CN103475293A - 具有潮流控制和短路限流功能的铁芯电抗调节器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有潮流控制和短路限流功能的铁芯电抗调节器及其控制方法，所述铁芯电抗调节器包括6个口字型铁芯、直流线圈和交流线圈；每个口字型铁芯包括中间柱、边柱、上磁轭和下磁轭，6个中间柱合在一起形成组合中间柱，相邻边柱的距离均相等；直流线圈绕制在所述组合中间柱上并与可调偏置直流源连接，所述交流线圈绕制在边柱上，相对边柱上的两个交流线圈的同名端相连后连接在电网上；所述口字型铁芯上设有气隙。所述控制方法包括当电网稳态运行时，将所述可调偏置直流源的电流值调节到指令值；当线路发生短路故障时，短路电流比稳态工作电流大，控制可调偏置直流源的输出电流下降至零。本发明结构简单，易于实现，成本低，可靠性高。

Description

具有潮流控制和短路限流功能的铁芯电抗调节器及其控制方法

技术领域

本发明涉及柔性输变电装置和输变电控制方法，尤其是一种铁芯电抗调节器及其控制方法。 

背景技术

现代电网的潮流控制一直是电力系统运行中最受关注的问题，对于大电网而言，若其潮流得不到有效控制，将对电网安全运行产生重大影响。但是全面的潮流控制需要大量复杂昂贵的装置，这使得电网运行成本上升。同时，由于电力系统容量的增大，短路电流也越来越大，不仅造成断路器无法断开，也给电网带来巨大的瞬时短路电流冲击，现有的解决方案包括在电网上设置电抗器、故障限流器、加大变压器电抗或者改变输电线路运行方式等等。 

在现代电网中，串联电抗器可以通过调节自身的电抗来调整输电网上的潮流；一些特殊场合也使用具有固定电抗值的干式电抗器来调节系统潮流；同时电力电子开关器件构成的串联补偿设备也常常用来灵活调节系统阻抗。还有一种使用饱和铁芯作为主要结构的电抗器，利用超导线构成控制电路，将饱和铁芯和超导线圈相结合来实现故障电流限制功能，常称这一类装置叫做饱和铁芯型超导限流器。然而干式电抗器在潮流控制中往往缺乏灵活性；电力电子器件构成的串联补偿装置通常具有复杂的控制方式和大量昂贵的开关器件，导致成本增加和使用策略复杂；饱和铁芯限流器往往仅具有故障限流功能，而无法在电网正常运行时灵活安排自身阻抗以适应电力系统潮流的要求。这种饱和铁芯超导限流器只具有二值输出：即电网正常时表现低电抗和电网故障时表现高电抗，因而不具有潮流控制能力。为迫使电网正常运行时饱和铁芯限流器串入电抗最小，需要极大的直流励磁系统控制铁芯处于深度饱和状态，这类饱和铁芯限流器中常采用超导材料作为直流线圈回路，相应的制冷设备也必须投入使用才能保证超导材料的正常工作，因此饱和铁芯超导限流器的装置体积和设备投资都是巨大的，经济性相对较低。 

发明内容

发明目的：本发明的一个目的是要提供一种具有潮流控制和短路限流功能的铁芯电抗调节器，用以解决干式电抗器和电力电子串联补偿装置虽具有潮流控制功能却不具有故障限流功能，而饱和铁芯超导限流器虽具有故障限流功能却不具有潮流控制功能的技术问题。 

技术方案：一种具有潮流控制和短路限流功能的铁芯电抗调节器，包括6个口字型 铁芯、直流线圈和交流线圈；每个口字型铁芯包括中间柱、边柱、上磁轭和下磁轭，6个中间柱合在一起形成组合中间柱，相邻边柱的距离均相等；直流线圈绕制在所述组合中间柱上并与可调偏置直流源连接，所述交流线圈绕制在边柱上，相对边柱上的两个交流线圈的同名端相连后连接在电网上；所述口字型铁芯上设有气隙。 

