【導(dǎo)讀】理論研究型（）；計(jì)算機(jī)軟件型（）；綜合型（）。的要求；論文、圖紙中的文字符號(hào)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電能容量越來(lái)越大，短路電流水平不斷提高，近年來(lái)，研究人員提出了一種全新的固態(tài)短路限流技術(shù)，新型固態(tài)限流。的短路限流裝置，目前正進(jìn)入工程化試驗(yàn)階段。了單相、三相限流器的主電路拓?fù)?，詳?xì)分析了它的工作原理。安裝位置做出討論。最后又提出了在電力系統(tǒng)中真正應(yīng)用固態(tài)限流器還需要。解決的一些問(wèn)題。

　　

【正文】 制電網(wǎng)的故障電流，甚至可將故障電流切斷，起到固態(tài)開(kāi)關(guān)的作用 。 22 由于在電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)和變壓器一般為星型或三角型，中心點(diǎn)無(wú)法接開(kāi)，上述固態(tài)短路限流器拓?fù)錈o(wú)法直接應(yīng)用于系統(tǒng)中。故可以采用耦合變壓器來(lái)解決三相橋式固態(tài)限流器接入電網(wǎng)的問(wèn)題。如圖 34所示，在高壓系統(tǒng)運(yùn)用中時(shí)，增加一對(duì)晶閘管 T T8，系統(tǒng)正常運(yùn)行模式下，限流器主電路中的晶閘管 T T T5 和 T T T2 被分別控制在三相電壓 aU、 b、 c的正負(fù)向過(guò)零點(diǎn)后導(dǎo)通，各個(gè)晶閘管導(dǎo)通時(shí)間約 180186。電角度；續(xù)流管 TT8 管被控制為常導(dǎo)通，為限流電感 L 提供續(xù)流回路，使 L 中始終流過(guò)負(fù)載峰值電流 (耦合變壓器二次側(cè)電流 )。此時(shí)在不考慮晶閘管壓降和回路電感損耗的情況下，換流橋和限流電感相當(dāng)于一個(gè)無(wú)內(nèi)阻的恒流源，因此耦合變壓器副邊等效于短接狀態(tài)，原邊壓降等效為“零”，整個(gè)限流器對(duì)系統(tǒng)呈現(xiàn)“零”阻抗。負(fù)載側(cè)發(fā)生短路后，由于負(fù)載電壓通過(guò)耦合變壓器突然 全部加到換流橋上，從而迫使 T T8 管其中之一或兩個(gè)關(guān)斷，因而限流電感通過(guò)耦合變壓器自動(dòng)串入系統(tǒng)，達(dá)到限制短路電流迅速上升的目的。通過(guò)合理控制TlT8 管觸發(fā)脈沖的相位角，可以有效控制故障電流的大小。 AC負(fù)載iaibicT 2T 5ACACT 6 T 4 T 8T 3 T 1 T 7L iL電源耦合變壓器 圖 34 帶耦合變壓器的固態(tài)短路限流器 第 3 章 新型固態(tài)限流器的設(shè)計(jì)方案 23 帶旁路電感的變壓器耦合三相橋式限流器是在耦合變壓器三相橋式限流器基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。在電路結(jié)構(gòu)上主要改動(dòng)就是在耦合變壓器三相原邊分別并聯(lián)旁路交流限流電感，限制短路電流 方式最大區(qū)別在于，短路故障發(fā)生時(shí)，旁路交流電感共同參與限制短路電流，其電路主結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 35所示。 AC 負(fù)載iaibicT 2T 5ACACT 6 T 4 T 8T 3 T 1 T 7L iL電源耦合變壓器 圖 35 帶旁路電感的耦合式 三相橋式固態(tài)短路限流器 在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)， T1T6管加門(mén)極觸發(fā)脈沖，構(gòu)成全導(dǎo)通換流橋， TT8 觸發(fā)導(dǎo)通脈沖常加 , 提供限流電感 dL續(xù)流回路。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電感電流在啟動(dòng)若干周波后即達(dá)負(fù)載電流峰值，并經(jīng) T T8 續(xù)流，因此耦合變壓器副邊僅為 T T8 管開(kāi)通產(chǎn)生的微小壓降，近似于短接狀態(tài)，使得其原邊壓降幾乎為零，旁路電感近似被短接。當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，電源電壓將全部加在旁路電感及耦合變壓器原邊上，并通過(guò)耦合變壓器副邊加到換流橋上，從而使直流限流電感經(jīng)耦合變壓器耦合到原邊并與交流旁路電感并聯(lián)后自動(dòng)串入電網(wǎng)，限制短路電流的上升率；之后在控制系統(tǒng)的作用下，短路電流很快被控制到設(shè)定水平。 與耦合變壓器三相橋式限流器相比，帶旁路電感的變壓器耦合橋式限流器具有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）后者限流穩(wěn)態(tài)電流不是通過(guò)固態(tài)半導(dǎo)體器件，電力電子器件只承受 24 20ms 的大電流容量，根據(jù)晶閘管的 瞬態(tài)容量特性，可以減少管子的容量。降低產(chǎn)品的成本； （ 2）前者由于限流后的控制電流完全通過(guò)晶閘管，因此存在很大電流諧波；而后者采用交流電抗限流，諧波分量很小，雖然存在幾個(gè)周波的偏置電流，總的情況要優(yōu)越于前者。 （ 3）前者中，最終的短路電流由限流器的觸發(fā)角通過(guò) PID 調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，限流器全程參與限流控制，對(duì)控制器的可靠性要求較高，而后者在系統(tǒng)短路一個(gè)周波后退出控制工作，限流由交流電抗完成?？刂票容^簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，并且可靠。 固態(tài)限流器的控制策略 不帶交流旁路限流電感的橋式固態(tài)限流器，除了具有控制短路電流到任意 設(shè)定水平的能力外，還具有瞬時(shí)切斷短路電流的能力。其切斷短路電流一般分為逆變瞬斷、續(xù)流瞬斷和逆變續(xù)流混合瞬斷三種方式。對(duì)帶耦合變壓器三相橋式固態(tài)限流器拓?fù)洌詰?yīng)用逆變瞬斷控制模式為例，分析系統(tǒng)發(fā)生三相對(duì)稱短路故障時(shí)，固態(tài)限流器切斷故障電流的過(guò)程。分析時(shí)假設(shè)限流器已工作于系統(tǒng)正常運(yùn)行的控制模式下，其主電路中的晶閘管 T T T5 和 T4 、T6 、 T2 被分別控制在三相電壓 aU、 b、 c的正、負(fù)向過(guò)零點(diǎn)時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通，各個(gè)晶閘管導(dǎo)通時(shí)間約 ?電角度； T T8 管被控制為常觸發(fā)導(dǎo)通，為直流限流電感 L 提供續(xù)流回路，使 L 中始終流過(guò)負(fù)載峰值電流（耦合變壓器二次側(cè)峰值電流）。 本章小結(jié) 本章提出一種適用于高壓電網(wǎng)的具有旁路電感的新型固態(tài)故障限流器，分析了新型固態(tài)故障限流器的工作機(jī)理，分別針對(duì)單相限流器和 三相限流器的拓?fù)?，給出了在各種短路故障情況下的控制策略；又對(duì)帶旁路電感和不帶旁路電感的三相橋式固態(tài)限流器做出了對(duì)比，充分說(shuō)明了帶旁路電感三相橋式限流器的在電力系統(tǒng)中的優(yōu)越性。這只是基于理論上的分析，下一步還需通過(guò)仿真軟件進(jìn)行仿真，用仿真結(jié)果驗(yàn)證所得的結(jié)果。 第 4 章 限流器的仿真分析及安裝位置的討論 25 第 4 章 限流器的仿真分析及安裝位置的討論 限流器仿真電路的設(shè)計(jì) 為了驗(yàn)證固態(tài)限流器的限流效果，需運(yùn)用仿真軟件進(jìn)行仿真，本文將運(yùn)用 Matlab/simulink 軟件，建立仿真電路模型。在電力系統(tǒng)中，有多種電壓等級(jí)，例如 500kV， 220kV， 110kV， 10kV， 380V 等，從其普遍性考慮，本文采用 10kV 電壓等級(jí)的電網(wǎng)來(lái)仿真，其電路圖如下圖 41 所示： AC 負(fù)荷 1負(fù)荷 210 kV 10 kV 圖 41 10KV 電力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 在模擬仿真電路中，采用簡(jiǎn)化的 10kV 電力系統(tǒng)圖，包括 10kV 無(wú)窮大電源、線路、負(fù)荷和固態(tài)限流器，變壓器和線路的阻抗較小，忽略不計(jì)。限流器采用帶旁路電感的耦合式變壓器三相新型橋式限流器，有前一章可知，這種限流器的限流效果相對(duì)較好。耦合式變壓器的變比與直流限流電感的電感值大小和晶閘管的電壓等級(jí)密切相關(guān)，下面 是變壓器變比的采取方案： 方案 I:耦合變壓器采用 10kV/10kV 每個(gè)橋臂承受最高電壓為：kVKKUK 321 ?????? 其中 : 1K為過(guò)壓系數(shù)取 ， 2K安全系數(shù)取 ， 3K為均壓系數(shù)取 選取額定參數(shù)為 500A/5kV 的晶閘管 每個(gè)橋臂需晶閘管個(gè)數(shù) ??n，取 6只， 6個(gè)橋臂共需 36 只晶閘管。 s 方案Ⅱ：耦合變壓器采用 10kV/5kV 每個(gè)橋臂承受最高電壓為：kVKKUK 321 ?????? 此處，考慮串聯(lián)數(shù) n 較小，故安全系數(shù) K3取 ，其它系數(shù)同方案 I 選取額定參數(shù)為 l000A/ 的晶閘管 每個(gè)橋臂需晶閘管個(gè)數(shù) ??n,取 3 只， 6 個(gè)橋臂共需 18 26 只。 在現(xiàn)有晶閘管制造技術(shù)水平下， 10kV/10kV 與 10kV/5kV 規(guī)格的晶閘管成本相差不大，而且方案Ⅱ串聯(lián)數(shù)量較少，均壓?jiǎn)栴}較好解決，我們選擇了方案Ⅱ。耦合變壓器在正常工作的時(shí)只有系統(tǒng)的額定電流，而變壓器上的壓降幾乎為零。耦合變壓器只有銅損，沒(méi)有鐵損，因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候可以使鐵心小一點(diǎn)，同時(shí)可以采用高密度磁芯，減少耦合變壓器的體積。 設(shè)備選擇完成后，在 Matlab 軟件的 simpower 模塊里建立 10kV 電力系統(tǒng)模型圖，三相電源負(fù)荷均接地 ，并將這兩者用線路連接。