CN100389530C - 一种限流贮能电路 - Google Patents

Abstract

一种用于输配电网的限流贮能电路，属于电工技术领域。它由等效交流电流源(I_s)、电抗器(L)以及电容器(C)相并联后通过连接变压器串联接入电力系统，安装于电网系统线路出口处与断路器(DL)串联。调整可调整电抗器(L)的感抗和电容(C)二者之间的谐振度，灵活地调节故障限流水平和补偿水平。系统正常时可以调节系统不对称，滤波，无功、有功补偿以及调节系统潮流；系统故障时，它可限制短路电流峰值及稳态值。本发明效率高，结构简单、可靠，不但可以进行各种功率补偿，而且解决了电力系统故障电流过大问题，若用于高压或超高压输电网还可以极大的提高系统的灵活性，稳定性，安全性和可靠性。

Description

一种限流贮能电路

技术领域

本发明涉及一种用于输配电网的限流贮能电路，属于电工技术领域。

背景技术

由于电力系统的发展，负荷的增大，大容量机组和电厂及变电设备的投入，尤其是负荷中心大电厂的出现以及大电力系统的互联，使得输配电网容量大为增加，同时也使短路电流水平日益增高，甚至于短路电流水平已经超过了目前的断路器的开断容量。如果不采取措施加以控制，不但使新变电所的设备投资大大增加而且对系统中原有变电所设备都将产生很大的影响，甚至需要花费大量的投资进行改造、改建和改换。

现有技术主要采取以下方法限制电力系统输配电网中的短路电流：

1、发展高一级电网，低压电网分片或将母线分列、分段运行，甚至将电网解列，以及采用直流联网，这些措施不仅投资很大，而且涉及到电网的稳定性等复杂问题，除非不得已才采用。

2、采用高阻抗变压器或者串联电抗器。在输配电系统中采用此措施，不但会增加网损，还会降低系统的稳定性。

3、更换断路器，对现有的变电所进行增容改造。但代价太大，而且现有的断路器容量可能无法满足要求。

并且由于电能本身的特殊性，电力系统一直缺乏能量贮存和功率控制环节。目前大系统的发展和电力市场的要求，电力系统越来越需要可以进行功率灵活控制的环节。目前的贮能方式主要有电池贮能、超级电容贮能及抽水蓄能。电池贮能充放电速度慢，不能满足瞬时大功率交换，以及有环境污染问题；超级电容贮能容量小，且充放电次数有限；抽水蓄能则受环境限制，效率太低。而超导贮能，贮能密度高，寿命长，无污染，特别适合短时间与系统进行大功率交换。

发明内容

为克服已有技术的不足，本发明提供了一种用于输配电网的限流贮能电路，它结构简单，不仅具有故障限流功能，而且兼顾实现贮能功能。

本发明由等效交流电流源、电抗器以及电容器相并联后通过连接变压器串联连接于电力系统线路出口处断路器的前面，与断路(DL)串联。本发明不仅可对电力系统进行各种稳态补偿，即：调节系统不对称，滤波，无功和有功补偿以及调节系统潮流。当系统出现故障时，可限制短路电流峰值及稳态值。同时，通过调整电感和电容二者之间的谐振度，即感抗与容抗的比值，来改变二者之间的等效阻抗，可以灵活地调节故障限流水平和补偿水平。因此，在扩大输配电网容量时，增设本发明的限流贮能电路，不仅可以有效地限制了电网中的短路电流，增加了系统的稳定性，而且能大大减少投资成本。

附图说明

图1是本发明在单相系统中的原理图，AC为电力系统的单相输出，I_s等效交流电流源，L电抗器，C电容器，T变压器，DL断路器，R_L线路电阻，X_L线路电抗，Z_Load负荷阻抗；

图2是本发明在三相系统中的原理图，A、B与C为电力系统的三相输出，I_s等效交流电流源，L电抗器，C电容器，T_A、T_B与T_C为变压器，DL断路器，R_L线路电阻，X_L线路电抗，Z_Load负荷阻抗；

图3是本发明在单相系统中的应用实例，AC为电力系统的单相输出，DL断路器，R_L线路电阻，X_L线路电抗，负荷阻抗Z_Load，I_s等效交流电流源，T变压器，DC可控整流，HTS-L电感，G₁、G₂、G₃、G₄为绝缘栅双极型晶体管IGBT，L电抗器，S₁、S₂......S_n开关，C₁、C₂......C_n电容器；

