（电力系统及其自动化专业论文）固态故障限流器对电力系统运行影响的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sae f f e c t i v em e t h o df o rl i m i t i n ge n o r m o u sf a u l tc u r r e o t ，f a u l tc u r r e n tl i m i t e r ( f c l ) a t t r a c tm o r ea n d m o r ea t t e n t i o ni np o w e ri n d u s t r y t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ff c lh a sm a d eb i gp r o g r e s si ns o m e c o u n t r y b u te x c e p tc u e a tl i m i t a t i o n , i st h e r ea n yo t h e ri n f l u e n c eo re f f e c tf c lm a yb r i n gt ot h es y s t e m ? u n f o r t u n a t e l y , n om u c h w o r ka b o u tt h i ss u b j e c th a sb e e nc a r r i e do u t t h e r e f o r e ，f r o mt h ef o l l o w i n gt h r e e a s p e c t st h ep a p e r i sl i k et og i v e5 0 l r bd i s c u s s i o n b a s e do nas i n # e i n f i n i t em o d e l s y s t e ma n d at h r e e - g e n e r a t o rm o 【l e ls y s t e m , t h et r a n s i e n ts t a b i l i t yd u et o i n t r o d u c t i o no ff c lh a sb e e na n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c o f “x - t y p e ”f c la n d “r t y p e ”f c lw a sh i g h l i g h t e d o n ek i n do fa n a l y s i sm e t h o dt h a ti sf i tf o ram o r ec o m p l e xs y s t e m i sa l s o p r o p o s e d e a c h c o n c l u s i o nh a sb e e nv a l i d a t e db ys i m u l a t i o n i t h r e em o d e ls y s t e m so fd i f f e r e n tn e ts t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i co ff c l a f f e c t i n gt ov o l t a g es a g sd u et o s h o r tf a u l ti sa n a l y z e d b ys i m u l a t i o n h n a l l y , t h ep a p e rg i v e sa t t e n t i o nt ot r a n s i e n tv o l t a g es t a b i l i t yo ft h en e t w o r k ar e l a t i n gm e c h a n i s mb a s e d o ni n d u c t i o n - m o t o rh a sb e e ni n t r o d u c e d b a s e do nt w om o d e l s y s t e m , as e r i e so f s i m u l a t i o nh a sb e e nc a r r i e d o u t f r o ms i m u l a t i o nr e s u l t ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft r a n s i e n tv o l t a g es t a b i l i t yw i t ht h ea p p l i c a t i o no ff c l m a y b ec o n c l u d e d k e y w o r d s ：f a u l tc u r r e n tl i m i t e r ( f c l ) ，s o l i ds t a t ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r ( s s f c l ) ，t r a n s i e n ts t a b i l i t y v o l t a g es a g s ，e n e r g yq u a l i t y , t r a n s i e n tv o l t a g es t a b i l i t y , s i m u l a t i o n i i 浙江大学硕士学位论文 绪论 一、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 障是发生各种形式的短路。