CN103390881A - 统一电能质量控制器的智能化保护电路及方法 - Google Patents

Abstract

UPQC的智能化保护电路：UPQC的串联换流器经由耦合变压器(U_C)接入负载（i_l）与电力系统（U_S）之间、并联换流器则直接接于负载与电力系统之间、且位于耦合变压器之后的线路中，在耦合变压器两端，并联有反并联晶闸管（SCR）和第五断路器（CB5），反并联晶闸管（SCR）两端设有隔离开关；第一断路器（CB1）接于耦合变压器与电力系统连接处、第二断路器（CB2）接于耦合变压器与负荷连接处，第三断路器（CB3）接于保护电路串联换流器与电力系统连接处、第四断路器（CB4）接于保护电路并联换流器与电力系统连接处。本发明还包括UPQC的智能化保护方法。本发明可实现对统一电能质量控制器快速高效的故障保护。

Description

统一电能质量控制器的智能化保护电路及方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统中压柔性交流输配电用的统一电能质量控制器的智能化保护电路。本发明还涉及采用所述电路对统一电能质量控制器进行智能化保护的方法。

背景技术

随着智能电网的发展，各种非线性负荷及大规模电力电子器件的使用日益频繁，带来便利的同时也给电力系统的电能质量问题带来的严重的危机。统一电能质量控制器（UnifiedPower Quality Conditioner,UPQC）作为一种能够同时解决电压、电流质量问题的复合型电路，凭借其串联侧及并联侧的换流器既可以解耦后独立运行，又可以针对配电线路中同时存在电压、电流问题时实现综合补偿的特点，在未来智能电网的发展中占据了重要的地位。

统一电能质量控制器（UPQC）的主体结构是两个通过直流母线连接的换流器，随着科技和工业技术的发展，换流器的拓扑结构已经由传统的二电平、三电平向模块化、级联多电平结构发展，极大的促进了统一电能质量控制器向高压大功率方向的应用。

针对于UPQC整体电路在电力系统出现故障时，如何合理的操作保证其安全可靠稳定的运行，不仅是电力系统对电路的要求，更是电路保护自身的要求。

由于UPQC拓扑结构的特殊性，其串联部分一般通过耦合变压器与电力系统相连。电流互感器的二次绕组不能开路，否则将会造成危险的高电压烧毁设备，因此配电电力系统中发生短路故障时，UPQC中的串联侧换流器不能从电流互感器的二次侧断开。若采用断路器旁路耦合变压器一次侧的电路，由于断路器的动作时间较长，依然无法实现对电路快速高效的故障保护。在实际的UPQC电路在运行中需要一个特殊的保护电力系统及其保护方法。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种统一电能质量控制器的智能化保护电路。

本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供一种采用上述电路进行统一电能质量控制器智能化保护的方法。

采用本发明的电路和方法，可实现对统一电能质量控制器快速高效的故障保护。

解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种UPQC的智能化保护电路，所述的UPQC包括并联换流器和串联换流器，其特征是：所述保护电路的组成及其与UPQC、负载和电力系统之间的连接关系为：所述的UPQC的串联换流器经由耦合变压器(U_C)接入负载（i_l）与电力系统（U_S）之间的线路中、并联换流器则直接接于负载与电力系统之间、且位于耦合变压器之后的线路中，在所述的耦合变压器两端，并联有反并联晶闸管（SCR）和第五断路器（CB5），反并联晶闸管（SCR）两端设有隔离开关；第一断路器（CB1）接于耦合变压器与电力系统连接处、第二断路器（CB2）接于耦合变压器与负荷连接处，第三断路器（CB3）接于保护电路串联换流器与电力系统连接处、第四断路器（CB4）接于保护电路并联换流器与电力系统连接处。

