故障电流主动调控型限流系统及其控制方法与流程

本发明属于电力技术领域，涉及一种基于统一电能质量控制器的故障电流主动调控型限流系统及其控制方法。

背景技术：

随着我国国民经济的发展，电力系统负荷的迅速增长，导致电网短路功率及短路容量不断增大，短路故障电流对电力系统的安全稳定运行具有很大的危害性；非线性装置和冲击性负荷广泛应用于工业中，引起电网电流、电压波形发生畸变，而电能质量敏感的用电设备迅速增加，人们对电能质量的要求愈加严苛。因此，限制短路电流，提升电力系统的运行安全可靠性，向负荷提供高质量电能，成为我国电力系统安全稳定运行和电力系统建设、发展必须解决的问题。

目前应用较多的限流技术方案，主要是通过在母线上串联电抗器。然而母线串联电抗只能实现故障限流功能，电抗器长期串接在电网内，浪费电网功率，而且串联电抗器参数不能太大，导致限流的效果不足；或者针对桥式限流器的研究也较多，但是装置复用率低，成本较高，且一般的限流技术方案不能对电能质量进行改善。

技术实现要素：

为实现上述目的，本发明提供一种故障电流主动调控型限流系统及其控制方法，不仅可补偿电网电流谐波和负载无功，能解决电压暂升、暂降及三相不平衡问题等电能质量问题，而且能实现电网短路限流功能，可对故障电流的限制幅度进行主动调控，实现与继电保护整定值配合。

本发明所采用的技术方案是，故障电流主动调控型限流系统，采用三单相结构，三单相串联部分并于稳压电容C左侧，稳压电容C右侧连接PWM并联变流器，由稳压电容C将三单相结构与PWM并联变流器连接起来；其中，三单相串联部分的每相由串联变压器T、电感L与电容C₁构成的LC滤波、DVR模块以及直流连接DC-link环节组成。

进一步的，所述DVR模块包括4个IGBT模块、稳压电容和可控管S_a1、S_a2、S_a3、S_a4，通过串联变压器接入电网。

进一步的，所述PWM并联变流器由三相全控桥组成，经输出滤波电感L₂并网。

进一步的，所述DC-link环节由可控管T₁、T₃、限流电感L₁、并接的耗能电阻r_f、开关管T₂和缷能二极管D₅组成，其中可控管T₁、限流电感L₁、并接的耗能电阻r_f与开关管T₂串接，限流电感L₁及耗能电阻r_f并接于二极管D₅，T₃连接稳压电容C和DVR模块。

本发明所采用的另一技术方案是，故障电流主动调控型限流系统的控制方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1，检测电网电流I_S和电网电压U_S，未发生故障时，开关管T₁断开，控制DVR模块的四个可控管S_a1、S_a2、S_a3、S_a4，所提系统等同于传统UPQC，实现动态电压补偿以及谐波无功电流治理；

步骤2，检测负载电流I_a，计算直流侧电容电压设定值与实际值之差，差值经过PI控制调节，得到有功电流分量计算的参数i_up，i_up与基波有功分量相加后进行dq0-abc同步变换，得到I_a有功分量大小I_af；

步骤3，计算负载电流I_a与I_af的差值I_Δ，得到PWM并联变流器输出电流I_b与I_Δ的偏差，偏差经PI控制调节后得PWM并联变流器的开关信号，实现电网电流Is谐波治理和无功补偿；

步骤4，检测到电网电压U_S暂升、暂降、三相不平衡问题，控制DVR模块的四个可控管S_a1、S_a2、S_a3、S_a4实现动态电压补偿；

步骤5，检测负载电压U_L和串联变压器一次侧电压U_T1，计算电网电压与负载电压的差值U_Δ，差值U_Δ与串联变压器一次侧电压U_T1的偏差经PI控制调节，调节值经定频滞环比较器得到可控管S_a1、S_a2、S_a3、S_a4开关信号，从而实现负载电压对电网电压的实时跟踪；

步骤6，检测电网电流I_S，判断电网短路故障情况，当短路电流超过动作值时，可控管S_a1、S_a2、S_a3、S_a4关断；控制T₃断开，导通T₁，串联变压器二次侧电压经不控整流桥D₁-D₄流经DC-link环节的卸放支路，限流电感进而耦合到原边线路以限制短路电流及其上升率；

步骤7，检测接地故障发生后，通过可控管T₂的导通与关断，即控制耗能电阻r_f；

步骤8，短路故障消除后，控制T₃导通，T₁关断，限流电感L₁通过缷能二极管D₅卸能，线路电流恢复正常运行状态，所提系统等同于传统UPQC。

本发明的有益效果：可以迅速抑制系统不同类型短路故障下的短路电流，保护电力系统与用户负荷的设备；DVR系统可补偿电压抬升、跌落和三相电压不平衡，提高电力系统供电可靠性、稳定性，提高用户侧的供电电压质量。利用接地故障后UPQC的可控管退出，进而形成桥式限流器对过电流进行抑制，提高系统装置利用率，检测接地故障后，控制卸放电阻导通占空比可等效调节限流阻抗大小，从而精确调节线路电流的大小。且直流侧电容无过电压冲击。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一种基于统一电能质量控制器的故障电流主动调控型限流系统及其控制方法的拓扑图。

