（电机与电器专业论文）基于磁通补偿的大容量故障限流器.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s 仃a c t n o w a d a y s ；f a u l tc u r r e n ti si n c r e a s i n gw i t ht h ei n c r e a s i n go fc a p a c i t yi np o w e rs y s t e m a n di ti so n eo ft h es e r i o u s p r o b l e m s ，w h i c hm u s tb e s o l v e d t h et h e s i s a n a l y z e t h e d i s a d v a n t a g e sa n da d v a n t a g e s o fa l lk i n d so ff a u l tc u r r e n tl i m i t e r sa f t e rr e f e r r i n gt os t r a t e g i e s o ff a u l tc u l t e n tl i m i t e r s a l lt h ew o r l d c o n n e c t e dw i t ht e c h n o l o g yo fd i g i t a lp r o c e s s i n ga n d p o w e re l e c t r o n i c s t h en e ws t r a t e g y , f a u l tc u r r e n tl i m i t e r sw i t l ll a r g ec a p a c i t yb a s e do nf l u x c o m p e n s a t i o n ，i sp r o p o s e di nt h i st h e s i s ，a tt h es a m et i m e ，a u t h o ri n t r o d u c e dt h ew o r k i n g p r i n c i p l ea n d c h a r a c t e r i s t i c so f t h ew h o l ed e v i c ei nd e t a i l an e w t y p ef a u l tc u r r e n tl i m i t e rb a s e do nf l u xc o m p e n s a t i o ni si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s a c c o r d i n gt o t h et r a n s f o r m e r se q u i v a l e n tc i r c u i t ，t h ev a l u eo ft h ec u r r e n ti n j e c t e dt ot h e t r a n s f o r m e r ss e c o n d a r yw i n d i n gi sc o n t r o l l e d ，s ot h a tt h ev a l u eo ft r a n s f o r m e ri m p e d a n c ei n p o w e rs y s t e mc a r l b ec o n t r o l l e d w h e nt h e r ei sal a r g ef a u l tc u r r e n ti np o w e rs y s t e m ，t h e t r a n s f o r m e rw i l lp r e s e n tah i g hi m p e d a n c et ol i m i tt h ef a u l tc u r r e n t i no r d e rt os o l v eaf a u l t c u r r e n tl i m i t e rw i t hl a r g ec a p a c i t y , w es t r u c t u r et h et r a n s f o r m e rw i t hm u l t i p l ec o m p e n s a t i o n w i n d i n g s m u l t i p l ep w m i n v e r t e r sa r ec o n n e c t e dw i t ht h em u l t i p l es e c o n d a r y w i