一種改進(jìn)短路電流限制裝置研究

摘要：文章提出了一種改進(jìn)的短路電流限制裝置，其能夠在限制短路電流的同時(shí)提高電路的電能質(zhì)量，在非故障時(shí)給系統(tǒng)提供一定的無功進(jìn)行多目標(biāo)補(bǔ)償解決系統(tǒng)供電的復(fù)合電能質(zhì)量問題，在故障狀態(tài)下，能夠快速切換工作模式對(duì)短路電流進(jìn)行限制。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；短路電流；限制裝置；前饋解耦

中圖分類號(hào)：TM761 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）26-0017-04

1 概述

隨著技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，用戶對(duì)供電電能質(zhì)量有了新要求。

電能質(zhì)量問題包括電壓波動(dòng)與閃變、電壓暫降暫升、電壓不平衡以及電力諧波等；其中電壓恒定是用戶的基本要求，電壓暫降會(huì)導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱和輸出功率的增加或減少，電壓暫升超過限值會(huì)導(dǎo)致電氣絕緣擊穿和設(shè)備的毀壞；在諸多電能質(zhì)量問題中，電壓暫降所受到的關(guān)注一直是最多的，在歐洲由電壓暫降引起的用戶投訴占整個(gè)電能質(zhì)量問題的80%以上，而由諧波、開關(guān)誤操作等引起的電能質(zhì)量問題投訴不到20%。由此可見，電壓暫降是電力系統(tǒng)中造成公害最大的電能質(zhì)量問題，有必要采取積極、有效的措施對(duì)其進(jìn)行治理以防止其給電力用戶帶來影響。

目前治理電壓暫降的主要方法有：

（1）利用電壓恢復(fù)器（DVR）。

圖1 單相DVR結(jié)構(gòu)原理圖

如圖1所示為DVR常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此種拓?fù)湎碌腄VR與UPS電源工作原理類似，當(dāng)線路電壓出現(xiàn)偏差時(shí)，其能夠在5ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，補(bǔ)償速度快，但是其容量有限、控制復(fù)雜并且價(jià)格昂貴。

（2）靜止無功補(bǔ)償設(shè)備（SVC）。SVC因其優(yōu)越的暫態(tài)性能以及設(shè)備控制簡單的特性受到廣泛使用，目前用于抑制電壓暫降和暫升的主要是基于TCR的SVC，但是其調(diào)節(jié)時(shí)間長，并且會(huì)帶來諧波，對(duì)電壓暫降和暫升的抑制能力有限。

（3）不間斷電源（UPS）。UPS作為后備電源使用時(shí)，響應(yīng)時(shí)間只需2～4ms，但是其不足在于容量小、價(jià)格昂貴，一般適合用于對(duì)于電能質(zhì)量要求很高的重要負(fù)荷的電壓波動(dòng)抑制。

本文提出了一種新型補(bǔ)償器，正常運(yùn)行時(shí)，裝置注入補(bǔ)償電流，用以補(bǔ)償電源電壓在電抗器上產(chǎn)生的電壓降落；電能質(zhì)量不符合要求情況下，裝置注入補(bǔ)償電流保持負(fù)載側(cè)電壓穩(wěn)定；短路情況下，接入串聯(lián)電抗器起限制短路電流作用。

2 主電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)

圖2 新型短路電流限制器拓?fù)?/p>

如圖2所示為新型短路電流限制器拓?fù)?，設(shè)備包括電抗器、逆變器、濾波器、電容器、保護(hù)系統(tǒng)和控制器。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，逆變器對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)進(jìn)行無功、諧波等補(bǔ)償使得負(fù)荷側(cè)電能質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)，向電網(wǎng)注入相應(yīng)無功功率，用以補(bǔ)償串聯(lián)在線路上電抗器產(chǎn)生的電壓降落；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，換流器迅速從電網(wǎng)中切除，短路電流流過限流電抗器，而不經(jīng)過換流器，保護(hù)了裝置。對(duì)于補(bǔ)償器，本文采用了背靠背換流器的形式，此方法省去了常見DVR設(shè)備中的儲(chǔ)能設(shè)備，一方面減少了儲(chǔ)能設(shè)備的投資，另一方面整流器側(cè)采用PWM整流能夠很好地保持電壓，取能來自電網(wǎng)自身，所以能夠長期運(yùn)行，不需要考慮儲(chǔ)能設(shè)備的充電或者放電等保養(yǎng)問題。

3 電路工作原理以及控制策略

3.1 補(bǔ)償控制策略

圖3 系統(tǒng)等效電路

如圖3所示為補(bǔ)償系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)圖，通過向系統(tǒng)注入補(bǔ)償電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。

對(duì)于電壓暫降電能質(zhì)量問題時(shí)，系統(tǒng)控制目標(biāo)的確定，按照不同的情況有以下三種控制目標(biāo)：

3.1.1 完全補(bǔ)償法：其目標(biāo)是保持負(fù)荷側(cè)電壓與電源側(cè)電壓一致，即有效值相等。嚴(yán)格時(shí)要求相位也相同。系統(tǒng)發(fā)生暫降后，不考慮相位跳變補(bǔ)償器功率可表示為：