图4是本发明在三相系统中的应用实例，A、B与C电力系统的三相输出，DL断路器，R_L线路电阻，X_L线路电抗与Z_Load负荷阻抗，I_s等效交流电流源，DC可控整流，HTS-L电感，G₁、G₂、G₃、G₄、G₅与G₆为绝缘栅双极型晶体管IGBT，L_A、L_B、L_C电抗器，S₁、S₂......S_n开关，C₁、C₂......C_n电容器；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

本发明提供的限流贮能电路如图1、图2中虚线框所示。在图1中，本发明连接于AC电力系统线路出口处，与断路器DL相串联，它由等效交流电流源I_s、电抗器L与电容器C并联后通过连接变压器T串联接入系统。

在图2三相系统中，本发明分别连接于三相A、B与C线路出口处与断路器DL相串联，三相分别由等效交流电流源I_s、电抗器L与电容器C并联后通过连接变压器T_A、T_B与T_C分别串联接入电力系统。等效交流电流源I_s可以提供系统运行中的幅值、相位皆可调的电流，调节它的输出电流使其与系统电流，也即是图1单相系统中连接变压器T或图2三相系统中的连接变压器T_A、T_B与T_C流过的电流大小相等，方向相反，这时流过限流电抗器L和电容器C的电流为零，相当于图1单相系统中连接变压器T或图2三相系统中的连接变压器T_A、T_B与T_C的副边短路，也即是本电路工作处于待机状态，对系统无影响。系统发生短路故障时，也即当故障电流超过等效交流电流源I_s可以提供的补偿电流，系统电流立刻自动流过电抗器L与电容器C组成的并联支路，也即是电抗器L与电容器C组成的并联支路立刻自动投入进行故障限流。

等效交流电流源I_s可以提供系统运行中的幅值、相位皆可调的电流。系统稳态时，通过控制等效交流电流源I_s幅值、相位皆可调的电流，调节其与系统电流，也即图1单相系统中连接变压器T或图2三相系统中的连接变压器T_A、T_B与T_C流过的电流之间有一差值，即：使得有一电流流过限流电抗器L和电容器C，这时等效电流源I_s提供的电流与其两端的电压皆可调节，从而等效电流源I_s可以与系统进行功率或能量交换，因而可以根据系统要求对系统进行有功与无功的补偿，滤波，调节系统潮流，改善系统不对称以及提高系统稳定性等功能，即本发明有一定的贮能功能。

并且，电抗器L和电容器C可根据系统补偿和限流的需要，通过调整电抗器L和电容器C二者之间的谐振度——电抗器L感抗与电容器C容抗的比值，来改变二者的等效阻抗，从而达到不同的补偿和限流效果。

图3中虚线框中所示为本发明的一个实施例。本发明安装于系统AC线路出口处与断路器DL相串联，其中R_L、X_L与Z_Load分别为线路电阻、线路电抗与负荷阻抗。等效交流电流源I_s为由桥式连接的四个绝缘栅双极型晶体管IGBT G₁、G₂、G₃与G₄组成的单相电流源变流器。单相电流源变流器中，第一绝缘栅双极型晶体管IGBT G₁与第三绝缘栅双极型晶体管IGBT G₃串联、第二绝缘栅双极型晶体管IGBT G₂与第四绝缘栅双极型晶体管IGBT G₄串联组成两个桥臂，两个桥臂并联。等效交流电流源I_s的直流侧为直流电压源DC和电感HTS-L串联组成的支路，交流输出侧分别与电抗器L支路、开关S₁、S₂......S_n分别串联电容器C₁、C₂......C_n组成的支路，以及单相连接变压器T的副边支路并联，单相连接变压器T原边串联接入电力系统。等效交流电流源I_s的交流输出侧中，第一开关S₁与第一电容器C₁串联，第二开关S₂与第二电容器C₂串联，......第n开关S_n与第n电容器C_n串联。其中电感HTS-L采用电阻几乎为零的超导电感，可大大减小损耗，提高了装置的效率。电感HTS-L亦可以是普通电感，绝缘栅双极型晶体管IGBT G₁、G₂、G₃、G₄亦可以是门极可关断晶闸管GTO、场效应晶体管MOSFET以及其它有源电力电子器件，开关S₁、S₂......S_n可以是固态开关或者电气开关，它用来投切电容C₁、C₂......C_n以调节与电抗器L之间的谐振度。系统正常运行时流过超导电感的是一直流，几乎无损耗，并且线圈中贮存着的电磁能可以通过控制电流源换流器与系统进行功率交换，从而对系统进行有功与无功的控制对系统运行进行各种稳态补偿，也即是：调节系统不对称，滤波，无功以及有功补偿以及调节系统潮流。系统发生短路故障时，也即是故障电流超过等效交流电流源可以提供的补偿电流，系统电流立刻自动流过电抗器L与电容器C组成的并联支路，也即是电抗器L与电容器C组成的并联支路立刻自动投入进行故障限流，它可限制短路电流峰值及稳态值使得原有的断路器即可把大的故障电流断开。

