（电力电子与电力传动专业论文）电力系统中的固态故障限流器的研究.pdf

a b s t r a ct w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e rs y s t e m t h es h o r tc i r c u i tc a p a c i t yg r o w s i n c r e a s i n g l y t h ei n c r e a s i n go f 也es h o r tc i r c u i tc u r r e n tm a k e si tp o s s i b l et h a tt h e d e v i c e si nt h ep o w e rs y s t e mw o r ki n c o r r e c t l yd u et ot h ei n d u c e dm e c h a n i c a ls h e s s a n dt h er e s u l t i n gt h e r m a le f f e c t t h e r e f o r e ，t of i n dt h en e ww a yo rt h en e w a p p a r a t u s f o rl i m i t i n gt h es h o r tc i r c u i tc u r r e n ti sv e r ye x i g e n t h a v i n gr e a dal o to fr e f e r e n c e s ，t h ec i r c u i tt o p o l o g yo fas i n g l e - p h a s eb r i d g e t y p es o l i d s t a t ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r ( s s f c l ) i si m p r o v e da n dan e wc o n t r o l s t r a t e g yi sp r o p o s e di nt h et h e s i s t h es i m u l a t i o nu s i n gm a t l a b s i m u l i n kp r o v e s t h a tt h en e wc i r c u i tt o p o l o g ya n dt h en e wc o n t r o ls t r a t e g ya r ef e a s i b l e an e wt h r e e - p h a s eb r i d g et y p es s f c lt o p o l o g yi sa l s op r o p o s e da f t e r r e s e a r c h i n go nt h es i n g l e p h a s eb r i d g et y p es s f c l b ya n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c eo f t h en e ws s f c lu n d e rd i f f e r e n tk i n d so ff a u l tc o n d i t i o n s ，ac o n t r o ls c h e m eb a s e do n t h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki sp r e s e n t e d b o t ht h et o p o l o g ya n dt h ec o n t r o ls c h e m e a r ev e r i f i e db yt h es i m u l a t i o no fm a t l a b ，w i t hs a t i s f y i n gr e s u l t so nt h e d a t o n g - f a n g s h a nt r a n s m i s s i o ns y s t e m b ys t u d y i n gt h ea f f e c to fs s f c l t ot h et r a n s i e n ts t a b i l i t yi nd i f f e r e n tk i n d so f p o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t h et h e s i sf i n d st h a tt h es s f c lw i l lb r i n gs o m en e g a t i v e e f f e c t so nt h et r a n s i e n ts t a b i l i t yi nt h es i n g l e - l i n et r a n s m i s s i o ns y s t e m i nt h ee n d ，t h eb l o c kd i a g r a mo ft h el a bs a m p l ei sp r e s e n t e d t h eh a r d w a r e d e s i g na n dt h es o f t w a r er e a l i z a t i o no f t h el a bs a m p l ea r ea l s od e v e l o p e d k e yw o r d s - s o l i ds t a t ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r ，b r i d g ec i r c u i t ， a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，m a t l a b s i m u l i n k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：磊醵强 签字日期：的年2 月趱日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：梁戈绳 导师签名： 签字目期：细f 年z 月堀日签字日期：劢妒年立月2 扩日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 限制故障电流的必要性 随着电力系统和现代化工业的发展，大电网互联和跨国互联正在进行，单机 容量不断增大，低阻抗大容量变压器在现代化低压配电系统中的应用不断增加以 及配电网络的不断发展，使电力系统的短路容量日益增加，必须满足短路电流提 高所带来的更苛刻的要求n ，。 