（电力系统及其自动化专业论文）改善系统稳定性的故障限流器的控制策略研究.pdf

偿的故障限流器的优越性。通过数字仿真验证了其对改善电力系统暂态稳定性 的有效性和鲁棒性。 在第六章中，主要针对大型互联电力系统，具有串联补偿的限流器可以起 到功率支援的作用。本章将基于现代微分动力系统理论的暂态能量方法引入限 流器的可控串联补偿的稳定控制，将暂态能量函数( t e f ) 值作为系统稳定的 指标，并用t e f 对时间的导数来决定具有串联补偿功能的故障限流器( f c l ) 在暂态稳定过程中的控制策略，可有效地改善系统暂态稳定性并迅速平息后续 振荡。同时，针对三相短路故障，用数字仿真对控制策略进行了验证，结果表 明该控制策略是有效可靠的。 关键词：故障限流器暂态稳定可控串联补偿模糊控制器暂态能量函数 稳定控制g 1 d l i s t u d y o fc o n t r o l s t r a t e g y o ff a u l tc u r r e n tl i m i t e r f o r i m p r o v i n g p o w e r s y s t e m s s t a b i l i t y m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e m a n di t sa u t o m a t i o n g r a d u a t e ：q i n g f a n g y u a n a d v i s o r ：x i n g y u a n l i t h e g r o w i n gd e m a n d f o re l e c t r i c i t yh a sr e s u l t e di nac o r r e s p o n d i n gi n c r e a s ei n p o w e rg e n e r a t e da n dt r a n s m i t t e d t h ei n c r e a s ei ni n s t a l l e dc a p a c i t yw i l lr e s u l t si n h i g hf a u l tc u r r e n t s u t i l i t i e sa r ef a c e dw i t hf a u l tc u r r e n t st h a tc a l le x c e e dt h er a t e d c a p a c i t yo f t h ei n s t a l l e dc i r c u i tb r e a k e r , a n do t h e re q u i p m e n t w i t ht h ea d d i t i o no f n e wa n dl a r g e rg e n e r a t i n gs t a t i o n sa n ds t r e n g t h e n i n go ft h ed i s t r i b u t i o ns y s t e mt o m e e tt h eg r o w t hi nt h ed e m a n d ，t h em a g n i t u d eo ft h ef a u l tc u r r e n th a sa l s og r o w n t oc o r r e c tt h i sp r o b l e ma tt h ed i s t r i b u t i o nl e v e l ，af a u l tc u r r e n tl i m i t e r ( f c l ) c a l lb e u s e d t h ef a u l t c u r r e n tl i m i t e r ( f c l ) p r o b l e m sa n dt h eb a c k g r o u n do ft h i st h e s i s 毗 s u m m a r i z e di nt h ef i r s tc h a p t e r , a sw e l la sw h a t st h i st h e s i sd o e s i n c h a p t e r2 ，b a s e d o nt h e a n a l y s i sp e r f o r m a n c ea n dt h e c h a r a c t e r i s t i co f d i f f e r e n tt y p eo fs o l i df a u l t c u r r e n tl i m i t e r , an e wc o n c e p tf o rac o m b i n e ds h o r t c i r c u i tl i m i t e ra n dd y n a m i cs e r i e sc o m p e n s a t o ri sp r e s e n t e d i ti sc o m p o s e do fa f i x e dc a p a c i t o r , t h y d s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r