CN104953570A - 一种故障限流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种故障限流器，包括电流检测单元、逆变器控制系统和变压器，所述变压器一次侧串接在电网上，所述电流检测单元检测变压器的一次侧和二次侧的电流并输出至逆变器控制系统的输入，所述逆变器控制系统的输出与所述变压器二次侧相连，通过逆变器控制系统的控制使得所述故障限流器对电网呈现为可调电抗器，在电网正常运行，所述故障限流器对电网呈现的等效阻抗为不影响电网正常运行的小阻抗；在电网发生短路故障时，故障限流器对电网呈现的等效阻抗为限制电网短路电流的大阻抗。

Description

一种故障限流器

技术领域

本发明涉及电力系统保护技术领域，特别是涉及一种故障限流器。

背景技术

随着国民经济的不断高速发展，电力系统的容量也在逐年增加，区域电网的网际互联日趋紧密，电网短路容量和短路电流水平也将不断增长，短路电流对电网的安全稳定运行和系统中电气设备的选择等都具有很大的影响。因此，限制电力系统短路电流，从而有效减轻断路器等电气设备的负担，增加其使用寿命和可靠性，提高电力系统的运行稳定性，已成为我国电力系统安全稳定运行与保护以及电力建设的迫切问题。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明主要目的在于提出一种故障限流器，以解决上述现有技术存在的技术问题。

为此，本发明提出一种故障限流器，包括电流检测单元、逆变器控制系统和变压器，所述变压器一次侧串接在电网上，所述电流检测单元检测变压器的一次侧和二次侧的电流并输出至逆变器控制系统的输入，所述逆变器控制系统的输出与所述变压器二次侧相连，通过逆变器控制系统的控制使得所述故障限流器对电网呈现为可调电抗器，在电网正常运行，所述故障限流器对电网呈现的等效阻抗为不影响电网正常运行的小阻抗；在电网发生短路故障时，故障限流器对电网呈现的等效阻抗为限制电网短路电流的大阻抗。

所述电流检测单元包括第一电流互感器和第二电流互感器，所述第一电流互感器串接在变压器的一次侧、检测变压器一次侧电流，所述第二电流互感器串接在变压器的二次侧、检测变压器二次侧电流，所述第一电流互感器和第二电流互感器测量的电流作为电流检测单元的输出信号输出至所述逆变器控制系统。

所述逆变器控制系统包括第一电流增益电路、第二电流增益电路和电流发生电路，所述第一电流增益电路与所述第一电流互感器相连，所述第二电流增益电路与所述第二电流互感器相连，所述第一电流增益电路将所述第一电流互感器检测到的变压器一次侧电流信号进行放大，作为电流发生电路的参考输入信号，电流发生电路产生与所述参考输入信号成比例的电流，所述第二电流增益电路将所述第二电流互感器检测到的变压器二次测电流信号进行放大，作为所述电流发生电路的反馈输入信号，用于所述电流发生电路的闭环控制，所述变压器的二次侧与所述电流发生电路相连。

所述电流发生电路为三相，以用于三相电力系统。

所述电流检测单元、逆变器控制系统和变压器为三套单相结构，用于三相电力系统。

在电网正常运行，所述故障限流器对电网呈现的等效阻抗为所述变压器一次侧的漏阻抗；在电网发生短路故障时，故障限流器对电网呈现的等效阻抗为所述变压器的励磁阻抗。

本发明与现有技术对比的有益效果包括：结构简单，整个系统仅仅由电流检测单元、控制单元和串联变压器单元构成。

附图说明

图1本发明具体实施方式一的故障限流器的单相结构原理图。

图2是串联变压器单元的T型等效电路图；

图3为电网正常运行时本发明具体实施方式一的等效结构图。

图4为电网发生短路故障时本发明具体实施方式一的等效结构图。

图5为本发明具体实施方式二的故障限流器的三相结构原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参照以下附图，将描述非限制性和非排他性的实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件，除非另外特别说明。

如图1所示，一种故障限流器包括电流检测单元Ⅰ、逆变器控制系统Ⅱ和变压器Ⅲ。

电流检测单元Ⅰ包括检测变压器一次侧电流(也即电网电流)的第一电流互感器1和检测变压器二次侧电流的第二电流互感器2。第一电流互感器1串接在变压器的一次侧，第二电流互感器2串接在变压器的二次侧。

