带旁路电感变压器耦合三相桥式固态限流器的控制策略研究

摘要：本文围绕新型变压器耦合三相桥式固态限流器试验样机工程化过程中的几个问题，提出该限流器的改进拓扑———带旁路电感的变压器耦合三相桥式固态限流器。给出了一种符合带旁路电感的变压器耦合三相桥式固态限流器特点的控制策略，并作了仿真研究分析。
关键词：固态限流器；控制策略；仿真研究；桥式电路；短路故障　　 1引言
　　随着电力系统的不断发展壮大，其短路容量与故障电流问题日益成为系统安全运行的隐患，如何采取切实可行的有效措施解决这一问题，已越来越受到业界的高度重视。与此同时有关短路限流技术的研究也越来越吸引广大电力科技工作者的关注。近年来，限流器的研究已有了显著进展［1，2］。新型固态限流器在380V／200A试验样机上的试验，取得了很好的限流效果［3］，但要进入工程应用阶段还有一些问题需要解决，归纳为以下几点：(1)限流器在电力系统故障状态运行中，桥电路通过系统全部的故障电流，因而晶闸管的容量须按照故障容量设计，成本高。(2)系统故障后，故障电流由桥电路抑制，谐波丰富，对系统不利。(3)限流器对系统故障电流控制通过PID闭环调节，控制器计算量大，故障判断及控制较复杂。本文针对380V／200A新型固态限流器试验样机［3］主电路拓扑结构存在的缺陷，提出对该拓扑结构的改进方案———带旁路电感的变压器耦合三相桥式固态限流器的拓扑结构，用电力电子专用仿真软件PSIM原理仿真计算，分析改进的固态限流器拓扑结构的限流机理，提出符合该固态限流器特点的控制策略，克服了原固态限流器拓扑的缺陷。
　　 2带旁路电感的变压器耦合三相桥式固态限流器的拓扑结构［4］
带旁路电感的变压器耦合三相桥式固态限流器的拓扑结构如图1所示，该拓扑结构固态限流器的思路：限流器在系统正常运行时，由晶闸管T1～T6组成的三相可控整流桥工作在全导通状态桥，T7、T8常导通给限流电感LD提供续流回路。稳态运行时，电感电流在理想条件下达到负载电流峰值，并经T7、T8续流短接。因此耦合变压器副边近似于短接状态，原边压降几乎为“零”，旁路电感近似被短接。系统短路故障发生时，系统电压加在耦合变压器原边以及旁路电感上，因此旁路电感和直流限流电感通过耦合变压器并联后立即自动串入系统［3］，限制故障电流上升。在系统短路后约一个周波时间内故障电流包含两部分：旁路电感电流和由变压器副边限流电感决定的变压器原边流过的电流。在限流器的运行控制中，若在系统短路故障后能迅速隔离桥电路，变压器副边等效于开路，系统的短路电流完全由旁路电感决定。
　　
　　
　　3带旁路电感的变压器耦合三相桥式固态限流器的控制策略分析
　　根据以上分析的带旁路电感的变压器耦合三相桥式固态限流器的工作思路，提出续流隔离式控制方案：系统发生短路故障后，封锁固态限流器所有晶闸管的触发脉冲(T1～T8)，在适当时刻触通晶闸管T7、T8给直流限流电感提供续流回路，从而关断T1～T6桥臂，使直流限流电感及桥电路与系统隔离，相当于变压器副边开路。固态限流器桥电路退出系统，系统故障电流仅由旁路电感限制。
　　下面分析系统发生不同短路故障时带旁路电感的变压器耦合三相桥式固态限流器在该策略控制下的桥电路工作过程。
　　系统发生三相短路故障时，采用上述控制策略，控制过程如图2所示，假设在A相正过零点td时刻发生三相短路。由于三相短路后耦合变压器原边承受全电压，致使电网电压通过耦合变压器加到限流器的桥路上，此时有Uc＞Ua＞0，Ub＜0，因此T5、T6导通，而T1被迫截止，限流电感上的电压从零电位突变为Ucb，迫使电感上的电流从相电流峰值开始上升。假设限流器控制响应时间需要略小于60°电角度(约3．33ms)，由于T1脉冲的继续作用，在短路开始30°后，当Ua＞Uc＞0时，T5将换流到T1导通，C相桥路退出，限流电感上的电压也由Ucb→Uab(见图2)，电流也将继续上升。当限流器控制系统判断出故障，在tf封锁系统所有的触发脉冲，由于T6、T1已经导通，限流电感电流继续上升直至tp时刻，而后开始下降(见图2)，从tp开始延时120°电角度(tx时)直流限流电感上的电压为Uab＜0，T7、T8管触发，T1～T6将自动关断，使电感电流经T7、T8续流。系统短路由旁路电感限流。
