摘要：本文圍繞新型變壓器耦合三相橋式固態(tài)限流器試驗樣機工程化過程中的幾個問題，提出該限流器的改進拓?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題日益成為系統(tǒng)安全運行的隱患，如何采取切實可行的有效措施解決這一問題，已越來越受到業(yè)界的高度重視。與此同時有關(guān)短路限流技術(shù)的研究也越來越吸引廣大電力科技工作者的關(guān)注。近年來，限流器的研究已有了顯著進展［1，2］。新型固態(tài)限流器在380V／200A試驗樣機上的試驗，取得了很好的限流效果［3］，但要進入工程應(yīng)用階段還有一些問題需要解決，歸納為以下幾點：(1)限流器在電力系統(tǒng)故障狀態(tài)運行中，橋電路通過系統(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，成本高。(2)系統(tǒng)故障后，故障電流由橋電路抑制，諧波豐富，對系統(tǒng)不利。(3)限流器對系統(tǒng)故障電流控制通過PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，控制器計算量大，故障判斷及控制較復(fù)雜。本文針對380V／200A新型固態(tài)限流器試驗樣機［3］主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在的缺陷，提出對該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進方案———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原理仿真計算，分析改進的固態(tài)限流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限流機理，提出符合該固態(tài)限流器特點的控制策略，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)正常運行時，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)運行時，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，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耦合變壓器并聯(lián)后立即自動串入系統(tǒng)［3］，限制故障電流上升。在系統(tǒng)短路后約一個周波時間內(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的電流。在限流器的運行控制中，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程。
　　系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時，采用上述控制策略，控制過程如圖2所示，假設(shè)在A相正過零點td時刻發(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)電壓通過耦合變壓器加到限流器的橋路上，此時有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始上升。假設(shè)限流器控制響應(yīng)時間需要略小于60°電角度(約3．33ms)，由于T1脈沖的繼續(xù)作用，在短路開始30°后，當(dāng)Ua＞Uc＞0時，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時刻，而后開始下降(見圖2)，從tp開始延時120°電角度(tx時)直流限流電感上的電壓為Uab＜0，T7、T8管觸發(fā)，T1～T6將自動關(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(設(shè)系統(tǒng)的A相正向過零點時發(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。檢測出故障后，所有晶閘管觸發(fā)信號被封鎖，固態(tài)限流器限流電感被迫通過T5、T6承受了系統(tǒng)線電壓UCB，電感電流開始上升，直流限流電感電流在UCB線電壓負(fù)向過零點達(dá)到峰值，從該點開始計時，延時120°電角度時觸通T7、T8使電感電流經(jīng)T7、T8續(xù)流，同時T5、T6自動關(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實現(xiàn)限流目的(該過程可參看仿真結(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，采用該控制策略后，橋電路的工作過程與系統(tǒng)發(fā)生兩相接地短路的橋電路工作過程基本一致，不再贅述(該過程可參看仿真結(jié)果圖4(c))。
　　系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路故障時(設(shè)系統(tǒng)的A相正向過零點時發(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T1、T8承受了A相電壓，檢測出故障后，所有晶閘管觸發(fā)信號被封鎖，T1、T8將繼續(xù)導(dǎo)通，A相電流開始迅速上升，同時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過零時刻，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)向過零時刻開始延時120°電角度時再次給T7、T8加觸發(fā)信號。此時固態(tài)限流器直流限流電感承受負(fù)壓，因此，T7滿足開通條件(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。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)只要求跳開故障相，非故障相繼續(xù)工作一段時間，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)生后自動插入，同時固態(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10kV／500A的配電系統(tǒng)固態(tài)限流器進行仿真，假設(shè)系統(tǒng)允許的短路電流為2500A，為簡化分析不妨設(shè)定系統(tǒng)負(fù)荷為阻性，仿真參數(shù)如表1所示。
　　
　　
　　固態(tài)限流器的啟動仿真：由于旁路電感的存在，在啟動時，負(fù)載側(cè)電壓的建立要比無旁路電感的固態(tài)限流器快，在限流器直流限流電感還未完成充磁過程時，系統(tǒng)電壓通過旁路電感建立負(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)進入正常穩(wěn)態(tài)運行，該過程如圖3所示。在半個周波內(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120°電角度觸通晶閘管T7、T8，隔離橋電路。