逆变器控制系统Ⅱ包括第一电流增益电路3、第二电流增益电路4和电流发生电路5。

第一电流互感器1和第二电流互感器2测量的电流作为电流检测单元Ⅰ的输出信号，分别送入逆变器控制系统Ⅱ中的第一电流增益电路3和第二电流增益电路4。

第一电流增益电路3与第一电流互感器1相连。第一电流增益电路3将第一电流互感器1检测到的变压器一次侧电流信号进行放大，得到作为电流发生电路5的参考输入信号，电流发生电路5产生一个与其参考输入信号成比例的电流，第二电流增益电路4将检测到的变压器二次测电流信号进行放大，得到作为电流发生电路5的反馈输入信号，用于电流发生电路5的闭环控制，该电路通常采用逆变器来实现，电流发生电路5的输出通过变压器Ⅲ接入系统。

变压器Ⅲ的一次侧串联接入输电线6中(也即电网与负载7之间)，二次侧与电流发生电路5相接。

本发明的工作原理如下：变压器一次侧串联在电网线路中，设一次侧的电压为二次侧的电压为通过第一电流互感器1(设该环节的增益为k_i1)和第二电流互感器2(设该环节的增益为k_i2)分别检测出变压器的一次侧和二次侧电流和将进行放大后作为电流发生电路5参考信号将进行放大后作为电流发生电路5反馈信号逆变器通过闭环控制产生一个电流源(该值可折算到一次侧，且可用表示)，将施加到变压器的二次侧。调节系数α的大小，则该故障限流器对电网呈现为一个可调电抗器，在电网正常运行，故障限流器对电网呈现的等效阻抗为变压器的一次侧漏阻抗Z₁，其值很小，不影响电网的正常运行；在电网发生短路故障时，故障限流器对电网呈现的等效阻抗为大的变压器励磁阻抗，此高阻抗可以限制电网短路电流的大小。

图2是变压器Ⅲ的T型等效电路图，其中二次侧的值全部折算到一次侧，和分别为变压器的一次侧和二次侧电压，和分别为变压器的一次侧和二次侧电流，Z₁＝R₁+jX_1σ为一次侧AX线圈的漏阻抗，Z'₂＝R'₂+jX'_2σ为二次侧ax线圈的漏阻抗，Z_m＝R_m+jX_m为变压器Ⅲ的励磁阻抗；根据图2，变压器Ⅲ的一次侧和二次侧电压方程分别为：

${\stackrel{\·}{U}}_1={\stackrel{\·}{I}}_1{Z}_1+({\stackrel{\·}{I}}_1+{\stackrel{\·}{I}}_2^{\′})Z_m---\left(1\right)$

$-{\stackrel{\·}{U}}_2^{\′}={\stackrel{\·}{I}}_2^{\′}{Z}_2+({\stackrel{\·}{I}}_1+{\stackrel{\·}{I}}_2^{\′})Z_m---\left(2\right)$

当变压器Ⅲ的二次侧施加电流源与一次侧的电流满足一定倍数关系时，即：

$-{\stackrel{\·}{I}}_2^{\′}=\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{I}}_1---\left(3\right)$

其中，α为被控系数。联立式(1)～式(3)，得到：

${\stackrel{\·}{U}}_1=[Z_1+(1-\mathrm{\α})Z_m]{\stackrel{\·}{I}}_1---\left(4\right)$

则变压器Ⅲ的一次侧等效阻抗为：

$Z_{\mathrm{AX}}={\stackrel{\·}{U}}_1/{\stackrel{\·}{I}}_1=[Z_1+(1-\mathrm{\α})Z_m]---\left(5\right)$