在发生短路故障时可能产生以下的后果【6 】： ( 1 ) 通过故障点的很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏： ( 2 ) 短路电流通过非故障元件，由于发热和电动力的作用，引起它们的损坏或缩短它们 的使用寿命； ( 3 ) 电力系统中部分地区的电压大大降低，破坏用户工作的稳定性或影响工厂产品质量， 严重情况可能诱发负荷电压失去稳定： ( 4 ) 破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使整个系统瓦解。 基于短路故障造成危害的严重性，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。目前故障切除的时间常常要求小到十分之几秒，在要 求较高的情况下则可能需要达到百分之几秒。 从改革开放以来到今天己迈进2 1 世纪的二十多年里，我国经济持续保持着平稳、健康 发展的势头。作为国民经济的基础和支柱，我国电力事业也以迅猛的势头不断发展壮大，电 源建设方兴未艾，相应的各级电网也加速扩展，规模不断增大，互联日趋紧密。但是，电网 的快速发展在提高电力供应能力的同时，也为电力系统带来了诸多方面的问题。其中一个重 要的问题就是，伴随着电网容量的增大，短路电流的持续增大为系统的安全稳定运行埋下了 隐患。不断增大的短路电流对电网至少在以下诸方面形成了危害或问题i m 。 ( 1 ) 增加设备投资 短路电流大幅度增大以后，为满足动、热稳定要求，需选用具有更大遮断电流 的断路器及其它相配套的电气设备，这就必然导致投资费用的增加。 ( 2 ) 故障点的破坏性增大 短路电流大幅度增大以后，架空线路故障点破坏加剧，绝缘子破损，导线熔断 严重；埋地电缆的损坏更严重，井危及其它电缆，使修复时间变长，延长停电时间。 ( 3 ) 增加对通信线路的危害 短路电流大幅度增大，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。 ( 4 ) 危害人身 短路电流大幅度增大使不对称短路流入地网电流成正比增加，l o k v 铁塔附近 的接触电压和跨步电压也成正比增大，危及人身和牲畜。 ( 5 ) 增加对主变压器的损害 馈线短路电磁力对变压器的损害有积累效应，短路电流大幅增大以后，多次近 区短路的变压器根可能潜伏着损坏隐患。 二、传统限流手段与评价 为了应对短路电流不断攀升对电网安全稳定带来的挑战，特别是对于像在大容量发电厂 中，当发电机并联运行于发电机电压母线上，即采用有母线的主接线时，短路电流可达几万 浙江走学硕士学位论文 安以至几十万安，为了防止或减小过大的短路电流带来的如上所述的种种危害，往往需要选 用加大容量的电器，但当短路电流增大到一定程度时，可能会因开断电流不能满足要求而选 不到符合要求的高压电器。为了能够合理的选择容量匹配的轻型电器，在传统上通常采用以 下手段对可能越限的短路电流加以限制。 ( 1 ) 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。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。 ( 2 ) 加装限流电抗器 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。 ( 3 ) 采用低压分裂绕组变压器 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。 以上几种限制短路电流的手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网产生了不利的影响。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，咀 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， 寻找一种即能够达到限制短路故障电流要求，又不会在正常运行时对电网产生不当作用的限 流方法和手段就成为众多电力科研工作者的努力目标。 三、故障限制器( f c l ) 概述 基于上述减小短路故障电流和降低对系统正常运行不利影响的考虑，故障限流器( f a u i t c u r r e il j n l i t e 订的概念和装置应运而生。