CN206364512U - 一种基于磁路控制的串联补偿故障电流限制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于磁路控制的串联补偿故障电流限制系统，在变换电路（1）的驱动端口与DSP处理电路（5）之间设有驱动保护电路（3），变换电路（1）包括变换器（7）、斩波器（8）和直流保护电路（9），交流电网（10）的三相分别与交流母线（11）的三相连接，交流电网（10）通过交流母线（11）依次与变换器（7）、斩波器（8）和直流保护电路（9）连接，工作绕组（4）包括直流绕组（12）、三相补偿限流器（13）和三组工作绕组单元（14），直流绕组（12）的一侧与直流保护电路（9）耦合连接，直流绕组（12）的另一侧通过三相补偿限流器（13）与三组工作绕组单元（14）对应。

Description

一种基于磁路控制的串联补偿故障电流限制系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于磁路控制的串联补偿故障电流限制系统。

背景技术

随着电力系统“四交四直”特高压电网工程建设的快速推进，电力联网的规模逐渐增大，网络架构愈加复杂，输送容量不断剧增，各级电网中，特别是三大负荷中心京津塘、长江三角洲、珠江三角洲地区的短路电流水平不断增加。系统中部分地区的短路电流已经达到了70kA，超过了断路器的遮断容量，而且上升趋势越来越快，已经严重威胁到系统的安全运行。一旦发生短路故障，可能会造成故障线路中相关设备的烧毁，对电网运行的安全性和稳定性构成重大威胁，已成为电网规划和运行关注的主要问题之一。应对电网短路容量增大，可以采取升级断路器等开关设备的措施，但单纯依靠提升断路器的遮断容量已难以取得实效，技术上，当前主要厂家的断路器容量已难以满足持续增大开断电流的需求，国内大部分断路器的开断能力都在63kA以下，国外部分开断电流达100kA，但其产品可靠性难以确保；经济上，高压断路器的造价随着遮断容量的提高将大幅提升，对新并网断路器的采购应用影响较大，同时改造和更换现有开关设备，投入资金很大。

目前解决电网短路电流过大难题的措施，主要包括调整系统运行方式和加装限流设备两个方面。前者包括：改变电网网络架构、电网解列运行、改变电源接入方式等；后者包括：加装串联电抗器、采用高阻抗变压器和发电机、变压器中性点加小电抗接地、串入高压限流熔丝等。以上这些传统的措施虽然在某些程度上能抑制过大的电网短路电流，但无一例外将对电网的灵活性、经济性和安全稳定运行等方面带来不同程度的影响。因而研制可靠的短路电流限制器显得日益重要。

故障电流限制器（Fault Current Limiter，FCL）作为一种有效的技术措施，能够限制电网的短路容量，从而极大地减轻断路器等各种高压电气设备的动、热稳定负担，提高其动作可靠性和使用寿命，保证了电网的稳态安全性和暂态稳定性；还可显著降低对各种电气设备以及电网结构的设计容量要求，大大节省投资。因而，研究性能优良、经济合理的新型FCL是大势所趋。现今研究的FCL主要包括：电力电子型 FCL、超导型 FCL（SFCL）两大类。在目前投入工业使用的FCL中又尤以磁饱和型FCL最引人注目。它利用铁芯材料磁导率的非线性变化来限制短路电流。在额定状态时，铁芯深度饱和，此时磁导率较低，限流绕组电感也就较小；故障状态时，铁芯退出饱和，磁导率变大，限流绕组感抗增加，将短路电流限制下来。但目前所有的FCL通常只工作在开关状态，即电网正常运行时，FCL处于零阻抗状态，只有当短路故障发生时才投入工作，这导致FCL成本较高而实际利用率极低的问题，不利于其在电网中推广应用。

与此同时，为了调节和控制交流电力系统的网络和运行参数，使其运行状态达到最优化，提高交流电力系统网络的输电能力，电网通常会采用大功率电力电子元器件构成的串联补偿装置，如晶闸管控制串联电容器补偿器（Thyristor Controlled SeriesCompensator，TCSC）和静止同步串联补偿器（Static Synchronous Series Compensator，SSSC），以及统一潮流控制器（Unified Power Flow Controller，UPFC），可以快速、灵活地控制潮流，改变潮流分布，减小网络损耗。然而无论是TCSC还是SSSC，其核心元件是晶闸管或者功率开关管（IGBT、GTO等），限于现阶段电力电子功率开关器件的工艺水平，单个开关管的耐压、容量还不能做得太大，开关器件受到本身耐压限流能力约束，使TCSC和SSSC在高压和超高压领域里受到了相当大的限制，往往只能采用多个开关管串联或并联的方式工作，这就需要设置专门的均压或均流电路，增加了整套装置的成本和复杂性。