所述交流线圈绕制的匝数比所述直流线圈的匝数少。所述气隙设置在边柱、上磁轭或者下磁轭。 

一种具有潮流控制和短路限流功能的铁芯电抗调节器，包括2个口字型铁芯、直流线圈和交流线圈；每个口字型铁芯包括中间柱、边柱、上磁轭和下磁轭，所述中间柱合在一起形成组合中间柱；所述直流线圈绕在组合中间柱上并和可调偏置直流源相连，交流线圈绕制在所述边柱上，交流线圈的同名端相连后连接在电网上，所述上磁轭上设有气隙。所述交流线圈绕制的匝数比所述直流线圈的匝数少。 

本发明进一步提供了上述具有潮流控制和短路限流功能的铁芯电抗调节器的控制方法，包括如下步骤： 

当电网稳态运行时，根据电网潮流的需要，将所述可调偏置直流源的电流值调节到指令值； 

当线路发生短路故障时，短路电流比稳态工作电流大，控制可调偏置直流源的输出电流下降至零，使铁芯电抗调整器进入限流工作状态。 

这种控制方法使得上述电抗调节器在电网稳态运行时，通过准确控制铁芯磁控电抗调节器直流线圈上的电流就可以平滑调节装置的输出基波阻抗到指定值，同时对电网产生的谐波污染很小。在电网发生短路故障以后，控制直流线圈电流迅速降低至0，使装置立即进入限流工作状态，保证了断路器能够可靠开断。 

有益效果：本发明不需要使用超导材料，结构简单，易于实现，成本低，可靠性高。 

附图说明

图1为本发明三相结构侧视图； 

图2a为本发明每相交直流线圈的接线方式和气隙设置在上磁轭的示意图； 

图2b为本发明每相交直流线圈的接线方式和气隙设置在下磁轭的示意图； 

图2c为本发明每相交直流线圈的接线方式和气隙设置在上、下磁轭的示意图； 

图2d为本发明每相交直流线圈的接线方式原理图和气隙设置在旁柱的示意图； 

图2e本发明气隙的示意图； 

图3为本发明三相结构的俯视图及其开气隙位置的示意图； 

图4为本发明的俯视图； 

图5为本发明的仰视图； 

图6为本发明在潮流控制时的磁化曲线控制原理图； 

图7为本发明在故障限流时的磁化曲线控制原理图； 

图8为本发明直流电流调整后输出基波电抗的变化情况，是以交流220V等级样机为例做的仿真实验图； 

图9为本发明限流时的仿真实验图，并与未接铁芯电抗调节器是短路电流做了对比，是以交流220V等级样机为例做的仿真实验图。 

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明的具体实施方式： 

本发明的铁芯电抗调节器包括2种：针对单相结构，设置2个口字型铁芯，每个口字型铁芯具有一个中间铁芯柱、一个边柱、上磁轭和下磁轭，上边磁轭开了特定大小的气隙。单相结构中，两个口字型铁芯的中间柱合在一起构成组合中间柱，直流线圈绕在组合中间柱上并和可调偏置直流源相连，可调偏置直流源可以根据需要改变铁芯的饱和度改变铁芯电抗调整装置的输出基波电抗。两个口字型铁芯的边柱上均绕有交流线圈，两个交流线圈同名端相连后再串接在电网上。 

针对三相结构，设置6个口字型铁芯，三相结构由6个口字型铁芯组成，6个口字型铁芯围绕组合中间柱形成360°圆周结构，每两个围绕组合中柱呈180°的口字型结构为一相，在这两个口字型铁芯边柱上分别绕制有属于同一相的线圈，并将两个线圈同名端串联后接在电网的对应相上。直流线圈绕制在组合中柱上并和可调偏置直流源相连。直流线圈的匝数较多，通常可设置为几百匝；每相边柱上交流线圈匝数较少，通常可设置为几十匝，每相边柱上交流线圈匝数相同。 