由式(5)可知，从变压器的一次侧AX线圈端看进去，变压器Ⅲ呈现的阻抗为一可变量，其大小与满足一定比例关系。

根据电网的不同运行工况，注入故障限流器中串联变压器二次测的电流也将不同(即系数α不同)，其对电网呈现的等效阻抗也将不同，下面分两种工况考虑：

工况一：电网正常运行期间，使控制系数α等于1，则电网线路中相当于串联了一个值为Z₁的阻抗，其等效电路如图3所示。

Z₁为变压器一次侧的漏阻抗，其值很小，对电网运行不产生影响。

工况二：当电力系统出现短路故障时，控制系数α的大小，则电网线路中相当于串联了一个阻抗为Z_s＝Z₁+(1-α)Z_m的可调电抗，其等效电路如图4所示。

Z_m为变压器的励磁阻抗，此高阻抗可以限制电网短路电流的大小。

对于三相系统，可以采用前面的三个单相系统进行实现，或者电流发生电路5为三相，其余部分采用三套单相结构来实现(如图5所示)。

该故障限流器基于磁通补偿原理为将串联变压器的一次侧串联接入电网，二次侧接一逆变器且控制为电流源，采用变压器双边强制励磁的机理。通过检测变压器一次侧的电流，从而跟踪产生与此电流方向相反、大小成一定比例的补偿电流注入变压器的二次侧。正常运行期间，在满足一定的补偿条件下，串联变压器铁心中主磁通被补偿为零，从而实现在电网侧看串联变压器呈现一次侧漏阻抗，阻抗值很小，对电力系统运行无影响。当电网发生短路故障时，控制变压器二次侧的注入电流为零，使串联变压器对电网呈现大的励磁阻抗，起到限制短路电流的作用。

本发明中的电力电子装置处于变压器的二次侧，相对于GTO与电抗器并联的结构，可以避免电力电子装置工作于高压、大电流的工况，装置的可靠性强。本发明控制简单，只需对注入变压器二次侧电流的大小进行控制，就能使得变压器一次测呈现不同的等效阻抗。本发明相对于超导故障限流器，技术更成熟，体积较小、成本较低，且在大电流工况时，可靠性较强。

本领域技术人员将认识到，对以上描述做出众多变通是可能的，所以实施例仅是用来描述一个或多个特定实施方式。

尽管已经描述和叙述了被看作本发明的示范实施例，本领域技术人员将会明白，可以对其作出各种改变和替换，而不会脱离本发明的精神。另外，可以做出许多修改以将特定情况适配到本发明的教义，而不会脱离在此描述的本发明中心概念。所以，本发明不受限于在此披露的特定实施例，但本发明可能还包括属于本发明范围的所有实施例及其等同物。

Claims (6)

1.一种故障限流器，其特征在于：包括电流检测单元、逆变器控制系统和变压器，所述变压器一次侧串接在电网上，所述电流检测单元检测变压器的一次侧和二次侧的电流并输出至逆变器控制系统的输入，所述逆变器控制系统的输出与所述变压器二次侧相连，通过逆变器控制系统的控制使得所述故障限流器对电网呈现为可调电抗器，在电网正常运行，所述故障限流器对电网呈现的等效阻抗为不影响电网正常运行的小阻抗；在电网发生短路故障时，故障限流器对电网呈现的等效阻抗为限制电网短路电流的大阻抗。

2.如权利要求1所述的故障限流器，其特征在于：所述电流检测单元包括第一电流互感器和第二电流互感器，所述第一电流互感器串接在变压器的一次侧、检测变压器一次侧电流，所述第二电流互感器串接在变压器的二次侧、检测变压器二次侧电流，所述第一电流互感器和第二电流互感器测量的电流作为电流检测单元的输出信号输出至所述逆变器控制系统。

3.如权利要求1所述的故障限流器，其特征在于：所述逆变器控制系统包括第一电流增益电路、第二电流增益电路和电流发生电路，所述第一电流增益电路与所述第一电流互感器相连，所述第二电流增益电路与所述第二电流互感器相连，所述第一电流增益电路将所述第一电流互感器检测到的变压器一次侧电流信号进行放大，作为电流发生电路的参考输入信号，电流发生电路产生与所述参考输入信号成比例的电流，所述第二电流增益电路将所述第二电流互感器检测到的变压器二次测电流信号进行放大，作为所述电流发生电路的反馈输入信号，用于所述电流发生电路的闭环控制，所述变压器的二次侧与所述电流发生电路相连。

4.如权利要求2所述的故障限流器，其特征在于：所述电流发生电路为三相，以用于三相电力系统。

5.如权利要求2所述的故障限流器，其特征在于：所述电流检测单元、逆变器控制系统和变压器为三套单相结构，用于三相电力系统。

6.如权利要求1-4任一所述的故障限流器，其特征在于：在电网正常运行，所述故障限流器对电网呈现的等效阻抗为所述变压器一次侧的漏阻抗；在电网发生短路故障时，故障限流器对电网呈现的等效阻抗为所述变压器的励磁阻抗。