CN105103397B - 限流和潮流控制装置 - Google Patents

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Abstract

限流和潮流控制装置(10)包括：超导限流元件(8)，其包括超导体；串联电容器(1)；和并联电路。串联电容器(1)与所述超导限流元件(8)串联连接。并联电路包括电感器(2)，其与包括超导体限流元件(8)和串联电容器(1)的串联电路并联连接。因此，在出现故障时，由于由该故障导致的过电流造成超导体限流元件(8)的超导体转变成通常导电状态，因此超导体限流元件(8)进行自动限流操作。因此，可确保防止由于上述故障导致的串联电容器(1)的端子两端被施加过量负荷如过量电压。这继而避免如在传统装置中安装用于保护串联电容器(1)的致动器并且可简化限流和潮流控制装置(10)的构造。

Description

限流和潮流控制装置
技术领域
本发明涉及限流和潮流(power-flow)控制装置，更具体地，涉及其中使用超导体的限流和潮流控制装置。
背景技术
安装在电力系统中的并联LC型潮流控制装置是已知的。在一些情况下，这种潮流控制装置的操作会伴随着其阻抗因插入电容器的效果而得以补偿的系统的短路容量增加。在潮流控制装置被应用于具有大短路容量的这种系统的情况下，除了潮流控制之外，还期望为装置配备用于应对短路故障的限流功能，从而应对短路电流。作为这种装置中的一种，已经提出了一种装置(限流和潮流控制装置)，在该装置中，限流电抗器与晶闸管控制串联电容器(TCSC)串联连接，以为装置配备限流功能(参见，例如，Yuji Yamazaki等人的“Development of TCSC Application to Fault Current Limiters”(开发针对故障限流器的TCSC应用)，IEEJ Transaction on Power and Energy(IEEJ电力和能量交易)，theInstitute of Electrical Engineers of Japan(日本电子工程协会)，第121卷(2001)，第4期，第514-519页(NPD1))
引用列表
非专利文献
NPD1：Yuji Yamazaki等人，“Development of TCSC Application to FaultCurrent Limiters”(开发针对故障限流器的TCSC应用)，IEEJ Transaction on Power andEnergy(IEEJ电力和能量交易)，the Institute of Electrical Engineers of Japan(日本电子工程协会)，第121卷(2001)，第4期，第514-519页
发明内容
技术问题
然而，当上述传统的限流和潮流控制装置执行限流操作时，因为在控制电路检测到故障电流的情况下的时间延迟，所以在晶闸管开关完全导通之前，出现延迟。因此，为了保护TCSC的电容器，必须安装诸如放电器(arrester)的保护装置。安装这种放电器，使得限流和潮流控制装置的装置构造变复杂，这造成成本增加。另外，因为放电器恢复要花费一定时间，所以TCSC必须在这个时间期间被旁路，这会导致限制，诸如关于上面安装装置的电力传输线的传输电力的限制。
本发明致力于解决上述问题，本发明的目的是提供没有复杂装置构造并且在控制方面的限制较少的限流和潮流控制装置。
问题的解决方案
根据本发明的限流和潮流控制装置是其中使用超导体并且包括具有超导体、电容器和并联电路的超导限流元件的限流和潮流控制装置。电容器与超导限流元件串联连接。并联电路包括电抗器，该电抗器与包括超导限流元件和电容器的串联电路并联连接。
因此，出现故障时的过电流(短路电流)致使超导限流元件的超导体转变成通常导电状态，从而致使超导限流元件自动地执行限流操作。因此，可确保防止由于故障导致的过大负荷(过大电压)被施加到串联电容器的端子两端。因此，与传统装置不同，不必为了电容器保护而安装放电器，并且可简化限流和潮流控制装置的构造。另外，因为没有使用像传统装置的放电器那样的放电器，所以没有由于放电器的恢复时间而导致的控制方面的限制。另外，因为过电流致使超导限流元件自动转变成通常导电状态，所以可执行可靠的限流操作。
