摘要：本文圍繞新型變壓器耦合三相橋式固態(tài)限流器試驗(yàn)樣機(jī)工程化過(guò)程中的幾個(gè)問(wèn)題，提出該限流器的改進(jìn)拓?fù)?mdash;——帶旁路電感的變壓器耦合三相橋式固態(tài)限流器。給出了一種符合帶旁路電感的變壓器耦合三相橋式固態(tài)限流器特點(diǎn)的控制策略，并作了仿真研究分析。
關(guān)鍵詞：固態(tài)限流器；控制策略；仿真研究；橋式電路；短路故障　　 1引言
　　隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展壯大，其短路容量與故障電流問(wèn)題日益成為系統(tǒng)安全運(yùn)行的隱患，如何采取切實(shí)可行的有效措施解決這一問(wèn)題，已越來(lái)越受到業(yè)界的高度重視。與此同時(shí)有關(guān)短路限流技術(shù)的研究也越來(lái)越吸引廣大電力科技工作者的關(guān)注。近年來(lái)，限流器的研究已有了顯著進(jìn)展［1，2］。新型固態(tài)限流器在380V／200A試驗(yàn)樣機(jī)上的試驗(yàn)，取得了很好的限流效果［3］，但要進(jìn)入工程應(yīng)用階段還有一些問(wèn)題需要解決，歸納為以下幾點(diǎn)：(1)限流器在電力系統(tǒng)故障狀態(tài)運(yùn)行中，橋電路通過(guò)系統(tǒng)全部的故障電流，因而晶閘管的容量須按照故障容量設(shè)計(jì)，成本高。(2)系統(tǒng)故障后，故障電流由橋電路抑制，諧波豐富，對(duì)系統(tǒng)不利。(3)限流器對(duì)系統(tǒng)故障電流控制通過(guò)PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，控制器計(jì)算量大，故障判斷及控制較復(fù)雜。本文針對(duì)380V／200A新型固態(tài)限流器試驗(yàn)樣機(jī)［3］主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在的缺陷，提出對(duì)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案———帶旁路電感的變壓器耦合三相橋式固態(tài)限流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用電力電子專用仿真軟件PSIM原理仿真計(jì)算，分析改進(jìn)的固態(tài)限流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限流機(jī)理，提出符合該固態(tài)限流器特點(diǎn)的控制策略，克服了原固態(tài)限流器拓?fù)涞娜毕荨?br />　　 2帶旁路電感的變壓器耦合三相橋式固態(tài)限流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［4］
帶旁路電感的變壓器耦合三相橋式固態(tài)限流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固態(tài)限流器的思路：限流器在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由晶閘管T1～T6組成的三相可控整流橋工作在全導(dǎo)通狀態(tài)橋，T7、T8常導(dǎo)通給限流電感LD提供續(xù)流回路。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電感電流在理想條件下達(dá)到負(fù)載電流峰值，并經(jīng)T7、T8續(xù)流短接。因此耦合變壓器副邊近似于短接狀態(tài)，原邊壓降幾乎為“零”，旁路電感近似被短接。系統(tǒng)短路故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)電壓加在耦合變壓器原邊以及旁路電感上，因此旁路電感和直流限流電感通過(guò)耦合變壓器并聯(lián)后立即自動(dòng)串入系統(tǒng)［3］，限制故障電流上升。在系統(tǒng)短路后約一個(gè)周波時(shí)間內(nèi)故障電流包含兩部分：旁路電感電流和由變壓器副邊限流電感決定的變壓器原邊流過(guò)的電流。在限流器的運(yùn)行控制中，若在系統(tǒng)短路故障后能迅速隔離橋電路，變壓器副邊等效于開(kāi)路，系統(tǒng)的短路電流完全由旁路電感決定。
