CN104124674A - 一种基于igct半导体开关器件的短路电流限制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于IGCT半导体开关器件的短路电流限制方法，包括步骤有：(1)短路电流发生的环境分类；(2)无穷大电源系统和有限电源系统短路电流对比；(3)搭建基于IGCT短路电流限流拓扑电路；(4)限流过程的具体确定：(5)在短路电流得到限流之后，使用断路器将发生短路故障的线路彻底断开，然后进行故障抢修。本发明方法提供比机械开关更快的保护，并能提供更快的再次启动、工作可靠性高，使用寿命长，有效限制短路电流不仅仅可以解决电力系统短路容量超标问题,而且还可以降低电网中各种电气设备如变压器、断路器等对短路电流的设计容量标准,从而带来更大的经济效益。

Description

一种基于IGCT半导体开关器件的短路电流限制方法

技术领域

本发明属于电力系统自动化技术领域，尤其是一种基于IGCT半导体开关器件的短路电流限制方法。 

背景技术

目前,电力系统广泛采用断路器对短路电流全额分断以保护系统的安全运行,但是现有断路器的分断能力已越来越不能满足系统短路电流增长的需要。为此，现已采用的方法是：在可能出现巨大短路电流的线路上安装快速熔断器，但却破坏了保护的选择性，降低了系统运行的自动化水平。此问题一直没有得到有效解决，因而亟待研制一种既能对短路电流进行抑制，又不破坏系统原有保护选择性的电网限流装置，以对短路电流峰值加以限制，使得现有断路器能够正常分断，达到有效保护各种电气以及电子设备的安全，尽可能地缩小故障范围,保证电力系统的不间断供电的目的。寻找有效的短路限流措施,以限制电力系统的短路容量,从而极大地减轻断路器等各种电气设备的负担,提高其工作可靠性和使用寿命,提高电力系统的运行可靠性,已成为目前电力系统安全稳定运行的迫切问题。 

IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors)是在GTO(gate turn-off thyristor)的基础上发展起来的新器件，兼有IGBT(insulated-gate bipolar transistor)和GTO的优点，又克服了二者的不足，具有如下优点： 

①通态压降小，耐压高，电流密度大； 

②易于触发和开关特性好； 

③易于实现触发、状态监视电路和IGCT管芯的一体化集成，通过2根光纤输入触发信号和输出工作状态信号，从而简化了电路设计，大大提高了装置的可靠性。 

IGCT是一种较为理想的兆瓦级、中高压开关器件，非常适合在限流器等FACTS装置中应用，已在中高压系统中得到了广泛的商业推广。 

现代故障限流技术包括超导限流技术、PTC材料限流技术、磁元件限流技术和固态限流技术等，因此，研制出一种新型的IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor)故障电流限流技术将会为故障限流技术提供一种全新的解决问题的方法。 

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于IGCT半导体开关器件的短路电流限制方法。 

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的： 

一种基于IGCT半导体开关器件的短路电流限制方法，包括步骤如下： 

(1)短路电流发生的环境分类，即将电网分为无穷大电源系统和有限电源系统； 

(2)无穷大电源系统和有限电源系统短路电流对比，得出结论为：有限电源系统的短路电流偏移更加明显，短路电流幅值也较无穷大电源系统增大； 

(3)搭建基于IGCT短路电流限流拓扑电路；该电路包括一组并联电路及与并联电路串接的电感L2，其中，并联电路包括并联的ZnO避雷器、固定电容器C0、由开关Sn串联电容Cn构成的多路电容器组、及一对轮流半周导通的晶闸管IGCT1和IGCT2再串联旁路电感L1，其中，并联的多路电容器组的等效电容用C表示； 

(4)限流过程的具体确定： 

①正常情况下两个晶闸管IGCT器件处于截止状态，IGCT所在回路无电流流过，电流经无功补偿电容器组C和串联电感L2流过； 

②当系统发生短路故障，两个IGCT器件轮流导通半周电流； 

③IGCT器件导通后，电感L1与电容器组C并联运行，由于L1电感量与电容器组C的电容量同步改变，电感L1与电容器组C形成并联谐振电抗； 

④电感L1与电容器组C形成的大电抗电路使发生短路故障线路中的电抗值由发生短路后的接近零值，重新恢复到未发生短路故障之前的水平，以确保短路电流下降到接近正常运行的水平； 