国外研究故障电流限制技术并实现产品商用化应用较早，美国EPRI在20世纪90年代初曾组织专家组对各种限流技术进行专门的调研，并给出了一种建议的实现方案。在EPRI调研报告的推动下，全球兴起了研究短路电流限制技术的热潮，目前超导型限流电抗器、固态故障电流限制器、各种PTC电阻故障电流限制器以及各种混合故障电流限制器等已经得到广泛的研究。国内对故障电流限制器研究较多的机构和单位有中国电科院、国网电科院、国网智能电网研究院、中国科学院电工研究所、陕西电科院、清华大学、华中科技大学、东南大学、浙江大学等高校以及北京云电英纳超导电缆有限公司、天津市机电工业控股集团公司、陕西蓝河电气等为代表的一些高新技术企业。现有故障电流限制器主要包括：固定限流电抗器、串联谐振型故障电流限制器、并联谐振型故障电流限制器、超导材料型故障电流限制器、固态故障电流限制器和磁路控制型故障电流限制器等。目前，华东电网中运行的国内首台故障电流限制器，基于串联谐振型技术，可把短路点总电流从51kA降低到47kA以下，响应时间不高于1.5ms，对电网正常运行和安全稳定性影响较小。

高压输电线路和中低压配网中串联补偿设备的发展也经过了20多年的实践发展，在美国，晶闸管控制的串联电容器项目已在3处投入运行：1991年ABB公司改建的KanawhaRiver变电站345 kV单相串补投切工程，用来提高线路传输能力，提高暂态稳定极限和阻尼功率振荡；1992年Siemens公司建造的Kayenta变电站220kV新型串联补偿(ASC)工程，同样用来提高线路传输能力，改善了一条230kV 320km高压输电网络的瓶颈限制；1993年GE公司承担的Slatt变电站500kV TCSC试验工程，作用是阻尼功率振荡和次同步谐振。此后，巴西（Imperatriz TCSC）、瑞典（Stode TCSC）、中国（平果TCSC）等其它国家也开始实施TCSC工程，以达到提高输电线路容量、阻尼低频振荡和消除次同步谐振等目的。中国从1954年开始研究和采用串补技术，六、七十年代分别在220kV线路和330kV线路上采用串补提高输电能力。世界上第七个可控串补工程是2004年底顺利投运的甘肃成碧220kV国产化可控串补示范工程，填补了国产可控串补技术的空白。2006年我国第一套国产化500kV固定串补在徐州三堡一次性投运成功，标志着我国成为世界上第四个能够自主生产500kV超高压串补装置的国家。2008年8月辽宁省电力公司66kV串补试点工程在辽宁省阜新电网水彰线投入运行，有效地提高了线路各负荷点的电压质量。

通过国内外现状分析，目前将磁饱和开关型FCL与串联补偿进行综合互补应用的研究不多。本项目利用可靠性与耐压等级更高的铁芯结构替代常见串联补偿装置中的电力电子器件，研究一种将故障限流与串联补偿相结合的磁控串联补偿故障电流限制系统。即在电网正常工作时，系统运行于串联补偿方式；当电网发生短路故障时，快速进入磁饱和型FCL运行方式，以提高系统的集成度和设备利用率。通过本项目的开展，我们将全面掌握相关系统的设计、仿真分析和实验方法所涉及的基本理论与关键技术，为其推广应用奠定理论与技术基础。

发明内容

本实用新型提供了一种基于磁路控制的串联补偿故障电流限制系统

，它可以提高直流电流控制精度以及调节速度，解决线路短路故障后重合闸引起快速充放电以及控制系统的自适应和保护。

本实用新型采用了以下技术方案：一种基于磁路控制的串联补偿故障电流限制系统，它包括变换电路、采样检测电路、DSP处理电路、驱动保护电路和工作绕组，变换电路与采样检测电路，采样检测电路与DSP处理电路连接，在变换电路的驱动端口与DSP处理电路之间设有驱动保护电路，所述的变换电路包括变换器、斩波器和直流保护电路，交流电网的三相分别与交流母线的三相连接，交流电网通过交流母线依次与变换器、斩波器和直流保护电路连接，所述的工作绕组包括直流绕组、三相补偿限流器和三组工作绕组单元，直流绕组的一侧与直流保护电路耦合连接，直流绕组的另一侧通过三相补偿限流器与三组工作绕组单元对应，每组工作绕组单元的一个绕组与交流负载连接，每组工作绕组单元的另一个绕组与交流母线连接。