图4为本发明的又一个实施例。如图4虚线框中所示，安装于电力系统中A、B与C三相线路出口处与断路器DL相串联，其中R_L、X_L与Z_Load分别为各相线路电阻、线路电抗与负荷阻抗。等效交流电流源I_s为由桥式连接的六个绝缘栅双极型晶体管IGBT G₁、G₂、G₃、G₄、G₅与G₆组成的三相电流源变流器，三相电流源变流器中，第一绝缘栅双极型晶体管IGBTG₁与第四绝缘栅双极型晶体管IGBT G₄串联、第二绝缘栅双极型晶体管IGBT G₂与第五绝缘栅双极型晶体管IGBT G₅串联，第三绝缘栅双极型晶体管IGBT G₃与第六绝缘栅双极型晶体管IGBT G₆串联，组成三个桥臂，三个桥臂并联。等效交流电流源I_s的直流侧为直流电压源DC和电感HTS-L串联组成的支路，等效交流电流源I_s交流输出侧的三相输出支路分别与电抗器L_A、L_B和L_c三相支路、开关S₁、S₂......S_n分别串联电容器C₁、C₂......C_n组成的三相支路，以及在二次侧星型连接的三个单相连接变压器T_A、T_B与T_c的三相副边支路分别并联，连接变压器T_A、T_B与T_c的原边分别串联接入电力系统。在等效交流电流源I_s交流输出侧中，第一开关S₁与第一电容器C₁串联，第二开关S₂与第二电容器C₂串联，......第n开关S_n与第n电容器C_n串联。其中电感HTS-L采用电阻几乎为零的超导电感，可大大减小损耗，提高了装置的效率可以是超导电感，亦可以是普通电感，绝缘栅双极型晶体管IGBT G₁、G₂、G₃、G₄、G₅与G₆亦可以是门极可关断晶闸管GTO、场效应晶体管MOSFET以及其它有源电力电子器件，开关S₁、S₂......S_n可以是固态开关或者电气开关，它用来投切电容C₁、C₂......C_n以分别调节与电抗器L_A、L_B和L_c之间的谐振水平。电力系统正常运行时流过超导电感的是一直流，几乎无损耗，并且线圈中贮存着的电磁能可以通过控制电流源换流器与系统进行功率交换，从而对系统进行有功与无功的控制对系统运行进行各种稳态补偿，也即是：调节系统不对称，滤波，无功以及有功补偿以及调节系统潮流。系统发生短路故障时，也即是故障电流超过等效交流电流源可以提供的补偿电流，系统电流立刻自动流过电抗器L_A、L_B和L_c与电容器组C₁、C₂......C_n组成的并联支路，也即是电抗器L_A、L_B和L_c与电容器组C₁、C₂......C_n立刻自动投入进行故障限流，它可限制短路电流峰值及稳态值使得原有的断路器即可把大的故障电流断开。

本发明提供的限流贮能电路采用了一直流电压源DC和一超导电感HTS-L串联后通过电流源变流器构成的等效交流电流源对系统进行补偿的方案，以及电抗器L和电容器C可根据系统补偿限流的需要，调节不同的谐振度而达到不同的补偿和限流效果的方法，系统正常运行时流过超导电感HTS-L的是一直流，并且线圈中贮存着的电磁能可以通过控制电流源换流器与系统进行功率交换，从而对系统进行有功与无功的控制，对系统运行进行各种稳态补偿，也即是：调节系统不对称，滤波，无功以及有功补偿以及调节系统潮流。系统故障时，它可限制短路电流峰值及稳态值使得原有的断路器即可把大的故障电流断开。本发明效率高，结构简单，运行可靠，用于输配电网，不仅解决了可以进行各种功率补偿，而且还解决了系统故障电流过大问题，而且还大大降低了系统中各元器件耐流量的要求，降低了系统的设计要求，若用于高压或超高压输电网还可以极大的提高系统的灵活性，稳定性，安全性和可靠性。