在本发明中，可调偏置直流源一般由电力电子器件组成，稳态时通过准确控制开关器件的导通关断来调节直流线圈电流到指令值，进而改变铁芯电抗调节器的输出基波电抗。并且由于铁芯结构开有气隙，使磁化曲线的线性度好，输出电抗的调节范围广，整个装置引入电网的谐波小。故障发生后可调偏置直流源能迅速将输出直流电流值降为零，使铁芯电抗调节器输出电抗迅速增大，实现电网短路时快速投入装置进入限流状态。 

结合图1至图5描述本发明。图1为本发明的侧视图，中间绕制有直流线圈，直流线圈所接的可调偏置直流源以及6个边柱上的交流线圈未画出。A相交流线圈绕制在铁芯柱1-1和铁芯柱1-2上；B相交流线圈绕制在铁芯柱1-3和铁芯柱1-4上；C相交流线圈绕制在铁芯柱1-5和铁芯柱1-6上，每相的两个交流线圈同名端相接后串联在电网。 

如图2a～图2d所示为铁芯电抗调节器的一相结构，铁芯电抗调节器的气隙可以设置在上磁轭(如图2a)、下磁轭(如图2b)、上下磁轭(如图2c)或者旁柱(如图2d)上。图2e为气隙的结构图，通过合理调整铁芯c制造中气隙的宽度L如图2e，可以使图2a～ 图2d所示的铁芯电抗调节器获得相同的工作特性。 

如图2a～图2d所示，每相的交流线圈2-1和交流线圈2-2的同名端相连后再与电网2-5连接。要注意三相结构中，直流线圈绕制在组合中间柱1-7上，在直流线圈2-3上同样串接有可调直流源2-4。一相电抗调节器模型中的气隙设置位置参照图2a～图2d。如图4所示，交直流线圈的具体排布方式如下：A相线圈由线圈4-1和线圈4-2同名端串接组成，B相线圈由线圈4-3和线圈4-4同名端串接组成，C相线圈由线圈4-5和线圈4-6同名端串接组成，在该图中还可见直流线圈4-7。 

从图1和3可以看出：本特定三相装置由六个口字型铁芯组成，且每个口字型铁芯上磁轭都开有气隙，例如气隙3-7、3-8、3-9、3-10、3-11及3-12。口字型铁芯下磁轭、中间柱和边柱均不开气隙(同样地该三相装置也可以合理选择在下磁轭、上下磁轭或边柱开气隙,通过合理设置气隙宽度L，可以使不同气隙位置的各个三相铁芯调节器呈现出同样的工作效果)。 

三相铁芯电抗调节器的控制方法与单相铁芯电抗调节器一致，下面结合磁化曲线工作原理图6和图7，对三相铁芯电抗调节器工作特性进行分析。 

当电网处于稳态运行状态时可以根据电网潮流的需要，调节直流线圈2-3处的可调偏置直流源2-4电流到指令值idc。由于电力系统稳定运行时各相正常工作电流的幅值（包括负向交流电幅值i_m－和正向交流电幅值i_m+）I_m变化较小，电抗调节器的磁化曲线处于弧AB所在的特定范围内。图6描述了潮流控制时的磁化曲线工作原理：由于铁芯开有气隙，磁化曲线线性度较好，可以把弧AB所在区间近似看做直线段

铁芯电抗调节器的输出电感（旁柱线圈电感）在

区间内可认为不变，即L＝tanα，此时有输出电抗X_out＝ωL不变。通过控制可调偏置直流源2-4的直流控制电流I_dc可以控制铁芯的工作点，使铁芯磁导率发生变化，进而调节装置的输出电抗X_out，以达到根据需要改变电网线路电流的目的。 

图8是交流220V等级下，以图1为模型的三相装置A相输出电抗和可调偏置直流源2-4的电流关系的仿真图。装置B相和C相输出电抗和可调偏置直流源2-4的电流关系情况与A相相同，这里未画出。由于本铁芯电抗调节器铁芯开有气隙，磁化曲线的线性度好，因此对电网的谐波污染很小，具有实用价值。可调偏置直流源2-4输出直流电流和交流220V电网下线路电流以及谐波系数的关系可见下表，该表是将220V等级的铁芯电抗调节器接在交流220V电网上的仿真实验结果。（电网每相负载20Ω，每相系统电抗0.6Ω，电源内阻不计） 