n d i n g a f t e ra n a l y z i n gt h ew o r k i n g p r i n c i p l e ，t h ea u t h o rd e s i g n e dt h ew h o l es y s t e mi n c l u d i n gt h e s o f t w a r es y s t e ma n dt h eh a r ds y s t e ms u c ha st r a n s f o r m e r , r e c t i f i e r , p w m i n v e r t e r , a n ds oo n e v e r yp a r to f t h ed e v i c em u s t b ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n i no r d e rt om a k et h ed e v i c e o p e r a t ee f f e c t i v e l y , i ti st h ek e yt oa c c u r a t e l yf o l l o wt h e c u r r e n ti np o w e rs y s t e m a f t e rc o m p a r i n gt h eh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o la n dp w mc o n t r o l w i t hc o n s t a n tf r e q u e n c y , t h ea u t h o r p r o p o s e dt h ep w m c o n t r o lw i t hc o n s t a n t 疔e q u e n c y t h er e s u l to fs i m u l i n ki s v e r ys a t i s f i e d ，a n dt h er e s e a r c ho ft h ef c lb a s e do nf l u x c o m p e n s a t i o nw i l lp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e mi nt h e 、矗l l l l r e k e yw o r d s ：m a g n e t i cf l u x ，f a u l t c u r r e n t l i m i t e r , l a r g ec a p a c i t y , t r a n s f o r m e r m a t j a b s i m u l i n k 独创i 声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已居文中以明确方式标明。本文完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：绦刃叟 r 期：0 “年，月f z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门及机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 本论文属于， 不保密囱。 在解密后适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：徐7 l 金 - 7 期：o q - 年，月1 2 - - f - l 华中科技大学硕士学位论文 1 1限制故障电流的必要性 i绪论 电力需求的同益增长，使得电力系统的规模逐渐扩大，而短路电流的增大已丌始成 为限制我国电网发展和运行的一个重要问题。据计算在2 0 0 0 年，余沙江电站送电后所 在地5 0 0 k v 主网短路电流将超过5 0 k a ，上海一些5 0 0 k v 变电所的短路电流将超过 6 3 k a ，而三峡电站建成后可能的最大短路电流将超过1 0 0 k a 。这就要求组成电网内的 各种电气设备，如断路器、变压器、互感器以及变电站的母线、构架、导线、支承瓷瓶 等，必须满足短路电流水平提高所带来的更苛刻的要求。由于短路电流会直接影响电气 设备的选择和电网的安全稳定运行，为了限制短路电流水平，减小短路引起的电压降落， 常规限制短路电流水平的措施主要从以下四个方面考虑：电网结构方面：往往采取高 。级电压或采用直流联网等均可控制系统短路电流水平；系统运行方式方面：对具有 大容量机组的发电厂采用单元母线接线。对环形供电网络可以在环网中穿越功率最小处 玎月= 运行。