具有串联补偿作用的新型故障限流器的拓扑结构和仿真

摘要　提出—种新型的具有串联补偿功能的故障电流限流器，它由补偿电容和旁路电感并联后与限流电感串联而成；和旁路电感相串联的可关断晶闸管(GTO)控制正常时的补偿度和故障时的限流程度。通过仿真分析，证明此装置效果良好，是电力系统中有用的保护设备。
关键词　故障电流限流器　串联补偿　电能质量　可关断晶闸管
中图分类号　TM743
1　前言
　　当电力系统扩大后，短路容量将增加，如果不限流就会超出断路器的瞬时容量和切断容量。就辐射状配电系统而言，为了减小短路引起的母线电压降落，可在馈线上与母线连接端处(或者至少在经常发生短路的重点馈线上)装设限流器。
　　因此许多文献提出了基于GTO(可关断晶闸管)的快速、可关断、容量大等特性的快速故障电流限流器(FCL)。文献［1］提出了一种利用电感和电容发生并联谐振时产生的高阻抗限流的FCL；但这种方式存在故障期间由谐振引起的串联电容上过电压和过电流问题。文献［2］中GTO和限流电抗并联形式的FCL是稳态时GTO承担负荷电流，故障时其断开且电抗接入限流，这种形式的FCL因GTO开通和关断负荷电流而具有杂散损耗较大的缺陷。文献［3］提出的结构是晶闸管和补偿电容、限流电感相串联的形式，虽然通过改变触发角可以改变等效阻抗从而达到限流，但与文［2］有相同的问题。文献［4］中的FCL由电容和限流电抗串联而成，与电容相并联的GTO控制正常时的补偿度和故障时的限流程度，这种方式虽然避免了上述问题，但却不能根据短路的实际情况改变限流程度。本文提出了一种新型的FCL，既具有串联补偿功能，又能根据短路的实际情况改变限流程度。
2　新型FCL简介
2.1　FCL的拓扑结构
　　具有串联补偿功能的新型FCL如图1所示。FCL主要由5个元件组成：电容C、旁路电感L1、串联电感L2、GTO和保护用的避雷器ZnO。此外还有GTO的缓冲电路R1、C1等。
　　正常情况下，GTO截止，负荷电流从电容C流过，由于容抗大于串联电感L2的感抗，电容C对线路起串联补偿作用；故障时，GTO导通，两个管子轮流导通半周，旁路电感L1接人，L1、C选择适当的参数，并联后可以得到较大的电抗，与L2串联后共同限流，并且根据不同的短路情况、短路电流大小改变GTO的导通角，以改变限流程度。
　　当GTO的导通角σ变化后，会改变投入的等值电感量L(σ)，两者之间的函数关系为：
　　　　　　　
　　　　(1)
　　　　　　　
　　　　　(2)
　　限流器的限流电抗XL为
　　　　　　　
　　　　(3)
　　改变导通角σ,从而可改变限流程度。σ的取值范围是：0～180。当σ从180?逐渐减小时，限流程度增大，电流减小且为感性；当减小到一定值σr时，旁路电感L1和电容C发生并联谐振,此时限流程度为最大，电流最小；当小于σr后，随着σ的减小，限流程度减小，电流增大且为容性；当σ减小90时，限流程度为0；当小于90后，容性电流会继续增大。当σ减小时，电容两端的电压也会增大。因此限流器GTO的导通角σ的合适取值范围为


图1　FCL的拓扑结构
Fig.1　The topological configuration of FCL
2.2　限流系数和补偿度
　　带有串联补偿的新型FCL有两个电路参数，故障电流的限流系数α和系统串联电抗的补偿度k。图2为一输电系统,其线路两端装有FCL,共同补偿线路电抗。限流系数α用短路电流If和限制后的电流IL定义，或用系统电抗X和限流电抗XL定义：
　　　　　　
　　　　(4)
　　限流系数α越大，FCL限制的短路电流越多。由式(1)得
　　　　　　　
　　　　(5)
　　补偿度k定义为
　　　　　　　
　　　　(6)
式中　XC0表示FCL的补偿容抗(XC0＝XC－XL2)；XLine表示线路电抗。
　　由式(6)知
XC0＝－kXLine(7)
　　在输电系统中，当串联补偿度k不合适时，会引起次同步谐振。当补偿后的输电系统其自然频率和电机机械系统的扭振频率相近时，就会发生持续的或负阻尼的次同步振荡。这种次同步振荡会造成电机轴的疲劳损伤甚至折断等严重后果。在确定补偿度k时，应校核计算以避免发生次同步振荡。由于新型FCL具有可控串联补偿的功能，因而通过控制规律能抑制次同步振荡(起到类似于可控串联补偿的作用)。这正是新型FCL的优越性。

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