有文献【1 2 显示，故障限流器( f c l ) 的概念早在7 0 年代就已在国内外出现，但其真正受到重视和快速发展则是在柔性交流输电技术提出以后。 一般认为。可臻应用的故障限流器应能满足以下几项要求： 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设定 的合理水平。 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； 能满足短路保护时限配合的要求； 有利于改善重合闸的操作； 合理的成本价格。 目前在美国、法国以及日本等一些国家，放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，一些样机也己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已成为业内的热门问题。从 2 浙江大学硕士学位论文 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，下面就列举其中比较主要的几种 进行一些介绍，从这些主流限流器的限流原理和工作特点可以对故障限流器这种新型限流手 段有一个基本的了解和把握。 1 、超导放障限流器( s u p e r c o n d u c t o r f a u l tc u r r e n tl i m i t e r ，缩写为s f c l ) 超导故障限流器是基于超导材料的特殊物理性质而研究开发的。在一定的温度和磁 场条件下，超导体能够无阻传输小于其临界电流值的电流。某些超导体在较高的外加磁场条 件下仍然具有很高的临界电流密度，因而得蛆在大电流、强磁场领域得到应用。当通过 超导体的电流大于其临界电流时，超导体从超导态转变为常态。超导故障限流器正是利用了 超导体的这一性质制作的。当系统正常运行时，超导限流器只呈现非常微小的阻抗，当因短 路故障等电流超过临界电流时，限流器超导体瞬间转变为非常大的阻抗，从而限制短路电流。 有文献f l l 显示，超导故障限流器能够在亚毫秒内有效的限制短路电流。根据工作形式的不 同，超导限流器可以是电阻型、电抗型或者为两者的混合型。 在实用开发的早期，超导材料主要是在直流状态下使用的，在交流状态下则存在着交流 损耗和严重的性能退化。据文献 ”j 显示，在1 9 8 3 年，交流超导线材的研制成功为s f c l 的 研制开辟了新的途径。1 9 8 6 年，高温超导体的发现则进一步加快了s f c l 商业化研究和开 发的进程。目前，美、日等发达国家已经利用低温或高温超导材料研制成功多种类型的s f c l 样机，包括：利用超导体可以无阻承载大电流的能力制成的饱和型、桥路型s f c l ：利用超 导体失超后的常态电阻制成的电阻型【1 5 j 、无感电抗器型s f c l 6 】：利用超导失超造成电磁耦 台关系改变的变压器型、混合型f 1 8 】、三相电抗器型、磁通约束型s f c l 划；以及利用 超导体在超导态和常态下磁特性变化的电磁屏蔽型s f c 0 “j 等。 下面以电阻型超导故障限流器为对象，简要介绍其结构特点和工作原理，管中窥豹，从 而对超导类型的故障限流器建立更进一步的认识。 电阻型s f c l 是结构最为简单的超导故障限流器，它可以简单到仅仅是一根低温超导线 或一个具有一定长度的条块状高温超导体或超导薄膜。在正常状态时处于超导态，在需要限 流或发生过电流时，超导体转变为超导态，产生电阻，限制电流。这种简单结构的s f c l 通 常电流值以及容量不可能很大，难以达到在电力系统中应用的技术指标，只能在小型电路中 使用。 r 眼流战圈 图1电阻型超导限流器结构示意图 为了增大电流容量，增大限流阻抗。电阻型s f c l 常制成图1 所示的无感电抗器形式， 甚至可咀在无感电抗器上并联限流电阻或电抗。以减轻对超导线圈热容量的要求。正常运行 时。触发线圈( t c ) 和限流线圈( 比) 各通过额定电流之半，因而装置只有很小的剩余电感及交 流电阻。故障状态下，临界电流较小的触发线圈首先失超，其电流很快转移到限流线圈上， 并对过电流起限流作用。 2 、采用正温度系数聚合材料的限流器j 2 1 在1 9 9 8 年左右，瑞士a b b 研究协会提出采用具有正温度系数( p o s i t i v et e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n t ，缩写为p t c ) 的聚台材料作为限流器的基本组成成分，这种设备在故障电流 浙江大学硕士学位论文 流过时能快速增加自身阻值来限制和切断故障电流，通常其阻值可以提高8 到1 0 个数量级。 由p t c 电阻并联限压器构成的限流器，具有随温度升高其阻值会增加的能力。温度的升高是 由于电流在p t c 电阻上的功率损耗所引起的。在正常运行状态下，p t c 呈现低阻值，额定电 流全部通过p t c 电阻，此时p t c 电阻上的功率损耗很低。当故障出现时，电流大于临界电流 值而急剧上升，则功率也相应急剧上升，引起温度升高，从而p t c 的阻值随温度的升高而迅 速上升，以限制和切断故障电流。