对具有双回线路，在符合允许条件下可以按单回路运行。在降压变电所中可 采用多母线分列运行或母线分段运行；在设备上采取措施：采用高阻抗变压器、分裂 电抗器、分段电抗器和出线电抗器，在厂用系统及其l o 一3 5 k v 变电所中采用串联电抗 器，但在高压电力网中不易采用，因为这种措施会导致电压降和网络损耗增加，并降低 系统的稳定性；加装短路电流限制器f c l ( f a u l t c u r r e n tl i m i t e 0 ，通常是将大的短路电 流限制在设定的电流范围内，然后断路器动作保护。在这四种方案中，通过改造电力网 结构限制短路电流水平的费用极其昂贵，同时此方案是在电网的设计、规划时考虑的， 一旦方案定下不易改变。而通过改变系统运行方式和设备来限制短路电流水平容易造成 电力系统运行的不稳定性。因此，显然方案加装短路电流限制器是一种永久性的解决 方法。早在1 9 7 4 年，美国电力研究所e p r i 刚刚成立不久，故障限流器就被该组织列 为重点优先发展的研究课题。目前日本也成立了“故障电流抑制用限流技术调查专门委 员会”。在1 9 8 6 年由美国的著名专家n gh i n g o r a n i 提出柔性交流输电系统 ( f a c t s f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 中，故障限流器也成为其中的一个重要组成部 华中科技大学硕士学位论文 分。 故障限流器( f c l ) 是一种串联接在线路中的电气设备，其基本思想就是在快速检测 即将出现的大短路电流峰值，并提前采取措施将其限制在低水平，以满足已有断路器在 不超过其切断能力的前提下切断短路故障。它正常时阻抗很小( 趋于零) ，而故障时阻抗 很大。它必须满足下列要求： f 常运行时对系统无影响( 压降为零) ； 故障时能在1 2 m s 内动作，可限制短路电流峰值及稳态值；动作时不造成过 电压等副作用； 故障后能自动复位； 不影响继电保护的动作； 可靠性高，不误动，不拘动： 成本较低，或性能价格比较高，能为电力部门所接受。 f c l 只有符合以上要求，爿能得到实际的应用。 由于应用f c l 可以大幅度限制故障短路电流，从而大大减少线路的电压损耗电 力系统的稳定性得到有效改善，电网和设备事故的影响可得到有效的控制；同时，由于 f c l 是在故障短路电流的第一个峰值之前就发挥作用，许多设备所需求的热稳定极限和 动稳定极限均可降低，电网的热极限和稳定极限比减小，从而大大提高输电线的利用率 和输电极限，降低整个电网的投资，所以故障限流器的应用研究已经成为2 1 世纪电网 技术的前沿课题之一。 1 2 f c l 的发展 故障限流器( f c l ) 早在七十年代就出现在国内外的文献中，至八十年代初期，仍有 人不断对此进行研究，传统的f c l 是使用机械开关，把故障电流转移到高阻抗回路。 其主要技术难点是丌关的灭弧问题，同时由于传统机械开关装置的成本高、速度慢，难 以限制短路电流的第一个峰值，因此未能在电力系统中实用化。随后在八十年代后期， 新技术的发展又出现了系列派生的短路电流限制器，如自愈合熔丝型f c l 、限流式熔 断器、高压限流式熔断器、串联电弧限流装置等新的f c l 的出现的确解决了一些技 华中科技大学硕士学位论文 术难点，然而却仍然不能摆脱自身所固有的缺点： 1 ) 自愈合熔丝型f c l 是利用n a 元素的热效应在大电流情况下形成高压、高温、 高阻抗的等离子体，在故障切除后，n a 等离子体可很快恢复至固态，重新回到低阻状 态，因此是一种可重复性设备，但是由于n a 元素的腐蚀性而使得设备的可重复性受到 限制： 2 ) 限流式熔断器和高压限流式熔断器均可以开断短路电流，两且开断能力大、速 度快。缺点是它们都是一次性设备： 3 ) 串联电弧限流可以在4 0 0 u s 的时间内快速检测故障电流并完成开断动作，丌断 产生的电孤在电动力的作用下快速从枫械开关移向高阻抗的轨道。电流过零时，电弧熄 灭，电流流过高阻抗，限制大的短路电流。在断路器动作之后设备复位。缺点是依靠电 弧阻抗来限流，弧道烧蚀严重，所以动作次数有限。 电力半导体器件在f c l 中的应用，是故障限流器发展的一个重要转折。晶闸管问 世后，人们开始研究使用晶闸管代替机械开关来切换阻抗，然而由于当时电力电子器件 都是以半控型的普通晶闸管为主，即门极控制信号只能控制其丌通，而不能控制其关断， 要关断它必须加很复杂的换相电路，其工作频率很难提高。