CN107968413A - 一种具备故障限流能力的统一潮流控制器结构 - Google Patents

一种具备故障限流能力的统一潮流控制器结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具备故障限流能力的统一潮流控制器结构，串联侧换流器包括三相结构，每相结构相同，每相结构均包括依次连接的上桥臂所有子模块、上桥臂近直流侧电抗器、上桥臂近交流侧电抗器、下桥臂近交流侧电抗器、下桥臂近直流侧电抗器和下桥臂所有子模块，上桥臂近交流侧电抗器和下桥臂近交流侧电抗器的连接处设置交流引线，上桥臂所有子模块包括依次串联的第1至第N上桥臂子模块，第1上桥臂子模块的输入端与直流正极相连，下桥臂所有子模块包括依次串联的第1至第N下桥臂子模块，第N下桥臂子模块的输出端与直流负极相连。在接地短路故障下能够有效保护变压器与换流器装置，同时实现限流与继电保护的配合。

Description

一种具备故障限流能力的统一潮流控制器结构
技术领域
本发明涉及灵活交流输电系统故障保护技术领域，特别是一种具备故障限流能力的统一潮流控制器结构。
背景技术
统一潮流控制器(UPFC)作为目前功能最强大的灵活交流输电装置，对传统技术难以解决的电网潮流分布不均、供电能力提升困难等问题提供了新的技术手段。特高压锦苏直流(720万千瓦)接入苏州南部电网后，对苏州南部电网提供了有效的电力支撑。但由于该电源为水电直流，受季节性影响，冬季枯水期送电大幅减少(仅20％左右)，因此苏州南部电网的电力受进随季节变化潮流分布影响较大，在直流小方式下梅里至木渎断面存在电力受进“卡脖子”的问题。在充分借鉴南京西环网220千伏UPFC示范工程的实施经验基础上，在苏州南部500kV电网安装UPFC，可有效消除近期及远景冬季直流小方式下的电力受进通道的过载问题，并为苏南地区提供动态无功电压支撑，有助于防止或降低系统故障时锦苏直流发生换相失败的几率。
目前，已建成UPFC工程中串联侧变压器仅依靠旁路断路器与并联于阀侧的晶闸管旁路开关相互配合对低压侧换流阀加以保护，而串连变压器本身在单相接地等故障下并不具备过压、过流保护能力。另外，由于UPFC工程采用高压断路器最大遮蔽电流为50kA,当含UPFC的500kV线路发生金属性接地短路时，如果短路位置离串联变压器较近，短路电流有较大可能突破断路器最大遮蔽容量，导致断路器无法正常工作，对电网造成较大破坏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种具备故障限流能力的统一潮流控制器结构，本发明在正常状态下不改变原有UPFC的控制策略，可以使串联变压器近端线路发生接地短路故障时具有限制短路电流的能力，其过渡限流状态的电流值用来进行继电保护电流整定，最终限流状态利用变压器开路实现最大程度的限流。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种具备故障限流能力的统一潮流控制器结构，包括一个并联侧换流器和至少一个串联侧换流器；并联侧换流器的一端通过并联变压器连接电网，各串联侧换流器的一端通过串联变压器接入对应的交流线路上；各串联换流器的另一端相并联、与并联换流器的另一端通过直流母线连接；所述串联侧换流器与并联侧换流器均为三相模块化多电平结构；其中，
串联侧换流器包括三相结构，每相结构相同，每相结构均包括依次连接的上桥臂所有子模块、上桥臂近直流侧电抗器、上桥臂近交流侧电抗器、下桥臂近交流侧电抗器、下桥臂近直流侧电抗器和下桥臂所有子模块，上桥臂近交流侧电抗器和下桥臂近交流侧电抗器的连接处设置交流引线，上桥臂所有子模块包括依次串联的第1至第N上桥臂子模块，第1上桥臂子模块的输入端与直流正极相连，下桥臂所有子模块包括依次串联的第1至第N下桥臂子模块，第N下桥臂子模块的输出端与直流负极相连。
作为本发明所述的一种具备故障限流能力的统一潮流控制器结构进一步优化方案，并联侧换流器和串联侧换流器中的子模块均采用半桥子模块。
作为本发明所述的一种具备故障限流能力的统一潮流控制器结构进一步优化方案，上桥臂所有子模块和下桥臂所有子模块的拓扑结构数量相同。