所述的并联换流器与线路的连接中设有启动电阻和旁路接触器（KM）。

所述的UPQC主拓扑结构包括三相两电平结构、多重化结构、嵌入式多电平结构、级联H桥结构和MMC结构。

所述的UPQC智能化保护方法所保护的故障类型包括：电力系统侧、负荷侧各相短路故障，电路内部子模块短路、短路故障及耦合变压器故障等。

采用上述电路进行统一电能质量控制器智能化保护的方法，包括如下步骤：

步骤1：检测电力系统是否出现故障现象或是否出现严重的过电流；如果出现故障现象及严重过电流则进行步骤2；如果未出现故障及过电流现象则电路继续运行；

步骤2：采用现有技术判断故障类型是否是负荷三相短路故障，故障点是否在负荷侧，若是则进行步骤4，反之，则进行步骤3；

步骤3：反并联晶闸管动作将耦合变压器旁路；

步骤4：控制柜发出断路器合闸指令，耦合变压器一次侧第五断路器进行合闸操作；

步骤5：控制柜发出断路器分闸指令，耦合变压器与于电力系统连接处第一断路器、耦合变压器与负载连接处第二断路器、UPQC并联侧与电力系统连接处第四断路器、UPQC串联侧与耦合变压器连接处第三断路器同时进行分闸操作，电路退出，结束。

与现有的技术相比，本发明的有益效果在于：

第一，本发明提出的UPQC智能化保护电路和方法可以在电力系统中出现除负荷侧三相短路故障的其他故障后，10-20ms内快速旁路耦合变压器，实现对UPQC耦合变压器及串联侧换流器的保护；

第二，本发明在负荷侧出现故障后，选择仅动作相应断路器的方式退出UPQC电路，避免了负荷侧短路过程中出现的较大的故障电流流经反并联晶闸管，因此在保护元件的选型时可以选取较小容量的反并联晶闸管，进而降低了电路保护电力系统的成本；

第三，本发明可以在检测到发生严重短路故障10-20ms后，完成进一步电力系统跳闸停运保护，由于快速旁路耦合变压器，电力系统短路阻抗不会发生变化，电力系统上级故障保护动作不受影响；

第四，本发明提出的UPQC保护电力系统及保护方法，在晶闸管拒动情况下可以通过断路器动作对电路进行二次保护，提高了电路的可靠性及安全性。

附图说明

图1是本发明的统一电能质量控制器的保护电路组成和连接关系示意图；

图2是本发明的统一电能质量控制器智能化保护方法的程序流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施作进一步的详细说明。

本发明所要解决的技术问题是提供一种统一电能质量控制器的智能化保护方法，当电力系统中发生短路故障时，电力系统电压将直接作用于电力系统阻抗和耦合变压器一次侧，由于电力系统阻抗与耦合变压器一次绕组阻抗相比要小的很多，大部分故障电压将主要作用于变压器一次侧，变压器二次侧将感应出高电压。即使UPQC串联部分不工作，在二极管不控整流的作用下，公共直流母线电压依然会升高。因此当发生故障时，需要采取有效措施对电路进行快速隔离退出，以避免故障电流对电路造成损伤。

图1是统一电能质量控制器的拓扑结构接入电力系统的简化示意图。

UPQC的智能化保护电路，UPQC包括并联换流器和串联换流器，UPQC的串联换流器经由耦合变压器U_C接入负载（i_l）与电力系统（U_S）之间的线路中、并联换流器则直接接于负载与电力系统之间且耦合变压器之后的线路中，在耦合变压器两端，并联有反并联晶闸管SCR和第五断路器CB5，反并联晶闸管SCR两端设有隔离开关，第一断路器CB1接于耦合变压器与电力系统连接处、第二断路器CB2接于耦合变压器与负荷连接处，第三断路器CB3接于保护电路串联换流器与电力系统连接处、第四断路器CB4接于保护电路并联换流器与电力系统连接处。并联换流器与线路的连接中设有启动电阻和旁路接触器。

UPQC并联部分换流器直接接于负载与电力系统之间的线路中，串联部分换流器则经由耦合变压器接入交流电力系统。如图1所示，保护电路包括反并联晶闸管SCR以及断路器CB1-CB5。反并联晶闸管、CB5与耦合变压器并联，断路器CB1接于耦合变压器与电力系统连接处，断路器CB2接于耦合变压器与负荷连接处，断路器CB3接于电路串联侧与电力系统连接处，断路器CB4接于电路并联侧与电力系统连接处。若电力系统中出现非负荷侧的短路接地故障，故障电流流经电力系统阻抗与耦合变压器一次侧，此时，UPQC并联侧迅速闭锁，串联侧上桥臂旁路、下桥臂闭锁。反并联晶闸管SCR快速启动，将耦合变压器旁路，动作时间为10-20ms，断路器CB5接受控制器合闸指令，CB1-4接受控制器分闸指令，UPQC安全退出运行，故障保护结束动作。若电力系统中出现的故障类型为负荷侧的短路故障，此时电力系统对负荷的可靠供电已经由于故障而无法保证，如何快速的退出电路避免元器件的损坏成为重点考察的内容。因此，不启动反并联晶闸管的旁路功能，而由断路器CB5接受合闸指令，CB1-4接受分闸指令，退出UPQC电路。负荷侧的故障电流不经反并联晶闸管，从而降低了对反并联晶闸管容量的要求，节约了电路的生产成本。