本发明的有利效果
按照本发明，可提供没有复杂装置构造并且在控制方面的限制较少的限流和潮流控制装置。
附图说明
图1是示出根据本发明的限流和潮流控制装置的第一实施例的电路图。
图2是示出根据本发明的限流和潮流控制装置的第二实施例的电路图。
图3是示出被研究模型系统的示意图。
图4是示出关于本发明示例的模拟的结果的曲线图。
图5是示出关于本发明示例的模拟的结果的曲线图。
图6是示出关于本发明示例的模拟的结果的曲线图。
具体实施例
下文中，将基于附图描述本发明的实施例。在下面的附图中，用相同的参考标号表示相同或对应的部件，将不再重复对其的描述。
第一实施例
参照图1，将描述本发明的限流和潮流控制装置。本发明的限流和潮流控制装置10包括串联电容器1、超导限流元件8、电抗器2、11、旁路开关3、晶闸管开关4和控制电路5。超导限流元件8与电容器1连接。形成包括晶闸管开关4和电抗器2的并联电路，使得并联电路与由串联电容器1和超导限流元件8构成的串联电路并联连接。这个并联电路与由超导限流元件8和串联电容器1构成的上述串联电路连接于连接点21、22。在并联电路中，晶闸管开关4与电抗器2串联连接。控制电路5连接到晶闸管开关4。形成包括旁路开关3和电抗器11的另一个并联电路，使得这个并联电路与上述串联电路并联连接。其它并联电路与由超导限流元件8和串联电容器1构成的串联电路连接于连接点21、22。在其它并联电路中，旁路开关3与电抗器11串联连接。例如，当检查装置时，提供用于旁路超导限流元件8的旁路开关3。
接下来，将描述图1中示出的限流和潮流控制装置10的操作。当进行正常操作时，超导限流元件8中包括的超导体保持超导状态。因此，串联电容器1、电抗器2和晶闸管开关4形成TCSC。对于这个TCSC，可改变控制角度，从而将其阻抗特性几乎从容性电抗特性连续变化成感性电抗特性。因此，可调节TCSC的阻抗特性，从而控制限流和潮流控制装置10连接到的电力系统的潮流。
在限流和潮流控制装置10连接到的电力系统中出现故障(例如，短路故障)的情况下，由于故障导致的过电流致使超导限流元件8转变成通常导电状态。结果，超导限流元件8自动执行限流操作。晶闸管开关4可导通，以致使流入超导限流元件8的电流流入包括电抗器2的并联电路中。结果，电抗器2用作限流电抗器并且可确保超导限流元件8恢复到超导状态。另外，因为不必为了保护串联电容器1的缘故而单独安装保护装置(例如，放电器)，所以限流和潮流控制装置10的构造可被简化并且可消除由于放电器等导致的控制方面的限制。
关于图1中示出的限流和潮流控制装置10，在由于其中安装限流和潮流控制装置10的电力系统中的故障等而导致过大电流流入限流和潮流控制装置10中的情况下，超导限流元件8失超，以立即和自动执行限流操作。因此，可确保防止过电压被施加到串联电容器1的端子两端。在这个限流操作之后，包括晶闸管开关4的并联电路在将超导限流元件8旁路的同时致使电流流动。因此，电抗器2处的阻抗(限流阻抗)限制过电流，可减少超导限流元件8处产生的过程热能。结果，可使超导限流元件8快速恢复。
第二实施例
参照图2，将描述本发明的限流和潮流控制装置的第二实施例。
参照图2，虽然限流和潮流控制装置10基本上具有与图1中示出的限流和潮流控制装置10的结构类似的结构，但并联电路的构造不同于图1中示出的限流和潮流控制装置10的构造。即，在图2中示出的限流和潮流控制装置10中，晶闸管开关4没有放置在并联电路中。替代地，电抗器2和抽头电抗器(tapped reactor)9在这个并联电路中彼此串联连接。控制电路5连接到抽头电抗器9。如同图1中示出的限流和潮流控制装置10，具有这种结构的限流和潮流控制装置10还使串联电容器1端子两端的过电压能够得以抑制，并且使限流和潮流控制装置10的构造能够被简化，从而消除由于放电器等导致的控制方面的限制。