所述的三相补偿限流器包括磁控电抗器电路和容性电路，磁控电抗器电路与容性电路为串联连接或并联连接。所述的采样检测电路和DSP处理电路连接有辅助电源。所述的变换器设置为AC/DC变换器。

本实用新型具有以下有益效果：采用了以上技术方案后，本实用新型实现系统多目标优化控制，保证在工作状态切换过程中，降低电磁应力变化带来的冲击以及此冲击导致的对系统控制元件带来的破坏作用，实现工作状态的平滑切换和过渡。直流励磁控制是影响磁控电抗器磁化曲线工作特性的关键，本实用新型采用AC-DC或AC-DC-DC变换电路,研究分析电压斩波控制、电流控制以及滞环控制等各种控制方法，以提高直流电流控制精度以及调节速度，解决线路短路故障后重合闸引起快速充放电以及控制系统的自适应和保护等问题。本实用新型故障信号的快速识别技术是MSCFCL实现快速故障限流的基础。基于故障信号工频分量的传统方式中，故障电流瞬时值和周期值识别，判断较准确，但响应速度慢；线路电流的变化量（斜率）识别，速度快，但抗干扰能力差容易误动。本项目拟基于高精度快速采集技术，依据行波理论，对故障信息中的暂态分量进行快速检测，配合斜率控制，实现亚毫秒级故障信号快速识别。本实用新型基于磁路控制的串联补偿与故障限流切换技术：通过控制磁控电抗器直流励磁电流大小，使该装置可以在串联补偿与故障限流两种工作状态间平滑切换，添加气隙改变电抗器输出特性技术：在铁芯中加入特殊结构气隙来控制电抗器电抗输出特性。分析磁控电抗器含气隙结构的铁芯磁化曲线和磁场分布规律，构建“磁链-电流曲线”与气隙结构的关系模型，根据此模型确定最终的气隙结构，故障信号快速识别技术研究：将行波理论和电流变化量（斜率）识别相结合的故障信号快速综合识别技术。在电网正常工作时，系统运行于无功补偿方式；当电网发生短路故障时，快速进入故障电流限制运行方式，以提高系统的集成度和设备利用率。以基于铁芯的磁控电抗器的为主要研究内容，研究以该装置为核心设备构成的具有正、负电抗输出能力和故障限流能力的磁控串联补偿故障电流限制系统，在实现双向调节潮流的同时满足故障限流的需求，为电力系统安全稳定运行提供解决策略，本实用新型保证电抗器具有所需的电抗输出特性，保证系统可以平稳快速的在两种工作状态间切换，本实用新型将无功补偿装置和故障电流限制装置相结合，研制一种磁控串联补偿故障限流系统，可以同时满足配电网用户侧电压动态灵活调整和高压输电线路容量调节的需求。这一设备的关键在于利用含气隙结构的磁控电抗器输出电抗可以平滑调节的特性，使用输出电抗可以平滑调节的直流激磁式铁芯磁控电抗器代替晶闸管控制电抗器，将串联补偿与磁饱和型故障电流限制器进行有机结合，实现电网正常态与故障状态下系统的无缝平滑切换与控制。本实用新型充分发挥MSCFCL核心部件－磁控电抗器可以连续平滑调节线路电抗的优势，将串联补偿和磁饱和开关型FCL有机结合，兼具串联补偿控制和故障限流功能；基于直流激磁的磁控电抗器是一种特殊种类的静态磁性设备，其可靠性是基于电力电子器件构成的FACTS所无法比拟的（以变压器为代表的静磁性电力设备的可靠性已证明），可以避免电力电子器件串并联以及由此带来的均流与均压问题；基于行波暂态故障信息超高速采集和小波分析，与电流变化量（斜率）识别相结合，可实现亚毫秒的快速故障识别。以磁控电抗器为核心，在其回路串联或并联容性电路即可实现稳态时的串联补偿功能，磁控电抗器电路与容性电路为串联连接或并联连接，根据各级电网稳态特性，建立串并联组合拓扑结构仿真模型，分析研究串并联组合拓扑结构的特点、补偿范围等，使其满足串联补偿要求，同时研究故障时容性电路快速切除的方法，以实现稳态和暂态的无缝切换。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图。