在一380V/100A三相系统试验中，超导电感HTS-L的电感50mH，贮能量为1kJ，限流电感L的电抗为系统阻抗的2倍，谐振度为0.8时，故障电流可以限制到原来故障电流的峰值约60％左右，稳态值约9％左右，同时可以改善大约50％左右的系统不对称度，无功、有功补偿，以及滤波都可以进行灵活控制；当谐振度为0.6时，故障电流可以限制到原来故障电流的峰值约65％左右，稳态值约17％左右，同时可以改善大约35％左右的系统不对称度，无功、有功补偿，以及滤波都可以进行灵活控制。

Claims (5)

1.一种限流贮能电路，其特征在于所述限流贮能电路由等效交流电流源(I_S)、电抗器(L)与电容器(C)并联后通过连接变压器(T)串联断路器(DL)后串联接入电力系统。

2.按权利要求1所述的限流贮能电路，其特征在于可调整电抗器(L)的感抗和电容器(C)容抗二者之间的比值，即感抗与容抗的谐振度，来改变二者之间的等效阻抗，从而调节故障限流水平和补偿水平。

3.按权利要求1所述的限流贮能电路，其特征在于限流贮能电路的等效交流电流源(I_S)为电流源变流器，等效交流电流源(I_S)为由桥式连接的四个绝缘栅双极型晶体管IGBT(G₁、G₂、G₃、G₄)组成的单相电流源变流器，第一绝缘栅双极型晶体管IGBT(G₁)与第三绝缘栅双极型晶体管IGBT(G₃)串联、第二绝缘栅双极型晶体管IGBT(G₂)与第四绝缘栅双极型晶体管IGBT(G₄)串联组成的两个桥臂再并联；三相等效交流电流源(I_S)为由桥式连接的六个绝缘栅双极型晶体管IGBT(G₁、G₂、G₃、G₄、G₅、G₆)组成的三相电流源变流器，三相电流源变流器中，第一绝缘栅双极型晶体管IGBT(G₁)与第四绝缘栅双极型晶体管IGBT(G₄)串联、第二绝缘栅双极型晶体管IGBT(G₂)与第五绝缘栅双极型晶体管IGBT(G₅)串联，第三绝缘栅双极型晶体管IGBT(G₃)与第六绝缘删双极型晶体管IGBT(G₆)串联，组成三个桥臂，三个桥臂并联；等效交流电流源(I_S)的直流侧由直流电压源(DC)和电感(HTS-L)串联组成。

4.按权利要求1所述的限流贮能电路，其特征在于在单相系统中等效交流电流源(I_S)的交流输出侧与电抗器(L)支路，与开关(S₁、S₂......Sn)分别串联电容器(C₁、C₂......Cn)组成的支路，以及单相连接变压器(T)的副边支路并联，等效交流电流源(I_S)的交流输出侧中，第一开关(S₁)与第一电容器(C₁)串联，第二开关(S₂)与第二电容器(C₂)串联，......第n开关(Sn)与第n电容器(Cn)串联；单相连接变压器(T)原边串联接入电力系统。

5.按权利要求1所述的限流贮能电路，其特征在于在三相电力系统中等效交流电流源(I_S)交流输出侧的三相输出支路分别与电抗器(L_A、L_B、L_C)的三相支路并联，与由开关(S₁、S₂......S_n)分别串联电容器(C₁、C₂......C_n)组成的三相支路并联，还与在二次侧星型连接的三个单相连接变压器(T_A、T_B、T_C)的三相副边支路并联；连接变压器(T_A、T_B、T_C)的原边分别串联接入电力系统；在等效交流电流源(I_S)交流输出侧中，第一开关(S₁)与第一电容器(C₁)串联，第二开关(S₂)与第二电容器(C₂)串联，......第n开关(S_n)与第n电容器(C_n)串联。

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