　　
　　系统发生两相接地短路故障时(设系统的A相正向过零点时发生BC两相接地短路故障)，此刻，T5、T6继续导通，T1被关断，A相桥路退出，旁路电感LA串入A相负载。检测出故障后，所有晶闸管触发信号被封锁，固态限流器限流电感被迫通过T5、T6承受了系统线电压UCB，电感电流开始上升，直流限流电感电流在UCB线电压负向过零点达到峰值，从该点开始计时，延时120°电角度时触通T7、T8使电感电流经T7、T8续流，同时T5、T6自动关断。限流器桥电路完全退出，旁路电感LB、LC分别串入各相故障点实现限流目的(该过程可参看仿真结果图4(b))，非故障相A相仍有负载电流流通。
　　系统发生两相不接地短路故障时，采用该控制策略后，桥电路的工作过程与系统发生两相接地短路的桥电路工作过程基本一致，不再赘述(该过程可参看仿真结果图4(c))。
　　系统发生单相接地短路故障时(设系统的A相正向过零点时发生A相单相接地短路故障)，采用上述的控制策略，故障时刻T5、T6继续导通，T4被关断而T1触发导通，T7、T8常导通，短路发生后，T7承受反压被关断，固态限流器限流电感通过T1、T8承受了A相电压，检测出故障后，所有晶闸管触发信号被封锁，T1、T8将继续导通，A相电流开始迅速上升，同时C相变压器副边电流IC2迅速下降为0(T5关断)后，C相桥电路退出，旁路电感LC串入C相负载。由于在A相正半波发生接地短路，则T8将一直导通，限流器下桥臂直流侧的电位为零，T6在B相电压为负值的条件下，能够一直导通，直至Ub过零时刻，T6受反压关断，B相桥路退出，旁路电感LB串入B相负载。在Ua负向过零时刻开始延时120°电角度时再次给T7、T8加触发信号。此时固态限流器直流限流电感承受负压，因此，T7满足开通条件(T8一直导通)，完成T1向T7的换流，直流限流电感电流通过T7、T8续流，T1关断后，A相桥路退出，旁路电感LA串入故障点。固态限流器桥电路完全退出，旁路电感全部串入系统。(该过程可参看仿真结果图4(d))。在高压系统中，发生单相短路后，一般系统只要求跳开故障相，非故障相继续工作一段时间，为提高供电的质量，消除非故障相由于串入旁路电感引起的电压降落，以A相故障为例，可以封锁T1、T4的触发脉冲，隔离故障相，T3、T6、T5、T2按照原先正常控制，T7、T8常导通，正常相的限流器桥电路继续投入运行，短接非故障相的旁路电感，从而消除正常相电压降落。
　　从上面的分析可以看出，限流电感在故障发生后自动插入，同时固态限流器从正常控制模式向故障控制模式的切换也是平稳的，不会引起附加的震荡。
　　 4带旁路电感的变压器耦合三相桥式固态限流器在系统各种故障下的仿真分析
　　三相接地系统的短路故障包括：①单相接地故障；②两相不接地短路；③两相接地短路；④三相接地故障。采用上述所提控制策略，对于系统的各类短路故障，应用加拿大POWERSIM技术公司的专用电力电子系统仿真软件PSIM4．1，对10kV／500A的配电系统固态限流器进行仿真，假设系统允许的短路电流为2500A，为简化分析不妨设定系统负荷为阻性，仿真参数如表1所示。
　　
　　
　　固态限流器的启动仿真：由于旁路电感的存在，在启动时，负载侧电压的建立要比无旁路电感的固态限流器快，在限流器直流限流电感还未完成充磁过程时，系统电压通过旁路电感建立负载侧电压，当固态限流器完成直流限流电感完成充磁后，旁路电感被固态限流器的桥电路近似短接，旁路电感退出工作，系统进入正常稳态运行，该过程如图3所示。在半个周波内基本上建立了负载侧电压(在以下的仿真结果中，VZA、VZB、VZC为系统负载侧三相相电压。ILA、ILB、ILC为系统负载侧相电流IA2、IB2、IC2为耦合变压器副边相电流ILD为直流限流电感电流)。
　　
　　
　　系统发生各类短路故障后，固态限流器采用续流隔离式控制策略，其仿真结果如图4所示，系统在t＝0．2s时发生短路故障，短路发生后2ms，控制策略起作用，封锁所有晶闸管的触发脉冲，直流限流电感达到峰值后延时120°电角度触通晶闸管T7、T8，隔离桥电路。