这种设备所存在的缺点是：、限制和切断故障电流的时 间是毫秒级。p t c 电阻比较容易受外界因素的影响。对于限制较高数值的电流效果比较 明显，而对于限制低值电流则效果不佳。 3 、固态短路限流器 从8 0 年代中后期，随着一系列新技术的出现以及原有技术的发展，很多新型故障限流 器被陆续提出，其中固态故障限流器( s 0 l i ds i a t ef a u l tc l l r r e ml i n l i t e r ，缩写为s s f c l ) 由于 采用了功率电子技术，具有动作速度快、可以反复使用以及控制简便等优点，在电力系统的 被广泛认为具有广阔的发展前景。 在早期，固态限流器的控制为晶闸管，由于晶闸管只有在电流过零时才能自然关断，不 能限制故障电流的首次峰值，限制了其的应用。近年来，随着自关断器件( 如g t o 和m c t ) 的 出现，由于其可以准确地控制开断时刻，并能解决故障电流的首次峰值限制问题，给固态限 流器的发展带来了新的转机，各式各样的固态限流器不断的见诸文献。下面简要介绍一种固 态限流器。“的结构与原理，以对固态限流器的基本特点有所了解。 图2g t o 控制的一种固态限流器 图2 为用g t o 控制的一种固态限流器基本结构图。它利用g t o 作为线路开关，故障时关 断以接入限流阻抗l ，从而限制短路电流。电容c 构成缓冲回路用以限制g t o 关断时两端的 电压上升率d u d t 。氧化锌避雷器用以限制关断后装置两端的瞬时过电压。短路电流的限 制是通过限流电抗来实现的。 装置的工作过程可简略分析如下：f c l 动作前，线路电流流经g t o ，每个周期内两只反 并联的g t o 轮流导通。当故障发生时，检测系统立即检测到故障，并通过门控回路向g t p 发出关断信号。g t o 快速关断，故障电流换流至限流电抗回路并被限制为不高于某预定值。 对于固态故障限流器，除了前述的一些优点外也存在一些局限性。由于目前单个电子元 件的耐压、耐流能力有限，在应用于中高压电网时，需要多个元件进行串并联，并对它们进 行精确的协调控制，这在工程中有相当的难度，同时也存在一定的风险。此外，由于所需的 电子元件大多依赖进口，设备成本昂贵也限制了它的应用范围。 4 、混合式高压限流熔断器。” 在中低压配电系统短路电流的限制和切断中，负荷开关一熔断器组台电器以及高压限流 熔断器组合保护装置等是广泛应用的一种方案。其基本原理为：负荷开关或断路器用来开断 正常的负荷电流，短路电流的开断则由与负荷开关串联的高压限流熔断器( h v r f ) 完成。不 4 浙江大学硕士学位论文 过这种方案一般只适用于额定电流比较小的场台。下面介绍的一种混合式熔断器则可以应用 在额定电流较大的地方。 目前，德国、法国及英国等国家均已有成熟的混合式熔断器，其额定电压为1 2 k v 一3 6 k v 、 额定电流达4 0 0 0 a 。混合式熔断器的工作原理如下：混合式熔断器( 原理示意图参见图3 ) 图3 混合式熔断器原理框图 一般由下列部分组成：可爆破开断的载流隔离器、h v r f 、检测故障电流的传感器以及电子判 别和点火触发系统。载流隔离器的电阻是uq 级的，而与之并联的h v r f 的电阻则是m q 级 的，所以正常状态下电流几乎全部从载流隔离器流过，不会引起h v r f 误动。短路故障发生 时，电子系统检测到的电流i 及其随时间的变化率d i d t 超过整定值后就发出点火脉冲， 引爆载流隔离器中的雷管及炸药，爆炸产生的推力或撞击力将载流隔离器从载流状态转变为 隔离状态，于是故障电流瞬间转移到h v r f 中，由h v r f 完成限流开断。整个过程在4 - 6 m s 时间内结束。 显然，从限流的本质原理讲，相对于前面的基于材料特性以及基于功率电子器件的开断 特性限制故障电流，混合式熔断器是借助了炸药的爆破能量完成电流开断和切换的。这也是 其与前几种故障限流器的根本差异。混合式熔断器有以下主要优点：间接利用了高压限流 熔断器的性能，开断速度快；装置本身的功耗也比较低；体积小，安装维护费用低： 大幅度扩展了h v r f 的电流范围，可望做到更大电流和更高电压等级。 除了以上几种类型的限流器外，已经见诸公开的还有不少其它种类的限流器，例如真空 触发间隙式限流器“、阻尼式限流器4 、谐振式限流器“。以及电弧驱动式限流器“等等。 限于篇幅这里不做详细介绍，可以参见相关文献。 四、新型桥路式固态限流器 新型桥路式固态限流器是浙江大学电气学院固态限流器项目组基于相关专利而进行的 一系列研究的最近成果。其结构原理参见图4 ，下面结合该图对限流器原理进行简要介绍。 囤4 新型桥路式固态限流器原理示意圉 图4 中，固态限流器串接于三相传输系统连接电源与负载的线路中。从图中可见，新型 s 浙江大学硕士学位论文 固态限流器主要由以下几部分组成：串接于三相线路中的三台单相或一台三相耦合变压 器、并联于耦合变压器原边的限流阻抗、由8 个晶闸管润臂组成的三相换流桥路、连 接于三相桥路两端的直流电感、控制系统。这种新型桥路式固态限流器详细的原理推导以 及相关状态计算可以参阅文献。