8 0 年代以后，出现了大量的 全控型电力电子器件，如：电力晶体管g t r 、可关断晶闸管( g a t e t u r n o f f t h y r i s t o r , 缩写 g t o ) 、静电感应晶体管s i t 、绝缘栅双极晶体管( i n s u l a t e g a t e b i p o l a r t r a n s i s t o r 缩写i g b t ) 等，这些新产品的出现在功能上实现了自关断，从而避免了传统电力电子器件关断时所 必须的强迫换流电路。在1 9 8 6 年，美国电力科学研究院的著名电力专家h i n g o r a n i 创建 了f a c t s 理论，它是“应用电力电子技术的最新发展成就以及现代控制技术实现对交 流输电系统参数以至网络结构的灵活快速控制，以期实现输送功率的合理分配，降低功 率损耗和发电成本，大幅度提高系统稳定、可靠性”。f a c t s 概念一经提出就立即受到 各国电力部门的重视，在f a c t s 数目众多的家族中，故障限流技术被列为重点研究项 目。目前研究最多的是用可关断晶闸管g t o 代替断路器。 近年来，超导故障限流器( s u p e r c o n d u c t i n g f a u l tc u r r e n tl i m i t e r , 缩写为s f c l ) 具有反 应速度快、能自动触发、自动复位、可多次动作等优越性，是f c l 发展的另一个新方 向。已进行过研究的s f c l 可分为电阻型、变压器型、混合型、磁屏蔽型、无感电抗器、 华中科技大学硕士学位论文 饱和铁心电抗器、三相电抗器型和桥路型等8 种。目目u 学者针对不同结构的s f c i ，在实 用化过程中所面临的一些技术难点，如动作电流整定、参数选择、失超恢复问题等进行 了比较研究。研究表明，高温超导带材制造桥路型s f c l 具有费用低、性能好、西】控性 强等优点，成为s f c l 工程实践的首选方案。 磁阀式可控电抗器也是9 0 年代的新兴产品，“磁阀”的概念是前苏联学者在1 9 8 6 年提出的，使可控电抗器的理论向前发展了一大步。磁阀式可控电抗器的铁心截面积具 有减小的一段，在整个容量调节范围内，只有小面积一段磁路饱和，其余段均处于未饱 和的线性状态下，通过改变小截面段磁路的饱和程度来改变电抗器的容量，这就是“磁 阀式”名称的由来，磁阀式可控电抗器的制造工艺简单、成本低廉，对于提高电网的输 电能力，调整电网电压，以及限制过电压具有非常大的应用潜力。 除上述几种常见的故障限流器之外，此领域还存在其他一些类型的f c l ，例如：具 有正温度系数( 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 ) 聚合材料的f c l 、基于真空触发开 关与快速合闸真空开关的f c l 等，均正处于试验丌发过程中。 1 3 故障限流器的种类及其特点 1 3 1采用开关元件直接投切串联阻抗的f c l 图1 1 和图1 2 是两种典型的采用开关元件直接投切串联阻抗的f c l ，这种故障眼 流器保护电路的基本思想是：j 下常负载情况下，故障限流器的开关( 机械开关或固态丌 关1 闭合导通，流过线路电流；当故障发生时开关元件断开，限流阻抗串入电网，以限 制短路大电流。以图1 2 为例进行说明，图中是运用两个反并联g t o 作为丌关元件代 替传统的机械开关，其具体工作过程分析如下：在系统正常运行时，线路电流流经g t o ， 每周期内两支反并联g t o 交替导通，整个限流装置对电网呈现低阻抗值；当短路故障 发生时，控制电路在短时间内检测故障电流并发出门极关断信号关断g t o ，将阻抗z 串入电网限制短路电流。图1 2 中氧化锌避雷器z n o 是用来限制固态丌关g t o 丌断过 程的瞬时过电压。 采用开关直接投切阻抗的f c l 缺点是：使用率不高，仅在故障发生的情况下才能 投入使用；丌关分断电流困难，机械开关速度慢，维修量大；f 常运行时，固态丌关处 华中科技大学硕士学位论文 于导通状态，因此具有一定的功率损耗。于是，学者们提出了带串联补偿的f c l 。 厂q 一鼻 r u 一 足芎 生一 ， 、“o 媳t f 也 图1 1用机械开关直接投切阻抗的f c l 图1 2 用固体开关直接投切阻抗的f c l 1 3 2 带串联补偿的f c l 1 9 9 6 年在只本提出了带串联补偿的f c l ( f a u hc u r r e n tl i m i t i n g w i t hs e r i e s c o m p e n s a t i o n ) ，带串联补偿的故障限流器不仅可以提高功率传输能力，而且还可以快速 抑制短路电流以达到保护电力系统的目的。图1 3 给出了典型的带串联补偿f c l 的原理 电路。 图1 3 带串联补偿f c l 的原理电路图 这种f c l f 常运行时为l i c l 串联，s w l ( 两个反并联g t o 作为开关元件) 处于关 断状态，电路阻抗呈容性，此时故障限流器工作在常规串补状态下。