在三相線路中串入三相電壓電流測(cè)量裝置，耦合式三相橋式固態(tài)限流器和三相短路故障發(fā)生器，短路故障的各種狀態(tài)可通過(guò)設(shè)置故障發(fā)生器來(lái)模擬。橋式固態(tài)限流器所需的 8個(gè)晶閘管均為可控型的，晶閘管 D7， D8的脈沖觸發(fā)信號(hào)常加，其余晶閘管的觸發(fā)信號(hào)按電壓電流的變化來(lái)給。三個(gè)耦合變壓器均選擇磁飽和型的。 仿真電路參數(shù)的設(shè)置： 電源額定線電壓 10kV 電源額定相電流 500A 系統(tǒng)限制電流 1000A 負(fù)荷等效電阻 10Ω 等效電感 變壓器變比 2:1 旁路交流限流電感 直流限流電感 加與不加限流器的 10kV 電力系統(tǒng)仿真電路模型圖如圖 42和 43所示： C o n t i n u o u sp o w e r g u iABCT hr e e P ha s e S o ur c eABCT hr e e P ha s e F a ultV a b cI a b cABCabcT hr e e P ha s eV I M e a s ur e m e ntS co p eCBA 圖 42 加限流器的 10kV 電力系統(tǒng)仿真模型圖 第 4 章 限流器的仿真分析及安裝位置的討論 27 ContinuouspowerguiA B CThreePhase SourceA B CThreePhase FaultVabcIabcA B Ca bcThreePhaseVI Measurement1 2T31 2T21 2T1Scope2Scope1PulseGenerator3PulseGenerator2PulseGenerator1LdL3L2L1gakD8gakD7gakD6gakD5gakD4gakD3gakD2gakD11ConstantCBA 圖 43 加限流器的 10kV 電力系統(tǒng)仿真模型圖 仿真設(shè)置及結(jié)果分析 設(shè)置仿真時(shí)間為 ，故障時(shí)間為 ，步長(zhǎng)算法為 ode23tb，晶閘管上加上觸發(fā)脈沖，仿真波形圖可在示波器中觀察到。發(fā)生各種短路故 28 障時(shí)，其產(chǎn)生的電壓與電流波形圖及其分析如下。 模擬 10kV 電力系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，在三相短路故障發(fā)生器中將 ABC三 相設(shè)置為正常狀態(tài)，然后點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕。在不加與加限流器的情況下三相電流與電壓的波形圖如圖 44和 45所示。 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 00202040006000三相電壓 V0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1 0 . 1 2 5 0 00500時(shí)間 / t三相電流 A 圖 44 不加限流器時(shí)三相電壓電流波形圖 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 00202040006000三相電壓 / V0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1 0 . 1 2 5 0 00500時(shí)間 /t三相電流 / A 圖 45 加限流器時(shí)三相電壓電流波形圖 第 4 章 限流器的仿真分析及安裝位置的討論 29 加限流器時(shí)三相電壓和電流的波形圖如圖 45，通過(guò)這兩組三相電壓與電流波形圖的對(duì)比可知，在加與不加限流器兩種情況下三相電壓均為6000V，三相短路都接近額定電流 500A。該電力系統(tǒng)模型加上三相固態(tài)限流器后的電壓與電流的變化非常小，可忽略不計(jì)，這說(shuō)明系統(tǒng)模型正常運(yùn)行時(shí)，加上限流器后對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行無(wú)影響，符合限流器的基本要 求。圖 45 電壓波形圖中顯示在 處產(chǎn)生一小部分的高次諧波，但影響不大。 三相短路故障分兩種情況，即三相接地短路和三相不接地短路。在三相接地短路的情況下，由于電路結(jié)構(gòu)和電源電壓的對(duì)稱性，各個(gè)相的相電流之和為 0，因此接地電流為 0，與是否接地和電阻是否為 0沒(méi)有關(guān)系，即三相接地短路故障狀態(tài)和三相不接地短路故障狀態(tài)完全相同。 選擇短路故障發(fā)生器中的 ABC 三相，則將系統(tǒng)模型設(shè)置為三相短路故障，在不加與加限流器的情況下，三相短路后的電壓電流波形圖如圖 46和圖 47 所示。 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 00202040006000三相電壓 V0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1 0 . 1 2 2 0 0 0 1 0 0 0010002020時(shí)間 / t三相電流 A 圖 46 不加限流器時(shí)三相短路電壓電流波形 由圖 46看出，發(fā)生三相短路故障時(shí)，若電力系統(tǒng)中不加限