在系统发展的初级阶段，如果系统容量不大，短路电流水平不高，对系统发 展产生的短路电流增大问题，一般可以用更换开关设备来解决，因为在这种情况 下变电所的其它设备往往是有足够的裕度；但当系统扩大后，短路容量增加，这 就对电网里原有的和新投运的开关设备的开断能力提出了更高的要求。一味提高 断路器的开断能力无论在技术方面还是在经济方面都很困难，而且在使用机械断 路器断开短路电流时，通常需要两个或者更多个周期的时间，所以这时就需要有 限流设备和断路器配合动作：限流设备迅速将短路容量控制在断路器的瞬时容量 和切断容量以内，使得断路器可以安全可靠地切断故障线路。这样做就可以避免 短路时的大电流对系统设备的冲击，延长断路器和变压器等设备的寿命，为用户 带来显著的经济利益。因此，迅速限制短路电流是解决高短路电流水平问题的有 j 效方法。 为了限制短路电流水平，减小短路引起的电压降落，常规限制短路电流水平 的措施主要从电网结构、系统运行方式和设备三个方面考虑”：( 1 ) 电网结构方 面，往往采取高一级电压或采用直流联网等均可控制系统短路电流水平；( 2 ) 系 统运行方式方面，对具有大容量机组的发电厂采用单元接线。对环形供电网络可 以在环网中穿越功率最小处开环运行。对具有双回线路，在负荷允许条件下可以 按单回路运行。在降压变电所中可采用多母线分列运行或母线分段运行；( 3 ) 在 设备上采取措施，相应地增大断路器等设备的容量等。 通过改造电网结构限制短路电流水平的费用极其昂贵，而通过改变系统运行 方式来限制短路电流水平将降低系统运行的可靠性，一味提高断路器的开断能力 无论在技术方面还是在经济方面都很困难。即使断路器能切断故障线路，仍将使 电机、电缆和开关等受到巨大的热和机械应力而有损坏的危险；此外，传统的 机械断路器响应速度慢，切断短路电流通常需要两个或两个以上的周期。而且体 积大、价格昂贵，由于产生的电弧易烧损电触头，需要经常维修或更换，因此， 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 近年来国内外都致力于研制现代化的故障限流器以限制短路电流。快速故障限流 器和断路器的配合使用能够缩短故障切除时间，并将短路容量控制在断路器的瞬 时容量和切断容量以内，从而延长了断路器和变压器的使用寿命，为用户带来显 著的经济效益。 1 2 故障限流器的国内外发展情况 随着计算机、电力电子、超导技术和新材料等的发展，限制短路电流以减轻 断路器开断负担已成为可能，在2 0 世纪7 0 年代就有人提出了短路限流器“1 ，或称 故障电流限制器( f c i 叫a u l tc u r r e n tl i m i t e r ，或c l 肛c u r r e n tl i m i t e r d e v i c e ) ，经过2 0 多年的发展，涌现出多种类型的限流器。 目前电力系统广泛采用限流式断路器和限流式熔断器或二者的结合来限制 短路电流。限流式断路器中的断路器是机械开关，惯性大，不能快速地限制短路 电流，目前只能应用在低压系统。熔断器现在被应用于l o k ( v - 6 3 k v 的电力线路和 电力变压器的保护中，但不能自动重合闸，限流过程中产生的电弧对周围的通信 设备会产生干扰。 超导故障限流器是近几年来研究的热点旧脚。它是采用超导体作为主要限流 元件。超导体在超导状态下，电阻阻值很小，几乎为0 。当通过它的电流、磁场、 或本身的温度超过一定的数值时，它会由超导状态变为正常状态，阻值将变得十 分大。由于超导技术不是很成熟并且超导限流器成本高、功耗大等问题，至今还 没得到应用。 p t c ( p o s i t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 电阻故障限流器中的p t c 电阻是一 种非线性电阻，在室温时电阻非常低，当温度升高到某一值时，电阻迅速增加。 p t c 电阻限流器现在已经在低压领域得到商业应用，并且在美国海军新型战略舰 上有相关应用。其缺点是：p t c 电阻的额定值不高，只有几百伏几安，要串并联 使用；恢复时间长；需要特殊的连接设备。 1 3 固态故障限流器的国内外发展情况 固态故障限流器( s o l i d - s t a t ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r ，s s f c l ) 是一种结 合了电力电子、控制理论等技术的新型故障限流器。随着电力电子技术的不断发 展，电力电子技术在电力系统的应用越来越多。以电力电子器件为核心的柔性交 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 流输电系统( f l e x i b l ea l t e r n a t i v ec u r r e n tt r a n s m i ts y s t e m ，f a c t s ) 已经发 展到第四代，作为f a c t s 里的一员，固态故障限流器也在不断发展。 g t o 开关型限流器于1 9 9 2 年由美国e p r i 公司提出。1 9 9 3 年初，在美国的新 泽西洲已把这种限流器应用在4 6 k v 的输电线路上( 6 6 唧) 。