电路在某时刻发生 一 华中科技大学硕士学位论文 故障时，s w 】迅速导通短按电容器c l ，此时由电抗器工】柬限制短路电流。低值阻抗z 。 限制固态开关s w l 开通过程中的涌流；同样，氧化锌避雷器z n o 用于限制电容c ，两 端的过电压幅值：故障状态下，在固态开关s w l 开通的同时旁路开关b p s 闭合，一方 面低值阻抗z 2 和旁路开关b p s 为电容c l 释放所储存的电能提供通路，另一方面低值 阻抗z 2 还用来限制旁路开关闭合时所产生的涌流。带串联补偿f c l 的特点是： ( 1 1s w 可以提供比传统断路器更快速的敲障电流保护，同时还可以进行无功补偿， 提高了系统的传输能力和稳定性。 ( 2 ) 在f 常工作情况下，s w 】处于关断状态，没有功率损耗：电容器实现常规串补， 提高了故障限流器的使用率。 ( 3 ) 故障发生时，控制电路触发导通开关元件，z ，接入电容器两端，与电容器( 1 i 并 联运行，增大线路阻抗值_ 以限制故障电流。 采用固体开关直接投切阻抗的f c l 和带串联补偿的f c l 均是采用功率电子器件 g t o 来控制线路阻抗，这两种f c l 始终未投入实际的广泛应用，原因在于：首先，运 行损耗大、体积大。通常在额定负载电流下，装置本身的热损耗为通过功率的o 2 ； 其次，造价高。根掘有关文献所给相关元件的价格，f a c t s 控制器单值容量造价约为 f 2 0 4 0 ) 美元k v a r ，那么一个用于线电压1 0 k v ，正常运行相电流4 0 0 a 的故障限流器， 造价为t 1 4 2 8 ) 万美元。特别是可控硅元件造价高，而且目前可控硅容量不能满足大 容量系统的使用要求。 1 3 3 采用超导材料的故障限流器( s f c l ) 超导故障限流器( s u p e r c o n d u c t i n gf a u l tc u r r e n tl i m i t e r ，简称s f c l ) 是被最广泛研 究的f c l 之一，目前在f c l 研究人员所发表的文章中，有关s f c l 的内容占到了5 0 以上。f 本于1 9 9 7 年左右就开始研究s f c l ，同时中国科学院电工研究所也对超导故障 限流器进行了大量的研究。将超导故障限流器接入电网中，当电力系统正常运行时，超 导体状态的电阻几乎为零，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，超导体瞬时失超而产生非线性高电阻，从而有效地限制短路电流。超导故 障限流器( s f c l ) 有许多类型，其中桥路超导故障限流器具有广淘的前景。 桥式超导故障限流器的原理电路图如图1 4 所示：它由二极管桥路d i d 4 、超导线 6 华中科技大学硕士学位论文 圈l 和直流偏压源圪组成，与之串联的断路器c b 用柬丌断被降低的故障电流，n 为 超导线圈提供偏流i 。证常运行期间调节使i t = 如( 直流) ，而如大于线路电流i 。的峰 值。于是二极管桥路始终导通，除桥路上有较小的正向电压降外，s f c l 对i 。不表现出 任何阻抗。当线路发生短路故障，i 。幅值增加到如时，在f a 。的f 半周内二极管d 3 和 d 。不导通，而在负半周内d l 和d 2 不导通，超导线圈就被自动串入线路，短路电流的上 升率就被大电感l 所限制。 载 图1 4 桥式超导故障限流器 理论上超导故障限流器具有很多优点，但实际上：一方面，由于超导体的失超电流 受超导体内合会比例、散热条件等因素的影响，而且由于工艺水平的限制，超导线材的 均性得不到保障，所以要将s f c l 的失超电流严格控制在给定值有一定的难度：另一 力面，当电压升高一定值后，超导体的超导丝受电磁力的作用，相位移增加，失超电流 会下降；第三个方面，超导磁体需密封在装满液态氦中的低温容器中以达到超导态，这 样就使得整台限流器体积大、造价高，不容易实现控制和维护；而且被限制的短路电流 波形近似于方波，谐波含量大，易对电网产生不利的影响。 1 3 4磁阀式可控电抗器 图】一5 为磁阀式可控电抗器的结构和电路图，电抗器的主铁心分裂为两半，截面积 各为a 。，长度为f f r 。同时每一半铁心具有一长度为z ，的小截面积，其面积为a y t 。 ha 寸， 控制器输出为_ d i 酉时，既a j o - 在此开关周期内逆变器输出电流小于给 f r k 定电流；当i j u - 蓠时，即ai 0 ，在此开关周期内逆变器输出电流大于给定 皂流。 这4 i 仅是一种电流跟踪型控制方法，同时也是线性化的p w m 控制方法。