图2所示为统一电能质量控制器智能化保护方法的程序流程图，由图中可以看到，电路在故障发生情况下的退出步骤分别为：

步骤1：检测电力系统是否出现故障现象，检测电力系统是否出现故障电流；如果出现故障及过电流现象则进行步骤2；如果未出现故障及过电流现象则电路继续运行；

步骤2：判断故障类型是否是负荷三相短路故障，故障点是否在负荷侧，若是则进行步骤4，反之，则进行步骤3；

步骤3：反并联晶闸管动作，旁路电路串联侧耦合变压器；

步骤4：控制柜发出断路器合闸指令，耦合变压器一次侧断路器进行合闸操作；

步骤5：控制柜发出断路器分闸指令，耦合变压器与于电力系统连接处、耦合变压器与负载连接处、UPQC并联侧与电力系统连接处、UPQC串联侧与耦合变压器连接处的四个断路器同时进行分闸操作，电路退出，结束。

Claims (5)

1.一种统一电能质量控制器的智能化保护电路，所述的统一电能质量控制器包括并联换流器和串联换流器，其特征是：所述保护电路的组成及其与统一电能质量控制器、负载和电力系统之间的连接关系为：所述的统一电能质量控制器的串联换流器经由耦合变压器(U_C)接入负载（i_l）与电力系统（U_S）之间的线路中、并联换流器则直接接于负载与电力系统之间、且位于耦合变压器之后的线路中，在所述的耦合变压器两端，并联有反并联晶闸管（SCR）和第五断路器（CB5），反并联晶闸管（SCR）两端设有隔离开关；第一断路器（CB1）接于耦合变压器与电力系统连接处、第二断路器（CB2）接于耦合变压器与负荷连接处，第三断路器（CB3）接于保护电路串联换流器与电力系统连接处、第四断路器（CB4）接于保护电路并联换流器与电力系统连接处。

2.根据权利要求1所述的统一电能质量控制器的智能化保护电路，其特征是：所述的并联换流器与线路的连接中设有启动电阻和旁路接触器（KM）。

3.根据权利要求1所述的统一电能质量控制器的智能化保护电路，其特征是：所述的统一电能质量控制器主拓扑结构包括三相两电平结构、多重化结构、嵌入式多电平结构、级联H桥结构和MMC结构。

4.一种采用如权利要求1至3所述的任意一项统一电能质量控制器的智能化保护电路进行统一电能质量控制器的智能化保护方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤1：检测电力系统是否出现故障现象或是否出现严重的过电流；如果出现故障现象及严重过电流则进行步骤2；如果未出现故障及过电流现象则电路继续运行；

步骤2：采用现有技术判断故障类型是否是负荷三相短路故障，故障点是否在负荷侧，若是则进行步骤4，反之，则进行步骤3；

步骤3：反并联晶闸管动作将耦合变压器旁路；

步骤4：控制柜发出断路器合闸指令，耦合变压器一次侧第五断路器进行合闸操作；

步骤5：控制柜发出断路器分闸指令，耦合变压器与于电力系统连接处第一断路器、耦合变压器与负载连接处第二断路器、UPQC并联侧与电力系统连接处第四断路器、UPQC串联侧与耦合变压器连接处第三断路器同时进行分闸操作，电路退出，结束。

5.根据权利要求4所述的统一电能质量控制器的智能化保护方法，其特征是：所述的统一电能质量控制器智能化保护方法所保护的故障类型包括：电力系统侧、负荷侧各相短路故障，电路内部子模块短路、短路故障及耦合变压器故障。

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