具有短路限流功能的统一潮流控制器设计

统一潮流控制器(UPFC)在电力系统发生短路故障时,其串联变换器极有可能因承受系统高电压和大电流的冲击而损毁。针对该问题,提出了一种新型柔性交流输电系统装置——具有短路限流功能的统一潮流控制器(简称限流式UPFC),给出了其主电路拓扑结构、工作原理和控制策略。PSCAD/EMTDC软件的建模和仿真结果表明,在电网正常运行状态下,该装置特性等效为常规UPFC;当电网在装置安装点附近发生短路故障时,装置中的限流器模块能立即自动从零阻抗转变为高阻抗,将系统及流经UPFC的短路电流限制到较低数值,保护了UPFC免受系统高电压和大短路电流的冲击,同时也降低了系统的短路电流水平,增加了系统的可靠性和经济性。     

新型限流式统一潮流控制器限流分析与参数设计

统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)在电网系统发生短路故障时,极易受到大电流冲击而损毁。虽然具有短路限流功能的统一潮流控制器(限流式UPFC)在一定程度上限制了大电流冲击,但短路电流峰值仍然很大,限流时间较长。为此,提出一种采用RLC串联谐振电路的限流器二次侧拓扑结构,分析了其工作原理和限流动态过程,建立了发生故障时的数学模型。针对限流式UPFC直流侧电容电压在限流过程中不断上升,极易超出变换器IGBT耐压水平的缺陷,分析了故障模型中直流侧电容电压上升的原理,设计了用于改变短路电流流通路径的桥式电容限压器。仿真结果表明,改进方案能进一步减小短路电流峰值和上升率,使短路电流迅速衰减至零,同时限制直流侧电容电压的不断增大,确保限流式UPFC安全退出运行。     

UPFC串联变压器匝间保护新原理研究

串联变压器是统一潮流控制器(UPFC)系统的重要组成元件。由于其特殊的结构及接入系统方式,串联变压器网侧绕组纵向电压随UPFC控制方式变化而变化。同一短路匝比匝间短路时,串联变压器差动电流与网侧绕组纵向电压幅值呈正相关,传统电流差动保护作为串联变压器匝间短路的保护灵敏性和可靠性不足。提出了一种新型的串联变压器匝间保护原理,构建了与网侧绕组纵向电压幅值呈正向线性关系的自适应动作门槛,以及根据两侧电流幅值自动调整的制动量,极大地提高了保护的灵敏性和可靠性,在实际工程中具有良好的应用前景。RTDS仿真结果验证了传统保护的不足及新型保护的优越性能。     

220 kV 限流式统一潮流控制器设计

限流式统一潮流控制器(UPFC-FLC)通过故障限流器与统一潮流控制器的结合,组成了能有效控制系统短路电流的新型FACTS装置。针对220 kV线路,为缩短限流时间,减小装置体积和成本,实现更高效的短路故障切除,提出了一种采用饱和型自耦变压器作为串联变压器,二次侧限流支路采用RLC串联谐振电路的新型限流式UPFC。对其拓扑结构、限流过程进行了分析,设计了装置的主要参数,仿真结果表明新型限流式UPFC相较于常规型在体积成本更小的基础上具有更佳的限流效果。     

含有限流式静止同步串联补偿器的直流配电网

将固态限流器(FCL)与静止同步串联补偿器(SSSC)连接,构成限流式静止同步串联补偿器(SSSCFCL)。将SSSC-FCL连入直流配电网后,能够改善配电网的电能质量,提高配电网的稳定性。提出了含有SSSC-FCL的双层环状直流配电网拓扑结构,利用PSCAD/EMTDC对提出的拓扑结构进行建模,对直流配电网的正常工况和故障情况进行了仿真。仿真结果表明:SSSC-FCL能够对线路的潮流进行调节;当系统发生故障时,FCL模块能够有效限制短路冲击电流,同时保障非故障线路正常运行,提高了直流配电网的稳定性。     

