CN102214917A - 一种智能型故障电流限制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种限流电抗灵活可调的智能型故障电流限制器，该故障电流限制器由可控补偿电容和可控限流电抗两大模块串联组成；本发明提供的智能型故障电流限制器根据电网的运行方式变化，灵活调节其工作模式，实现有效降低系统短路电流水平、提高系统稳定性、降低损耗等多个目标；并且本发明能够适应智能电网的运行要求，为智能电网的安全稳定运行和大规模可再生能源的“即插即退”式灵活接入提供技术支撑。

Description

一种智能型故障电流限制器

技术领域

本发明涉及一种电力系统灵活交流输电(FACTS)领域的故障电流限制器，具体涉及一种限流电抗灵活可调的智能型故障电流限制器。

背景技术

随着电力系统电源容量和负荷的迅速增长，系统的短路水平不断上升，不少地区的短路容量已经达到甚至超过了断路器的遮断容量，这就为电力系统的安全稳定运行带来了很大的隐患。为解决该问题，业内采用了包括电网解列、母线分裂、安装串联电抗器和高阻抗变压器等手段在内的多种技术方案来应对。理论研究和工程实践表明，基于晶闸管保护串联电容器(TPSC)技术的串联谐振式故障电流限制器(以下简称FCL装置)能够在限制系统短路电流水平的同时，不影响系统正常运行状态下的潮流分布，运行可靠、灵活，并于2009年12月开始工程实际应用。

2009年5月，国家电网公司首次提出了“智能电网计划”，智能电网将为新能源接入电力系统提供良好的技术平台。根据预计，2020年，中国可再生能源装机将达到5.7亿千瓦，占总装机容量的35％，每年可减少煤炭消耗4.7亿吨标准煤，减排二氧化碳13.8亿吨。其中，风能、太阳能等非水电的可再生能源比例将大大提高。新能源大多具有季节性、间歇性、波动性等特点，这就导致电网短路水平在不同季节、不同时段变化显著。特别是大规模分布式电源、可再生能源等“即插即退”式电源的推广应用，将导致系统短路水平呈现周期性或随机性变化的趋势。常规的FCL装置很难对未来电网的状态变化做出灵活响应。在新能源大规模接入的智能电网环境下，最大运行方式和最小运行方式对应的系统短路容量十分悬殊，按照最小运行方式下的系统阻抗来确定限流电抗参数可能无法确保线路断路器能够遮断系统最大的短路电流；反之，按照最大运行方式下的系统阻抗来设计限流电抗器会大大提高损耗，降低FCL装置运行的经济性。同时应注意到，传统的FCL装置中，电容器仅用于在正常运行状态下抵消限流电抗器的感抗，并未发挥串联补偿的作用，而串联补偿对于电力系统的稳定运行具有十分积极且重大的影响。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种分级式的智能型故障电流限制器的技术实现方案。本发明提供的智能型故障电流限制器根据电网的运行方式变化，灵活调节其工作模式，实现有效降低系统短路电流水平、提高系统稳定性、降低损耗等多个目标；并且本发明能够适应智能电网的运行要求，为智能电网的安全稳定运行和大规模可再生能源的“即插即退”式灵活接入提供技术支撑。

本发明采用下述方案予以实施：

一种智能型故障电流限制器，其特征在于，所述故障电流限制器包括串联的可控补偿电容模块和可控限流电抗模块；所述可控补偿电容模块中的电容器组1和可控限流电抗模块中的可控限流电抗器7串联。

本发明提供的一种优选的技术方案是：所述可控补偿电容模块包括电容器组1、金属氧化物限压器MOV2、阀控电抗器3、晶闸管阀4、阻尼电路D、火花间隙GAP5和旁路断路器6；所述阀控电抗器3和晶闸管阀4串联，组成阀控电抗器3-晶闸管阀4支路；所述电容器组1、金属氧化物限压器MOV2、阀控电抗器3-晶闸管阀4支路、火花间隙GAP5和旁路断路器6依次并联；所述阻尼电路D连接在阀控电抗器3-晶闸管阀4支路以及火花间隙GAP5之间。