st h a ti sp a r a l l e lw i t l lab y p a s sr e a c t o r c o n t r o l l e db yg t o t h ec o m p e n s a t i o ni sc o n t r o l l e db yt h ec a p a c i t o r ss w i t c h i n go n a n do f fi ns t e p s ，w h i l et h ec u r r e n tl i m i t a t i o ni sa c h i e v e db y i n s e r t i n gar e a c t o r c i r c u i t i nt r a n s m i s s i o nl i n e ad i s t r i b u t i o ns y s t e mi ss i m u l a t e db yt h em e a n so fm a t l a bi nc h a p t e r3 t h e o b t a i n e dr e s u l ts h o w st h ed e v i c ec a l le f f e c t i v e l yl i m i tt h ef a u l tc u r r e n t ，d e c r e a s et h e s a go fv o l t a g e ，a n di m p r o v e t h ep o w e r q u a l i t y j j j b e g i n w i t hc h a p t e r4 ，t h ei n f l u e n c eo ff a u l tc u r r e n tl i m i t c r ( f c l ) w i t h c o n t r o l l a b l es e r i e sc o m p e n s a t i o no ni m p r o v i n gt r a n s i e n ts t a b i l i t yo f p o w e rs y s t e m s i sd e s c r i b e d b a s e do nt h ef c lt r a n s i e n tm o d e l ，t h ep o w e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s y s t e mw i t hf c la r ea n a l y z e d ，a n dt h e a c c u r a t em a t h e m a t i c a l e q u a t i o n o ft h e c r i t i c a le l i m i n a t i n ga n g l eo fp o w e r s y s t e m sw i t hf c l i sd e r i v e d ，w h i c hs h o wt h a ti t i sa na c t i v ew a yt oi m p r o v et h et r a n s i e n ts t a b i l i t yb yu s i n gf c l i np o w e r s y s t e m s w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o n t r o lt h e o r y a n dt e c h n i q u e ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l t e c h n o l o g yi sg r a d u a l l ys h o w i n gi t ss u p e r i o r i t y c h a p t e r5m a i n l yp r e s e n t saf u z z y s t a b l ec o n t r o l l e ro ff c lt h a ti sb a s e do nt h ef u z z yl o g i c a lt h e o r y c o m p a r e dw i t h c o n v e n t i o n a lc o n t r o l l e r s ，i th a st h ea d v a n t a g e so fr e s p o n d i n gr a p i d l y , i m p r o v i n gt h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rs y s t e m se f f e c t i v e l ya n de n h a n c i n gs y s t e m s s t a b i l i t y t h er e s u l t so f s i m u l a t i o nt e s t i 每t h ec o n t r o l l e r sv a l i d i t ya n dr o b u s t n e s sf o r