兩級式串聯(lián)補(bǔ)償型故障限流器*

楊思學(xué),　祝龍記,　張正文

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,安徽 淮南　232001)

?

兩級式串聯(lián)補(bǔ)償型故障限流器*

楊思學(xué),祝龍記,張正文

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,安徽 淮南232001)

摘要：針對傳統(tǒng)故障限流器運(yùn)行效率低、限流效果差等問題,設(shè)計(jì)了一種兩級式串聯(lián)補(bǔ)償型故障限流器。通過滯環(huán)控制方式控制直流勵(lì)磁電流,從而快速調(diào)節(jié)限流器輸出阻抗,在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)對電網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)串聯(lián)補(bǔ)償,在發(fā)生接地故障時(shí)實(shí)現(xiàn)兩級式限流。利用MATLAB/Simulink軟件平臺(tái)搭建系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果表明,兩級式串聯(lián)補(bǔ)償型故障限流器具有良好的補(bǔ)償效果及限流能力。

關(guān)鍵詞：故障限流器; 串聯(lián)補(bǔ)償; 鐵心控制; 并聯(lián)諧振; 滯環(huán)控制

0引言

隨著電網(wǎng)逐漸向智能化和高壓化方向發(fā)展,電力系統(tǒng)各級網(wǎng)絡(luò)中短路電流顯著增大,嚴(yán)重影響了電網(wǎng)和各種電器設(shè)備的安全運(yùn)行。通常采用改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電力系統(tǒng)運(yùn)行方式以及串聯(lián)限流電抗器等方式限制短路電流,但這些措施限流效果有限,而且降低了電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和供電可靠性[1-2]。

近年來,故障限流器因其快速性和靈活性,已成為短路電流限制領(lǐng)域新的研究方向。短路故障限流器按構(gòu)成原理可分為超導(dǎo)限流器、固態(tài)限流器、并聯(lián)諧振型故障限流器以及飽和鐵心限流器[3]。固態(tài)限流器和并聯(lián)諧振型故障限流器由于受開關(guān)器件通流能力及損耗的限制,制約了其進(jìn)一步發(fā)展;超導(dǎo)限流器損耗小,限流效果顯著,但由于目前技術(shù)尚不完善,且受成本影響,超導(dǎo)型故障限流器現(xiàn)階段很難應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中。飽和鐵心型故障限流器成為限制短路電流的首選,但現(xiàn)有飽和鐵心型故障限流器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積大,利用率低,且補(bǔ)償效果和限流能力較差[4-6]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于鐵心控制的串聯(lián)補(bǔ)償型故障限流器。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),通過串聯(lián)電容器補(bǔ)償電網(wǎng)無功損耗,改變直流勵(lì)磁電流可平滑調(diào)節(jié)限流電抗器的輸出阻抗,從而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)補(bǔ)償系數(shù);當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí),迅速減少勵(lì)磁電流,使限流電抗器輸出阻抗迅速增大,限制短路電流,同時(shí)接入電抗器,使其與電容器產(chǎn)生并聯(lián)諧振,進(jìn)一步限制短路電流。

1串聯(lián)補(bǔ)償型故障限流器原理

1.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文基于文獻(xiàn)[7]中飽和鐵心型故障限流器的工作原理,設(shè)計(jì)了一種新型故障限流器。串聯(lián)補(bǔ)償型故障限流器結(jié)構(gòu)如圖1所示。該故障限流器主要由限流繞組L1、直流勵(lì)磁繞組L2、帶氣隙的鐵心、直流電源以及串聯(lián)補(bǔ)償電路等組成。其中,串聯(lián)補(bǔ)償電路由電容器C與電感L3并聯(lián)組成,通過晶閘管VS控制電感L3接入電路;直流電源為勵(lì)磁繞組提供勵(lì)磁電流。

圖1　串聯(lián)補(bǔ)償型故障限流器結(jié)構(gòu)

1.2鐵心原理及特性分析

普通鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度-磁場強(qiáng)度(B-H)曲線如圖2中曲線1所示。由圖2可見,當(dāng)HHa時(shí),隨著H的增大,B基本保持不變,即磁導(dǎo)率μ基本為0[8-9]。因此,可將曲線1簡化曲線2,即折線KS-MN,其中KS段對應(yīng)鐵心非飽和狀態(tài),磁導(dǎo)率較高;MN段對應(yīng)鐵心飽和狀態(tài),磁導(dǎo)率較低。由此,可通過改變流過勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流來調(diào)節(jié)H的值,使限流繞組呈現(xiàn)不同的電抗,在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),提供較大的勵(lì)磁電流,使鐵心工作于MN段,限流繞組電抗較小,不影響系統(tǒng)正常工作;當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí),勵(lì)磁電流減小,鐵心工作在KS段,限流器電抗增大,實(shí)現(xiàn)限流。

