帶旁路電感變壓器耦合三相橋式固態限流器的控制策略研究

摘要：本文圍繞新型變壓器耦合三相橋式固態限流器試驗樣機工程化過程中的幾個問題，提出該限流器的改進拓撲———帶旁路電感的變壓器耦合三相橋式固態限流器。給出了一種符合帶旁路電感的變壓器耦合三相橋式固態限流器特點的控制策略，并作了仿真研究分析。
關鍵詞：固態限流器；控制策略；仿真研究；橋式電路；短路故障　　 1引言
　　隨著電力系統的不斷發展壯大，其短路容量與故障電流問題日益成為系統安全運行的隱患，如何采取切實可行的有效措施解決這一問題，已越來越受到業界的高度重視。與此同時有關短路限流技術的研究也越來越吸引廣大電力科技工作者的關注。近年來，限流器的研究已有了顯著進展［1，2］。新型固態限流器在380V／200A試驗樣機上的試驗，取得了很好的限流效果［3］，但要進入工程應用階段還有一些問題需要解決，歸納為以下幾點：(1)限流器在電力系統故障狀態運行中，橋電路通過系統全部的故障電流，因而晶閘管的容量須按照故障容量設計，成本高。(2)系統故障后，故障電流由橋電路抑制，諧波豐富，對系統不利。(3)限流器對系統故障電流控制通過PID閉環調節，控制器計算量大，故障判斷及控制較復雜。本文針對380V／200A新型固態限流器試驗樣機［3］主電路拓撲結構存在的缺陷，提出對該拓撲結構的改進方案———帶旁路電感的變壓器耦合三相橋式固態限流器的拓撲結構，用電力電子專用仿真軟件PSIM原理仿真計算，分析改進的固態限流器拓撲結構的限流機理，提出符合該固態限流器特點的控制策略，克服了原固態限流器拓撲的缺陷。
　　 2帶旁路電感的變壓器耦合三相橋式固態限流器的拓撲結構［4］
帶旁路電感的變壓器耦合三相橋式固態限流器的拓撲結構如圖1所示，該拓撲結構固態限流器的思路：限流器在系統正常運行時，由晶閘管T1～T6組成的三相可控整流橋工作在全導通狀態橋，T7、T8常導通給限流電感LD提供續流回路。穩態運行時，電感電流在理想條件下達到負載電流峰值，并經T7、T8續流短接。因此耦合變壓器副邊近似于短接狀態，原邊壓降幾乎為“零”，旁路電感近似被短接。系統短路故障發生時，系統電壓加在耦合變壓器原邊以及旁路電感上，因此旁路電感和直流限流電感通過耦合變壓器并聯后立即自動串入系統［3］，限制故障電流上升。在系統短路后約一個周波時間內故障電流包含兩部分：旁路電感電流和由變壓器副邊限流電感決定的變壓器原邊流過的電流。在限流器的運行控制中，若在系統短路故障后能迅速隔離橋電路，變壓器副邊等效于開路，系統的短路電流完全由旁路電感決定。
　　
　　
　　3帶旁路電感的變壓器耦合三相橋式固態限流器的控制策略分析
　　根據以上分析的帶旁路電感的變壓器耦合三相橋式固態限流器的工作思路，提出續流隔離式控制方案：系統發生短路故障后，封鎖固態限流器所有晶閘管的觸發脈沖(T1～T8)，在適當時刻觸通晶閘管T7、T8給直流限流電感提供續流回路，從而關斷T1～T6橋臂，使直流限流電感及橋電路與系統隔離，相當于變壓器副邊開路。固態限流器橋電路退出系統，系統故障電流僅由旁路電感限制。
　　下面分析系統發生不同短路故障時帶旁路電感的變壓器耦合三相橋式固態限流器在該策略控制下的橋電路工作過程。
　　系統發生三相短路故障時，采用上述控制策略，控制過程如圖2所示，假設在A相正過零點td時刻發生三相短路。由于三相短路后耦合變壓器原邊承受全電壓，致使電網電壓通過耦合變壓器加到限流器的橋路上，此時有Uc＞Ua＞0，Ub＜0，因此T5、T6導通，而T1被迫截止，限流電感上的電壓從零電位突變為Ucb，迫使電感上的電流從相電流峰值開始上升。假設限流器控制響應時間需要略小于60°電角度(約3．33ms)，由于T1脈沖的繼續作用，在短路開始30°后，當Ua＞Uc＞0時，T5將換流到T1導通，C相橋路退出，限流電感上的電壓也由Ucb→Uab(見圖2)，電流也將繼續上升。當限流器控制系統判斷出故障，在tf封鎖系統所有的觸發脈沖，由于T6、T1已經導通，限流電感電流繼續上升直至tp時刻，而后開始下降(見圖2)，從tp開始延時120°電角度(tx時)直流限流電感上的電壓為Uab＜0，T7、T8管觸發，T1～T6將自動關斷，使電感電流經T7、T8續流。系統短路由旁路電感限流。