i m p r o v i n gp o w e rs y s t e ms t a b i l i t y f o rt h el a r g ei n t e r c o n n e c t e dp o w e rs y s t e m s ，c h a p t e r6p r e s e n t st h a tf a u l tc u r r e n t l i m i t e r ( f c uc a nb eu s e di n i ti no r d e rt oa s s i s t p o w e ri nt h i sc h a p t e ru s i n g t r a n s i e n te n e r g yf u n c t i o n ( t e f ) a st h ea s s e s s m e n to fs y s t e ms t a b i l i t ya n da p p l y i n g t h ed e r i v a t i v eo ft e ft od e t e r m i n et h ec o n t r o ls t r a t e g yo ff c lw i t hc o n t r o l l a b l e s e r i e s c o m p e n s a t i o n i nt r a n s i e n t s t a b i l i t yp r o c e s s ，t h e t r a n s i e n t s t a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c sc a nb ee f f e c t i v e l y i m p r o v e da n ds u b s e q u e n t o s c i l l a t i o nc a nb e q u i c k l yd a m p e d t h ep r e s e n t e d c o n t r o ls t r a t e g yi st e s t e da n dv e r i f i e db yt h r e e 。p h a s e s h o r tc i r c u i tf a u l ta n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sc o n t r o ls t r a t e g yi se f f e c t i v ea n d m l i a b l e k e y w o r d s ：f a u l t c u r r e n tl i m i t e r ；t r a n s i e n ts t a b i l i t y ；c o n t r o l l a b l es e r i e sc o m p e n s a t i o n ； f u z z yl o g i c a lc o n t r o l l e r ；t r a n s i e n te n e r g y f u n c t i o n f i e f ) ；s t a b i l i t y c o n t r o l ；g t o i v 四川人学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 第1 章绪论 1 1 选题背景及研究意义 随着电力系统和现代化工业的发展，大电网互联和跨国互联正在进行，单 机容量不断增大，低阻抗大容量变压器在现代化低压配电系统中的应用不断增 加以及配电网络的不断发展，使电力系统的短路容量日益增加，必须满足短路 电流提高所带来的更苛刻的要求。常规做法是在电网中串入限流电抗器，但在 电网正常运行时，由于在其上有电压降落以及损耗，对电网的输电质量有一定 影响。同时，由于该限流电抗不能太大，所以在故障发生时不能显著地降低短 路电流。限流式熔断器是目前唯商业化地故障电流限制器，一旦熔断器熔断， 便切断了故障电路，但这是单次动作的。另一种做法是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，电网系统的可靠性大大降 低，目前合乎容量要求的设备，在不远的将来，设备容量就可能不满足短路电 流水平了。因此，系统中短路限流成为一个迫切需要解决的问题。 计算机、电力电子、超导技术和新材料等的发展，限制短路电流以减轻断 路器开断负担已成为可能，在2 0 世纪7 0 年代就有人提出了短路限流器【i l 或 称故障电流限制器( f c l f a u l tc u r r e n tl i m i t e r , 或c l d c u r r e n tl i m i t i n g d e v i c e ) ，经过2 0 多年的发展，涌现出多种类型的限流器，它可以被看作是新 兴的f a c t s 装置的一种。f c l 不但能满足系统快速限流的要求，而且还应该 符合技术经济要求。在系统中将具有快速动作特性的f c l 和断路器配合使用， 不但可以缩短故障切除时间，还有利于系统的稳定运行。 