⑤为达到良好的限流效果，对两个晶闸管IGCT导通角σ，以及投入的电感L1进行参数选择； 

⑥利用仿真手段，模拟出使用此限流方法后的短路电流情况，以验证其限流效果； 

(5)在短路电流得到限流之后，使用断路器将发生短路故障的线路彻底断开，然后进行故障抢修。 

而且，所述步骤(3)中多路电容器组的路数n，是根据系统容量确定的无功补偿需求具体确定。 

而且，所述步骤(4)中第⑤步对两个晶闸管IGCT导通角σ，以及投入的电感L1进行 参数选择的具体方法为； 

a)首先确定限流电抗： $X_L=X_{L2}+\frac{X\left(\mathrm{\σ}\right)X_C}{X\left(\mathrm{\σ}\right)+X_C};$

其中，X_L＝jωL，L(σ)＝L₁f(σ)，

b)确定限流率α： 

限流率α(0<α<1)：是用系统短路电流I_f与限流后的电流I_L或系统阻抗X与限流阻抗X_L按如下定义的： 

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{I_f-I_L}{I_f}=\frac{X_L}{X+X_L};$

c)通过以上a)，b)两个环节，通过仿真计算出短路电流的大小，从而确定限流率的大小，确定限流率之后，再得到限流阻抗X_L，从而确定导通角σ和电感L1。 

本发明的优点和积极效果是： 

1、本发明方法提供比机械开关更快的保护，并能提供更快的再次启动、进行串联补偿。 

2、本发明方法中的固态开关形式无电能损耗，采用半导体器件的电力设备工作时将产生损耗，但在故障电流限制器线路中，由于稳态时负荷电流不流过IGCT，故不产生损耗。 

3、本发明方法中通过串联补偿提高设备利用率，常规限流器正常时不工作，故障时才投入限流，而本文的故障电流限制器正常时提供串联补偿。可以提高线路传输能力、系统稳定性和电能质量。 

4、本发明方法中，短路电压由系统短路阻抗、串联限流电抗和并联等效电抗共同承担，所以电容两端无过电压。 

5、本发明方法有效的短路限流措施,可以限制电力系统的短路容量,减轻断路器等各种电气设备的负担,提高其工作可靠性和使用寿命,提高电力系统的运行可靠性。有效限制短路电流不仅仅可以解决电力系统短路容量超标问题,而且还可以降低电网中各种电气设备如变压器、断路器等对短路电流的设计容量标准,从而带来更大的经济效益。 

附图说明

图1为本发明方法的所述第2步中的有限电源系统仿真模型； 

图2为本发明方法中所述第2步中的有限电源系统短路电流仿真图； 

图3为本发明方法中所述第2步中的无穷大电源系统仿真模型； 

图4为本发明方法中所述第2步中的无穷大电源系统短路电流仿真图； 

图5为本发明方法中所述第3步中的基于IGCT的故障限流拓扑电路图； 

图6为本发明方法中所述第4步中的使用限流方法的有限电源系统仿真模型； 

图7为本发明方法中所述第4步中的使用限流方法的有限电源系统短路电流仿真图。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施做进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。 

一种基于IGCT半导体开关器件的短路电流限制方法，包括步骤如下： 

(1)短路电流发生的环境分类 

在各种各样的电力系统事故中，短路是危及电力系统安全稳定运行、导致大面积停电事故最为常见的严重故障之一，短路故障对电力系统破坏的严重程度，主要取决于短路电流的大小，在理论分析上，针对不同的电源容量，短路电流的表现特征也有所不同。 

按照系统电源容量，我们可以将电网分为无穷大电源系统和有限电源系统，两者的判定准则在于：因短路而丢失的电网负荷是否会引起该电网电源侧电压的变化，按照惯例，如果某一短路故障系统的用电设备总负荷容量小于电源总容量的1/50时，则视其为无穷大电源系统；通常，与主网相连的电力系统都属于无穷大电源系统； 

(2)无穷大电源系统和有限电源系统短路电流对比 

对于不同的电源系统，短路而引起的系统暂态特性有着显著的区别，因此而给电网带来的危险，以及所需采取的故障限流措施也有所不同。对于任何一种电力系统来说，短路故障将会引起负荷侧失压，产生大幅值短路电流，为了说明无穷大电源系统和有限电源系统短路电流的区别，下面我们采用计算机仿真手段，尽可能完整的还原短路发生前后，线路电流的变化情况。 