“2 ”6 ”1 “”“8 ”“，这里仅就其结构和工作原理做简单说明。 首先，在故障限流器的启动过程中，触发脉冲长加t ，、r 两只晶闸管，三相桥t i - - t 。六只晶 闸管按相全开通。这时，同桥路构成回路的电流电感持续承受着经由耦合变压器感应来的一 定值的电网电压，电流开始上升。这时的t t 、t 。两管处于间歇导通状态，并续流电感电流与 桥路电流的差额。随着耦合变压器与桥路中的电流幅值不断增大，电感电流也不断增加。当 桥路直流电感中电流上升至额定线电流峰值时，考虑到直流电感与续流回路的损耗非常小， t r 、t s 两管将在绝大部分时间内保持导通状态。因此，桥路上下两极基本等电位且同为“零” 电位( n 、t a 【司路中点接“零”电位) 。显然，这时耦合变压器的副边可等效为“短接”状 态，因此整个限流器对外表现“零”阻抗，不对电网产生影响，系统将进入稳定运行状态， 电源经由线路向负荷供电。当固态限流器与负荷间的线路发生短路故障时，一方面，故障电 压通过耦台变压器施加于桥路两端，t ，、r 在反压下单只或全部被迫关断，直流电感自动串 入故障回路；另一方面，同耦合变压器原边并联的交流限流阻抗在故障电压作用下也自然串 入回路限制故障电流。由于折算至原边的直流电感的感抗相较交流限流阻抗大的多，因此流 经交流限流阻抗的电流基本等于故障电流。控制系统检测到故障发生即实施相应的故障控 制，通过控制8 个晶闸管阀臂的触发脉冲使桥路部分迅速与系统隔离，这个过程一般不超过 一个周期。此后，限流器只剩下限流阻抗串接于故障系统中，继续限制故障电流。根据故障 的清除情况以及系统的要求，可以重新启动限流桥路使系统运行于三相状态或是两相状态。 到目前为止，项目组已经对新型固态故障限流器进行了大量的原理仿真验证，并成功的 在3 8 0 v 9 0 0 a 的样机上进行了实验研究，取得了大量的数据和结果。实验研究表明，新型固 态故障限流器是一种比较理想的限流器方案，它不仅能够快速有效的限制故障电流，而且可 以灵活的进行控制从而实现后放障时期系统的各种要求。近年来，随着高压大电流电力电子 器件的飞速发展以及f a c i s 技术研究与应用在电力系统中的不断推进，新型固态限流器在 电网中的应用也具有了越来越可靠的物质基础和理论支撑，因此固态限流技术是个前景非常 光明的发展方向。目前，项目组已开始研制额定容量1 0 k v s 0 0 a 、最大短路限流2 5 0 0 a 的 新型固态限流器工业性试验样机，争取早日实现新型固态故障限流器的成熟工程应用。 五、研究限流器对电网影响的意义 相对于故障限流原理的探索和故障限流器设备的开发，将故障限流器应用于电网可能对 电网带来各种影响( 正面的或负面的) 的问题还较少为人们所讨论。特别是在国内，相关的 文献非常少，用贫瘠来形容并不过分。然而，对于故障限流器的研究而言，分析限流器的应 用对于电网可能的影响和作用始终是无法回避的重要问题。就目前故障限流器的研制水平来 讲，将限流器应用于实际电力系统中无论在技术上还是经济上都还不成熟，但对于故障限流 器的应用对于电网的影响等等问题却十分有必要进行预研。毕竟，从限流器装置的开发成熟 到其能够在电网中得到实际应用中间尚存在很多问题，不弄清楚这些问题就可能使限流器无 法恰当的得到应用，发挥最大的效益，或是给电网的正常运行带来新的问题，严重的情况甚 至会为电网的安全稳定运行埋下隐患。 综合国内外已见诸文献的相关研究并结合故障限流器在电网中应用的条件与特点，可以 将限流器在电网中应用相关问题( 除限流原理及其效果) 概括为以下一些方面：故障限流 器在电网正常运行时对电网电能质量可能的影响，其中主要是针对谐波问题的考虑嘲： 故障限流器在电网中安装位置的选择与优化问题。：故障限流器在系统故障暂态过程中的 6 浙江大学硕士学位论文 作用特靛，色括对于同步稳定缢及受蕊稳定熬彩晌8 “；敛簿隈瀛嚣豹敲障挖潮策略虢 及同传统保护手段的配合原则；徽障限流器对电网已有各种设备或元件运行状态的作用和 影响“。： 故障隈流器在电剐中应鹅豹经济指标考察“。 敖隙限流器旃穰多种类，僮作为反应于缀路故障弗执行限流功能的设备，所裔故障限流 器在本质上都可以看成为个快速反应于故障时刻的可变阻抗。因此，对于上述的六个方面 瓣霹匏磺究，辑骞敬障疆浚器鍪然煮蕤共性豹一嚣。毽楚对于每一秘具体瓣薮跨限浚爨嚣吉， 由于其自身限流原理的特点也会一定程度上形成其在电网中应用的特性问题。特别是对于簸 流器在故障后呈现阻抗( 戏阻抗跳燮) 的过程，每一种故障限流器都是不相同的，在对电网 梭障瓣瓣避行电磁警态瓣分辑露藏誉能够忽晦这一点。藤对于一些可鞋蕊硌窀磁麓态遘程匏 共性问蹶，例如限流位置的选择和优化，对于系统稳定问题的研究以及限流器同继电保护配 台豹原则等较少诗及电磁瓣态过程麴情况，则可以视情况采取豫化的模型进行分辑研究，以 突出重煮和提高效率。 六、鼹零论文漆容的简簧介绍 故障限流器对于电网的影响和作用是一个很大的课题，包食了至少如上述的诸多方面， 当然不怒仅仅一篇磺士论文裁轻深寨l 揭示帮全部含盏懿。在对隈漉器在奄稠孛痘掰渚霹嚣滋 行了轻燕比较，辨考虑了分析研究工作的一熄具体条件后，本文确定研究的具体对象为故障 限漉器对于系统餐态稳定的 筝用和影响。