1 2 国内外固态限流器研究动态及存在问题 近1 0 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可 直接应用，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 a 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，本文主要重点研究固态限流器。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 1 2 1国外固态限流器进展 2 0 世纪9 0 年代初推出固态限流器方案后，国外在这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 m w 的固态断路器， 平均工作电流为8 0 0 a ，在发生电路故障3 0 0 j 的时间内切断故障，起到有效 的保护作用【2 】。 西屋公司与e p r i 公司合作们，制造出一台短路限流器( 1 3 8 k v ，6 7 5 a ， 与固态断路器s s c b 组合) ，于1 9 9 5 年2 月安装在p s e & g 的变电站，投入运 行 3 】口 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 g d e v i c e ) 的实验装置并进行了试验n 在试验试验装置中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全可行。 对于混合限流器，f i 本富士电机与关西电力公司联合开发的4 0 0 v 配电用 混合式限流分段装置，由真空开关和g t o 并联构成1 5 】。图1 1 为a c e c - t r a n s p o r t 和g e c a l s t h o m 开发已形成商业化交直流两用的混合式故障限流器【6 】。 s d 打 d i 烹d 2 i | 1k i r q l一 ；l r 、f s c r l l s c m l it 图1 1 混合式故瞳限滚器图1 2 具有串联补偿作用限流器 最近2 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 四川人学硕 ：学位论文( 2 0 0 4 ) 场运行更加实用化、商业化的需要：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基于一身7 1 。 1 2 2 国内固态限流器进展 我国在固态限流器方面研究比国外起步晚，但也初步取得了一定成果。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了一定进展并获得 国家专利( “9 1 。华中科技大学研究的基于串联补偿作用的限流器拓扑结构与图 1 2 基本相似，主要区别在于元件s w i 。它为真空触发间隙或用高速斥力机构 操作的合闸开关【1 0 2 1 ，真空间隙的点火时间为l j s 5 _ j ，用高速斥力机构操 作的合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t 具 有一定的研究意义【b 】。文献【14 】报道的具有串联补偿功能的新型短路限流器是 将图1 2 拓扑结构稍作改变，g t o 既能控制补偿度又能控制故障限流程度。 浙江大学对新型固态短路限流技术的研究工作1 1 5 , 1 6 1 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试验。取得了满意的结果。根据目前已获得的研究成果， 和国家相关部门合作。正在开发工业试验样机，并已经取得重大进展。 1 2 3 现今存在的问题 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有竞争力。应用电力电 子技术的固态限流技术，不仅能限制短路电流值，而且利用固态开关的特性， 可在一个工频周期左右的时间内实现短路电流的快速无弧切断，并由于电流过 零时自然关断可避免或极大地减少断开短路而引起的暂态过电压。 目前，固态限流技术的应用还局限于个别工程( 从实用化程度看，国内与 国外先进水平还有一定的差距) ，如果大规模应用固态限流装置，还要解决一些 全局的技术问题： ( 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； 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) ( 3 ) 固态限流器控制纳入现有的电网调度控制系统问题； ( 4 ) 研究单位、生产厂家与用户通力合作，避免研究和生产各自为政、 缺乏全面部署和重复开发，应集中力量实现产业化。 ( 5 ) 通过对美、加“8 1 4 ”大停电事故的研究，国外专家认为限流器是 避免大停电事故的五大新技术( h v d c 、f a c t s 、超导电缆、超导储能、 限流器1 之一。因此，希望基金委和节能环保基金能继续资助和加大资 助力度以便使固态限流技术实用化和实现产业化。 