一种新型限流式统一潮流控制器的设计与研究

限流式统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)是一种能有效应对系统短路故障的新型柔性交流输电装置。为提高短路故障切除速度、降低装置成本,将基于集成门极换向晶闸管(integrated gate commutated thyristor,IGCT)的桥式限流器与UPFC结合起来,构建了一种新型限流式UPFC拓扑,分析了其短路限流工作原理,建立了短路数学模型。以系统限流指标、UPFC的功率模块安全限度、限流器模块IGCT电压电流限值和直流电容电压限值为依据,给出了限流电感和直流电容的参数设计方法。对新型限流式UPFC与已有装置的工作性能和主要元件参数选择进行了比较。PSCAD/EMTDC对比仿真表明,新型限流式UPFC减少了短路切除时间,减小了元件参数,降低了短路电流对电网的冲击。     

串联谐振型高压故障限流器研究及应用进展述评

近年来,中国部分区域电网短路电流水平(特别是500 kV等级)显著增加,或逼近甚至超过设备遮断容量,制约系统安全可靠运行。相对于传统的被动式短路电流控制措施,故障电流限制器能够主动式地限制短路电流,是具有可观发展潜力的限制短路电流技术。笔者首先介绍了故障限流器的主要分类,其次调查分析了固态故障限流器研究和应用现状,重点展示了串联谐振型故障限流器的拓扑结构和工作原理。最后,针对该型限流器,从系统侧,讨论了安装位置确定、容量选择、布点优化、继电保护整定等外部应用技术问题,从装置侧,讨论了过电压分析、谐波分析和抑制、损耗分析及降损等内部核心技术问题,为中国故障限流器特别是串联谐振型高压故障限流器的深入研发与应用推广提供参考。     

基于模块化多电平换流器的限流式统一潮流控制器的设计

传统基于电压源换流器（voltage source controller,VSC）的统一潮流控制器（unified power flow controller,UPFC）开关频率高、输出电压谐波大、电压等级低,同时在运行过程中也有遭受短路故障的可能性和风险,特别是在大容量高电压的场合下,极易造成器件的损坏。将模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）引入UPFC中,同时改进MMC的控制策略以适应所提拓扑的要求,同时由于MMC的引入,短路故障的风险进一步加大,因此在MMC-UPFC的基础上设计了限流模块,该限流模块能在系统短路故障下有效地抑制短路电流,且该限流器在正常工作情况下并不会给线路增加负担。整个UPFC的拓扑具有模块化程度高、谐波小、容量扩展、短路快速限流等特点,该文所设计的拓扑增加了系统的可靠性、安全性和经济性。     

UPFC装置参数设计研究

设计了一套统一潮流控制器装置,确定它的装置容量后,按其功率模型确定了串联侧注入输电线路的电压幅值、流过串联变换器的电流、并联侧变换器向系统注入的电流、串并联侧交换的有功功率、UPFC串联侧出口电压和并联侧接入母线电压的运行约束值。一套15kVA用于动模系统试验装置的仿真结果证明了在满足运行约束条件下,本文所设计的UPFC能快速有效改善系统的电压和潮流。     

变压器型可控电抗器在故障限流器中的应用

介绍一种基于变压器型可控电抗器的故障限流器(FCL)的工作原理。在正常运行时,故障限流器呈现很大的变压器励磁阻抗,与阻抗小的串补电容并联,不影响系统运行。在发生短路故障时,故障限流器呈现与电容阻抗相当的变压器漏抗,发生并联谐振,电路中产生很大的限流阻抗,从而达到限流的目的。用ATP程序进行数字仿真,结果表明,此装置性能良好,可作为电力系统中限制短路电流的一种有效的保护设备。     

几种在电力系统中应用的故障限流器

在介绍现有的电力电子型、超导型、磁通补偿型3种故障限流器（FCL）的基础上,提出了一种新型的故障限流器,它利用变压器实现阻抗变换,能有效限制短路电流.     

