两级式串联补偿型故障限流器*
2016-05-27杨思学祝龙记张正文
杨思学, 祝龙记, 张正文
(安徽理工大学 电气与信息工程学院,安徽 淮南 232001)
两级式串联补偿型故障限流器*
杨思学,祝龙记,张正文
(安徽理工大学 电气与信息工程学院,安徽 淮南232001)
摘要：针对传统故障限流器运行效率低、限流效果差等问题,设计了一种两级式串联补偿型故障限流器。通过滞环控制方式控制直流励磁电流,从而快速调节限流器输出阻抗,在电网正常运行时对电网进行动态串联补偿,在发生接地故障时实现两级式限流。利用MATLAB/Simulink软件平台搭建系统仿真模型。仿真结果表明,两级式串联补偿型故障限流器具有良好的补偿效果及限流能力。
关键词：故障限流器; 串联补偿; 铁心控制; 并联谐振; 滞环控制
0引言
随着电网逐渐向智能化和高压化方向发展,电力系统各级网络中短路电流显著增大,严重影响了电网和各种电器设备的安全运行。通常采用改变电网结构、电力系统运行方式以及串联限流电抗器等方式限制短路电流,但这些措施限流效果有限,而且降低了电网运行的稳定性和供电可靠性[1-2]。
近年来,故障限流器因其快速性和灵活性,已成为短路电流限制领域新的研究方向。短路故障限流器按构成原理可分为超导限流器、固态限流器、并联谐振型故障限流器以及饱和铁心限流器[3]。固态限流器和并联谐振型故障限流器由于受开关器件通流能力及损耗的限制,制约了其进一步发展;超导限流器损耗小,限流效果显著,但由于目前技术尚不完善,且受成本影响,超导型故障限流器现阶段很难应用到实际系统中。饱和铁心型故障限流器成为限制短路电流的首选,但现有饱和铁心型故障限流器结构复杂,体积大,利用率低,且补偿效果和限流能力较差[4-6]。
本文设计了一种基于铁心控制的串联补偿型故障限流器。电网正常运行时,通过串联电容器补偿电网无功损耗,改变直流励磁电流可平滑调节限流电抗器的输出阻抗,从而动态调节补偿系数;当电网发生短路故障时,迅速减少励磁电流,使限流电抗器输出阻抗迅速增大,限制短路电流,同时接入电抗器,使其与电容器产生并联谐振,进一步限制短路电流。
1串联补偿型故障限流器原理
1.1拓扑结构
本文基于文献[7]中饱和铁心型故障限流器的工作原理,设计了一种新型故障限流器。串联补偿型故障限流器结构如图1所示。该故障限流器主要由限流绕组L1、直流励磁绕组L2、带气隙的铁心、直流电源以及串联补偿电路等组成。其中,串联补偿电路由电容器C与电感L3并联组成,通过晶闸管VS控制电感L3接入电路;直流电源为励磁绕组提供励磁电流。
图1 串联补偿型故障限流器结构
1.2铁心原理及特性分析
普通铁心的磁感应强度-磁场强度(B-H)曲线如图2中曲线1所示。由图2可见,当H
图2 铁心的B-H曲线
由于普通铁心的B-H曲线变化斜率变化较大且单一,不利于限流绕组电抗的平滑调节,在电网正常工作时难以实现动态调节补偿系数。因此,对铁心结构进行改进,在磁路上开气隙(见图1)。
根据磁路定理,有:
NI=Hll+Hδδ
(1)
式中:N——线圈匝数;
I——励磁电流;
Hl——铁心的磁场强度;
Hδ——气隙的磁场强度;
l——铁心中的磁路长度;
δ——气隙长度。
由于气隙很小,忽略流经气隙外部的漏磁通,则铁心的磁通为
Φ=BlA=BδA
(2)
式中:Bl——铁心的磁感应强度;
Bδ——气隙的磁感应强度;
A——铁心的截面积。
磁感应强度B与磁场强度H的关系[10]:
B=μH
(3)
式中:μ——磁介质的磁导率。
结合式(1)、(2)、(3),可得:
(4)
(5)
式中:μ0——空气的磁导率;
μr——铁心的相对磁导率;
μe——带气隙铁心的等效相对磁导率。