1 3 短路电流限制器的要求 短路电流限制器应满足如下几点要求： ( 1 ) 正常运行时对系统无影响( 压降为零) ： ( 2 ) 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； ( 3 ) 动作时不造成过电压等副作用； ( 4 ) 故障后自动复位： ( 5 ) 不影响继电保护的工作： ( 6 ) 成本较低能为电力部门所接受。 1 4 本文的主要工作 目前，基于晶闸管的具有串联补偿的新型f c l 的研究已经有了一定的进 展，但主要还是集中在拓扑结构【1 t 1 8 1 、原理小9 , 2 0 1 、和参数的完善口1 1 三个方面。 尽管对于f c l 的限流原理已有了一定程度的研究，但有关f c l 控制策略方面 以及它对改善电力系统暂态稳定性的研究才刚刚开始，仅有文献 2 2 】与文献【2 3 】 分别提出了采用p i d 控制、线性二次最优控制方法，以及文献【2 l 】从f c l 对系 统功角曲线的影响方面做了一些基本的研究。本文在前人研究的成果基础上， 进行了以下研究工作： ( 1 ) 提出了一种新型的具有动态串联补偿的故障电流限流器f c l 的拓扑结 构，并以一配电系统为例，采用m a t l a b 软件对新型f c l 进行仿真，验证其 对系统的稳定性、电能质量和传输能力提高的有效性。 ( 2 ) 在提出f c l 暂态模型的基础上，详尽地分析了具有f c l 的电力系统在 四川大学硕十学位论文( 2 0 0 4 ) 各种情况下的功率特性，并且利用等面积准则推导了具有f c l 系统的极限切除 角的严格数学表达式。基于以上分析，从理论上严密地解释了f c l 对电力系统 暂态稳定性影响的机理。 ( 3 ) 在此基础上，提出了一种基于模糊逻辑控制理论的故障限流器的稳定控 制器。由于智能控制本身所具有的独有特性，使得模糊逻辑控制在故障限流器 中的这一应用对提高系统稳定性产生极大的影响，仿真结果表明，与常规控制 器相比，该控制器不但能大大提高系统的暂态稳定性，而且具有很强的鲁棒性。 ( 4 ) 进一步研究f c l 对系统暂态稳定性能的影响。在装设有f c l 的大型互 联电网系统中，将暂态能量函数( t e f ) 值作为系统稳定的指标，并用t e f 对 时间的导数来决定具有串联补偿功能的f c l 装置在暂态稳定过程中的控制策 略，可以有效地改善系统的暂态稳定性并迅速平息后续振荡。同样，通过数字 仿真验证了该控制策略是有效可靠的。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 第2 章故障限流器的种类及新型f c l 的设计 2 1 短路限流器类型 2 1 1 超导限流器 当处于超导态的超导体的温度超过临界温度t c ，穿过超导体的磁场超过临 界磁场h c ，流过超导体电流超过l i 缶界电流i c ，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 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“失超”( q u e n c h ) ，由零阻抗表现为非线形高电阻，从而限制了短路电 流。超导限流器( s f c l ) 正是利用超导体的超导j e 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，s f c l 的研究在世界范围内 已引起了广泛关注t 2 4 2 5 1 。目前s f c l 主要有4 种类型：电阻型、电感型( 又称 变压器型) 、磁屏蔽型、饱和铁心型；此外还有其他类型的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收到许多条 件的限制，特别是在大功率场合的应用技术尚不成熟，成本也及其昂贵，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不。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。 2 1 2 磁元件限流器 采用磁元件构成的限流器又称为磁饱和型短路限流器，如图2 1 所示，它 由铁心、一次和二次线圈、直流偏置电源等组成。 选取适当的安匝数，使两个电抗器铁心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，两个电抗器铁心分别工作在 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 2 6 1 ，但是工作范围很小，合理的短路限制 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 倍数很难设计。并且在很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，在大容量等级下很难有合适的永磁体可以幂用。 1 图2 t 硪饱和型限流器 2 1 3p t c 电阻限流器1 2 7 , 2 8 1 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，当温度升高到一定值时，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散热设备处理，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 电阻阻值在微秒时阃内增加为高电阻值，从而起到限制故障电流的作用，在美 国海军新型战略舰上已有相关应用。 