本发明提供的第二优选的技术方案是：所述可控限流电抗模块包括可控限流电抗器7、第一隔离刀闸8、第二隔离刀闸9、第一接地刀闸10、第二接地刀闸11和旁路刀闸12；所述可控限流电抗器7和第一隔离刀闸8串联；所述第一接地刀闸10连接在可控限流电抗器7和第一隔离刀闸8之间；所述第二隔离刀闸9和电容器组1串联；所述第二接地刀闸11连接在电容器组1和第二隔离刀闸9之间；所述旁路刀闸12两端分别连接第一隔离刀闸8和第二隔离刀闸9。

本发明提供的第三优选的技术方案是：所述电容器组1和阀控电抗器3-晶闸管阀4支路并联来调节可控补偿电容模块的容抗值。

本发明提供的第四优选的技术方案是：所述可控限流电抗模块采用电抗器型分级可调方案和变压器型分级可调方案来调节可控限流电抗模块的感抗值。

本发明提供的第五优选的技术方案是：所述智能型故障电流限制器具备谐振、补偿、限流和强补四个工作模式，并可根据需要在四个工作间自动、快速转换。

与现有技术相比，本发明达到的用有益效果是：

(1)本发明的技术方案明确，主电路结构合理，便于设备制造与集成；

(2)本发明可根据系统短路容量的变化，分级调节接入的限流电抗器的参数，具有更强的系统适应性和运行的灵活性，同时能够降低装置的损耗；

(3)在正常运行状态下，调节可控限流电抗与可控补偿电容两大模块，可使智能型故障电流限制器运行在串联补偿的状态下，提高系统的输送能力；

(4)在故障清除后，可使智能型故障电流限制器运行在“强补”模式下，有利于增大系统阻尼，提高系统稳定暂态与动态稳定极限；

(5)本发明提供的智能型故障电流限制器运行方式智能、灵活，可适应多种系统工况的运行要求，可显著提高电力系统运行的安全性、稳定性、灵活性与经济性；

(6)可在本发明产品的设计和集成中借鉴可控串补、故障电流限制器的成熟经验，便于工程实现。

附图说明

图1是智能型故障电流限制器原理示意图；

图2是可控补偿电容模块等效容抗值的运行特性曲线；

图3是电抗器型分级可调方案示意图；

图4是变压器型分级可调方案示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

本发明提出的智能型故障电流限制器的主电路原理示意图如图1所示。智能型故障电流限制器由可控补偿电容和可控限流电抗两大功能模块串联构成，图1中被虚线框内的部分即为可控补偿电容模块，由电容器组1、金属氧化物限压器(MOV)2、晶闸管阀4、阀控电抗器3、阻尼电路D、火花间隙(GAP)5、旁路断路器6组成。MOV是电容器组的过电压主保护设备，确保电容器组的安全运行。GAP是电容器组的后备保护设备，在MOV的运行状态(能耗、温度、电流等)达到整定值时被触发，确保电容器组和MOV的安全。需要指出，在本发明中，GAP并非是必需的构成设备，在不装设GAP的情况下可以依靠晶闸管阀实现快速旁路功能，不包含GAP的主电路方案仍属于本专利的保护范围。旁路断路器在GAP触发后合闸，为GAP去游离提供通路，同时也是完成投退操作的必需设备。阻尼电路用来限制电容器组放电电流的幅值和频率，保护相关设备不被损坏。可控补偿电容模块的等效容抗值是由智能型故障电流限制器的控制保护系统(指得是智能型故障电流限制器的二次部分)对晶闸管阀导通角的调节来实现的，二者的函数关系参见图2。由图2可见，可控补偿电容模块的等效容抗值在一定的范围内是连续可调的。

