控软件要求较高，即根据采用偏差量按某 种控制算法求出控制量：换流器触发控制角d ，再用软件实现脉冲移相控制。微机控制包 浙江大学硕士学位论文 括三个主要控制环节：p i d 控制算法、反余弦非线性补偿算法和脉冲移相控制。控制过程中， 于响廊故障的时间要求檄短( 5 m s 左右) 故障类型判断较为困难，尤其两相短路和三相 短路的故障特征非常干目似，故软件判断较为复杂，从实际试验结果来看，故障类型和故障相 判断较为准确，不过在两相接地短路试验中，如非故障相电压恰好过零，易被误判为三相短 路，造成设计目标中非故障相持续供电目标不能达到。此外，在短路限流情况下会产生一定 的奇次谐波，对电网有一定影响。针对上述缺点，我们改进电路结构，提出了带旁路电感的 变压器耦台三相桥式限流器。 3 、带旁路电感的变压器耦合三相桥式限流器 、_ 2 厂卫! _ a b 蕊；矾 旁路电感 r 、：厂1 翌3 盘鞋 疋、a = ；带 、! 厂1 2 2 篡 辐台变压器 憝忿悉 。 一茹t 甚# ”孥 ” “牛”q 11 5 口1 ，七h i m 2点2蠹l l f 二 图25 带旁路电感的变压器耦合三相限流器拓扑 带旁路电感的变压器耦合三相桥式限流 器是在变压器耦合三相桥式限流器基础上发 展而来。在电路结构上主要改动就是在耦合 变压器三相原边分别并联旁路交流限流电 感，限制短路电流方式最大区别在于，短路 故障发生时，旁路交流电感共同参与限制短 路电流。电路主结构见图2 5 带旁路限流电感的新型固态限流器采用 逆变续流混合式控制方