CN102208803A - 并联型多目标短路电流故障限流器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种并联型多目标短路电流故障限流器，所述限流器通过开关S并联接在限流电抗器L_fcl和非线性负载之间；限流器包括依次连接的无源滤波器、基波谐振支路、有源电力滤波器；无源滤波器通过所述开关S并联接在限流电抗器L_fcl和非线性负载之间；基波谐振支路包括并联的电感L₁、电容C₁；所述有源电力滤波器主电路是由全控型电力半导体器件IGBT和直流支撑电容C构成。本发明将混合型有源电力滤波器与限流电抗器综合使用，设计出一种并联型多目标短路电流故障限流器，不仅补偿负载的谐波与无功电流，而且补偿串联限流电抗器带来无功损耗。此方法大大降低了APF的容量与系统的谐波电流与电压含量，并且具有良好的短路电流限制水平。

Description

并联型多目标短路电流故障限流器

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，涉及一种电流故障限流器，尤其涉及一种并联型多目标短路电流故障限流器。

背景技术

随着我国电力系统负荷的迅速增长以及大容量机组的不断投入运行，电力系统的短路电流水平日益增加。为了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短路限流电抗器。除此之外，现代电力负荷用电中电力电子技术日益普遍。这些电力电子变换设备几乎都离不开整流器的应用。

传统的短路故障限流电抗器在电力系统发生短路故障时快速插入等值阻抗可以限制短路电流，但会造成正常情况下的无功损耗，必须另加无功补偿设备。

综上所述，整流类负载造成的谐波与无功问题已成为电力系统电能质量的主要问题，本发明则为了解决上述缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种并联型多目标短路电流故障限流器，不仅可以补偿负载的谐波与无功电流，而且可以补偿串联限流电抗器带来无功损耗。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种并联型多目标短路电流故障限流器，所述限流器通过开关S并联接在限流电抗器L_fcl和非线性负载之间；

所述限流器包括依次连接的无源滤波器、基波谐振支路、有源电力滤波器；

所述无源滤波器通过所述开关S并联接在限流电抗器L_fcl和非线性负载之间；

所述基波谐振支路包括并联的电感L₁、电容C₁；

所述有源电力滤波器主电路是由全控型电力半导体器件IGBT和直流支撑电容C构成。

作为本发明的一种优选方案，所述无源滤波器包括并联的5次单调滤波器、7次单调滤波器和高通滤波器。

作为本发明的一种优选方案，所述5次单调滤波器包括串联的电容C₅、电感L₅。

作为本发明的一种优选方案，所述7次单调滤波器包括串联的电容C₇、电感L₇。

作为本发明的一种优选方案，所述高通滤波器包括串联的电容C_h、电感L_h。

本发明的有益效果在于：本发明提出的并联型多目标短路电流故障限流器，将混合型有源电力滤波器与限流电抗器综合使用，设计出一种并联型多目标短路电流故障限流器，不仅补偿负载的谐波与无功电流，而且补偿串联限流电抗器带来无功损耗。此方法大大降低了APF的容量与系统的谐波电流与电压含量，并且具有良好的短路电流限制水平。

附图说明

图1为本发明限流器的主电路结构图。

图2为本发明限流器的单相等效电路图。

图3为本发明限流器的单相基波等效电路。

图4为本发明限流器的单相电源谐波电压单独作用等效电路。

图5为本发明限流器的负载谐波电流单独作用单相等效电路。

图6为本发明限流器的指令电流运算与直流侧电压控制环节图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

本发明揭示了一种并联型多目标短路电流故障限流器，限流器系统的主电路结构如图1所示，补偿系统并联接在限流电抗器L_fcl和非线性负载之间，Z_s为电源内部等效阻抗。电路主要由三个部分构成：大容量的无源滤波器(包括5次、7次和高通)、小容量的有源滤波器以及L₁、C₁构成的基波谐振支路。有源电力滤波器主电路是由全控型电力半导体器件IGBT和直流支撑电容C构成。L₁、C₁用来分流基波无功电流。谐波源为带阻感负载的三相桥式整流电路。APF等效为受控电流源。当系统正常运行时，开关S闭合，限流电抗器L_fcl串联在线路上，混合型有源电力滤波器补偿无功与谐波。如果系统在负荷侧发生短路，则开关S断开，限流电抗器L_fcl相当于一个大负载串联大电路，使故障电流受到限制。