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1 0 8 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，必须采用特殊的链接设备和充分考虑连 接设备热的和机械的强度。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 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 限制短路电流故障切断后，需几分钟的恢复时间，且这种限流器在使用多次后 也会导致性能变坏，必须更换。 2 1 ，4 固态限流器 ( 5 ) 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0 、并联谐振电路的 导纳为0 的特点，设计成串联谐振限流器和并联谐振限流器。图2 2 为串联谐 振限流器，正常运行时，l 2 与c 发生串联谐振，阻抗为0 。故障时，s c r 闭合， l 2 串入电路限流。其中l l 仅是保护固态开关不受大电流冲击。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 级极大，根本无法投入实际应用。 图2 , 3 为并联谐振式限流器结构图口9 1 。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。这种限流器仍然存在与串联谐振电路中一样的大电容量问题。 【 图2 2 串联谐振式限流器 图2 ，3 并联谐振式限流器 ( 6 ) 可变阻抗式限流器 图2 4 与图2 2 拓扑结构相同i 1 9 1 ，但是控制原理不一样。图2 4 的工作原理 为：在正常情况下l i 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 与c 并联谐振，线路阻抗很大，从而起到限流作用。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 但作为一种后备保护若故障时，电容c 受到破坏，那么l 1 的感抗a , l l 应大 到足以限制故障电流的水平。这种类型限流器的缺陷在于运行过程中有大量的 谐波产生。 ( 7 ) 无损耗电阻器式限流器f 8 ，9 1 无损耗电阻限流拓扑结构如图2 5 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 开关的调制频率来控制该桥路的“等效电阻”。 为使短路时呈高阻值，调制频率将非常高，因而造成i g b t 损耗很大：同时， 该桥路将产生丰富的谐波电流，若无其他特殊措施将无法在交流状况下正常工 作。 l ic - t- - t ； 幽2 4 可变阻抗式限流器图2 5 无损耗电阻式限流器 ( 8 ) 混合限流器【3 0 1 s d 订 d 1 烹1 9 2 i ll n i 一 ；l s 曙it | j 图26 混合式故障限流器 图2 7 桥式固态限流器 9 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 图2 6 给出一交直流混合限流器的拓扑结构，系统j 下常运行时由机械开关 s w i 闭合流通负载电流，发生短路故障时利用预先冲好的电容内存储的能量给 s w l 进入反响电流，达到限流和切断短路故障的目的。但此限流器缺点是：结 构复杂，成本较高，使用范围也非常有限。 ( 9 ) 桥式固态短路限流器l l ” 图2 7 所示为新型固态短路限流器单相拓扑结构原理图。正常时，s i s 4 常加，调节电源v b 使满足i l i ，则正常负载电流流经该限流器时的压降几乎 为零。当负载侧发生电路时( 例如在电源电压正半波) ，电流f 跳至屯值时s 3 截止，电感l 立即自动串入短路回路，限制短路电流。这种桥式限流器能有效 地将短路电流抑制到一预先设定的安全范围内，并且能够和其他保护电器配合 动作，满足电力系统对保护的基本要求，但其限流的程度与预先设定值有直接 的关系，难以灵活地满足不同结构地系统或者是不同安装地点的限流要求。 2 2 新型f c l 的设计 本文提出的新型f c l 是在文献【1 4 】的基础上，对具有串联补偿功能的故障 限流器做进一步的研究。本文新型f c l 既具有可控的串联补偿功能，又能灵活 控制限流度，并且不产生谐振。 2 2 1新型f c l 的拓扑结构和工作原理 图2 8 显示出具有可控串联补偿功能的新型f c l 的结构。f c l 主要是由一 个固定电容器c o ，开关控制的电容器组c 1 ，c 2 ，( 本文选用两组可控电容 器组即c i ，c 2 来进行仿真分析) ；旁路电感l i ，串联电感l 2 ，g t o ( 内含缓冲 电路) 和保护用的避雷器z n o 组成。其中控制电容器组的开关我们选择晶闸管 固态开关。 正常情况下，g t o 截止，由固定电容器和开关控制的电容器组共同实现线 路补偿功能。根据线路补偿的需要可以投切不同组数的电容器组，从而按步长 调节线路电抗值。