一种防止电容过充的限流式统一潮流控制器及其控制方法与流程

本发明属于输配电技术领域，具体地说是一种防止电容过充的限流式统一潮流控制器及其控制方法。

背景技术：

统一潮流控制器(UPFC)在安装点附近发生短路故障时，其串联变换器极易因承受系统巨大的短路电流冲击而被损毁，短路电流问题成为UPFC走向工程实用化的一个无法回避的瓶颈。

为解决UPFC的短路电流问题，浙江大学的学者们提出了一种新型FACTS装置，即限流式统一潮流控制器（简称限流式UPFC或UPFC-FCL），它由UPFC和三相桥式限流器通过串联变压器连接而成。正常运行时，三相桥式限流器等效为零阻抗，当装置在安装点附近发生短路故障时，三相桥式限流器能够立即切换为高阻抗串入故障回路，限制流经装置的短路电流上升率，同时控制系统封锁限流器晶闸管脉冲，一个周波（20ms）内，限流器等效为开路，彻底切断流经装置的短路电流。但该拓扑结构存在一个严重缺陷，在控制系统闭锁限流器晶闸管脉冲后，由于电流作用晶闸管并不能立即关断，流经限流电感的短路电流会经过限流器晶闸管和UPFC串联变换器的续流二极管给直流电容充电，极有可能导致直流电容电压上升超过直流电容和IGBT的耐压水平，造成直流电容和变换器损毁。

此外，为了增强UPFC的补偿能力，串联变压器通常不选用1:1变压器，造成三相桥式限流器承受的电压与电流不匹配，或电压过高，或电流过大，往往需要更多的晶闸管串联或并联，增加了装置的成本且降低了装置的可靠性。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种防止电容过充的限流式统一潮流控制器，在限制短路电流的同时防止流经限流电感的短路电流对直流电容进行充电，以避免直流电压上升对直流电容和变换器造成的损害。

为此，本发明采用的如下技术方案：一种防止电容过充的限流式统一潮流控制器，包括直流电容、串联变换器、串联变压器和三相桥式限流器；所述的直流电容与串联变换器之间接有一电容过充保护电路；所述的串联变压器副边与三相桥式限流器之间接有一台限流变压器。

本发明在原有限流式统一潮流控制器直流电容处加装一个电容过充保护电路，在三相桥式限流器交流侧加装一台限流变压器。

进一步地，所述的电容过充保护电路包括一个逆导型功率器件和一个电流旁路管，逆导型功率器件串联接于直流电容与串联变换器之间；电流旁路管位于逆导型功率器件与串联变换器之间，并联接于直流电容正负极。

进一步地，所述的逆导型功率器件为逆导型晶闸管、逆导型GTO、逆导型IGBT或逆导型IGCT。

进一步地，所述的电流旁路管为晶闸管、GTO、IGBT或IGCT。

进一步地，所述的限流变压器为Y/Y接法的三相变压器、三相自耦变压器或组成Y/Y接法的三台单相变压器。

上述限流式统一潮流控制器的控制方法，其内容如下：系统正常运行时，三相桥式限流器中的6个整流管和2个续流管处于全触发导通状态，电容过充保护电路中的G_p触发导通，电流旁路管T_p关断，此时串联变换器进行正常功率变换；系统受端短路时，串、并联变换器均闭锁，三相桥式限流器6个整流管和2个续流管封锁触发脉冲，电容过充保护电路中的G_p封锁触发脉冲，电流旁路管T_p触发导通，有效防止故障电流进入电容器，限流电感电压反向后适时触发三相桥式限流器2个续流管导通，彻底切断流经控制器的短路电流。

本发明具有的有益效果是：电容过充保护电路在限制短路电流的同时防止流经限流电感的短路电流对直流电容进行充电，避免了直流电压上升对直流电容和变换器造成的损害。此外，限流变压器的接入可以使三相桥式限流器承受的电压和电流范围更加合理，从而减少晶闸管的串联或并联，简化三相桥式限流器。

本发明极大提高了UPFC工程化应用的可靠性和经济性。

附图说明

图1为本发明防止电容过充的限流式统一潮流控制器的示意图。

图2为本发明防止电容过充的限流式统一潮流控制器的拓扑结构详图。

图3为本发明防止电容过充的限流式统一潮流控制器短路时的电流通路图。

图4为本发明防止电容过充的限流式统一潮流控制器短路时的等效电路图。

图5为无电容过充保护电路时限流式统一潮流控制器短路时的等效电路图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和实施例详细描述本发明，但本发明不受所述实施例所限。