圖2　鐵心的B-H曲線

由于普通鐵心的B-H曲線變化斜率變化較大且單一,不利于限流繞組電抗的平滑調(diào)節(jié),在電網(wǎng)正常工作時(shí)難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)補(bǔ)償系數(shù)。因此,對鐵心結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),在磁路上開氣隙(見圖1)。

根據(jù)磁路定理,有:

NI=Hll+Hδδ

(1)

式中:N——線圈匝數(shù);

I——?jiǎng)?lì)磁電流;

Hl——鐵心的磁場強(qiáng)度;

Hδ——?dú)庀兜拇艌鰪?qiáng)度;

l——鐵心中的磁路長度;

δ——?dú)庀堕L度。

由于氣隙很小,忽略流經(jīng)氣隙外部的漏磁通,則鐵心的磁通為

Φ=BlA=BδA

(2)

式中:Bl——鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度;

Bδ——?dú)庀兜拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度;

A——鐵心的截面積。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場強(qiáng)度H的關(guān)系[10]:

B=μH

(3)

式中:μ——磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率。

結(jié)合式(1)、(2)、(3),可得:

(4)

(5)

式中:μ0——空氣的磁導(dǎo)率;

μr——鐵心的相對磁導(dǎo)率;

μe——帶氣隙鐵心的等效相對磁導(dǎo)率。

由式(4)、(5)可知,帶氣隙鐵心的等效相對磁導(dǎo)率約為普通鐵心的(1+μrδ/l)倍,盡管會(huì)增大鐵心進(jìn)入相同工作點(diǎn)所需的直流勵(lì)磁電流,但卻使鐵心的B-H曲線變得較平緩(見圖2中曲線3),從而增大磁導(dǎo)率的調(diào)節(jié)范圍,減小幅度變化,更易實(shí)現(xiàn)限流繞組電抗的平滑調(diào)節(jié),便于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)補(bǔ)償系數(shù)。

2直流勵(lì)磁電源設(shè)計(jì)

直流控制系統(tǒng)如圖3所示。直流勵(lì)磁電源由單相降壓變壓器T、橋式半控整流電路、勵(lì)磁繞組、電阻等組成。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),VT3導(dǎo)通,通過滯環(huán)比較方式控制整流電路,使輸出電流服從給定值,改變限流繞組電抗,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)補(bǔ)償系數(shù);當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),停止觸發(fā)整流電路,同時(shí)關(guān)斷VT3,將電阻接入放電回路,從而迅速減小勵(lì)磁電流,使限流繞組呈現(xiàn)較大電抗,實(shí)現(xiàn)故障限流。

圖3　直流控制系統(tǒng)

直流勵(lì)磁電源采用滯環(huán)比較控制方式快速調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。直流勵(lì)磁電流控制原理如圖4所示,其中ir為勵(lì)磁電流的給定值,if為勵(lì)磁電流反饋值,τ為滯環(huán)環(huán)寬。當(dāng)if-ir>τ時(shí),減小整流電路觸發(fā)脈沖的占空比,使勵(lì)磁電流減小;當(dāng)if-ir<-τ時(shí),增大占空比,使勵(lì)磁電流增大。如此反復(fù)進(jìn)行比較,最終使勵(lì)磁電流if能夠跟蹤指令電流ir,實(shí)現(xiàn)限流繞組電抗的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

圖4　直流勵(lì)磁電流控制原理

3仿真分析

為了驗(yàn)證本文提出的基于鐵心控制的串聯(lián)補(bǔ)償型故障限流器的可行性,以單相為例,利用MATLAB/Simulink搭建了仿真模型。電力傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。線路參數(shù)設(shè)置如下:線路長度l=300 km,單位長度電阻r1=0.019 Ω/km,單位長度電感l(wèi)1=0.913 4 mH/km,單位長度電容C1=0.014 μF/km。故障限流器串聯(lián)在輸電線路首端,正常工作時(shí)最大可補(bǔ)償整個(gè)輸電線路電抗的60%,采用飽和變壓器模擬限流器,故障時(shí)快速實(shí)現(xiàn)故障限流。

圖5　電力傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電力系統(tǒng)正常工作時(shí),改變直流勵(lì)磁電流,使鐵心處于磁化曲線不同工作點(diǎn)上,從而調(diào)節(jié)限流器的交流輸出電抗,與補(bǔ)償電容器串聯(lián)后,實(shí)現(xiàn)對串聯(lián)補(bǔ)償系數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)電網(wǎng)電壓、電流波形如圖6所示。