由于p w m _ 丌关频 率是固定的，那么在个周期中电流的变化率就决定于占空比的数值，利于数字化的实 现。 从上面的分析可以看出，这种方法也存在不足之处：逆变器的输出电流对其给定值 f 冗瞻 存在着一一个跟踪误差面蒿，此误差为反馈电流i 的函数，而反馈电流i 。是周期性的，因 此这个跟踪误差也是周期性的。从误差公式得出，增大三相整流桥的直流输出电压l 。 和增大比例环节的系数可以减少跟踪误差。 从给定信号和输出信号( 图中的反馈电流i ) 的算出误差e ，经p i 调节器后，与三 角波进行比较，产生p w m 信号，驱动逆变器。这种控制方式的p w i v l 频率即为三角波 的频率，所以必须保证在一个三角波周期内，p i 调节器的输出信号e 。只能与三角波有 两次相等，这就要求e 。的变化率小于三角波的斜率，一般来说，由于实际中的负载l 较大，所以还是很容易做到的。p i 调节器的原理图如图4 - - 6 所示。 华中科技大学硕士学位论文 月， c 图4 - - 6p i 调节器原理图 从上图可知 i i = i o = e j r o 叫 古一c 每q + 志脚 一( i k r e , 4 - 等b 圳 ( 4 _ 6 ) 其中，k r = r j r o 是p i 调节器的p 参数； t ，= r 】c 】是p i 调节器的积分时间常数。 取s = d d t ，则 叫”冬 令k = k 以l ，则p i 调节器的传递函数为f ( s ) = ，+ 羔 j 从理论上说，p i 调节器的p 参数越大，跟踪误差越小，但是p 参数超过一定值将出 现系统不稳定的现象，所以必须进行稳定性分析。另一方面，由于积分环节的存在。必 然会使系统产生滞后现象，一般这种滞后是个开关周期，同时，积分环节一旦出现饱 和，那么整个控制信号都会失真直接影响输出，所以必须在e p 之后加一个限幅措施。 如果合理设置p 1 参数，这种定频的控制系统将在很大范围内满足需要，是一个很好的 选择。 与电流滞环p w m 控制方式相比，该方式具有如下的特点： 1 )硬件电路较为复杂： 2 )输入电流和给定信号存在个周期性跟踪误差； 华中科技大学硕士学位论文 3 )器件的丌关频率固定，且等于三角波的频率； 4 )跟踪性能受输出电压的影响，响应速度较慢。 4 2 电流控制系统的仿真 由于滞环具有绝对的稳定性，在和己 固定以后，除了在滞环宽度和开关频率的设 定上进行控制以外，不受其他因素的影响所以不做更为深入的研究，这旱只对定频三 角波进行控制的仿真。 图4 7 三角波比较的仿真模型 根据上述分析，构造仿真模型，如图4 7 所示，利用m a t l a b 之s i m u l i n k 软 件进行仿真，结果如下； 1 ) 给定和输出的电流如图4 - - 8 所示。 3 3 华中科技大学硕士学位论文 给定 ； 输出 i 锄 1 嵫 ： 一 ：一 洲1喵 。 定和输出电流波形 2 ) 三和p i 调节器的输出如图4 9 所示其局部展开图为图4 一1 0 。 华中科技大学硕士学位论文 图4 9 三角波和p i 调节器的输出比较 图4 1 0 三角波和p i 调节器的输出比较( 局部展开图) 3 ) p w m 的电压和电流波形如图4 1 1 所示。 华中科技大学硕士学位论文 图4 1 lp w m 电压和电流波形 结论：给定电流和输出电流存在着极小的相位差，可以满足实时控制的要求：只要 p i 调制器的输出不超过三角波的幅值，就能保证控制系统的稳定，从而实现控制要求。 华中科技大学硕士学位论文 5 仿真分析 本章以m a t l a b s i m u l i n k 中电力系统专用仿真模块p s b 为工具，建立了基于基 波磁通补偿的故障电流限制器的仿真模型，并通过仿真，得出的波形证实了基于基波磁 通补偿的故障电流限制器方案的可行性。 5 1m a t l a b 及其s i m u l i n k 库和p s b 模块简介 5 1 1m a t l a b s i m u l i n k m a t l a b ( m a t r i xl a b o r a t q r y 的缩写) 是美国的c l e v em o l e r 博士丌发的一套集 命令、科学计算于一身的交互式软件，它于1 9 8 4 年首次推出。 m a t l a b 中提供了一个动态仿真工具软件包s i m u l i n k ，用于对动念系统进行建 模、仿真和分析，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种 采样速率的多速率系统。s i m u l i n k 为用户提供了用方框图进行建模的图形接口与传 统的仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更方便、灵活的优点。 