　　
　　
　　3帶旁路電感的變壓器耦合三相橋式固態(tài)限流器的控制策略分析
　　根據(jù)以上分析的帶旁路電感的變壓器耦合三相橋式固態(tài)限流器的工作思路，提出續(xù)流隔離式控制方案：系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，封鎖固態(tài)限流器所有晶閘管的觸發(fā)脈沖(T1～T8)，在適當(dāng)時(shí)刻觸通晶閘管T7、T8給直流限流電感提供續(xù)流回路，從而關(guān)斷T1～T6橋臂，使直流限流電感及橋電路與系統(tǒng)隔離，相當(dāng)于變壓器副邊開(kāi)路。固態(tài)限流器橋電路退出系統(tǒng)，系統(tǒng)故障電流僅由旁路電感限制。
　　下面分析系統(tǒng)發(fā)生不同短路故障時(shí)帶旁路電感的變壓器耦合三相橋式固態(tài)限流器在該策略控制下的橋電路工作過(guò)程。
　　系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時(shí)，采用上述控制策略，控制過(guò)程如圖2所示，假設(shè)在A相正過(guò)零點(diǎn)td時(shí)刻發(fā)生三相短路。由于三相短路后耦合變壓器原邊承受全電壓，致使電網(wǎng)電壓通過(guò)耦合變壓器加到限流器的橋路上，此時(shí)有Uc＞Ua＞0，Ub＜0，因此T5、T6導(dǎo)通，而T1被迫截止，限流電感上的電壓從零電位突變?yōu)閁cb，迫使電感上的電流從相電流峰值開(kāi)始上升。假設(shè)限流器控制響應(yīng)時(shí)間需要略小于60°電角度(約3．33ms)，由于T1脈沖的繼續(xù)作用，在短路開(kāi)始30°后，當(dāng)Ua＞Uc＞0時(shí)，T5將換流到T1導(dǎo)通，C相橋路退出，限流電感上的電壓也由Ucb→Uab(見(jiàn)圖2)，電流也將繼續(xù)上升。當(dāng)限流器控制系統(tǒng)判斷出故障，在tf封鎖系統(tǒng)所有的觸發(fā)脈沖，由于T6、T1已經(jīng)導(dǎo)通，限流電感電流繼續(xù)上升直至tp時(shí)刻，而后開(kāi)始下降(見(jiàn)圖2)，從tp開(kāi)始延時(shí)120°電角度(tx時(shí))直流限流電感上的電壓為Uab＜0，T7、T8管觸發(fā)，T1～T6將自動(dòng)關(guān)斷，使電感電流經(jīng)T7、T8續(xù)流。系統(tǒng)短路由旁路電感限流。
　　
　　系統(tǒng)發(fā)生兩相接地短路故障時(shí)(設(shè)系統(tǒng)的A相正向過(guò)零點(diǎn)時(shí)發(fā)生BC兩相接地短路故障)，此刻，T5、T6繼續(xù)導(dǎo)通，T1被關(guān)斷，A相橋路退出，旁路電感LA串入A相負(fù)載。檢測(cè)出故障后，所有晶閘管觸發(fā)信號(hào)被封鎖，固態(tài)限流器限流電感被迫通過(guò)T5、T6承受了系統(tǒng)線電壓UCB，電感電流開(kāi)始上升，直流限流電感電流在UCB線電壓負(fù)向過(guò)零點(diǎn)達(dá)到峰值，從該點(diǎn)開(kāi)始計(jì)時(shí)，延時(shí)120°電角度時(shí)觸通T7、T8使電感電流經(jīng)T7、T8續(xù)流，同時(shí)T5、T6自動(dòng)關(guān)斷。限流器橋電路完全退出，旁路電感LB、LC分別串入各相故障點(diǎn)實(shí)現(xiàn)限流目的(該過(guò)程可參看仿真結(jié)果圖4(b))，非故障相A相仍有負(fù)載電流流通。
　　系統(tǒng)發(fā)生兩相不接地短路故障時(shí)，采用該控制策略后，橋電路的工作過(guò)程與系統(tǒng)發(fā)生兩相接地短路的橋電路工作過(guò)程基本一致，不再贅述(該過(guò)程可參看仿真結(jié)果圖4(c))。