首先，我们使用计算机软件搭建一个有限电源系统。这个系统包括一台等效到二次侧的三相同步发电机，三相对称负载以及联系两者的输电线路，仿真模型如图1所示，设置三相接地短路发生在仿真开始后的0.1秒，仿真结果如图2所示，然后我们用理想的三相电源代替前面仿真中的三相同步发电机，理想三相电源不会因外界电气环境变化产生任何电压及频率上的波动，从而将该系统转化为无穷大电源系统，仿真模型如图3所示，仿真结果如图4所示，通过对仿真结果的比较，可以明显地发现，相对于无穷大电源系统，有限电源系统的短路电流偏移更加明显，短路电流幅值也较无穷大电源系统增大了约50％； 

通过以上对比，可以发现相对于无穷大系统，有限电源系统(如航空母舰，海上作业平台等电力系统)产生的短路电流幅值更大，由此而带来的危险也更大，目前，无限大电源系统中针对短路电流的限制措施，通常采用断路器分断短路电流，然而，这种技术分断能力与短路电流幅值大小有关。显然对于有限电源系统来说，这种传统的断路器分断技术已不能满足分断明显增大的短路电流的需要，我们需要一种方法将短路电流限制到我们需要的幅值范围内，然后再对其进行分断。本发明针对该问题，提出一种基于IGCT的短路电流限流方法， 

(3)搭建基于IGCT短路电流限流拓扑电路；如图5所示，该电路包括一组并联电路及与并联电路串接的电感L2，其中，并联电路包括并联的ZnO避雷器、固定电容器C0、由开关Sn串联电容Cn构成的多路电容器组、及一对轮流半周导通的晶闸管IGCT1和IGCT2再串联旁路电感L1， 

其中，所述多路电容器组的路数由根据系统容量确定的无功补偿需求具体确定。 

上述的IGCT短路电流限流拓扑电路的原理为：具有可控串联补偿功能的基于IGCT的短路电流限流器(FCL)，正常时IGCT截止，负荷电流从电容C(电容器组的等效电容)流过，由于容抗大于串联电感L2的感抗，电容C对线路起串联补偿作用，根据线路补偿的需要投切不同组数的电容器，按步长调节线路电抗值；故障时，IGCT导通，两个管子轮流导通半周，旁路电感L1接入，L1，C选择适当的参数，并联后可以得到较大的电抗，与L2串联后共同限流，并且根据不同的短路情况、短路电流大小改变IGCT的导通角，以改变限流程度。 

(4)限流方法具体实现过程： 

1)正常情况下IGCT器件处于截止状态，IGCT所在回路无电流流过，电流经无功补偿电容器组C和串联电感L2流过，无功补偿电容器组的投切数量由系统无功补偿需要确定，与此同时，根据电容器组C所投入的电容量，旁路电感L1也同步选择投入的电感量； 

2)当系统发生短路故障，短路电流水平到达故障检测整定制，将触发IGCT半导体器件驱动电路，IGCT器件以500A/μs的效率导通。IGCT器件分两组设置，各组轮流导通半周电流； 

3)IGCT器件导通后短路电流经由电感L1所在回路流过，此时L1与电容器组C并联运行。由于L1电感量与电容器组C的电容量同步改变，我们可以保证在任何时刻，L1与C可以形成极大的，接近于并联谐振的电抗； 

4)L1与C形成的大电抗电路使发生短路故障的线路中的电抗值由发生短路后的接近零值，重新恢复到未发生短路故障之前的水平，以确保短路电流下降到接近正常运行的水平； 

5)为了达到良好的限流效果，使故障电流下降到我们需要的水平，我们需要对IGCT导通角σ，以及投入的电感L1进行参数的选择； 

a)首先确定限流电抗： $X_L=X_{L2}+\frac{X\left(\mathrm{\&sigma;}\right)X_C}{X\left(\mathrm{\&sigma;}\right)+X_C};$