应该注意，与使用图1中示出的晶闸管开关4的情况相比，图2中示出的限流和潮流控制装置10对于相同潮流控制所需的并联电路的电抗器的电感较大，因此相对于图1中示出的装置构造的效果，实现了抑制故障电流的更佳效果。关于图2中示出的构造的抽头电抗器9，相比于图1中示出的晶闸管开关4，电感(L)的变化速率更慢。因此，尤其在当在去除故障之后，在通过一条传输线传输电力时，电压的维持和/或稳定性没有问题，并且在允许抽头电抗器9的抽头操作时间期间，允许传输线电抗的补偿程度降低达一定程度的情况下，可应用如图2中所示构造的限流和潮流控制装置10。
下面是逐一提供的本发明的特性特征。然而，这些特征的部分可与上述实施例的特征重叠。
根据本发明的限流和潮流控制装置10是其中使用超导体并且包括具有超导体、电容器(串联电容器1)和并联电路的超导限流元件8的限流和潮流控制装置10。串联电容器1与超导限流元件8串联连接。并联电路包括与包括超导限流元件8和串联电容器1的串联电路并联连接的电抗器2。
因此，出现故障时的过电流(短路电流)致使超导限流元件8的超导体转变成通常导电状态，从而致使超导限流元件8自动地执行限流操作。因此，可确保防止由于故障导致的过大负荷(过大电压)被施加到串联电容器1的端子两端。因此，与传统装置不同，不必为了保护串联电容器1的缘故安装放电器，并且可简化限流和潮流控制装置10的构造。另外，因为没有使用像传统装置的放电器那样的放电器，所以没有由于放电器的恢复时间而导致的控制方面的限制。另外，因为过电流致使超导限流元件8自动转变成通常导电状态，所以可执行可靠的限流操作。
在限流和潮流控制装置10中，并联电路中包括的电抗器2还用作限流电抗器。在这种情况下，当出现故障时的过电流致使超导限流元件8执行限流操作并因此电流流入与包括超导限流元件8和串联电容器1的串联电路并联连接的并联电路中时，这个并联电路中的电抗器2可执行限流操作。
在限流和潮流控制装置10中，并联电路可包括与电抗器2串联连接的晶闸管开关4。在这种情况下，紧接在发生故障之后的超导限流元件8的自动操作防止负荷被施加到串联电容器1，并且晶闸管开关4可被操作(完全导通)，以确保致使流入超导限流元件8中的电流流入并联电路中。因此，流入超导限流元件8中的故障电流可减小并且可确保超导限流元件8立即恢复。
在限流和潮流控制装置10中，并联电路可包括与电抗器2串联连接的抽头电抗器9。在这种情况下，并联电路中的电感大于使用如上所述的晶闸管开关4的并联电路中的电感，因此，相对于使用晶闸管开关4的情况，可以更大程度地抑制故障电流。
示例实验
执行模拟，以确认本发明的效果。
<模拟的条件>
(1)关于用于模拟的模型系统：
为该模拟而研究的模型系统是通过变压器15从电源14传输电力的系统，假设电源13被新安装到变压器15的次级总线上。假设变压器的次级总线12的额定电压是77kV。假设使用具有额定容量250MVA的三个变压器作为变压器15。假设变压器15具有22％的短路阻抗(基于自电容)。
至于新安装的电源13的条件，假设电源具有300MVA的容量。还假设新安装的电源13具有20％的瞬变电抗Xd'(基于自电容)。
限流和潮流控制装置10安装在从总线12延伸到电力传输线16的线的电力传输端。即，总线12与包括两条线的电力传输线16通过限流和潮流控制装置10彼此连接。
在电力传输线16的相对端分别安装断路器18。假设各电力传输线16的电抗是阻抗L＝1mH/km，忽略R分量和C分量。还假设各传输线16具有50km的长度并且被施加60Hz的频率。
假设除非安装了限流和潮流控制装置10，否则图3中示出的模型系统具有超过断路器的额定断路电流31.5kA的短路电流，如本文中随后描述的。假定用变压器15的短路阻抗确定的系统的反向阻抗是29.33％@1000MVA，并且新安装的电源13的瞬变电抗是66.7％@1000MVA，新安装的电源13和反向系统的组合阻抗是20.4％@1000MVA。在这个系统中，当在总线12的端部附近出现三相短路时的短路电流Is是36.8kA。
使用相对容易进行验证限流操作的研究的放射系统作为模型系统。
还假设限流和潮流控制装置10的构造类似于图1中示出的限流和潮流控制装置10的构造。关于下面的模拟，出于容易验证限流操作的缘故，在通过如图3中所示的限流和潮流控制装置10将这两条线一起补偿的条件下，进行模拟。