图2是本发明实施例一种基于统一电能质量控制器的故障电流主动调控型限流系统及其控制方法的原理图，其中，图2a为正常模式等效电路图；图2b为故障限流模式等效电路图。图中用灰色部分来表示需断开的模块和支路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于统一电能质量控制器的故障电流主动调控型限流系统，结构如图1所示，采用三单相结构，三单相串联部分并于稳压电容C左侧，稳压电容C右侧连接PWM并联变流器；其中，三单相串联部分的每相由串联变压器T、LC滤波环节(电感L与电容C₁)、DVR模块以及直流连接DC-link环节组成；DVR模块包括4个IGBT模块(IGBT模块里面包括D₁-D₄)、稳压电容和可控管S_a1、S_a2、S_a3、S_a4，通过串联变压器接入电网；由稳压电容C将三单相结构与PWM并联变流器连接起来，PWM并联变流器由三相全控桥组成，经输出滤波电感L₂并网。

进一步的，三单相结构为：串联变压器一次侧接电网，二次侧并联电容C₁后串接电感L作为滤波器从而滤除高次谐波，经DVR模块后并联DC-link环节。

三单相直流DC-link环节汇总于稳压电容，三单相直流DC-link环节与PWM并联变流器共用稳压电容。

DC-link环节由可控管T₁、T₃、限流电感L₁、并接的耗能电阻r_f、开关管T₂和缷能二极管D₅组成，其中可控管T₁、限流电感L₁、并接的耗能电阻r_f与开关管T₂串接，限流电感L₁及耗能电阻r_f并接于二极管D₅。开关管T₃连接稳压电容C和DVR模块。

电网正常工况下，控制可控管T₁关断，T₃导通。此时DC-link环节断开，串联侧工作在DVR模式，并联侧工作在APF模式，整个装置等效为传统UPQC模式。

发生短路故障时，DC-link环节参与进行限流，控制可控管T₁导通，T₃关断，通过调节可控管T₂导通占空比可等效调节限流阻抗大小，从而精确限制短路电流值，关断串联侧IGBT模块，串联侧工作在桥式限流器模式，并联侧工作在APF模式。

一种基于统一电能质量控制器的故障电流主动调控型限流系统的控制方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1，检测电网电流I_S和电网电压U_S，未发生故障时，开关管T₁断开，控制DVR模块的四个可控管S_a1、S_a2、S_a3、S_a4，所提系统等同于传统UPQC，实现动态电压补偿以及谐波无功电流治理；

步骤2，检测负载电流I_a，计算直流侧电容电压设定值与实际值之差，差值经过PI控制调节，得到有功电流分量计算的参数i_up，i_up与基波有功分量相加后进行dq0-abc同步变换，得到I_a有功分量大小I_af；

步骤3，计算负载电流I_a与I_af的差值I_Δ，得到PWM并联变流器输出电流I_b与I_Δ的偏差，偏差经PI控制调节后得PWM并联变流器的开关信号，实现电网电流Is谐波治理和无功补偿；

步骤4，检测到电网电压U_S暂升、暂降、三相不平衡问题，控制DVR模块的四个可控管S_a1、S_a2、S_a3、S_a4实现动态电压补偿；

步骤5，检测负载电压U_L和串联变压器一次侧电压U_T1，计算电网电压与负载电压的差值U_Δ，差值U_Δ与串联变压器一次侧电压U_T1的偏差经PI控制调节，调节值经定频滞环比较器得到可控管S_a1、S_a2、S_a3、S_a4开关信号，从而实现负载电压对电网电压的实时跟踪；

步骤6，检测电网电流I_S，判断电网短路故障情况，当短路电流超过动作值时，可控管S_a1、S_a2、S_a3、S_a4关断。控制开关管T₃断开，导通可控管T₁，串联变压器二次侧电压经不控整流桥D₁-D₄流经DC-link环节的卸放支路，限流电感进而耦合到原边线路以限制短路电流及其上升率；

步骤7，检测接地故障发生后，通过可控管T₂的导通与关断，即控制耗能电阻r_f(在工频周期内投入电路时间的不同，一方面可避免耗能电阻r_f持续导通带来的过热，一方面可调节DC-link环节及线路电流的大小，可实现线路故障电流大小的主动调节，且直流侧无过电压的冲击；

步骤8，短路故障消除后，控制开关管T₃导通，T₁关断，限流电感L₁通过缷能二极管D₅卸能，线路电流恢复正常运行状态，所提系统等同于传统UPQC。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。