适用于直流配网的故障自清除型电力电子变压器

基于MMC-ISOP电力电子变压器结构的直流配电系统发生中压直流母线双极短路故障后,若采用常规半桥型MMC子模块,交流母线会与故障点构成三相短路而产生较大故障电流损坏功率器件,后级ISOP变换器输入侧若采用直接串联方式同样无法避免输入电容对地放电问题。提出具有故障电流自清除能力MMC子模块拓扑,未提高器件数量、电容耐压等级,且保证了阻断能力。提出DAB变换器输入侧混合串联型ISOP拓扑,可有效切断故障后电容放电通路,降低电容电压应力及电感电流脉动,缩短故障后系统恢复时间。利用Simulink软件搭建了直流配网稳态及故障状态仿真模型,仿真结果验证拓扑结构有效性及理论分析准确性。     

基于统一潮流控制器的短路电流限制技术在浙江电网的应用研究

统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)是最全面的柔性交流输电(flexible alternating?current transmission system,FACTS)控制装置,可以独立并快速地调节输电线路中的有功功率和无功功率.随着电网规模及互联水平的不断提高,厂/站之间的电气距离明显缩短,系统阻抗下降,系统中的短路电流水平显著提升,给电力系统安全、稳定运行以及电力系统中各种电气设备提出了更为苛刻的要求.尤其以浙江、江苏等型态日益复杂的受端电网,潮流分布不均、短路电流控制困难等难题已成为制约电力建设和进一步发展的瓶颈.考虑到故障限流器(fault current limiter,FCL)在系统严重故障时能够有效地控制短路电流,本文在UPFC现有拓扑结构的基础上,将FCL通过快速旁路开关与其相结合,既充分发挥UPFC在稳态情况下的优化潮流和系统故障后的紧急功率控制;同时,在系统严重故障时,FCL投入运行降低系统的短路电流.针对本文提出的优化拓扑结构在浙江电网中的规划应用进行了研究,验证了该优化拓扑结构在短路电流控制和潮流柔性调节的有效性.     

低压直流母线AC-DC电力电子变压器及其短路故障穿越方法

传统的基于半桥型模块化多电平电力电子变压器使用大量的开关器件和无源元件,限制了其功率密度和效率的提高。提出了一种组合全桥型模块化多电平换流器(MMC)和输入侧间接串联型输入串联输出并联DC-DC变换器的电力电子变压器拓扑,MMC输出等级较低的中压直流母线,可减少隔离级DC-DC模块数量,且可以实现故障时的自阻断功能。通过改变DC-DC变换器模块输入侧的串联连接方式,可有效避免中压直流端口短路时导致DC-DC变换器输入侧电容短路问题。该电力电子变压器拓扑同时具备中压和低压直流端口,且可以有效降低开关器件、无源元件、高频变压器以及DC-DC变换器模块数量,提高电力电子变压器的功率密度、效率和故障穿越能力。最后基于MATLAB/Simulink,搭建了该电力电子变压器的仿真模型,仿真结果验证了该拓扑的可行性。     

新型固态限流器中饱和型耦合变压器的设计

变压器耦合新型固态限流器能够在满足有效限制电网短路电流的前提下,通过合理设计饱和型耦合变压器,达到缩小限流器整体体积、降低成本的目的。文中研究并提出一种变压器耦合新型固态限流器中饱和型耦合变压器的设计方法:首先,在空心电抗器设计的基础上,运用场路结合的有限元法,得出在特定匝数下饱和型耦合变压器的初步设计参数;然后,进一步得出在具有同样限流水平的前提下,饱和型耦合变压器正常运行(副边等效短接)时的漏抗压降,以及故障限流(副边等效开路)时副边电压随铁芯芯柱半径的变化规律,并通过曲线拟合寻优,得到最佳设计。最后,通过小样机实验,验证了该设计方法的正确性。     

