非超导桥式故障限流器的仿真分析与改进

摘　要: 通过PSPICE仿真，分析了具有直流偏置的非超导桥式限流器的工作原理及稳态、暂态特性。 根据仿真结果，改进了限流器控制策略，可解决直流偏置电源在故障大电流时的损耗问题， 不影响限流器的限流功能。
　　关键词: 桥式故障限流器; 仿真分析; 直流偏置
1前言
　　随着电网规模的迅速扩大，我国某些负荷密度大的地区和某些500 kV、220 kV 和110 kV变电站中，短路电流将迅速增加。在改变电网结构、增加变压器短路阻抗等 措施之外［1，2］，故障电流限制器成为人们关注的热点。在适当位置装设合适的故 障限流器有以下主要优点：
　　1)解决因短路电流过大造成电网无断路器可选的问题，并可避免需更换大批高压断路器所造 成的损失；
　　2)可以提高供电可靠性；
　　3)降低输电线路电动力及短时发热负担，提高电网设备的可靠性；
　　4)提高电网的暂态稳定性；
　　5)在电网中装有串联型超导电力设备时，可以解决因短路电流过大而引起的失超现象，这将 降低超导设备的研发难度及造价。
　　国际上研究故障限流器已有多年，研发的装置种类繁多［3，4］。从技术的可能性、 经济性以及对电网的不利影响等各方面考虑，非超导型故障限流器重新受到人们的关注。所 谓非超导型故障限流器是指由电感、电阻、电容和电力电子器件等组成的故障限流拓扑结构 。其中，非超导型整流桥式故障限流器又有其独特的优点：由常规器件组成，不需要复杂的 超导等技术，可靠性高，经济性好；在电力系统正常运行时，电感线圈在直流下运行，不存 在交流无功损耗［5］。本文对此种结构的限流器进行了分析与仿真，并改进了线路 发生故障时此种限流器的控制策略。?
2非超导桥式故障限流器的工作原理
　　非超导桥式故障限流器由二极管桥路D1~D4、电感线圈L和直流偏压源E组成， 如图1所示。其中，u为电源电压，RS为电源和线路电阻，R为桥路电阻，RL为 负荷电阻。S与S0为控制直流偏压源退出的开关，这里暂不考虑。
　　设4个二极管D1~D4的电流分别为i1、i2、i3、i4，线路电流为i，电 感电流为i0，参考方向见图1。
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　　对二极管桥路的两个独立节点，由基尔霍夫电流定律（KCL）得到
　　

　　由桥式电路的对称性，得到
　　
　　由联立式（1）和式（2），可得
　　
　　同理根据基尔霍夫电压定律（KVL）得到
　　
　　若直流偏压源能提供足够大的偏置电流使得4个电流i1、i2、i3与i4在任何时刻皆 大于零，即4个二极管全导通，此时应满足的条件为
　　
　　如果式（5）与式（6）满足，由于二极管通态电压的钳位作用，此时桥路中通过的是直流， 电感线圈不起作用，不会产生无功压降。从式（4）可得到
　　
　　通过4个二极管的电流可由式（3）求得。
　　但当线路发生接地故障时（如图1中A点），故障电流i的幅值将迅速超过直流电源所能提供 的偏置电流，4个二极管全导通的条件不再满足，将会出现4个二极管在i的正负半周内交替 导通和关断的现象。此时桥路电流i0将发生从直流到脉动交流的暂态过程，电感线圈L突 然被串入线路，故障电流的迅速上升就被此电感所抑制。
　　下面通过PSPICE仿真来具体分析非超导桥式限流器的稳态与暂态特性，并给出改进的直 流源控制策略。
3非超导桥式限流器的仿真分析与改进
　　 仿真分析依据图1所示单相电路进行，这里并没有考虑线路电抗和负荷种类，但并不影响一 般结论。其中，工频交流电压源u=10 000sinωt，单位为V；线路电阻RS=0.1 Ω；电感L=100 mH；桥路等效电阻R=1mΩ；负荷电阻RL=10Ω； 直流电压源E=5V；高压二极管D1~D4的正向通态电压皆为1V；A点为 发生单相接地故障的位置。
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　　图2给出了非超桥式限流器在输电系统工作在正常负荷电流时的线路总电流i、桥路电流i 0 和各个二极管电流的稳态曲线。由于直流偏置源的作用，限流器的串入或退出不会产生过渡 过程；而且桥路限流电感此时被钳位在直流状态，不存在无功损耗，不会造成负荷端的电压 降低。
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