（1）

其中，Usag為暫降后電壓標(biāo)幺值，Z=R+jX為電源側(cè)等效阻抗和負(fù)載側(cè)等效阻抗并聯(lián)值。

3.1.2 零有功功率注入法：其要求換流器系統(tǒng)不需要注入有功功率。如果單一進(jìn)行無功補(bǔ)償，此種辦法可以，但是對(duì)于本文中多目標(biāo)電能質(zhì)量補(bǔ)償來說其包含諧波補(bǔ)償，其必定會(huì)帶來有功的注入，所以不合理。

3.1.3 最小視在功率注入法：其本質(zhì)上是要求注入電流最小，但是采用此種辦法會(huì)導(dǎo)致負(fù)載側(cè)功率因數(shù)偏低，達(dá)不到本文相應(yīng)要求。

綜上本文選用完全補(bǔ)償法實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

3.2 PWM換流器控制策略

對(duì)于背靠背換流器，整流器的控制策略的穩(wěn)定關(guān)系到整個(gè)補(bǔ)償系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定。如圖4所示為基于前饋補(bǔ)償解耦輸入電流與直流側(cè)電壓的雙閉環(huán)控制策略框圖，通過引入前饋量實(shí)現(xiàn)dq軸分量的解耦控制，解耦過程見圖5所示，通過引入ω0Liq與ω0Lid兩個(gè)前饋量將耦合量抵消從而實(shí)現(xiàn)dq軸解耦控制?？刂葡到y(tǒng)中電壓外環(huán)的主要作用是維持直流側(cè)電壓恒定，其PI參數(shù)的設(shè)定目標(biāo)主要是提高抗干擾性，電流內(nèi)環(huán)的主要作用是增加控制器響應(yīng)速度，由于都采用了PI調(diào)節(jié)器，所以能夠很好地消除靜差?；谇梆佈a(bǔ)償解耦控制策略的PWM換流器通過電流環(huán)的調(diào)節(jié)自動(dòng)改變、可以實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)。

圖4 PWM整流器控制策略

圖5 前饋解耦過程

4 仿真驗(yàn)證

4.1 復(fù)合補(bǔ)償仿真

本文設(shè)計(jì)PWM整流器控制框圖如圖6所示。包括電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)，電流大小指令由電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出給定，乘上一個(gè)與電源同相的單位正弦波形便得到電流控制信號(hào)，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器與三角波進(jìn)行比較得到IGBT開關(guān)的控制信號(hào)。

圖6 PWM直流側(cè)控制框圖

圖7 三相不平衡暫降補(bǔ)償前后波形

本文此處考慮發(fā)生三相電壓不平衡暫降擾動(dòng)情況下的復(fù)合補(bǔ)償，設(shè)定A相暫升35%，B相保持不變，C相暫降30%，補(bǔ)償前后負(fù)荷側(cè)電壓波形分別如圖7（a）、圖7（b）所示。

可以知道補(bǔ)償效果明顯，響應(yīng)速度很快，在5ms以內(nèi)，取得了很好的效果，證實(shí)了控制策略的有效性。

4.2 短路電流限制仿真

短路電流計(jì)算過程中，線路阻抗很小所以忽略，設(shè)m為短路電流比，其計(jì)算式：

（2）

其中，I1為限制前短路電流，I2為限制后短路電流，XL為串入電路電抗，Xs0為發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流回路電抗值，設(shè)定m=9。

在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境下，規(guī)定1.0～1.3s系統(tǒng)發(fā)生接地故障，如圖8所示為加入電抗器前后短路電流，顯然接入限流電抗器后，故障電流明顯減小，峰值從7kA減小到0.7kA。

5 物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

物理實(shí)驗(yàn)電路拓?fù)淙鐖D2所示，控制策略見圖4與圖6所示；如圖9所示為控制系統(tǒng)框圖，DSP芯片負(fù)責(zé)人機(jī)接口控制算法以及故障檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)的開入開出由FPGA實(shí)現(xiàn)，下層單元的控制由CPLD完成。物理平臺(tái)搭建線路以及保護(hù)整定相關(guān)參數(shù)如表1、表2所示。

如圖10所示為裝置補(bǔ)償無功電流和諧波復(fù)合電能質(zhì)量問題時(shí)的效果。

如圖11所示為裝置補(bǔ)償諧波電流、無功電流以及不平衡電流效果圖。

由圖10與圖11補(bǔ)償前后的效果，可以明顯看出裝置多目標(biāo)補(bǔ)償效果明顯，證實(shí)了控制策略的有效性。

6 結(jié)語

本文提出了將對(duì)故障電流的抑制融入了無功補(bǔ)償設(shè)備中，此處的優(yōu)勢(shì)在于無功補(bǔ)償設(shè)備補(bǔ)償了其產(chǎn)生的無功電流，同時(shí)由于設(shè)置了保護(hù)措施，所以在故障時(shí)刻能夠及時(shí)地切除補(bǔ)償設(shè)備而限流器同時(shí)發(fā)揮故障電流限制作用。通過對(duì)控制器設(shè)計(jì)，補(bǔ)償設(shè)備可以進(jìn)行多目標(biāo)補(bǔ)償，物理實(shí)驗(yàn)考查了該裝置對(duì)于復(fù)合電能質(zhì)量問題的補(bǔ)償效果，結(jié)果證明控制策略有效，補(bǔ)償效果很好。

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作者簡介：呂華（1980—），男，就讀于華北電力大學(xué)，浙江臨安市供電局高級(jí)工程師，研究方向：電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。