m a t l a b ( 以5 3 版本为例) 中的s i m u l i n k 仿真软件包中包含有s o u r c e s ( 输入源) 、 s i n k s ( 输出源) 、c o n t i n u o u s ( 连续环节) 、d i s c r e t e ( 离散环节) 、m a t h ( 数学库) 、 f u n c t i o n s & t a b e l s ( 函数模块和查表模块) 、l i n e a r ( 线性环节) 、n o n l i n e a r ( 非线性环节) 、 s i g n a l s & s y s t e m s ( 信号和系统模块) 、b l o c k s e t s & t o o l b o x e s ( 模块库和工具箱) 和d e m o ( 例程库) 等多个子模型库。在m a t l a b 的新版本( 5 2 以后的版本) 中，s i m u l i n k 的b l o c k s e t s & t o o l b o x e s 子模型库新增添了专为电力系统仿真提供的p s b ( p o w e rs y s t e m b l o c k s e t ) 。 5 1 2p s b 模块简介 由于本章是基于电力系统仿真模块( p o w e rs y s t e mb l o c k s e t ，简称p s b ) 的建模， 这早先介绍一下它的概况。 到目前为止，对电力系统进行数字仿真主要有三种方法：状态变量分析法、节点分 析法和改进的节点分析法。在p s b 中采用的是变步长状态变量分析算法，较好地实现 了电力系统、电力电子器件和控制系统三者的结合，且s i m u l i n k 提供了友好的仿真坏 华中科技大学硕士学位论文 境和图形界面，在仿真的同时可以观察仿真结果。 p s b 功能强大，为电力系统仿真提供了e l e c t r i c a ls o u r c e s ( 电源模型) 、e l e m e n t s ( 元 器件模型) 、p o w e re l e c t r o n i c s ( 电力电子器件模型) 、m a c h i n e s ( 机械系统模型) 、 c o n n e c t o r s ( 连接线模型) 、m e a s u r e m e m s ( 、狈l j 量模型) 、p o w e r l i be x t r a s ( 特殊电力系统模型) 、 d e m o ( 列程库) 和p o w e r g u i ( 电力系统图形界面模型) 等多种电力系统仿真所需的模块。 其中，e l e c t r i c a ls o u r c e s 为电力系统仿真提供了交直流电压源电流源模型：e l e m e n t s 主要提供了负载、线路和单相变压器模型：p o w e re l e c t r o n i c s 模型库提供了多种电力电 子器件模型，这些模型为f a c t s 装置的仿真提供了极大的便利。这些电力电子器件模 型考虑了实际的电力电子器件的各种详细参数，能够精确地描述电力电子器件的各种物 理特性；m a c h i n e s 提供了同步电机、异步电机、励磁系统和水轮机调速模型：c o n n e c l o r s 提供了母线和连接线等模型；m e a s u r e m e n t s 提供了电压和电流测量元件( p t 和c t ) 模 型；p o w e r l i be x t r a s 提供的模块比较多，主要包括：有功无功测量模型、傅立叶分析模 块、三相电力系统模型、一些电力系统中的控制模块和直流电机模型。p o w e r g u i 的功能 则主要是建立所需仿真系统的状态方程，计算系统的稳态潮流，并可对系统状态变量设 詈初值。 5 2 基于磁通补偿的故障限流器的试验电路图 根据图5 1 所示为基于磁通补偿的f c l 电路结构，根据上述原理，我们进行了 m a t l a b 仿真工作。在仿真模型中，采用丌关频率固定的p w m 触发方式，频率选为 1 0 k h z 。两路采样电路，均是使用电流互感器对电网电流和变压器二次侧电流进行采样。 变压器变比为k = i ：1 直流母线电压为2 6 0 v ，电解电容c s 选择4 4 0 0 u f 。逆变器中采 用n p t 型i g b t 作为开关器件。 3 8 华中科技大学硕士学位论文 图5 1 基于磁通补偿的故障限流器电路结构 基于磁通补偿大容量的f c l 电路结构如下图5 2 所示，变压器副方采用多绕组。 