虽然可以通过控制晶闸管的导通角来实现对线路电抗进行连 续性的调节但这种方式会产生不期望的电流谐振。一般来说，电力系统的串 联补偿中，要实现连续性的线路电抗调节是不太可能的。因此，本文中不再做 1 0 四川人学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 进一步研究。 o - t o 圈2 8 f c l 拓拎圈 故障时，g t o 导通，两个管子轮流导通半周，旁路电感l l 接入。l l ，c ( 电 容器组的等效电容) 选择适当的参数，并联后可以得到较大的电抗，与l 2 串联 后共同限流，并且根据不同的短路情况、短路电流大小来改变g t o 的导通角， 以改变限流程度。 2 2 2f c l 的等效限流电抗 g t o 的导通角盯与投入的等效电感量工b ) 之间的函数关系为： 三b ) = 厶厂p ) ，p ) = 土o - s i n 。7 限流器的限流电抗x 脱为： x f c l 一x l 2 + 黔 ( 1 ) ( 2 ) 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 触发角o r 与导通角盯之间的关系为： 盯= 2 扛一口)( 4 ) 由上述可知，改变导通角仃，可以改变f c l 的限流电抗x f c l ，从而改变限 流程度。由于触发角口的取值范围是9 0 0 - 1 8 0 0 ，因而仃的取值范围是：1 8 0 。- - o 。， 当盯从1 8 0 。逐渐减小时，限流程度增大，电流小且为感性：当减小到盯，时， 旁路电感，和电容器组的等效电容c 发生并联谐振，此时限流程度最大，电流 最小；当小于盯，后，随着盯的减小，限流程度减小，电流增大且为容性；当盯 减d , n9 0 。时，限流程度为0 ：小于9 0 。后，容性电流会继续增大。当仃减小时 电容两端的电压也会增大。故对于限流器，导通角盯合适的取值范围为： 疗，s 仃，黝“。其中，口，为旁路电感三，与等效电容c 发生并联谐振限流程度 最大时g t o 所对应的导通角。 2 2 3 限流系数和补偿度 迄 州k b 唰l l 址j 图2 9 阻抗分布图 与f c l 相关的性能参数主要有以下两个：故障电流的限流系数口和系统串 联电抗的补偿度k 。图2 9 为f c l 分别装在两端的系统感抗分布。限流系数 口( 0 0 口1 ，o ) m 短路电流i ，和限制后的电流i 定义，或者用系统电抗x 和限 流电抗x f c l 定义： 口：尘土一兰坠一 ( 5 ) i i x + x l f c l 的口越大其限流能力越强，限流电抗可由( 5 ) 解出： 1 2 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) x 。：望 ( 6 ) 补偿度k 定义如下：f c l 的总容抗z 。应为线路感抗蜀绝对值的k ， x 。= 一七k 。f c l 是分装在线路两端的，所以每个f c l 的容抗为：t o 2 ， b j - 挈= x 。j + x ，n 故求得每个f c l 的容抗： x c - _ k x t l ”一鍪 ( 7 ) 。 2l 一口 2 2 4 新型f c l 的特点 ( 1 ) 本文提出的新型具有可控串联补偿f c l 故障时能够快速地改变拓扑结 构，限制短路电流，减小电压降； ( 2 ) 稳态时负荷电流不流过g t 0 ，故不会产生损耗： ( 3 ) 由于短路电压由系统短路阻抗。串联限流电抗和并联等效电抗三者承 担，所以电容器组两端无过电压： ( 4 ) 稳态时，晶闸管控制的电容器组能够以较小的步长实现对线路补偿的灵 活调节，这种补偿方式的独特优点在于能够消除谐振的产生，提高系统稳定性 及电能质量。 2 3 门极可关断晶闸管( g t o ) 2 3 1g t o 的简介 可关断晶闸管是门极可关断晶闸管的简称，常写作g t o ( g a t et u r no 仃 t h y r i s t o r ) 。g t o 是晶闸管的派生器件，是晶闸管家族的个成员，但g t o 可 以通过在门极施加适当极性的控制信号，从而可从通态向断态，或从断态向通 态进行转换，因而属于全控器件。出于它具有自关断能力，d i d t 高，在逆变器 和斩波器应用中，与普通晶闸管相比，具有如下优点： ( 1 )由于关断时间短开关速度可以提高，从而可以提高调制频率，使逆变 器具有更好的控制特性。 ( 2 ) 无需换相电路，主电路简单，有效地减小了体积和重量。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) ( 3 ) 由于无换相损耗，尽管g t o 的开通和关断损耗有所增加，但总的损耗 仍可大幅度降低，变换效率可显著提高。 g t o 的主要缺点： ( 1 ) 关断增益较小，门极反向关断电流较大。 ( 2 ) 为限制d v d t 及关断损耗所需设置专门的缓冲电路，这部分电路消耗一 定能量，而且需要快速恢复二极管、无感电阻、无感电容等器件。 为了改进器件性能又研制了多种形式的g t o 。目前，日本在发展g t o 器 件方面处于国际领先地位。1 9 6 7 年东芝公司已生产了m 8 3 9 2 d 型g t o 商品。 