从主电路图中可以看出无源滤波器滤除了系统的主要谐波，所以APF仅承受较小的谐波电压和谐波电流，故其容量大大降低。

本系统中通过检测负载电流的谐波成分，将有源滤波器控制为受控电流源i_APF。单相等效电路如图2所示，电压源Vs分解为基波电压分量V_sf和谐波电压分量V_sh；负载电流分解为基波电流分量i_Lf和谐波电流分量i_Lh，Z_s为电源内部等效阻抗；Lfcl为短路限流电抗器；L_F、C_F分别为5次、7次单调滤波器和高通滤波器的总电感和总电容；L₁、C₁分别为基波谐振支路的电感和电容。

有源滤波器电流i_APF＝k*i_Lh                   (1)

根据叠加原理，将电路分解为三部分，电源基波电压和负载基波电流的等效电路，电源谐波电压的等效电路和负载谐波电流的等效电路

1 基波等效电路

如图3所示为基波等效电路图，由于有源滤波器仅输出谐波电流，所以在电源基波电压和负载基波电流作用下，相当于开路；基波谐振支路在基波下处于谐振状态，可看作短路，其电压为零。从电路中可以看出，在基波下，滤波器相当于无功补偿器，起到补偿固定无功的作用。限流电抗器相当于一个线性电抗接到电路中，只消耗无功。电源输出电流为基波电流。iSH＝0

2 电源谐波电压单独作用等效电路

如图4所示，由于只考虑电源谐波电压，所以i_APF＝ki_Lh＝0。将L₁、C₁看作Z₁。L_F、C_F看作ZF，系统谐波电流iSH表达式为

$i_{\mathrm{Sh}}=\frac{V_{\mathrm{sh}}}{Z_S+Z_F+Z_1+L}---\left(2\right)$

由此可知有源滤波器和基波谐振支路的加入相当与在系统侧加入一个阻抗Z1，从而起到抑制系统谐波电压产生谐波电流的作用，同时也避免了无源滤波器与电网产生谐振。

3 负载谐波电流单独作用等效电路

如图5所示

(i_Lh-i_Sh-i_APF)·Z₁+(i_Lh-i_Sh)·Z_F-(Z_S+L)·i_Sh＝0      (3)

又APF做参考电流，故有公式1与公式3可得

$i_{\mathrm{Sh}}=\frac{(1-k)\·Z_1+Z_F}{Z_1+Z_F+Z_S+L}\·i_{\mathrm{Lh}}---\left(4\right)$

4 系统的总谐波电流

由公式(2)与(4)可得，系统的总谐波电流表达式为

$i_{\mathrm{Sh}}=\frac{(1-k)\·Z_1+Z_F}{Z_1+Z_F+Z_S+L}\·i_{\mathrm{Lh}}+\frac{V_{\mathrm{Sh}}}{Z_S+Z_F+Z_1+L}---\left(5\right)$

通常情况下，电源谐波电压V_sh很小，接近于零。由于无源滤波器调谐准确，则可以忽略ZF。控制有源滤波器的谐波输出电流i_APF＝i_Lh，即令k为1.则(5)可简化为iSH≈0。综上所述，可知负载和限流电抗器产生的谐波多流入无源滤波器支路，从而大大降低有源电力滤波器的容量。同时，无源滤波器承受了所有电网基波电压。新增加的基波谐振支路，可以分流所有基波无功电流。而有源电力滤波器只承受限流电抗器上和谐波电压和谐波电流，整个系统的滤波性能得到改善。

5 混合补偿系统控制

滤波器补偿的电流为负载的谐波电流，谐波电流检测采用p-q运算方法求取参考谐波电流，有源滤波器的直流侧采取直压控制，使其直流测电容电压维持在允许波动范围内。IGBT控制单元用滞环比较方式实现对参考谐波电流的实时跟踪。

本发明所述有源电力滤波器需要补偿谐波和无功，所以补偿电流分量包括谐波和无功两部分，补偿电流的检测采用基于瞬时无功功率理论的p-q检测法。系统正常运行期间，APF不仅要滤除负载所带来的谐波和无功电流，还需消除限流电抗器L所引起的电压降落以及无功损耗，所以应该在传统的无功检测回路中将q通道置零。检测原理如图6所示。其中

$C_{32}=\left[\begin{array}{cc}& \\ 1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]C_{23}={C_{32}}^T---\left(6\right)$

Ea、Eb、Ec和ia、ib、ic分别为系统电压和负载检测电流，该方法根据定义算出整个系统的有功功率和无功功率p和q，经过低通滤波器得到直流分量

逆变换后得基波有功电流，然后和系统检测电流相减得到系统谐波和无功电流的综合。

同时，图6虚线框所示为APF直压侧的控制。Edr是Ed的给定值，Edc是Ed的反馈值，两者之差经PI调节器后得到调节信号，然后和系统谐波与无功电流叠加得到有源电力滤波器的补偿电流信号。