可以看出该装置在稳态潮流调整过程中对电网的谐波污染很小。随着直流控制电流的增加，电网电流可以随之提高，装置输出电抗随之降低，电力系统潮流可以按照需要得到相应改变。 

故障限流时，铁芯电抗调节器的铁芯磁化曲线工作原理如图7：当线路发生短路故障时短路电流幅值为If_m。If_m比稳态工作电流大很多，这时控制可调偏置直流源2-4的输出电流迅速下降至零，铁芯磁化曲线工作点立刻变为原点O，铁芯电抗调整器进入限流工作状态。由于铁芯开有气隙，即使短路电流幅值很大，也能保证铁芯大部分时间工作在线性区域OA段内，此时装置输出平均电抗可认为是

L2为旁柱线圈等效电感。 

图7仅显示了短路电流正半波时的磁化曲线工作情况，短路电流负半波的情况与对称，不再赘述。图9描述了以图1为模型的三相铁芯电抗调节器接在交流220V电网下，且A相在0.022s时发生单相短路后的限流情况（电网每相负载20Ω，每相系统电抗0.6Ω）。可以看出将铁芯电抗调节器将故障后的短路电流限制在未装该装置前的60%左右，可见本发明铁芯电抗调节器具有良好的故障限流效果。 

从上面的分析可以看出，本发明同时兼具良好的电力系统稳态潮流控制功能和电力系统短路故障限流功能。 

以上内容显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及优点。本行业的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。 

Claims (7)

1. 一种具有潮流控制和短路限流功能的铁芯电抗调节器，其特征在于，包括6个口字型铁芯、直流线圈和交流线圈；每个口字型铁芯包括中间柱、边柱、上磁轭和下磁轭，6个中间柱合在一起形成组合中间柱，相邻边柱的距离均相等；直流线圈绕制在所述组合中间柱上并与可调偏置直流源连接，所述交流线圈绕制在边柱上，相对边柱上的两个交流线圈的同名端相连后连接在电网上；所述口字型铁芯上设有气隙。

2. 如权利要求1所述的具有潮流控制和短路限流功能的铁芯电抗调节器，其特征在于，所述交流线圈绕制的匝数比所述直流线圈的匝数少。

3. 如权利要求1所述的具有潮流控制和短路限流功能的铁芯电抗调节器，其特征在于，所述气隙设置在边柱、上磁轭或者下磁轭上。

4. 一种具有潮流控制和短路限流功能的铁芯电抗调节器，其特征在于，包括2个口字型铁芯、直流线圈和交流线圈；每个口字型铁芯包括中间柱、边柱、上磁轭和下磁轭，所述中间柱合在一起形成组合中间柱；所述直流线圈绕在组合中间柱上并和可调偏置直流源相连，交流线圈绕制在所述边柱上，交流线圈的同名端相连后连接在电网上，所述上磁轭上设有气隙。

5. 如权利要求4所述的具有潮流控制和短路限流功能的铁芯电抗调节器，其特征在于，所述交流线圈绕制的匝数比所述直流线圈的匝数少。

6. 权利要求1所述的具有潮流控制和短路限流功能的铁芯电抗调节器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

当电网稳态运行时，根据电网潮流的需要，将可调偏置直流源的电流值调节到指令值；

当线路发生短路故障时，短路电流比稳态工作电流大，控制可调偏置直流源的输出电流下降至零，使铁芯电抗调整器进入限流工作状态。

7. 一种对电网进行潮流控制和短路限流的方法，其特征在于，包括如下步骤：

当电网稳态运行时，根据电网潮流的需要，将所述可调偏置直流源的电流值调节到指令值；

当线路发生短路故障时，短路电流比稳态工作电流大，控制可调偏置直流源的输出电流下降至零，使铁芯电抗调整器进入限流工作状态。

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