　　系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路故障時(shí)(設(shè)系統(tǒng)的A相正向過(guò)零點(diǎn)時(shí)發(fā)生A相單相接地短路故障)，采用上述的控制策略，故障時(shí)刻T5、T6繼續(xù)導(dǎo)通，T4被關(guān)斷而T1觸發(fā)導(dǎo)通，T7、T8常導(dǎo)通，短路發(fā)生后，T7承受反壓被關(guān)斷，固態(tài)限流器限流電感通過(guò)T1、T8承受了A相電壓，檢測(cè)出故障后，所有晶閘管觸發(fā)信號(hào)被封鎖，T1、T8將繼續(xù)導(dǎo)通，A相電流開(kāi)始迅速上升，同時(shí)C相變壓器副邊電流IC2迅速下降為0(T5關(guān)斷)后，C相橋電路退出，旁路電感LC串入C相負(fù)載。由于在A相正半波發(fā)生接地短路，則T8將一直導(dǎo)通，限流器下橋臂直流側(cè)的電位為零，T6在B相電壓為負(fù)值的條件下，能夠一直導(dǎo)通，直至Ub過(guò)零時(shí)刻，T6受反壓關(guān)斷，B相橋路退出，旁路電感LB串入B相負(fù)載。在Ua負(fù)向過(guò)零時(shí)刻開(kāi)始延時(shí)120°電角度時(shí)再次給T7、T8加觸發(fā)信號(hào)。此時(shí)固態(tài)限流器直流限流電感承受負(fù)壓，因此，T7滿足開(kāi)通條件(T8一直導(dǎo)通)，完成T1向T7的換流，直流限流電感電流通過(guò)T7、T8續(xù)流，T1關(guān)斷后，A相橋路退出，旁路電感LA串入故障點(diǎn)。固態(tài)限流器橋電路完全退出，旁路電感全部串入系統(tǒng)。(該過(guò)程可參看仿真結(jié)果圖4(d))。在高壓系統(tǒng)中，發(fā)生單相短路后，一般系統(tǒng)只要求跳開(kāi)故障相，非故障相繼續(xù)工作一段時(shí)間，為提高供電的質(zhì)量，消除非故障相由于串入旁路電感引起的電壓降落，以A相故障為例，可以封鎖T1、T4的觸發(fā)脈沖，隔離故障相，T3、T6、T5、T2按照原先正常控制，T7、T8常導(dǎo)通，正常相的限流器橋電路繼續(xù)投入運(yùn)行，短接非故障相的旁路電感，從而消除正常相電壓降落。
　　從上面的分析可以看出，限流電感在故障發(fā)生后自動(dòng)插入，同時(shí)固態(tài)限流器從正常控制模式向故障控制模式的切換也是平穩(wěn)的，不會(huì)引起附加的震蕩。
　　 4帶旁路電感的變壓器耦合三相橋式固態(tài)限流器在系統(tǒng)各種故障下的仿真分析
　　三相接地系統(tǒng)的短路故障包括：①單相接地故障；②兩相不接地短路；③兩相接地短路；④三相接地故障。采用上述所提控制策略，對(duì)于系統(tǒng)的各類短路故障，應(yīng)用加拿大POWERSIM技術(shù)公司的專用電力電子系統(tǒng)仿真軟件PSIM4．1，對(duì)10kV／500A的配電系統(tǒng)固態(tài)限流器進(jìn)行仿真，假設(shè)系統(tǒng)允許的短路電流為2500A，為簡(jiǎn)化分析不妨設(shè)定系統(tǒng)負(fù)荷為阻性，仿真參數(shù)如表1所示。
　　
　　
　　固態(tài)限流器的啟動(dòng)仿真：由于旁路電感的存在，在啟動(dòng)時(shí)，負(fù)載側(cè)電壓的建立要比無(wú)旁路電感的固態(tài)限流器快，在限流器直流限流電感還未完成充磁過(guò)程時(shí)，系統(tǒng)電壓通過(guò)旁路電感建立負(fù)載側(cè)電壓，當(dāng)固態(tài)限流器完成直流限流電感完成充磁后，旁路電感被固態(tài)限流器的橋電路近似短接，旁路電感退出工作，系統(tǒng)進(jìn)入正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，該過(guò)程如圖3所示。在半個(gè)周波內(nèi)基本上建立了負(fù)載側(cè)電壓(在以下的仿真結(jié)果中，VZA、VZB、VZC為系統(tǒng)負(fù)載側(cè)三相相電壓。ILA、ILB、ILC為系統(tǒng)負(fù)載側(cè)相電流IA2、IB2、IC2為耦合變壓器副邊相電流ILD為直流限流電感電流)。
　　
　　
　　系統(tǒng)發(fā)生各類短路故障后，固態(tài)限流器采用續(xù)流隔離式控制策略，其仿真結(jié)果如圖4所示，系統(tǒng)在t＝0．2s時(shí)發(fā)生短路故障，短路發(fā)生后2ms，控制策略起作用，封鎖所有晶閘管的觸發(fā)脈沖，直流限流電感達(dá)到峰值后延時(shí)120°電角度觸通晶閘管T7、T8，隔離橋電路。