实施例二

如图1所示为本设计的整体结构框图，该框图为电力系统领域提供了一种并联型多目标短路电流故障限流器案例。补偿系统并联接在限流电抗器L_fcl和非线性负载之间，Z_s为电源内部等效阻抗。电路主要由三个部分构成：大容量的无源滤波器(包括5次、7次和高通)、小容量的有源滤波器以及L₁、C₁构成的基波谐振支路。有源电力滤波器主电路是由全控型电力半导体器件IGBT和直流支撑电容C构成。L₁、C₁用来分流基波无功电流。谐波源为带阻感负载的三相桥式整流电路。APF等效为受控电流源。当系统正常运行时，开关S闭合，限流电抗器L_fcl串联在线路上，混合型有源电力滤波器补偿无功与谐波。如果系统在负荷侧发生短路，则开关S断开，限流电抗器L_fcl相当于一个大负载串联大电路，使故障电流受到限制。

如图2所示为单相等效电路，电压源Vs分解为基波电压分量V_sf和谐波电压分量V_sh；负载电流分解为基波电流分量i_Lf和谐波电流分量i_Lh，Z_s为电源内部等效阻抗；Lfcl为短路限流电抗器；L_F、C_F分别为5次、7次单调滤波器和高通滤波器的总电感和总电容；L₁、C₁分别为基波谐振支路的电感和电容。

如图3所示为基波等效电路图，由于有源滤波器仅输出谐波电流，所以在电源基波电压和负载基波电流作用下，相当于开路；基波谐振支路在基波下处于谐振状态，可看作短路，其电压为零。

如图4所示为单相电源谐波电压单独作用等效电路，有源滤波器和基波谐振支路的加入相当与在系统侧加入一个阻抗Z1，从而起到抑制系统谐波电压产生谐波电流的作用，同时也避免了无源滤波器与电网产生谐振。

如图6所示为指令电流运算与直流侧电压控制环节图，本发明所述有源电力滤波器需要补偿谐波和无功，所以补偿电流分量包括谐波和无功两部分，补偿电流的检测采用基于瞬时无功功率理论的p-q检测法。系统正常运行期间，APF不仅要滤除负载所带来的谐波和无功电流，还需消除限流电抗器L所引起的电压降落以及无功损耗，所以应该在传统的无功检测回路中将q通道置零。

由此可见，单纯的使用传统的APF并不能完全补偿系统的谐波与无功。本设计混合电力滤波器的使用大大改善了这种情况。混合型有源电力滤波器不仅使系统的谐波与无功补偿系统效果显著改善，而且基波谐振支路的加入也大大降低了APF的容量，充分发挥了有源与无源滤波器各自的特点。所有在本设计提及的范围内，做类似修改或者替换的都属于本设计保护范围。

综上所述，本发明提出的并联型多目标短路电流故障限流器，将混合型有源电力滤波器与限流电抗器综合使用，设计出一种并联型多目标短路电流故障限流器，不仅补偿负载的谐波与无功电流，而且补偿串联限流电抗器带来无功损耗。此方法大大降低了APF的容量与系统的谐波电流与电压含量，并且具有良好的短路电流限制水平。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (5)

1.一种并联型多目标短路电流故障限流器，其特征在于，所述限流器通过开关S并联接在限流电抗器L_fcl和非线性负载之间；

所述限流器包括依次连接的无源滤波器、基波谐振支路、有源电力滤波器；

所述无源滤波器通过所述开关S并联接在限流电抗器L_fcl和非线性负载之间；

所述基波谐振支路包括并联的电感L₁、电容C₁；

所述有源电力滤波器主电路是由全控型电力半导体器件IGBT和直流支撑电容C构成。

2.根据权利要求1所述的并联型多目标短路电流故障限流器，其特征在于：

所述无源滤波器包括并联的5次单调滤波器、7次单调滤波器和高通滤波器。

3.根据权利要求2所述的并联型多目标短路电流故障限流器，其特征在于：

所述5次单调滤波器包括串联的电容C₅、电感L₅。

4.根据权利要求2所述的并联型多目标短路电流故障限流器，其特征在于：

所述7次单调滤波器包括串联的电容C₇、电感L₇。

5.根据权利要求2所述的并联型多目标短路电流故障限流器，其特征在于：

所述高通滤波器包括串联的电容C_h、电感L_h。

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