图1中“可控限流电抗器”表示智能型故障电流限制器的可控限流电抗功能模块，本发明提出了该功能模块的两种可行的实现方案：

(1)电抗器型分级可调方案

电抗器型分级可调方案示意图如图3所示。图3所示的实例为三组电抗器L组成的可控限流电抗功能模块，在实际应用中，应根据需求确定电抗器的数目。每一组限流电抗器两端并联晶闸管阀T(含限流小电抗Ls)和旁路断路器。通过控制晶闸管阀与旁路断路器的开通和关断，能够实现四个等级的电抗器接入方案(投入零、一、二、三组电抗器)。晶闸管阀支路可以保证在需要的情况下(如故障清除后系统处于摇摆过程)快速切除电抗器，提高装置的容性补偿度，起到“强补”的作用；如果对旁路断路器的动作时间要求不高，在设计中依靠可控补偿电容模块实现“强补”功能，则晶闸管阀支路可以省略。为了减小设备的占地，也可采用在线圈中引出抽头的方式实现限流电抗的分组。

(2)变压器型分级可调方案

变压器型分级可调方案示意图如图4所示。变压器的一次绕组接入系统，在二次绕组引出抽头，构成分级投切的结构。图4所示的实例中，变压器二次侧引出三个抽头，并分别与开关K1、K2、K3连接。在实际应用中，可根据需求确定抽头的数目。通过对开关K1、K2、K3的分合闸操作，可改变变压器副边接入电抗的大小，进而调节变压器一次侧呈现的电抗。假定变压器漏抗为XL，图4所示的主电路所呈现的阻抗可在表1所示的4种状态间切换。

表1 变压器型分级可调方案限流电抗接入状态

需要指出，图4中的K1、K2、K3表示旁路机构，可以用旁路断路器来实现，也可在断路器两端并联晶闸管阀，提高装置的响应速度。与电抗器型分级可调方案类似，晶闸管阀为可选的设备。如果对旁路断路器的动作时间要求不高，在设计中依靠可控补偿电容模块实现“强补”功能，则晶闸管阀支路可以省略。

可控补偿电容功能模块和可控限流电抗功能模块运行状态灵活可控，由二者组成的智能型故障电流限制器可工作于下述四种模式，大大提高了成套设备运行的灵活性和经济性，实现了对故障电流限制器的“智能化”控制。智能型故障电流限制器的控制保护系统根据监测和输入的系统状态数据，智能调节装置的运行模式，以实现对系统安全稳定性的支撑功能。

四种模式如下：

(1)谐振模式：可控限流电抗模块和可控补偿电容模块处于工频串联谐振状态，智能型故障电流限制器的接入不影响系统潮流分布。

(2)补偿模式：可控补偿电容容抗值大于可控限流电抗的感抗值，智能型故障电流限制器呈现容性补偿状态，提高系统的输送能力。

(3)限流模式：可控补偿电容被旁路(晶闸管阀、火花间隙、旁路开关多重措施确保动作的快速性和可靠性)，可控限流电抗投入系统，将故障电流限制允许范围内。

(4)强补模式：通过调节可控补偿电容模块晶闸管阀触发角和快速旁路可控限流电抗模块(后者仅在可控限流电抗模块配置了晶闸管阀的情况下采用)，使装置在短时间内(如2～5秒)呈现大容抗状态(如1.2p.u)，利于提高故障后系统的暂态和动态稳定性。

当电力系统处于正常运行状态，智能型故障电流限制器对应的工作模式为谐振模式或补偿模式。此时，可控限流电抗模块呈现的电抗值取决于系统当前运行方式下的短路容量，确保当可控电容被旁路、可控限流电抗接入后能够将短路电流降低到厂站相关设备的遮断容量以下。谐振模式下，智能型故障电流限制器呈现的等效阻抗为零，智能型故障电流限制器的接入不影响电力系统的潮流分布；如果线路潮流较重，可将装置调至补偿模式，提高输送能力。