其中，X_L＝jωL，L(σ)＝L₁f(σ)，

b)确定限流率： 

限流率α(0<α<1)：是用系统短路电流I_f与限流后的电流I_L或系统阻抗X与限流阻抗X_L按如下定义的： 

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{I_f-I_L}{I_f}=\frac{X_L}{X+X_L}$

c)通过以上两个环节，我们可以通过仿真计算出短路电流的大小，从而确定限流率的大小；确定限流率之后，我们就可以得到限流阻抗X_L；从而确定导通角σ和电感L1； 

6)我们利用仿真的手段，模拟出使用此限流方法后的短路电流情况，以验证其限流效果； 

7)我们仍然使用前面搭建的有限电源系统，进行故障限流仿真试验，我们设定在发生三相短路故障的C相使用此限流方法，系统模型如图6所示，限流仿真结果如图7所示。可以看到，通过以上的仿真可以看出，在稳态时三相电流为正弦波形，幅值约为100A，0.1s处发生三相接地短路，故障点三相电流发生变化，故障点A相电流波形发生上移，最大幅值约为600A，B相电流波形发生下移，最大幅值约为-500A，C相电流波形发生下移，最大幅值约为-400A。加入限流装置之后，短路故障发生后限流装置立即启动，限流装置对C相电流发生作用，C相故障电流迅速减小，幅值在50A以下。 

(5)在短路电流得到限流之后，我们可以选择使用断路器将发生短路故障的线路彻底断开，在做好后续安全措施之后即可进行故障抢修。 

Claims (3)

1.一种基于IGCT半导体开关器件的短路电流限制方法，其特征在于包括步骤如下：

(1)短路电流发生的环境分类，即将电网分为无穷大电源系统和有限电源系统；

(2)无穷大电源系统和有限电源系统短路电流对比，得出结论为：有限电源系统的短路电流偏移更加明显，短路电流幅值也较无穷大电源系统增大；

(3)搭建基于IGCT短路电流限流拓扑电路；该电路包括一组并联电路及与并联电路串接的电感L2，其中，并联电路包括并联的ZnO避雷器、固定电容器C0、由开关Sn串联电容Cn构成的多路电容器组、及一对轮流半周导通的晶闸管IGCT1和IGCT2再串联旁路电感L1，其中，并联的多路电容器组的等效电容用C表示；

(4)限流过程的具体确定：

①正常情况下两个晶闸管IGCT器件处于截止状态，IGCT所在回路无电流流过，电流经无功补偿电容器组C和串联电感L2流过；

②当系统发生短路故障，两个IGCT器件轮流导通半周电流；

③IGCT器件导通后，电感L1与电容器组C并联运行，由于L1电感量与电容器组C的电容量同步改变，电感L1与电容器组C形成并联谐振电抗；

④电感L1与电容器组C形成的大电抗电路使发生短路故障线路中的电抗值由发生短路后的接近零值，重新恢复到未发生短路故障之前的水平，以确保短路电流下降到接近正常运行的水平；

⑤为达到良好的限流效果，对两个晶闸管IGCT导通角σ，以及投入的电感L1进行参数选择；

⑥利用仿真手段，模拟出使用此限流方法后的短路电流情况，以验证其限流效果；

(5)在短路电流得到限流之后，使用断路器将发生短路故障的线路彻底断开，然后进行故障抢修。

2.根据权利要求1所述的基于IGCT半导体开关器件的短路电流限制方法，其特征在于：所述步骤(3)中多路电容器组的路数n，是根据系统容量确定的无功补偿需求具体确定。

3.根据权利要求1所述的基于IGCT半导体开关器件的短路电流限制方法，其特征在于：所述步骤(4)中第⑤步对两个晶闸管IGCT导通角σ，以及投入的电感L1进行参数选择的具体方法为；

a)首先确定限流电抗： $X_L=X_{L2}+\frac{X\left(\mathrm{\&sigma;}\right)X_C}{X\left(\mathrm{\&sigma;}\right)+X_C};$

其中，X_L＝jωL，L(σ)＝L₁f(σ)，

b)确定限流率α：

限流率α(0<α<1)：是用系统短路电流I_f与限流后的电流I_L或系统阻抗X与限流阻抗X_L按如下定义的：

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{I_f-I_L}{I_f}=\frac{X_L}{X+X_L};$

c)通过以上a)，b)两个环节，通过仿真计算出短路电流的大小，从而确定限流率的大小，确定限流率之后，再得到限流阻抗X_L，从而确定导通角σ和电感L1。