作为本发明所述的一种具备故障限流能力的统一潮流控制器结构进一步优化方案，上桥臂近直流侧电抗器、上桥臂近交流侧电抗器之间设置有用于与第一旁路开关连接的第一旁路开关连接点，下桥臂近直流侧电抗器、下桥臂近交流侧电抗器之间设置有用于与第二旁路开关连接的第二旁路开关连接点。
作为本发明所述的一种具备故障限流能力的统一潮流控制器结构进一步优化方案，第一旁路开关、第二旁路开关均由若干组反并联晶闸管串联而成，第一旁路开关的一端与第一旁路开关连接点连接，第一旁路开关的另一端与串联变压器副边接地引线连接；第二旁路开关的一端与第二旁路开关连接点连接，第二旁路开关的另一端与串联变压器副边接地引线连接。
作为本发明所述的一种具备故障限流能力的统一潮流控制器结构进一步优化方案，串联变压器接线型式为III/YN接线，所述串联变压器的原边串联在网侧交流母线上，副边一端连接串联侧换流器交流引线，副边另一端经中性点接地。
作为本发明所述的一种具备故障限流能力的统一潮流控制器结构进一步优化方案，统一潮流控制器UPFC未发生故障，进行潮流调节时，所述旁路开关断开，当串联变压器连接的交流电网后端发生短路故障，先检测到故障电流，然后闭锁上桥臂所有子模块、下桥臂所有子模块的触发信号，并在2毫秒内开通串联侧换流器故障相旁路开关；上桥臂近交流侧电抗器、下桥臂近交流侧电抗器经过并联耦合至串联变压器原边起到故障电流限流作用，定义此状态为过渡限流状态；当继电保护单元根据过渡限流状态下交流电网侧电流大小完成继电保护判断并做出反应后，断开第一旁路开关、第二旁路开关，串联变压器副边开路，依靠激磁电抗限流，定义此状态为最终限流状态。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)结构简单，在原有500kV统一潮流控制器工程拓扑结构上进行简单改进，无须额外设置限流电感；
(2)保护变压器等设备，该电路能够有效保护变压器与换流器装置，同时实现限流与继电保护的配合；
(3)具备容错机制，单相桥臂两组旁路开关即使有一组控制失效，仅依靠另一组开关导通也能起到有效的限流作用。
附图说明
图1是改进前的基于模块化多电平的统一潮流控制器结构示意图。
图2是本发明的统一潮流控制器控制器串联侧换流器单相与变压器对应相接线图。
图3是本发明的交流线路接地故障下线路过渡限流状态原理图。
图4是本发明的交流线路接地故障下线路最终限流状态原理图。
图5是仿真验证波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
图1是改进前的基于模块化多电平的统一潮流控制器控制器拓扑结构。包括一个并联侧换流器，一个或多个串联侧换流器，图中仅画出一个串联侧换流器；并联侧换流器的一端通过并联变压器连接电网；各串联侧换流器的一端通过串联变压器接入对应的交流线路上；各串联换流器的另一端相并联、与并联换流器的另一端通过直流母线连接；串联侧换流器与并联侧换流器均为三相模块化多电平结构，串联侧换流器每相设有一组旁路开关，并联侧换流器和串联侧换流器子模块结构均采用半桥子模块。串联侧变压器接线型式为III/YN接线，串联变压器原边串联在网侧交流母线上，副边一端连接串联侧换流器交流引线，副边另一端经中性点接地。本发明中的第N上桥臂子模块中的N为大于1的整数。
图2是本发明的统一潮流控制器控制器串联侧模块化多电平换流器单相与变压器对应相接线图。串联侧模块化多电平换流器每相桥臂包括若干个串联的子模块拓扑结构，每相上下桥臂串联的子模块拓扑结构数量相同；上下桥臂分别设置一组串联电抗器，串联电抗器组包括近直流侧电抗器和近交流侧电抗器；每相从上至下为：上桥臂所有子模块、上桥臂近直流侧电抗器Ludc、上桥臂近交流侧电抗器Luac、下桥臂近交流侧电抗器Llac、下桥臂近直流侧电抗器Lldc、下桥臂所有子模块，且每相上下桥臂的连接处，即上桥臂近交流侧电抗器和下桥臂近交流侧电抗器的连接处设置交流引线，上桥臂最上面子模块拓扑结构的输入端与直流正极相连，下桥臂最下端子模块输出端与直流负极相连。
图3是交流线路接地故障下线路过渡限流状态原理图，2毫秒内开通串联侧换流器故障相旁路开关。两个交流侧电感经过并联耦合至串联变压器原边起到故障电流限流作用。过渡限流状态电流应满足如下条件：
Iset≤Ifault≤Ibmax