(2)至于负荷和传输线潮流：
至于电力传输线16的电力传输容量，假设传输线具有在被用于作为77kV的电力传输线的传输线之中的相对大容量，并且假设通过热条件确定的一条线的常规容量是170MW。
关于这个模拟，假设在放射系统中负荷不可改变。在这种情况下，如果一条线失效，则所有电流流入完好的线中。这两条线的最大电力传输容量是170MW。
同时，如果假设就电力传输线的稳定性而言相差角是15°，则出于稳定性的缘故作为指标的传输功率应该是80MW或更小(每条线)。因此，即使是单条线，也可以进行160MW的电力传输，只要线电抗X1(50km)的50％被补偿即可。
基于上述研究，假设用于模拟的系统具有以下条件：电力传输容量增大达电力传输线16的X1(50km)的50％补偿(对应于25km)并且这两条77kV电力传输线传输的功率是160MW。
(3)至于限流和潮流控制装置的条件：
按以下方式研究限流和潮流控制装置10的串联电容器1的容性电抗Xc和限流和潮流控制装置10的电抗器2的感性电抗XL。
首先，假设稳态下的电抗是线电抗的50％补偿。在双线状态下，线电抗是：线电抗X1＝ω×1mH×50km/2(条)线＝9.42Ω，基于77kV和1000MVA的电抗是：X1＝1.59pu。因此，在50％补偿的情况下，限流和电力流入控制装置10的电抗XFCL是-j0.8pu。另外，在去除故障之后通过一条线进行电力传输的情况下，电抗是XFCL＝-j1.6pu，使得提供单条线的传输线电抗X(＝3.18pu)的50％补偿。
至于流入串联电容器1和电抗器2中的稳态电流，在并联LC型的情况下，流入限流和潮流控制装置10的串联电容器1和电抗器2中的电流相对于线电流增大，这造成装置成本增加。据此，在通过两条线进行电力传输的情况下流入串联电容器1和电抗器2中的稳态电流被设定为是线电流的两倍或更小。
因此，对于通过两条线进行的电力传输，使用容性电抗Xc＝-j0.4pu并且感性电抗XL＝j0.8pu，并且在通过一条线进行电力传输的情况下，被调节成XL＝j0.53pu。
假设通过j0.2pu的固定电抗(X)并且通过在30°≤触发角β≤40°的范围内使用，针对限流和潮流控制装置10实现这些条件，其中，β是距离电压峰的角度。在这种情况下，在晶闸管开关4完全导通时的XL是j0.2pu的固定电抗(X)。
接下来，研究抑制短路电流所需的电抗器2的感性电抗XL。关于如上所述的模型系 统，进行当在图3中的故障点17处出现三相短路时将故障电流抑制到30kA或更小，从而致使 电流值变得最大的研究。按以下方式确定满足这个条件的限流和潮流控制装置10的特性。 具体地，根据用作示例的限流和潮流控制装置10的限流电抗器的电抗器2的感性电抗(XL) 和电源13和反向系统的上述组合阻抗20.4％@1000MVA，在XL是XL≥0.046pu的条件下，故障 电流是 电抗器2的感性 电抗XL因此是0.046pu或更大。
当晶闸管晶体管4完全导通时的感性电抗XL＝固定电抗X＝j0.2pu满足0.046pu或更大的条件。即，可见当晶闸管开关4完全导通时的限流效果是令人满意的。
另外，使用日本电子工程协会(Institute of Electrical Engineers of Japan)的技术报告第1088期中的4.3.1(an EMTP analysis simple model of an SNdislocation type superconducting current limiter：SN位错型超导限流器的EMTP分析简单模型)，作为用于分析图1中示出的限流和潮流控制装置10中的超导限流元件8的模型。去除故障之后的限流电阻被设定为使得它从故障去除线性减小至200ms。然后，参照由于6.6kV 1.5kA类失超型限流器的超导线圈导致电阻出现波形(产生的电阻值随时间的变化)，假设超导限流元件8的操作时间Top是1ms。