图2中U_sa、U_sb、U_sc为系统送端三相电压，U_ra、U_rb、U_rc为系统受端三相电压，L为线路等效电感；C为直流电容，U_dc为直流电容电压；L₁、L₂分别为并联侧和串联侧滤波电感；D₃、D₄为IGBT的续流二极管；U₁₂为串联变压器原边电压；T₁至T₆为三相桥式限流器整流管，T₇、T₈为三相桥式限流器续流管，L_d为限流电感，I_d为限流电感电流；G_p、D_p、T_p构成电容过充保护电路，其中G_p、D_p构成逆导型功率器件，T_p为电流旁路管。

所述的直流电容与串联变换器之间接电容过充保护电路；所述的串联变压器副边与三相桥式限流器之间接限流变压器。

所述的电容过充保护电路包括逆导型功率器件(包括G_p和D_p)和电流旁路管，逆导型功率器件串联接于直流电容与串联变换器之间，电流旁路管位于逆导型功率器件与串联变换器之间，并联接于直流电容正负极。

电容过充保护电路中的G_p和T_p可以是晶闸管、GTO、IGBT、IGCT等。

限流变压器可以是Y/Y接法的三相变压器、三相自耦变压器或组成Y/Y接法的三台单相变压器。

工作原理如下：

（1）正常运行时工作原理

如图2，正常运行时，三相桥式限流器中的T₁至T₈处于全触发导通状态。电容过充保护电路中的G_p触发导通，T_p关断。此时串联变换器进行正常功率变换，直流电容既可以向串联变换器侧释放能量，也可以从串联变换器侧吸收能量。三相桥式限流器限流电感电流I_d逐渐增大，经过短暂的充电过程后，限流电感电流I_d达到负载电流的峰值，随后三相桥式限流器即进入稳态运行。稳态运行时，由于续流管T₇、T₈的续流作用，三相桥式限流器的交流侧相当于短接状态。此时，防止电容过充的限流式统一潮流控制器与传统统一潮流控制器完全等效。

（2）电容过充保护电路的工作原理

系统受端短路时，系统电压全部加在串联变压器原边并耦合至副边。假设短路发生在系统送端线电压U_cb与U_ab正向交界处（当短路发生线电压正向交界处时，故障最严重），此后，系统送端相电压关系为U_sa>U_sc>0>U_sb。短路电流流通路径如图3中粗线所示，其等效电路如图4所示。

图4中，U_a、U_b分别为短路时串联变压器副边a、b两相电压，它们与原边电压成变比关系，其中U_a>U_b。L_se代表串联变压器漏感、限流变压器漏感及串联侧滤波电感L₂三者之和。其它元件符号均与图2中相同。

如图4所示，控制器检测到故障后立即封锁串联变换器IGBT触发脉冲和三相桥式限流器T₁至T₈的触发脉冲、封锁G_p的触发脉冲，随后T_p触发导通。此时，限流电感电流I_d有上升趋势，导致续流管T₇、T₈承受反压而关断。限流电感L_d立即串入到故障回路中，限流电感L_d和等效电感L_se共同承担限流作用。若无电容过充保护电路，则短路时等效电路如图5所示，短路电流将持续对直流电容充电，导致直流电压上升对直流电容和变换器造成损毁。

由于G_p关断，直流电容只能从串联变换器侧吸收能量，而无法向串联变换器侧释放能量。随后T_p导通，由于直流电容的箝位作用，限流电感电流I_d通过T₁、T₆、D₃、D₄、T_p继续流通，而不再流经直流电容，防止短路电流对直流电容造成过充。限流电感电压U_d反向后适时触发T₇、T₈导通，限流电感电流I_d通过T7、T8续流，限流器等效为开路，短路电流被彻底切断。

（3）限流变压器的作用

为了增强UPFC的补偿能力，串联变压器通常不选用1:1变压器，造成三相桥式限流器承受的电压与电流不匹配，或电压过高，或电流过大，可能出现晶闸管耐压能力已到极限但通流能力还有很大裕度，或通流能力达到极限而耐压能力还有很大裕度，不可避免地需要更多的晶闸管串联或并联，增加了控制器的成本且降低了控制器的可靠性。通过加装并合理设计限流变压器，可以使得三相桥式限流器承受的电压与电流更加匹配，减少晶闸管的串联或并联，提高了控制器的经济性和运行可靠性。

此外，限流变压器的漏抗在短路时也可以起到限流作用。