限流式统一潮流控制器参数设计及设计实例

限流式统一潮流控制器（unified power flow controller with fault current limiting,UPFC-FCL）可以在系统发生短路故障时有效保护UPFC侧装置不受短路电流的冲击而损坏.在结合限流式UPFC工作原理的基础上,给出装置参数的设计方法,根据最大补偿容量和额定电流确定最大补偿电压,从而确定直流母线额定电压,根据补偿容量指标确定滤波电感的取值范围,按照短路电流水平设计限流电感.依据上述设计方法给出了额定电压为10 kV,最大补偿容量为1 MVA的装置设计实例,确定了串联侧注入系统的最大补偿电压、直流母线额定电压、并联侧及串联侧滤波电感、限流器模块限流电感等.PSCAD/EMTDC的仿真结果证明了文中设计的有效性和实用性.     

UPFC串联变压器启动试验保护配置方法

针对统一潮流控制器(UPFC)串联变压器特殊的启动调试方法和充电路径,提出了一种临时保护配置方案。结合串联变压器充电方式提出在并联变压器阀侧开关设置临时过流保护的方案,该保护采用两段式配置,并基于串联变压器等值回路给出了故障电流计算和保护整定方法。进一步提出了UPFC串联变压器充电保护功能:利用UPFC保护实现串、并联变压器阀侧连接引线差动保护;提出了UPFC保护联跳功能,实现串联变压器内部弱故障时对串联变压器的有效隔离和快速切除电源。对串联变压器带电区域故障进行电磁暂态仿真,结果表明所提方法满足带电区域故障时保护灵敏度和速动性,具有现场可实施性。     

一种基于高耦合分裂电抗器的500 kV限流器拓扑

为限制500 kV及以上电压等级电网90 kA级别的短路电流,提出一种基于高耦合分裂电抗器的限流器拓扑。其中高耦合分裂电抗器一臂电感串联一组快速开关,与另外一臂电感并联,由快速开关控制限流器的投入。首先,对限流器的拓扑结构及工作原理进行了详细分析及改进,并通过小样机试验验证了其拓扑原理的有效性。然后,根据电网实际参数搭建了500 kV系统侧等值模型,通过限流器参数配置原则确定了500 kV、90 kA级别短路电流下的限流器参数,仿真得到此拓扑对90 kA级别短路电流限流深度超过40%,限流过程中过电压不会超过本体的绝缘要求。最后,为降低限流器对线路主断路器的影响,在限流器单模块两端并联1 500 nF电容,给出了500 kV系统并联电容选取原则,验证了并联电容不会对限流器内部绝缘造成影响。     

新型固态故障电流限制器拓扑及仿真

为降低现有固态故障电流限制器的成本和技术难度,提出了一种新型固态故障电流限制器拓扑结构,主要由晶闸管和限流电抗组成。在系统正常运行时,限流电抗通过晶闸管续流,仅在线路电流峰值附近有短暂的充磁过程,对系统影响很小;在故障发生后,限流电抗可在控制保护系统发出限流指令之前自动接入系统并限制短路电流峰值,且通过闭锁晶闸管触发信号的方式,实现对短路电流稳态值的限制。该方案无需全控型电力电子器件,结构简单,可靠性高。实际系统仿真验证了该方案的有效性,与桥式固态FCL对比分析证明其具有成本上的优势。     

新型磁控开关型故障限流器拓扑及试验研究

基于饱和铁心型高温超导故障限流器的拓扑,提出了一种适用于中高压电网的磁控开关型故障限流器拓扑结构,在偏置回路中串联了一个限流电感,通过故障前后交流电流的变化自动实现限流电感的退出和接入,从而实现对短路电流的限制,并研制了一台220 V/50 A试验样机。对限流器样机的试验结果表明,磁控开关型故障限流器在正常工作时电压损耗很小,对线路几乎没有影响;故障发生后,限流电感立即自动插入故障回路进行限流,基本不产生谐波,运行控制灵活且简单可靠,对短路电流具有快速、有效的限制作用。