敛蹲限流器怒反应于燧踌故障的一种设镶，困此披 障限流嚣在限制斑路电流的同时也参与了短路蕺障引箴的系统翡态过程，限流器猩这一遥程 中的角色和作用冤疑对于繇统的暂态行为会产生重要的影响。考虑到短路故障是电网中引发 警态稳定( 包括鹫态功受稳定与磐悫电压稳定) 阉题瓣最主要羽素之一，分辑鼓辩限流器舟 入后对攥统暂态特性的影响显然具有非常现蜜而重大的意义。 本论文所研究的内容燕要由三部分组成：第一部分是故障限流器对于系统暂态功角稳定 律焉豹薹 究；第= 部分是藏漳疆滚嚣降低系绕电压默辫瓣薤熬磺究；第三部分是藏漳疆滚赣 对于系统暂态电腿稳定作用的研究。其中第一、三部分为直接关联系统暂态稳定的内容，第 二部分本身属于跑能质量的范畴，倪由于主饕由短路故障引起，同时与第三部分商密切的荧 联，因戤勇作一章加鞋分析。 本论文在分析中是以新型固态敞障限流嚣为对象限流器的，在相关分析中所袋用的限流 器特性均殴裁型潮态敲障耀滚器戈罄趟。不过在主髂分辑氇就怒暂态稳定或电压瓒量等部分 中的限流器模型则是以新溅固态故障限流器为原体而化筒得到的简单阻抗模型，因此所得副 的结论对于相类似的其它种类故障限流器是宵普遍意义的。 零谂文的舔究方法采麓理论分辑与薅囊验证褶缝念秘方法，薅予每一令蘩努鹣其僖溺鞭 进行分析所采用的步骤为：1 、首先提出相关问题。2 、建立一个针对该问题的恰当的系统模 型作为分摄平台。3 、结台系统模型对该问题进行理论分析或撮导。4 、遴过仿真程序对该嗣 题进行裙关计算并得到数攥或图表绐聚。5 、分析仿冀结采得蹴结论或验证前蔼晒理论。由 于对每个部分进行研究工作时的情况不同，谯具体的分析中上述步骤或有差异，特别是对于 莓嚣豹麓态电匿撵美部分，主要是猿据债冀结论迸静说骥，耱辑方法碰羯攘对铰少。 ， 浙江大学硕士学位论文 第一章故障限流器对电力系统暂态功角稳定的作用 暂态功角稳定是电力系统安全稳定控制中最重要的课题之一，短路故障引发的暂态功角 振荡以至火稳一直以来威胁着电网的安全运行。故障限流器作为即时反廊丁短路故障的一种 一次设备，分析其应i l i = | 和动作对于电网暂态功角稳定的作用和影响显然具有非常现时的意 义。目前国外有学者已就这一议题进行了一定的研究，国内由于对故障限流器的关注相对滞 屙，因此在这方面的探讨还不甚活跃，故障限流器对于电力系统暂态稳定作刚相关的研究成 果可以参阅文献1 4 “p l l 。这些文献从各自的角度在不同程度上对故障限流器应川斤可能对电 力系统暂态功角稳定的影响进行了探讨，并得出一些有价值的结论。但是总的来讲，文章的 分析似乎较倾向于超导羽故障限流器的应用研究此外分析较多的依赖丁仿真计算，较少见 到从理论上对这个问题进行有见地的阐述。本文中即将对这一问题的分析中将力求区别于已 有的分析，侧重丁理论与方法的探讨，进而分析故障限流器作州于系统暂态稳定的特点。 第一节暂态功角稳定分析中的限流器模型 在绪论中已经对新型同态故障限流器的结构平上作过程做了简要的说明。从中可知，在 短路故障发生后新型吲态故障限流器的限流阻抗是臼然串入故障同路进行限流的，这一过程 中并不存在延时等某些其他种类限流器所具有的特征。而在故障初始到桥路隔离前，# 流器 矧有的的过渡过程由于持续时间很短而且直流电抗非常大，使其对于系统侧的影响1 f 常微 小。因此在功角稳定这类机电过程分析中，新摧同态限流器在故障发生后一般可以直接表示 为延时为零的限流阻抗形式。不过为了分析研究过程的严谨，同时也籍此对丁新刑同态故障 限流器在暂态稳定意义下的故障反应加深了解，卜面将从一个特定的角度对暂态功角稳定意 义下新型故障限流器的模型问题进行探讨。新型硎态故障限流器的原理图可参见图1 1 。 幽卜i新型固态故障限流_ ； 原理图 由于在系统正常运行时l 古l 态限流器的三相桥 ：作于“全导通”状态，桥路上f 等电位 耦合变压器副边等效为“短接”，因此固态限流器对于输电线路表现为“零”阻抗。冈此， 正常时( t 3 b o 2 8 0 l 蹈 8 0 2 0 + l 麓 1 ：x f - 0 0 翱u 稳定 靛， 2 ：x f _ op u 失裙 li 价l 飞 ， i v | ” 0 s9 0 ( 蔗，8 0 7 0 髓 4 0 3 0 a l、j、f 1j 、，、 l l l il lll il ll |l lil l| l iji i、，、j1f、j ( a )( b ) 黼i 1 0帛入限流毫抗时发电杌功角摇摆曲线 图l - 1 0 0 ) 、( b 1 给出了模型系统a 点发生兰相短路敞障后对应不同限流电抗册时的发电 视功角摇摆曲线。匿1 - l o ( a ) e 益线1 为串入x r = 0 0 2 酌情况，其极限稍除敲障辩黼为0 3 5 s ( 产生袋减振荡怒因为阻尼系数取得较小，下同) ；曲线2 对应腺= 0 ( 即故障后不串入限 漉电抗) 、露一薅蠢留豫鼗滩静清醒，显蒸发电税己失梦。鹜1 - 秘f b 鸯宰入琢= 0 0 5 静 孽嚣， 这时即俄不切除故障，发电机也不会失步，而是衰减振荡并运渐进入新的稳定远行状态。 