其断态电压为4 0 0 v ，可关断峰值电流为4 a ，有效通态电流为3 a 。它主要用于 晶闸管触发电路。但是，g t o 的设计与制造技术比一般的晶闸管难，比同等容 量晶闸管的成本也高，以致未能普及。后来，美国通用电气公司( g e ) 试制了 6 0 0 v 9 0 0 v 、2 0 0 a 等级的g 1 o ，美国西屋( w h ) 公司试制了1 0 0 0 v 、2 0 0 a 等级的g t o ，但都未达到商品生产阶段。然而，随着g t o 重要性的提高，各 公司都积极开展了研制工作，1 9 7 6 年东芝和日本国际电气公司相继宣布大容量 g t o 研制成功的消息。当时的g t o 断态电压为6 0 0 v 1 3 0 0 v ，可关断峰值电 流为2 0 0 a 一6 0 0 a ，并开始用于电力电子技术领域。现在2 5 0 0 v 、1 0 0 0 a 等级的 g t o 已实用化，并向着更大容量发展。 2 3 2 g t o 的主要参数 反映g t o 性能的主要参数有： ( 1 ) 最大可关断阳极电流i a v o 。这是标称g t o 额定电流容量的参数。g 1 0 的电流限制有两个：一个是发热限制，另一个是利用门极负电流脉冲可以关断 的最大阳极电流的限制，这是由g t o 的临界饱和导通条件所限制的。阳极电 流过大，g t o 便处于较深的饱和导通状态，会导致门极关断失败。通常都以最 大可关断阳极电流i 一作为g t o 的标准。i m 与门极负电流脉冲波形、电路参 数及工作条件等因素有关。 ( 2 ) 额定通态平均电流i v 。一个周期内方波电流的额定平均值。 ( 3 ) 门极负电流最大值i g m 。从通态转为断态所需的门极反向瞬时峰值电流的 最小值。 1 4 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) ( 4 ) 断态不重复峰值电压u n 翱。其含义与普通晶闸管相同，但普通晶闸管在 超过此电压转折值时不会立刻损坏，而g t o 阳极电压超过此值时，可能只有 其中个别的g t o 元首先转折，全部阳极电流集中于该g t o 元，造成局部电流 密度过大而损坏。 2 4g t o 的门极驱动电路 2 4 1g t o 驱动电路的特点和要求 g t o 导通对门极信号四度特性具体要求： ( 1 ) 脉冲前沿陡度：前沿愈陡对g t o 导通愈有利。因门极导通信号前沿 在结电容充电时，前沿愈陡充电愈快，正向门极电流建立快，这样可以使g t o 快速导通。 ( 2 ) 脉冲幅度：为实现强触发，门极正脉冲电流一般应为额定触发电流的3 到5 倍，为快速导通，触发电流还可以取大些。 ( 3 ) 脉冲宽度：门极正脉冲宽度通常应比导通时间大几倍、对于电感负载， g t o 阳极电流建立时间可能更长、因此也要适当加宽脉冲宽度。 ( 4 ) 脉冲后沿坡度：门校正脉冲后沿坡度越级越好，导通正脉冲后沿过陡， 易产生负尖峰电流，这尖峰电流会使刚导通的g t o 重新误关断。 g t o 关断对门极信号四度特性的具体要求： ( 1 ) 前沿陡度：前沿愈陡，关断时间愈短。 ( 2 ) 脉冲宽度：在实际应用中，一定范国内加宽脉冲宽度，可以提高关断阳 极电流能力。 ( 3 ) 脉冲幅度：门极负电压脉冲必须具备一定幅度，否则抽不出足够的门极 负电流以关断g t o 。 ( 4 ) 脉冲后沿坡度：门极电压脉冲的后沿坡度要尽量缓一些。若坡度太陡， 由于结电容的效应，会产生门极正向尖峰电流，这个尖峰电流可使刚关断的 g t o 重新误导通：因此，关断脉冲后沿越缓越好。 2 4 2g t o 的门极驱动电路设计 g t o 器件的合理使用在很大程度上取决于门极驱动电路的设计。门极驱动 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 电路不仅关系到器件的可靠导通和关断，而且直接影响器件的通断时间、开关 损耗、工作频率、最大可关断电流等重要参数。 小容量g t o 由于关断电流较小，常用驱动电路与g t o 门极直接耦合的方 式。在主电路中门极具有不同的电位时，必须采用独立电源供电，而驱动电路 输入则必须采用光耦合或磁耦合方式实现电隔离。对于大容量g t o ，因为需要 门极关断电流较大，驱动电路输出端与门极间常采用磁耦合方式，通过脉冲变 压器的匝比来提供上百安培的关断电流并作电隔离，此时可以用公共直流控制 电源，驱动电路输入端与控制信号间可耦合。 由于限流器采用的是大容量g t o ，故本文将介绍一种可用于限流器的大容 量g t o 的驱动电路。 这里介绍的g t o 门极驱动电路是在“单片机控制高精度澡调通斩波器可 逆调速系统”中应用的电路，因要求占空比变化范围大，且应用在斩波频率高 达l k h z 两只g t o 反并联电路中。为使控制电路简单可靠，参考了现有的各种 驱动电路而设计研制了如图2 1 0 的电路。 图2 1 0g t of - 1 极驱动电路 其工作原理如下： 当微机根据控制算法，算得结果输出时，在a 端输入一个连串正窄脉冲 6 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 使左端的3 d g 、3 d k 先导通，而右端3 d k 、3 d d 截止。脉冲变压器b