　　
　　系統發生兩相接地短路故障時(設系統的A相正向過零點時發生BC兩相接地短路故障)，此刻，T5、T6繼續導通，T1被關斷，A相橋路退出，旁路電感LA串入A相負載。檢測出故障后，所有晶閘管觸發信號被封鎖，固態限流器限流電感被迫通過T5、T6承受了系統線電壓UCB，電感電流開始上升，直流限流電感電流在UCB線電壓負向過零點達到峰值，從該點開始計時，延時120°電角度時觸通T7、T8使電感電流經T7、T8續流，同時T5、T6自動關斷。限流器橋電路完全退出，旁路電感LB、LC分別串入各相故障點實現限流目的(該過程可參看仿真結果圖4(b))，非故障相A相仍有負載電流流通。
　　系統發生兩相不接地短路故障時，采用該控制策略后，橋電路的工作過程與系統發生兩相接地短路的橋電路工作過程基本一致，不再贅述(該過程可參看仿真結果圖4(c))。
　　系統發生單相接地短路故障時(設系統的A相正向過零點時發生A相單相接地短路故障)，采用上述的控制策略，故障時刻T5、T6繼續導通，T4被關斷而T1觸發導通，T7、T8常導通，短路發生后，T7承受反壓被關斷，固態限流器限流電感通過T1、T8承受了A相電壓，檢測出故障后，所有晶閘管觸發信號被封鎖，T1、T8將繼續導通，A相電流開始迅速上升，同時C相變壓器副邊電流IC2迅速下降為0(T5關斷)后，C相橋電路退出，旁路電感LC串入C相負載。由于在A相正半波發生接地短路，則T8將一直導通，限流器下橋臂直流側的電位為零，T6在B相電壓為負值的條件下，能夠一直導通，直至Ub過零時刻，T6受反壓關斷，B相橋路退出，旁路電感LB串入B相負載。在Ua負向過零時刻開始延時120°電角度時再次給T7、T8加觸發信號。此時固態限流器直流限流電感承受負壓，因此，T7滿足開通條件(T8一直導通)，完成T1向T7的換流，直流限流電感電流通過T7、T8續流，T1關斷后，A相橋路退出，旁路電感LA串入故障點。固態限流器橋電路完全退出，旁路電感全部串入系統。(該過程可參看仿真結果圖4(d))。在高壓系統中，發生單相短路后，一般系統只要求跳開故障相，非故障相繼續工作一段時間，為提高供電的質量，消除非故障相由于串入旁路電感引起的電壓降落，以A相故障為例，可以封鎖T1、T4的觸發脈沖，隔離故障相，T3、T6、T5、T2按照原先正常控制，T7、T8常導通，正常相的限流器橋電路繼續投入運行，短接非故障相的旁路電感，從而消除正常相電壓降落。
　　從上面的分析可以看出，限流電感在故障發生后自動插入，同時固態限流器從正常控制模式向故障控制模式的切換也是平穩的，不會引起附加的震蕩。
　　 4帶旁路電感的變壓器耦合三相橋式固態限流器在系統各種故障下的仿真分析
　　三相接地系統的短路故障包括：①單相接地故障；②兩相不接地短路；③兩相接地短路；④三相接地故障。采用上述所提控制策略，對于系統的各類短路故障，應用加拿大POWERSIM技術公司的專用電力電子系統仿真軟件PSIM4．1，對10kV／500A的配電系統固態限流器進行仿真，假設系統允許的短路電流為2500A，為簡化分析不妨設定系統負荷為阻性，仿真參數如表1所示。
　　
　　
　　固態限流器的啟動仿真：由于旁路電感的存在，在啟動時，負載側電壓的建立要比無旁路電感的固態限流器快，在限流器直流限流電感還未完成充磁過程時，系統電壓通過旁路電感建立負載側電壓，當固態限流器完成直流限流電感完成充磁后，旁路電感被固態限流器的橋電路近似短接，旁路電感退出工作，系統進入正常穩態運行，該過程如圖3所示。在半個周波內基本上建立了負載側電壓(在以下的仿真結果中，VZA、VZB、VZC為系統負載側三相相電壓。ILA、ILB、ILC為系統負載側相電流IA2、IB2、IC2為耦合變壓器副邊相電流ILD為直流限流電感電流)。
　　
　　
　　系統發生各類短路故障后，固態限流器采用續流隔離式控制策略，其仿真結果如圖4所示，系統在t＝0．2s時發生短路故障，短路發生后2ms，控制策略起作用，封鎖所有晶閘管的觸發脈沖，直流限流電感達到峰值后延時120°電角度觸通晶閘管T7、T8，隔離橋電路。