f 蝌号曦鞫 其中转移阻抗 1 4 浙江大学硕士学位论文 z u = j xs + j x l + j 墨j i ；生- ：一兰盟+ y ( x s + l ) r f 。 = r 1 2 + 1 2 z - o j x s + r f + 等 娟“1 + 詈) + ( 1 1 4 ) ( 11 5 ) 由图卜l l 可知，串入限流电阻后，发【乜机输出的有功功率包括两部分；一部分( 巴1 ) 经阻抗z 1 2 并输向无穷人功率母线，另一部分( 只2 ) 消耗在笛效阻尼电阻r i o 上。首先观察 只i 的情况。显然，只l 由两部分功率构成，分别是消耗于转移电阻r 1 2 上的功率，1 2 以及注 入无穷功率母线的有功功率一i ，即有关系： 只l = 只2 + 日2 ( 卜1 6 ) 在串入限流电阻后，源电势e 与无限大系统母线电压圹之间存在如f 关系： 言+ = u + j ! 学+ ! 尘兰半( 1 一1 7 ) = e c o s 6 + j e s i n j 式中疋j 与晓1 分别为电源向无穷功率母线注入的有功功率与无功功率。比较等式( 卜1 6 ) 两 边并整理后可得： ) 。 m r 之x + 1 稚2e u s i n 6 + 稚r + 1 2 稚( e u e o s 6 - u 2 ) ( 1 1 8 ) 消耗丁转移电阻r 。的有功功率表达式为： a 置2 = r 1 2 ，矗 ( 1 1 9 ) 此外有： 1 2 ：( e - c o s 6 - 1 u ) 2 + e _ a ( s i n 6 一) z ( 1 - 2 0 ) r 6 + r 矗 综合公式( 卜1 6 ) ( 卜1 9 ) ，即可得到第一部分电磁功率只l 的表达式： 肾彘e u s i n 6 + 焘c e 2 - e u c o s 6 ，( 1 - 2 1 ) 式中，r j z = - c 椽x i ) r f ；蜀2 _ j 妊懈i 。 式( 2 1 ) 即为串入限流电阻后发电机输送至无穷大系统的有功功率表达式。幽卜1 2 示出 了模型系统参数为e = o 9 4 6 、y s = 0 1 0 5 、托= 0 0 8 、1 = 1 0 ，8 角分别为3 0 。、6 0 。和9 0 。时，只l 随r f 的变化趋势( 曲线l 、2 、3 ) 。为便于比较，图中同时给山了同样参数条什 下丘l 随串入限流电抗坼限流时的变化趋势( 曲线4 、5 、6 ) 。显然，就故障后发电机经z 。 向无穷功率母线输送的有功功率而肓，采用电阻限流与电抗限流时，其变化的总体趋势是大 致相同的，都随着限流电阻或电抗的增大而增加，并趋向平稳。但在采删电阻型限流器时， 浙江大学硕士学位论文 当限流电阻值非常小( 例如小于0 0 2 p u ) ，电磁功率只。会出现负值，也就是发电机将通过 z 1 2 等效支路吸收有功功率，这是需要引起注意的地方。此外，同采用电抗限流时相比较， p 。l d 2 0 r f ，x f 图卜1 2功率p e l 与限流电阻关系曲线 采用电阻限流时电磁功率匕在限流阻抗值比较小时要小于同值电抗限流的情况，阻抗达到 某值时会与电抗特性曲线相交，最终两者都随阻抗值的增大而稳定于相同的值。 再来分析采用电阻限流时才存在只：的情况。由图卜1 1 等值电路可知，消耗在限流电 阻上的有功功率为： 5 足z 。面r i o 面( e ) 2 ( 1 2 2 ) 式中：r 1 0 = ( 1 + x s x _ j ：) r ，；墨o = x s 。 p e 2 4 3 2 1 o 0 on 1n 20 3 最4 图卜1 3功率p e 2 与限流电阻关系曲线 显然，采用电阻限流时，等效阻尼电阻r 1 0 的作用类似于机端短路投入阻尼电阻防止发 电机飞车的情况。图1 1 3 示出了e = o 9 4 6 、x s = o 1 0 5 、噩= o 0 8 情况下，p 2 随脚的变化 趋势。从图中可以看出，当脚较小时，p d 随着脚的增大而增大，并在砾一o 0 4 5 时出现 极大值( 此时只2 m 4 2 6 ) ，此后随着砰的继续增大，只2 逐渐渐小并趋于0 。从图中还可发 现，当限流电阻m 在0 0 4 5 附近取值时，图1 - 1 系统a 点发生短路并串入砰后，仅等效阻 尼电阻r 。上消耗的有功功率就已大大超过发电机的额定出力( = 2 4 ) ，因此发电机将会因其 输入的机械功率n f 过分小于需要输出的电磁功率( = 只i + 只2 ) 而很快减速并进入负功角运 行状态。换句话说，此时实际上是无穷大系统向发电机倒送有功，才使它维持有功功率平衡。 上述分析表明，采用电阻型限流器时，限流电阻& 对系统暂态稳定的影响很大，适当 的取值可以有效消耗发电机的过剩有功，从而有助于系统的暂态稳定；但若取值不当( 如本 文例子当j 珏在0 0 4 5 附近取值时) ，则可能造成系统向发电机倒送有功以弥补其功率严重缺 额的不良后果。因此采用电阻型限流器时，其限流电阻j 砷的取值应综合只与只2 的情况， 同时结合系统运行特点和保护规范等进行通盘考虑。 1 6 晷异异 606606鼬酊即灯灯灯 1 z 3 4 s 6 浙江大学硕士学位论文 图1 1 4 给出采用电阻型限流器时一些典型情况下发电机的功角摇摆曲线，同时结合 前面分析作些必要的补充说明。 