CN100527559C - 一种线间电压补偿型限流贮能电路 - Google Patents

Abstract

一种用于输配电网的线间电压补偿型限流贮能电路，连接于AC电力系统线路出口母线处，与n路并联的普通负载馈线通过n个连接变压器(T1、T2……Tn)相串联；n个连接变压器(T1、T2……Tn)分别连接n个限流电感(L1、L2……Ln)以及n个换流器(converter1、converter2……converter n)的交流侧端，n个换流器的直流侧端通过一个相同的直流电容(C)连接，直流电容(C)同时连接电流调节器(chopper)的电压换流单元，电流调节器(chopper)的电流换流单元与超导线圈(L)相连。系统正常时，本发明可以调节系统n条馈线的电压不对称，滤波，无功以及有功补偿以及调节系统潮流，系统故障时，可限制故障馈线短路电流峰值及稳态值，提高母线的故障电压值，补偿正常工作馈线的电压凹陷，保证其电能质量。

Description

一种线间电压补偿型限流贮能电路

技术领域：

本发明涉及一种限流贮能电路，特别涉及用于输配电网的线间电压补偿型限流贮能电路。

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，而且设计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线间电压补偿型限流贮能电路，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n组连接变压器、n组限流电感、n组换流器、一组电流调节器、一个直流电容、一个高温超导线圈组成，安装于电网系统线路出口处与n路普通负载馈线分别相连，接入电网系统。本发明分别通过n个连接变压器与n路并联的普通负载馈线相串联。n个连接变压器分别连接n个限流电感以及n个换流器的交流侧端，n个换流器的直流侧端通过一个相同的直流电容连接，直流电容同时连接电流调节器的电压换流单元，电流调节器的电流换流单元与超导线圈相连。本发明的特点在于由多组换流器和连接变压器连接多条线路馈线，可以同时补偿多条馈线的短路和电压凹陷故障。若换流器输出电压等级与限流电压相匹配，则可以省略连接变压器，只有一组直流电容、电流调节器和超导线圈，可以节约成本，简化结构。本发明可对母线出口处的n条馈线进行各种稳态补偿，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。当系统的一路负载馈线端出现短路故障时，可立即投入限流电感，限制短路电流峰值及稳态值，从而减小了故障电流对系统的冲击，并确保原有的断路器就能可靠的切断故障电流。同时，多组换流器可以使多路馈线互为补偿，当一路馈线发生电压不平衡，谐波和小的电压扰动时，另一路正常工作馈线通过连接变压器、换流器和直流电容维持扰动馈线的电能质量；当一路负载馈线出现故障时，限流电感的投入可以立即限制短路电流，降低出口母线的电压跌落幅度，多组换流器可以使多路馈线同时通过电流调节器吸收超导线圈储存的能量用于补偿母线电压的跌落值，保证正常工作馈线的电能质量。因此，在扩大输配电网容量时，增设本发明的线间电压补偿型限流贮能电路，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，T₁、T₂……T_n连接变压器，L₁、L₂……L_n限流电感，converter₁、converter₂……converter_n换流器，C直流电容器，chopper电流调节器，L超导线圈，R_s线路电阻，X_s线路电抗，Load₁、Load₂……Load_n负载；

图2是本发明在单相系统中的应用实例，Power Grid电力网络，Bus母线，Load₁、Load₂负载，T₁、T₂连接变压器，L₁、L₂限流电感，G₁、G₂……G₁₄为绝缘门极双极型晶体管IGBT，D₁、D₂……D₁₄IGBT寄生二极管，D₁₅、D₁₆快恢复二极管，C直流电容器，Tr高频变压器，L超导线圈。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