图2为本实用新型磁控电抗器电路和容性电路串联的结构示意图。

图3为本实用新型磁控电抗器电路和容性电路并联的结构示意图。

具体实施方式

实施例一，在图1和图2中，本实用新型提供了一种基于磁路控制的串联补偿故障电流限制系统，它包括变换电路1、采样检测电路2、DSP处理电路5、驱动保护电路3和工作绕组4，变换电路1与采样检测电路2，采样检测电路2与DSP处理电路5连接，在变换电路1的驱动端口与DSP处理电路5之间设有驱动保护电路3，所述的变换电路1包括变换器7、斩波器8和直流保护电路9，交流电网10的三相分别与交流母线11的三相连接，交流电网10通过交流母线11依次与变换器7、斩波器8和直流保护电路9连接，所述的工作绕组4包括直流绕组12、三相补偿限流器13和三组工作绕组单元14，直流绕组12的一侧与直流保护电路9耦合连接，直流绕组12的另一侧通过三相补偿限流器13与三组工作绕组单元14对应，每组工作绕组单元14的一个绕组与交流负载15连接，每组工作绕组单元14的另一个绕组与交流母线11连接，所述的三相补偿限流器13包括磁控电抗器电路16和容性电路17，磁控电抗器电路16与容性电路为17串联连接，所述的采样检测电路2和DSP处理电路5连接有辅助电源6，所述的变换器7设置为AC/DC变换器。

实施例二，在图1和图3中，本实用新型提供了一种基于磁路控制的串联补偿故障电流限制系统，它包括变换电路1、采样检测电路2、DSP处理电路5、驱动保护电路3和工作绕组4，变换电路1与采样检测电路2，采样检测电路2与DSP处理电路5连接，在变换电路1的驱动端口与DSP处理电路5之间设有驱动保护电路3，所述的变换电路1包括变换器7、斩波器8和直流保护电路9，交流电网10的三相分别与交流母线11的三相连接，交流电网10通过交流母线11依次与变换器7、斩波器8和直流保护电路9连接，所述的工作绕组4包括直流绕组12、三相补偿限流器13和三组工作绕组单元14，直流绕组12的一侧与直流保护电路9耦合连接，直流绕组12的另一侧通过三相补偿限流器13与三组工作绕组单元14对应，每组工作绕组单元14的一个绕组与交流负载15连接，每组工作绕组单元14的另一个绕组与交流母线11连接，所述的三相补偿限流器13包括磁控电抗器电路16和容性电路17，磁控电抗器电路16与容性电路为17并联连接，所述的采样检测电路2和DSP处理电路5连接有辅助电源6，所述的变换器7设置为AC/DC变换器。

Claims (4)

1.一种基于磁路控制的串联补偿故障电流限制系统，其特征是它包括变换电路（1）、采样检测电路（2）、DSP处理电路（5）、驱动保护电路（3）和工作绕组（4），变换电路（1）与采样检测电路（2），采样检测电路（2）与DSP处理电路（5）连接，在变换电路（1）的驱动端口与DSP处理电路（5）之间设有驱动保护电路（3），所述的变换电路（1）包括变换器（7）、斩波器（8）和直流保护电路（9），交流电网（10）的三相分别与交流母线（11）的三相连接，交流电网（10）通过交流母线（11）依次与变换器（7）、斩波器（8）和直流保护电路（9）连接，所述的工作绕组（4）包括直流绕组（12）、三相补偿限流器（13）和三组工作绕组单元（14），直流绕组（12）的一侧与直流保护电路（9）耦合连接，直流绕组（12）的另一侧通过三相补偿限流器（13）与三组工作绕组单元（14）对应，每组工作绕组单元（14）的一个绕组与交流负载（15）连接，每组工作绕组单元（14）的另一个绕组与交流母线（11）连接。

2.根据权利要求1所述的基于磁路控制的串联补偿故障电流限制系统，其特征是所述的三相补偿限流器（13）包括磁控电抗器电路（16）和容性电路（17），磁控电抗器电路（16）与容性电路（17）为串联连接或并联连接。

3.根据权利要求1所述的基于磁路控制的串联补偿故障电流限制系统，其特征是所述的采样检测电路（2）和DSP处理电路（5）连接有辅助电源（6）。

4.根据权利要求1所述的基于磁路控制的串联补偿故障电流限制系统，其特征是所述的变换器（7）设置为AC/DC变换器。