由式(4)、(5)可知,带气隙铁心的等效相对磁导率约为普通铁心的(1+μrδ/l)倍,尽管会增大铁心进入相同工作点所需的直流励磁电流,但却使铁心的B-H曲线变得较平缓(见图2中曲线3),从而增大磁导率的调节范围,减小幅度变化,更易实现限流绕组电抗的平滑调节,便于动态调节补偿系数。
2直流励磁电源设计
直流控制系统如图3所示。直流励磁电源由单相降压变压器T、桥式半控整流电路、励磁绕组、电阻等组成。电网正常运行时,VT3导通,通过滞环比较方式控制整流电路,使输出电流服从给定值,改变限流绕组电抗,实现动态调节补偿系数;当电力系统发生故障时,停止触发整流电路,同时关断VT3,将电阻接入放电回路,从而迅速减小励磁电流,使限流绕组呈现较大电抗,实现故障限流。
图3 直流控制系统
直流励磁电源采用滞环比较控制方式快速调节励磁电流。直流励磁电流控制原理如图4所示,其中ir为励磁电流的给定值,if为励磁电流反馈值,τ为滞环环宽。当if-ir>τ时,减小整流电路触发脉冲的占空比,使励磁电流减小;当if-ir<-τ时,增大占空比,使励磁电流增大。如此反复进行比较,最终使励磁电流if能够跟踪指令电流ir,实现限流绕组电抗的动态调节。
图4 直流励磁电流控制原理
3仿真分析
为了验证本文提出的基于铁心控制的串联补偿型故障限流器的可行性,以单相为例,利用MATLAB/Simulink搭建了仿真模型。电力传输系统结构如图5所示。线路参数设置如下:线路长度l=300 km,单位长度电阻r1=0.019 Ω/km,单位长度电感l1=0.913 4 mH/km,单位长度电容C1=0.014 μF/km。故障限流器串联在输电线路首端,正常工作时最大可补偿整个输电线路电抗的60%,采用饱和变压器模拟限流器,故障时快速实现故障限流。
图5 电力传输系统结构
电力系统正常工作时,改变直流励磁电流,使铁心处于磁化曲线不同工作点上,从而调节限流器的交流输出电抗,与补偿电容器串联后,实现对串联补偿系数的动态调节。
电网正常运行时电网电压、电流波形如图6所示。
图6 电网正常运行时电网电压、电流波形
从图6(a)中可以看出,由于线路电抗等的影响,线路电流超前于电压,且输电线路末端电压跌落较大。由图6(b)可见,由于串联电容的补偿作用,线路电流、电压之间的相位差减小,在一定程度上改善了功率因数,同时输电线路末端的电压显著提高,减小了电压跌落,提高了系统的稳定性,降低了电力传输过程中的线路损耗[11]。发生单相接地短路故障时电网电流、电压波形如图7所示。
图7 发生单相接地短路故障时电网电压、电流波形
从图7可以看出,接入限流器后延长了短路时的过渡过程,有效地降低了短路电流的幅值;在0.04 s发生短路故障后,限流绕组迅速发挥限流作用,抑制短路电流增加。为了便于观察,设置谐振绕组L3在短路发生两个周期后接入谐振回路,与补偿电容产生并联谐振,进一步限制短路电流,可将故障电流限制到原来的62%。
4结语
本文设计了一种基于铁心控制的两级式串联补偿型故障限流器,通过对铁心的控制,在电网正常运行时动态调节补偿系数,在发生接地故障时限制短路电流,提高了系统的利用率。仿真结果表明,两极式串联补偿故障限流器具有良好的补偿能力和限流效果,可应用于各级输配电网络,以提高电力系统的运行可靠性和智能化水平。
参考文献
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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
中图分类号：TU 852
文献标志码：A
文章编号：1674-8417(2016)04-0014-04
*基金项目:安徽省教育厅重点科研项目(KJ2013A084)
祝龙记(1964—),男,教授,研究方向为电力电子技术与应用。
张正文(1993—),男,硕士研究生,研究方向为计算机控制技术。