本发明线间电压补偿型限流贮能电路如图1中虚线框所示。在图1中，本发明连接于AC电力系统线路出口母线处，n个连接变压器T₁、T₂……T_n串联于该n路普通负载馈线中，若换流器输出电压等级与限流电压相匹配，则可以省略连接变压器。n个连接变压器T₁、T₂……T_n分别连接n个限流电感L₁、L₂……L_n以及n个换流器converter₁、、converter₂……converter_n的交流侧端，n个换流器的直流侧端通过一个相同的直流电容C连接，直流电容C同时连接电流调节器chopper的电压换流单元，电流调节器chopper的电流换流单元与超导线圈L相连。电流调节器是由电压换流单元，电流换流单元以及连接的高频变压器Tr组成。

换流器converter₁、converter₂……eonverter_n的交流侧端可以提供系统运行中的最大的负荷电流，系统稳态时，调节换流器converter₁、converter₂……converter_n输出交流电压与限流电感L₁、L₂……L_n之间的电压的差值的基波和谐波的幅值和相位，可以对系统进行无功控制，改善系统不对称，对系统进行滤波，调节系统潮流，以及提高系统稳定性等。若换流器converter₁、converter₂……converter_n输出交流电压与限流电感L₁、L₂……L_n之间的电压的差值为零，即本电路工作在待机状态，对系统无影响。当系统的一路馈线发生短路故障时，即故障电流超过换流器converter₁、converter₂……converter_n交流侧端可以提供的最大电压，即最大负荷电流与限流电抗的乘积时，故障线路的限流电感L₁、L₂……L_n立即自动投入进行故障限流，限流的同时补偿出口母线的电压跌落，但未能使母线电压达到正常值，多组换流器converter₁、converter₂……converter_n可以使多路馈线同时通过电流调节器chopper吸收超导线圈储存的能量用于补偿母线电压的跌落值，使母线电压补偿至正常值，保证未发生故障的馈线的母线电能质量。超导线圈L能量通过电流调节器chopper的电压换流单元产生直流电压，通过直流稳压电容C和换流器converter₁、converter₂……converter_n产生50Hz交流电压经过连接变压器T₁、T₂……T_n注入系统，达到补偿电压凹陷的功能。当系统的一路馈线发生电压频率扰动或谐波时，正常工作馈线通过连接变压器T₁、T₂……T_n、换流器converter₁、converter₂……converter_n和直流电容C向扰动馈线传输能量，维持扰动母线的电能质量。

图2中虚线框中所示为本发明的一个实施例。本发明于安装于AC电力系统线路出口母线处，与负载两路并联馈线串联，其中Power grid电力网络，Bus母线，Load负载，T₁、T₂连接变压器，L₁、L₂限流电感，G₁、G₂……G₁₄为绝缘门极双极型晶体管IGBT，D₁、D₂……D₁₄为IGBT内部寄生二极管，C电容器，Tr高频变压器，D₁₅、D₁₆快恢复二极管，L超导线圈，其中超导线圈L可以为超导电感，亦可以是普通电感。换流器converter是由G₁、G₂、G₃、G₄以及G₅、G₆、G₇、G₈组成的两组H桥，G₁、G₂组成一个桥臂，G₃、G₄组成另一个桥臂，两个桥臂构成H桥换流器；G₅、G₆组成一个桥臂，G₇、G₈组成一个桥臂，两个桥臂构成H桥换流器。电流调节器chopper是由电压换流单元，电流换流单元以及连接的高频变压器Tr组成。电压换流单元是由G₁₁、G₁₂、G₁₃、G₁₄组成的H桥，G₁₁、G₁₃组成一个桥臂，G₁₂、G₁₄组成另一个桥臂，其交流侧连接高频变压器Tr一侧；电流换流单元是由G₉、G₁₀以及D₁₅、D₁₆组成，G₉与D₁₅连接，G₁₀与D₁₆连接，构成整流桥，交流侧与高频变压器Tr的另一侧相连，直流侧连接超导线圈L。系统正常运行时流过超导线圈L的是一直流，几乎无损耗，并且超导线圈L中贮存着的电磁能可以通过电流调节器chopper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，即：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。系统的一路馈线发生电压不平衡、谐波扰动时，正常运行馈线可以通过连接变压器T₁、T₂……T_n、换流器converter₁、converter₂……converter_n和直流电容C向扰动馈线传输能量，维持扰动馈线的合格的电能质量。系统发生短路故障时，即故障电流超过换流器converter₁、converter₂……converter_n交流侧端可以提供的最大电压，即最大负荷电流与限流电抗的乘积时，故障线路的限流电感L₁、L₂立即自动投入进行故障限流，限流的同时补偿出口母线的电压跌落，但未能使母线电压达到正常值，多组换流器的结构设计可以使多路馈线同时通过电流调节器converter₁、converter₂……converter_n吸收超导线圈L储存的能量用于补偿母线电压的跌落值，使母线电压补偿至正常值，保证未发生故障的馈线的母线电能质量。