圖6　電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)電網(wǎng)電壓、電流波形

從圖6(a)中可以看出,由于線路電抗等的影響,線路電流超前于電壓,且輸電線路末端電壓跌落較大。由圖6(b)可見,由于串聯(lián)電容的補(bǔ)償作用,線路電流、電壓之間的相位差減小,在一定程度上改善了功率因數(shù),同時(shí)輸電線路末端的電壓顯著提高,減小了電壓跌落,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,降低了電力傳輸過程中的線路損耗[11]。發(fā)生單相接地短路故障時(shí)電網(wǎng)電流、電壓波形如圖7所示。

圖7　發(fā)生單相接地短路故障時(shí)電網(wǎng)電壓、電流波形

從圖7可以看出,接入限流器后延長了短路時(shí)的過渡過程,有效地降低了短路電流的幅值;在0.04 s發(fā)生短路故障后,限流繞組迅速發(fā)揮限流作用,抑制短路電流增加。為了便于觀察,設(shè)置諧振繞組L3在短路發(fā)生兩個(gè)周期后接入諧振回路,與補(bǔ)償電容產(chǎn)生并聯(lián)諧振,進(jìn)一步限制短路電流,可將故障電流限制到原來的62%。

4結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于鐵心控制的兩級式串聯(lián)補(bǔ)償型故障限流器,通過對鐵心的控制,在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)補(bǔ)償系數(shù),在發(fā)生接地故障時(shí)限制短路電流,提高了系統(tǒng)的利用率。仿真結(jié)果表明,兩極式串聯(lián)補(bǔ)償故障限流器具有良好的補(bǔ)償能力和限流效果,可應(yīng)用于各級輸配電網(wǎng)絡(luò),以提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和智能化水平。

參考文獻(xiàn)

[1]衛(wèi)元朋,韓松,許逵.串聯(lián)諧振型高壓故障限流器研究及應(yīng)用進(jìn)展述評[J].高壓電器,2013,49(7):104-109.

[2]章程,魯創(chuàng).液態(tài)金屬限流器零前熄弧現(xiàn)象及氣壓特性的試驗(yàn)研究[J].電器與能效管理技術(shù),2015(10):15-20.

[3]琚興寶.電力系統(tǒng)故障限流器的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景[J].船電技術(shù),2013,33(7):55-57.

[4]劉凱,陳紅坤,林軍,等.故障限流器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(7):147-151.

[5]鄭健超.故障電流限制器發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(29):5140-5148.

[6]童榮斌,牟龍華,莊偉.新型微電網(wǎng)外部短路故障保護(hù)方案[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2014,42(5):78-84.

[7]龐驍剛,龔偉志,洪輝,等.飽和鐵心型超導(dǎo)限流器[J].低溫與超導(dǎo),2012,40(6):34-39.

[8]李曉明,梁軍,王葵,等.新型磁控式故障限流器[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2013,33(6):42-46.

[9]李曉明,梁軍,王葵,等.開關(guān)特性飽和電抗器原理及其實(shí)驗(yàn)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2012,40(23):132-137.

[10]董建民,李東晶,趙翠霞.飽和鐵心型高溫超導(dǎo)故障限流器的仿真分析[J].低壓電器,2013(14):8-11.

[11]陳霖,張小青.變壓器型故障限流器限流效果研究[J].中國電力,2014,47(2):53-57.

Two-stage Fault Current Limiter with Series Compensation

YANGSixue,ZHULongji,ZHANGZhengwen

(School of Electrical and Information Engineering,Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001,China)

Abstract：As the traditional fault current limiter has disadvantages of low efficiency,poor current limiting effect and other issues,a two-stage fault current limiter with series compensation was designed.The hysteresis control technology was adopted to control the DC excitation current and change the output impedance.The dynamic series compensation was realized when the grid was normal.The limit short-circuit current by two-stage was obtained when the ground fault happens.The MATLAB/Simulink platform was used to build a simulation model.The simulation results show that the system has good compensation effect and current limiting ability.

Key words:fault current limiter; series compensation; core control; parallel resonance; hysteresis control

收稿日期：2015-07-15

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.04.004

中圖分類號：TU 852

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-8417(2016)04-0014-04

*基金項(xiàng)目:安徽省教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目(KJ2013A084)

祝龍記(1964—),男,教授,研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)與應(yīng)用。

張正文(1993—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制技術(shù)。