当智能型故障电流限制器检测到电力系统发生短路故障后，即进入限流模式，降低故障电流，以利于线路断路器安全可靠地清除故障。

当故障清除后，系统会进入暂态摇摆过程(典型持续时间2～5秒)，可将智能型故障电流限制器调至强补模式，提高系统的暂态和动态稳定水平。

在智能型故障电流限制器运行过程中，如果出现常规机组开停机、分布式电源投退、网络结构变化等影响短路容量的事件，智能型故障电流限制器的控制保护系统将根据人工输入或监测数据，计算可控限流电抗的目标阻抗，并根据智能型故障电流限制器当前的工作模式，发出控制命令，调节可控限流电抗和可控补偿电容的阻抗值。

本发明提出的智能型故障电流限制器在电网正常运行时表现为零阻抗或零容抗，以达到不改变潮流分布的目的或提高系统稳定性的作用；在电网发生短路故障时，迅速呈现高阻抗以限制故障电流，确保电网与设备安全。

本发明提出的智能型故障电流限制器由可控限流电抗功能模块和可控补偿电容功能模块串联而成。可控补偿电容的实现方案与目前已经获得大量工程应用的可控串补的电路方案类似，技术成熟，运行可靠性高。本发明还就可控限流电抗的主电路提出了两种技术实现方案。通过适当调节可控限流电抗和可控补偿电容的阻抗值，改变智能型故障电流限制器整体呈现的阻抗特性，调节接入系统的电抗值，适应系统短路容量发生波动时的需要，既能有效限制短路电流，又可降低智能型故障电流限制器的损耗，提高系统稳定性，大大提高了智能型故障电流限制器运行的灵活性和经济性。

最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (6)

1.一种智能型故障电流限制器，其特征在于，所述故障电流限制器包括串联的可控补偿电容模块和可控限流电抗模块；所述可控补偿电容模块中的电容器组(1)和可控限流电抗模块中的可控限流电抗器(7)串联。

2.如权利要求1所述的智能型故障电流限制器，其特征在于，所述可控补偿电容模块包括电容器组(1)、金属氧化物限压器MOV(2)、阀控电抗器(3)、晶闸管阀(4)、阻尼电路D、火花间隙GAP(5)和旁路断路器(6)；所述阀控电抗器(3)和晶闸管阀(4)串联，组成阀控电抗器(3)-晶闸管阀(4)支路；所述电容器组(1)、金属氧化物限压器MOV(2)、阀控电抗器(3)-晶闸管阀(4)支路、火花间隙GAP(5)和旁路断路器(6)依次并联；所述阻尼电路D连接在阀控电抗器(3)-晶闸管阀(4)支路以及火花间隙GAP(5)之间。

3.如权利要求1所述的智能型故障电流限制器，其特征在于，所述可控限流电抗模块包括可控限流电抗器(7)、第一隔离刀闸(8)、第二隔离刀闸(9)、第一接地刀闸(10)、第二接地刀闸(11)和旁路刀闸(12)；所述可控限流电抗器(7)和第一隔离刀闸(8)串联；所述第一接地刀闸(10)连接在可控限流电抗器(7)和第一隔离刀闸(8)之间；所述第二隔离刀闸(9)和电容器组(1)串联；所述第二接地刀闸(11)连接在电容器组(1)和第二隔离刀闸(9)之间；所述旁路刀闸(12)两端分别连接第一隔离刀闸(8)和第二隔离刀闸(9)。

4.如权利要求2所述的智能型故障电流限制器，其特征在于，所述电容器组(1)和阀控电抗器(3)-晶闸管阀(4)支路并联来调节可控补偿电容模块的容抗值。

5.如权利要求3所述的智能型故障电流限制器，其特征在于，所述可控限流电抗模块采用电抗器型分级可调方案和变压器型分级可调方案来调节可控限流电抗模块的感抗值。

6.如权利要求1-5任一所述的智能型故障电流限制器，其特征在于，所述智能型故障电流限制器具备谐振、补偿、限流和强补四个工作模式，并可根据需要在四个工作间自动、快速转换。

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