6 ( 度 | 1 ， 一一 、 夕1、厂 6 ( 度) 3 0 0 3 0 6 0 八。1 刃 ，1 f v 。 vv 0l23 t ( s ) ，、ln ，、| | | l v f 1 6 ( 度 ( b ) ，、，、 |1l 厂v vv ( c )( d ) 图1 1 4 串入限流电阻时发电机的功角摇摆曲线 图1 1 4 ( a ) 对应母= 0 0 0 5 的情况，此时只l 与如都很小( 参照图1 1 2 与图1 1 3 ) ， 发电机将有较大的过剩功率，需及时切除故障线路才能保证暂态功角稳定。图中曲线1 为未 及时切除故障线路，发电机失去功角稳定；曲线2 为及时切除故障，发电机功角稳定。图 1 - 1 4 ( b ) 对应毋= 0 0 4 的情况，由图1 1 2 、图1 1 3 可知，此时只l 、p 矗都很大，且仅p 乏 就已大大超过了发电机的额定出力，因此f 只。+ 蚴必然在转子上产生一个极大的制动转矩而 使发电机很快减速并迫使其功角6 进入负值区，这意味着无穷大系统将向发电机倒送有功。 如果不切除故障线路，发电机功角6 将振荡并渐趋于一个稳定负值。图中曲线为大约经过 两个振荡周期后切除故障线路，发电机重新过渡到经单回线向无穷大系统输送有功功率的情 况。图卜1 4 ( c ) 的情况与图1 1 4 ( b ) 类似，但限流电阻岛= 0 1 ，对照图1 - 1 2 、图1 一1 3 可以看出，此时只。、如与j 珏= o 0 4 时相比小了许多，因此无论是故障线路切除前还是切 除后，发电机功角振荡的幅值和时间都明显减小了。图1 - 1 4 ( d ) 对应j 砷= 1 0 的情况，从 图卜1 3 可以看出，这时只2 已非常小( 低于1 ) ，其与只l 之和虽然比砷= o 1 ( 或o 0 4 ) 时 小了许多，但却足以平衡发电机的机械功率，而且即使短路后不切除故障线路，也不会发生 无穷大系统向发电机倒送有功的情况( 从图可见其功角将振荡稳定于正值) 。图中同时给出 了经大约两个振荡周期后切除故障线路，发电机过渡到经单回线向无穷大系统输送有功功率 的情况。 1 7 浙江大学硕士学位论文 第三节多机系统中限流器对功角暂态稳定作用的分析 相对于单机对无穷大系统或是j j c 机系统中的能量法暂态功角稳定分析，在多机系统中采 _ i _ j 直接法对其进行暂态功角稳定分析则要复杂的多。为了探讨在多机环境r 故障限流器对丁 系统暂态功角稳定的作用特性，在下面的具体分析过程中，首先确定分析所采用的直接能量 函数方法，之斤建立一个最简单的多机系统( 也即一个三机系统) ，接下来以这个较简单的 模型多机系统为平台进行赢接法暂态功角稳定的分析，探讨多机系统暂态功角稳定问题的特 点，并就故障限流器应用于模型系统中对系统暂态功角稳定的作用进行分析和总结。 目前，常州于多机系统暂态稳定分析的直接能量函数法有三种【z l ，分别是基于单机无穷 大等值的扩展等面积准则法( e e a c 法) 、基于最人势能搜索的势能边界面法( p e b s 法) 年 基于相关不稳定平衡点求解的相关不稳定平衡点法( r u e p 法) 。国内外一般采j j 上述三种 方法之一进行直接暂态稳定分析，i ：力求改善其计算速度、精度和可靠性。本文中将采用其 中的第一种方法，也就是扩展等面积准则法( e e a c 法) 对模型系统进行直接法暂态稳定分 析，从而得出故障限流器对于模型多机系统暂态功角稳定的基本作用特点。在分析中也会借 助时域仿真程序( p s a s p ) 对模型系统进行计算井绘制曲线，以对采州直接法分析的结果进 行比对和验证。在具体分析之前，首先对分析采j i j 的e e a c 直接法作以必要的介绍。 一、扩展等面积( e e a c ) 稳定分析方法 ( 一) 、分析采片j 的多机系统一般模型。 图1 - 1 5 多机系统一般示意嘲 由于分析系统暂态功角稳定，这里可以设定发电机采州经典二阶模型，忽略励磁系统动 态，忽略原动机及调速器动态，网络线性，负荷线性( 恒定阻抗) 没负荷阻抗已归入节点 导纳阵，发电机x ：也归入节点导纳阵，且系统节点导纳阵消去负荷+ 1 ，点和网络：捧点，仅剩 r 发电机内节点( j ：后的内电动势节点) ，如图1 所示。于是对于一个一机系统，第，台机 有 式中，匕l = c o r t s t ， 己= r e ( e ，1 ，) 缸争 浙江大学硕士学位论文 r e ( 丘。，弓茁，) i = 1 e ? g 一( ，e ，b us i n 毛+ e r e j g c 。s j ) = l ， 其中宣= e , z d i ，岛= 4 一乃，嘞+ 廊= 巧为导纳阵元素。 若定义e e ，= c ，e g ”= d ，显然有c ”= c ，d = d ，则式( 1 2 3 ) 中的厶 可写作： 厶= e , 2 g 。+ ( c s i n 嘞+ d fc 刚f ) ( 1 _ 2 4 ) j = l j i 公式( 1 - 2 3 ) 与( 1 2 4 ) 即构成了系统完整的动态模型。 ( 二) 、失稳模式与主导u