另外，假设限流和潮流控制装置10中的超导限流元件8开始操作时的电流是4800A(6.7kAp)。这个值是流入超导限流元件的稳态电流(2400A)的两倍大。另外，假设超导限流元件8的通常导电状态下的限流电阻是8Ω。
(4)假设用于模拟的条件：
至于假设的故障类型，假设图3中示出的故障点17处出现三相短路(3LS)(靠近总线3LS的电源侧端部)。至于故障顺序，假设在时间T＝0.3s出现三相短路，断路器18在时间T＝0.4s进行操作(CB的两端开放)，并且故障线断开。另外假设，在时间T＝0.6s，限流器(超导限流元件8)恢复稳态。
<结果>
图4至图6示出应用本发明的限流和潮流控制装置10的模拟的结果。在图4至图6中，各曲线图的水平轴代表时间。图4中的曲线图的垂直轴代表故障电流(使电流经过限流和潮流控制装置)，并且故障电流的单位是kA。图5中的垂直轴代表限流和潮流控制装置10中的串联电容器的端子两端的电压，并且电压的单元是kV。图6中示出的垂直轴代表限流电阻，电阻的单位是Ω。在本发明的示例中，如图4中看到的，被去除DC分量的短路电路的AC分量被抑制到30kA(＝42.4kAp)或更小，因此实现合适的限流。在图4至图6中，限流和潮流控制装置中的通过电流的三相的各个分量分别被标示为曲线A、曲线B和曲线C。
另外，如从图5中看到的，由于例如限流器的略微操作延迟的影响，在出现故障时在限流和潮流控制装置10中的串联电容器1的端子两端的电压大小是紧接在故障之后的半波处的大致3.2pu的过大电压。然后，电压此后被抑构到基本上与稳态电压相同的程度。
因此，表现出自动且快速的限流效应的超导限流元件8被应用于限流和潮流控制装置10，从而消除了为了保护串联电容器1免于受端子两端的过大电压影响的缘故而安装放电器的需要，并且也消除了在出现故障时将串联电容器1旁路的旁路开关操作的需要。
关于上述模拟，研究使用具有图1中示出的构造的限流和潮流控制装置10的情况。然而，还可使用如图2中所示的具有抽头电抗器9的限流和潮流控制装置10得到类似效果。具体地，假设图2中示出的限流和潮流控制装置10的串联电容器1的容性电抗Xc、电抗器2的感性电抗XL1和抽头电抗器9的感性电抗XL2是：容性电抗Xc＝-j0.4pu，感性电抗XL1＝j0.53pu，感性电抗XL2＝0至j0.27pu。应该注意，假设具有两条线的稳态的感性电抗是XL2＝j0.27pu。此时，同样，满足XL＝j0.8pu和因此0.046pu或更大的条件。即使使用这种条件进行的模拟也提供与具有图1中示出结构的限流和潮流控制装置10的情况类似的效果。
应该理解，本文中公开的实施例和示例在所有方面都是以例证方式提供的，而并非限制。本发明的范围旨在由权利要求书而非以上描述限定，并且涵盖含义和范围等同于权利要求书的所有修改形式和变形形式。
工业适用性
本发明特别有利地应用于包括超导限流元件的限流和潮流控制装置。
参考符号列表
1串联电容器；2、11电抗器；3旁路开关；4晶闸管开关；5控制电路；6限流电抗器；8超导限流元件；9抽头电抗器；10、100限流和潮流控制装置；12变电站总线；16电力传输线；13新安装的电源；14电源；15变压器；17故障点；18断路器；21、22连接点。

Claims (4)

1.一种使用超导体的限流和潮流控制装置，所述限流和潮流控制装置包括：
超导限流元件，所述超导限流元件包括所述超导体；
电容器，所述电容器与所述超导限流元件串联连接；以及
并联电路，所述并联电路包括电抗器，所述电抗器与包括所述超导限流元件和所述电容器的串联电路并联连接，
其中，出现故障时的过电流致使所述超导限流元件的所述超导体转变成通常导电状态并且由此致使所述超导限流元件自动地执行限流操作。
2.根据权利要求1所述的限流和潮流控制装置，其中，在所述并联电路中包括的所述电抗器用作限流电抗器。
3.根据权利要求1或2所述的限流和潮流控制装置，其中，所述并联电路包括与所述电抗器串联连接的晶闸管开关。
4.根据权利要求1或2所述的限流和潮流控制装置，其中，所述并联电路包括与所述电抗器串联连接的抽头电抗器。
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