其中，Iset是继电保护整定电流值，Ifault是过度限流状态电流值，Ibmax是断路器遮断容量。工程中采用的串联变压器额定容量为300MVA，高压侧(网侧)额定电压/低压侧(阀侧)额定电压为105kV/43.5kV，单相漏抗划归到105kV侧实测平均值为4.91Ω，线路断路器最大遮断电流为50kA，按照最恶劣故障情形，串联变压器近端发生金属性短路，故障点对地电阻忽略不计，如采用工程原有设置，旁路开关导通时，由于变压器激磁阻抗Xm远大于漏抗，500kV电压集中在变压器漏抗上，从而有短路电流大小为：
短路电流值大于断路器的最大遮断电流50kA，需要合理选取桥臂近交流侧电感的值从而使接地短路故障最大电流值满足要求。设桥臂近交流侧电感值为Xac，其中Xac＝Xuac＝Xlac则有
其中k值为变压器低压侧与高压侧电压比值，k值为43.5/105，解得Xac＝31.92mH，故近交流侧电感值采用32mH，目前500kV的UPFC工程桥臂电感采用36mH电感，近直流侧电感值为36-32＝4mH。
图4是最终限流状态原理图，完成基于故障电流值的继电保护整定后，线路最终利用激磁电感进行限流。
图5展示了图3和图4所述的两种限流状态的电流波形。5s时发生单相接地短路故障，故障电流得到迅速抑制，完成继电保护电流整定后，5.4s后进入最终限流状态。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具备故障限流能力的统一潮流控制器结构，其特征在于，包括一个并联侧换流器和至少一个串联侧换流器；并联侧换流器的一端通过并联变压器连接电网，各串联侧换流器的一端通过串联变压器接入对应的交流线路上；各串联换流器的另一端相并联、与并联换流器的另一端通过直流母线连接；所述串联侧换流器与并联侧换流器均为三相模块化多电平结构；其中，
串联侧换流器包括三相结构，每相结构相同，每相结构均包括依次连接的上桥臂所有子模块、上桥臂近直流侧电抗器、上桥臂近交流侧电抗器、下桥臂近交流侧电抗器、下桥臂近直流侧电抗器和下桥臂所有子模块，上桥臂近交流侧电抗器和下桥臂近交流侧电抗器的连接处设置交流引线，上桥臂所有子模块包括依次串联的第1至第N上桥臂子模块，第1上桥臂子模块的输入端与直流正极相连，下桥臂所有子模块包括依次串联的第1至第N下桥臂子模块，第N下桥臂子模块的输出端与直流负极相连。
2.根据权利要求1所述的一种具备故障限流能力的统一潮流控制器结构，其特征在于，并联侧换流器和串联侧换流器中的子模块均采用半桥子模块。
3.根据权利要求1所述的一种具备故障限流能力的统一潮流控制器结构，其特征在于，上桥臂所有子模块和下桥臂所有子模块的拓扑结构数量相同。
4.根据权利要求1所述的一种具备故障限流能力的统一潮流控制器结构，其特征在于，上桥臂近直流侧电抗器、上桥臂近交流侧电抗器之间设置有用于与第一旁路开关连接的第一旁路开关连接点，下桥臂近直流侧电抗器、下桥臂近交流侧电抗器之间设置有用于与第二旁路开关连接的第二旁路开关连接点。
5.根据权利要求4所述的一种具备故障限流能力的统一潮流控制器结构，其特征在于，第一旁路开关、第二旁路开关均由若干组反并联晶闸管串联而成，第一旁路开关的一端与第一旁路开关连接点连接，第一旁路开关的另一端与串联变压器副边接地引线连接；第二旁路开关的一端与第二旁路开关连接点连接，第二旁路开关的另一端与串联变压器副边接地引线连接。
6.根据权利要求1所述的一种具备故障限流能力的统一潮流控制器结构，其特征在于，串联变压器接线型式为III/YN接线，所述串联变压器的原边串联在网侧交流母线上，副边一端连接串联侧换流器交流引线，副边另一端经中性点接地。
7.根据权利要求1所述的一种具备故障限流能力的统一潮流控制器结构，其特征在于，统一潮流控制器UPFC未发生故障，进行潮流调节时，所述旁路开关断开，当串联变压器连接的交流电网后端发生短路故障，先检测到故障电流，然后闭锁上桥臂所有子模块、下桥臂所有子模块的触发信号，并在2毫秒内开通串联侧换流器故障相旁路开关；上桥臂近交流侧电抗器、下桥臂近交流侧电抗器经过并联耦合至串联变压器原边起到故障电流限流作用，定义此状态为过渡限流状态；当继电保护单元根据过渡限流状态下交流电网侧电流大小完成继电保护判断并做出反应后，断开第一旁路开关、第二旁路开关，串联变压器副边开路，依靠激磁电抗限流，定义此状态为最终限流状态。
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