本发明中，一超导线圈L和一电流调节器chopper的电流换流单元串联，电流调节器chopper的电压换流单元与直流电容C和n组换流器converter₁、converter₂……converter_n的直流侧并联后，通过n组连接变压器对系统进行限流和补偿，电流调节器chopper和超导电感L可根据系统补偿限流的需要，调节不同的占空比而达到不同的补偿和限流效果。系统正常运行时流过超导线圈L的是一直流，并且超导线圈L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，即调节系统不对称，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，使原有的断路器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，不仅可进行各种功率补偿，而且还解决了系统故障电流过大问题，同时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。应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。

Claims (4)

1、一种线间电压补偿型限流贮能电路，其特征在于它连接于AC电力系统线路出口母线处，分别通过n个连接变压器(T₁、T₂……T_n)与n路并联的普通负载馈线相串联；n个连接变压器(T₁、T₂……T_n)分别连接n个限流电感(L₁、L₂……L_n)以及n个换流器(converter₁、converter₂……converter_n)的交流侧端，n个换流器的直流侧端通过一个相同的直流电容(C)连接，直流电容(C)同时连接电流调节器(chopper)的电压换流单元，电流调节器(chopper)的电流换流单元与超导线圈(L)相连。

2、按照权利要求1所述的线间电压补偿型限流贮能电路，其特征在于所述的电流调节器(chopper)由电压换流单元、电流换流单元以及连接的高频变压器(Tr)组成，电压换流单元为由第十一至第十四IGBT(G₁₁、G₁₂、G₁₃、G₁₄)组成的H桥换流器，第十一IGBT(G₁₁)、第十三IGBT(G₁₃)组成H桥换流器的一个桥臂，第十二IGBT(G₁₂)、第十四IGBT(G₁₄)组成H桥换流器的另一个桥臂，电压换流单元的交流侧连接高频变压器(Tr)的一侧；电流换流单元由第九IGBT(G₉)、第十IGBT(G₁₀)、第一快恢复二极管(D₁₅)以及第二快恢复二极管(D₁₆)组成，第九IGBT(G₉)与第一快恢复二极管(D₁₅)连接，第十IGBT(G₁₀)与第二快恢复二极管(D₁₆)连接，构成整流桥，电流换流单元的交流侧与高频变压器(Tr)的另一侧相连，电流换流单元的直流侧连接超导线圈(L)。

3、按照权利要求1所述的线间电压补偿型限流贮能电路，其特征在于所述的换流器(converter₁)为由第一至第四IGBT(G₁、G₂、G₃、G₄)以及第五至第八IGBT(G₅、G₆、G₇、G₈)组成的两个H桥换流器，第一IGBT(G₁)、第二IGBT(G₂)组成一个桥臂，第三IGBT(G₃)、第四IGBT(G₄)组成另一个桥臂，这两个桥臂构成一个H桥换流器；第五IGBT(G₅)、第六IGBT(G₆)组成一个桥臂，第七IGBT(G₇)、第八IGBT(G₈)组成另一个桥臂，这两个桥臂构成另一个H桥换流器。

4、按照权利要求1、2或3所述的线间电压补偿型限流贮能电路，其特征在于若换流器输出电压等级与限流电压相匹配，可以省略连接变压器。