图5 2 基于磁通补偿的故障限流器电路结构( 多支路) 参数如下所列： u s 电网的电压1 0 k v ； c s 一三相整流桥后接电容4 4 0 0 u f 磊：为电源内阻抗值为8 7 1q ； 3 9 华中科技大学硕士学位论文 ，：负载电感耿值为1 8 6 5 m h ： 届：负载电阻取值为1 1 0 5q 。 5 3 仿真图及其波形 按照图j 一1 进行m a t l a b 仿真，仿真图如下5 3 j 一3 基于磁通补偿的故障限流器仿真图 5 3 1电网运行正常的情况 在电网f 常运行时，出于变压器变比k = i ：1 ，则卢f ( f 是电网电流，是变压器二次 侧电流) 图5 - - 4 和图5 5 所示为在未串入故障限流器和串入故障限流器后两种情况下 电网电流波形的比较。两个图说明在正常运行期间故障限流器的串入对电网电流是没 有影响的，验证了在电网正常运行时，故障限流器的两端有很小的压降。 4 0 华中科技大学硕士学位论文 一仝p 、 0 毫 ； r | | ? 一 ! ； ； l i j 夕夕 ： o0 400 5 5 j 一4 电网电流波形( 故障限流器未串入时波形) 0d e 一瓜 。 夕_ i ，j | 7 7 i | 一_ i 夕 一 夕 j o0 4 0 0 4 50 d 500 5 60 0 6 5 5 电网电流波形( 故障限流器串入处于全补偿状态) 5 3 2 电网短路故障情况 n 分别就纯电阻负载和感性负载进行仿真，图5 6 ，5 7 分别是纯电阻负载情况下， f 常运行时的电网在某一时刻发生短路，如果没有引入基于磁通补偿的故障电流限制 器，在负载短路后，短路电流会不受限制的上升；而当线路中接入此故障限流器后，同 样发生短路故障时，控制电路在微秒级的时间内封锁p w m 驱动信号，即原理分析中的 盯 0 卯 0 华中科技大学硕士学位论文 a = o 时的情况变压器二次侧注入电流为0 ，此时短路电流的峰值将会被限制。同样 图5 8 ，5 呻是在感性负载情况下仿真以后得出的电网电流波形。 图5 6 纯阻性负载时电网短路电流波形( 短路时故障电流限制器未串入) 图j 一7 纯阻性负载时电网短路电流波形( 短路时故障限流器瞬时串入高阻抗) 4 2 华中科技大学硕士学位论文 圈j 一8 感性负载时电网短路电流波形( 短路时故障电流限制器未串入) 图5 - 9 感性负载时电网短路电流波形( 短路时故障限流器瞬时串入高阻抗) 5 3 3多支路补偿绕组仿真波形 当变比为1 时，考虑各种故障现象( 包括逆变器和变压器故障) 及短路现象，二次 侧压降可能会达u ；，这个交流电压会通过逆变器的四个续流二极管构成的整流桥给电 华中科技大学硕士学位论文 容器充电，导致直流母线电压过高影响i g b t 的安全。在这种情况下，注入变压器二次 侧垂勺补偿电流为口，要使串联型有源滤波器的容量变大，注入变压器二次侧的电流( 即 逆变器的输出电流) 可能会超过现有的功率器件的容量。可采用前述多个补偿绕组理论。 取四条支路进行仿真，仿真图如下5 一1 0 ，得到未串入f c l 的电网电流波形和串入 f c l 后电网电流波形如图5 一】1 ，5 一】2 ，每一补偿绕组电流波形如图5 1 3 ( 参数同单 绕组情况) 。 5 1 0 基于磁通补偿的故障限流器仿真图( 四条支路) 4 4 华中科技大学硕士学位论文 j 一1 l 四绕组时电网短路电流波形( 短路时故障电流限制器未串入) 厂、 1 ：八 厂、 八卜 卜 f ! 一 7 w f- 卜7 一 _ 弋： v v 广 l|- 图j 一1 2 四绕组时电网短路电流波形( 短路时故障限流器瞬时串入高阻抗) 佃 瑚 瑚 瑚 。 啪 瑚 蓦| 华中科技大学硕士学位论文 图5 1 3 每一绕组的电流波形( 短路时故障限流器瞬时串入高阻抗) 华中科技大学硕士学位论文 通过分析波形可以得知，比起单个补偿绕组方案，多补偿绕组在故障限流的性能上 毫不逊色，但每一补偿绕组容量大大降低，从而降低了对现有功率器件的要求。从而验 证了变压器多支路并联与饱和变压器在大容量故障限流器设计中的作用； 5 4 波形分析 从三种上述仿真波形上可以看出基于磁通补偿的f c l ，在实际的应用中具有一定的 优势： 1 在系统正常运行时，基于磁通补偿的f c l 呈现很小的变压器一次侧漏阻抗，压降很 小，对电力系统无不良影响，仿真波形也说明了这一点。 2 系统发生短路故障时，f c l 在微妙级的时间内封锁p w m 驱动信号逆变嚣输出信 号为0 ，变压器二次侧注入电流为0 ，故障短路电流的缩减为未串入f c l 时的5 0 。大 的短路的电流被降低在设定的范围内，使电网的热极限和稳定极限比减小，从而大大提 高输电线的利用率和输电极限，降低整个电网投资。 3 从短路故障保护的波形可以看出，f c l 动作的暂念响应好，从纯电