之后经过改进，把 g i o 和固态断路器并联，在1 9 9 5 年把改进过的限流器( 1 3 8 k v ，6 7 5 a ) 安装在 p s e g 的变电站，投入运行。 混合式限流器近几年得到不断发展，它是由几种限流技术结合而成的。由日 本富士电机和关西电力公司联合开发的由高速真空开关和g t o 并联构成的混合式 限流器已做成工业样机，在1 9 9 5 年己投入使用。现有的混合式限流器的缺点是： 结构复杂，成本高，不能完全解决其他限流器的问题。 谐振式限流器是利用串联谐振电路的阻抗为零，并联谐振电路的导纳为零的 特点。它的缺点是由于限流电感较小，所需的补偿电容数量极大，根本无法投入 实际应用中。并联谐振形式的限流器同样有这个问题。 无损耗电阻器式限流器是由华东冶金学院于1 9 9 4 年提出。这种限流器是通过 控错i i b g t 开关的调制频率来控制该桥路的“等效电阻”这种限流器对调制频率 要求高，功耗大，会产生丰富的谐波电流。 浙江大学对新型固态短路限流技术的研究工作起步得比较早，已对适应于交 流系统的限流技术进行了较为深入的研究，目前交流系统限流保护技术已完成了 实验室的研究工作，不仅进行了大量的仿真研究，也进行了各种工况下实验室样 机的小容量实验，取褥了满意的结果。根据目前已获缛的研究成果，和国家相关 部门合作，正在开发工业样机，并已经取得重大进步”。 本实验室于2 0 0 4 年对原有的桥式固态故障限流器进行改进“4 。新型桥式固态 限流器能够自动检测故障电流，自动限制短路电流；通过辅助充磁回路使故障限 流器在正常工作时不会给电力系统带来谐波：采用半控桥式电路，与全控桥相比 更经济、更容易控制。 1 4 本论文所做的工作 本论文在总结前人的研究成果的基础上，对新型桥式固态故障限流器( 以下 简称新型桥式s s f c l ) 的拓扑和控制策略进行改进，并对新型桥式s s f c l , 应用在三 相电路中的拓扑进行探讨分析，提出了新型三相桥式s s f c l 的拓扑。并对新型三 相桥式s s f c l 在对称和不对称故障下的工作原理进行分析，提出了基于神经网络 的控制策略。并使用姒t l a b s i m u l i n k 仿真平台对改进后的新型单相桥式s s f c l 和新型三相桥式s s f c l 进行仿真分析。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 本文对新型桥式s s f c l 对电力系统暂态稳定性的影响进行深入探讨，并比较 了s s f c l 在不同类型的输电系统中对电力系统暂态稳定性的不同作用。 本文最后根据分析结果，对新型桥式s s f c l 及其控制电路进行硬件和软件设 计，做出了实验室样机进行调试。 l 天津大学硕士学位论文第二章新型桥式s s f c l 在单相电路中的应用 第二章新型桥式s s f c l 在单相电路中的应用 2 1 单相桥式s s f c l 的构成 单相桥式s s f c l 主要由两个部分构成“”。一个是桥式的限流电路，另外一个 是辅助充磁回路。如图2 1 所示。 图2 - 1 单相桥式s s f c l 拓扑结构 对于限流主电路，当电源电压u 为正时，若这时限流电感电流i l 大于主电路 电流i 时，根据电磁感应定理，限流电感两端电压为正，b 、d ，将承受正向电压而 导通，限流电感电流通过桥臂续流，限流电感被b 、d 。短接掉，等效电路如图2 - 2 ( a ) 所示。若这时限流电感电流i 。小于主电路电流i ，限流电感的两端电压为负， 因此t ：、d 。将承受反向电压而截止，限流电感串接到主电路中，等效电路如图2 - 2 ( b ) 所示。同理，当电源电压u 为负时，也可分为两种情况分析，等效电路如图 2 - 2 ( c ) 和图2 - 2 ( d ) 所示。 由g t o 。和r 。串联组成的换流电路，在没有故障时是不起作用的。它是在出现 故障后当限流电感通过某一个桥臂( t 1 、d 。或t 2 、d 。) 续流时，通过对g t o 。施加触 发脉冲从而使限流电感通过换流电路续流，使两个桥臂都关闭，从而使单相桥式 s s f c l 具有切断电路的功能。 由于当限流电感电流小于主电路电流时，限流电感会串接到主电路中，如果 这时是有故障的话，限流电感的串入将起到限制短路电流增加的正面作用；但如 果在没有故障的时候，限流电感也串入电路中，将会给负载的电压电流带来谐波。 因此，在没有故障的时候，一定要保证限流电感的电流大于主电路电流的峰值。 所以就用辅助充磁回路对限流电感定时充磁，保证限流电感的电流值保持在一定 天津大学硕士学位论文第二章新型桥式s s f c l 在单相电路中的应用 t l d l u u u ( b ) u 0 ，i l i 载 负载 ( c ) u i 戴 负载 ( d ) u 9 0 。) ，二极管d 。的阳极和阴极两端的电压肯定会先负后正， 当两端电压变为正的时候，二极管d ；会承受正向电压而导通，从而达不到对限 流电感逆变的目的。这时辅助充磁回路仿真波形如图2 _ 5 ( a ) 所示，在0 9 秒 之前辅助充磁回路正常工作，使限流电感电流保持在7 1 0 安培的范围，在0 9 秒之后辅助充磁回路进入逆变工作状态，由于二极管的导通，使到限流电感的电 流不能减小。因此，为了使辅助充磁回路能够具有逆变功能，就要把二极管现 换成晶闸管l 。当正常工作的时候，l 的触发脉冲常加，相当于二极管。当辅助 充磁电路要对限流电感进行逆变的时候，t 6 的触发脉冲就要撤去。因为在逆变的 时候，r 的阳极和阴极两端的电压是先负后正的，所以l 先在承受反向电压下截 止，在后来承受正向电压的时候，因为没有触发脉冲而不会导通，因此辅助充磁 回路就能对限流电感进行逆变工作。这时的辅助充磁回路的仿真波形如图2 - 5 ( b ) 所示。改进后的单相桥式固态故障限流器的拓扑如图2 6 所示。 对于新的换流电路还有另外一个功能，就是在没有故障的情况下，对续流晶 闸管的触发脉冲常加，从而当限流电感需要通过桥臂续流的时候，交成通过续流 晶闸管续流。由于晶闸管和二极管本身有压降和导通电阻，原先限流电感是通过 一个晶闸管和一个二极管续流，而现在只是通过一个晶闸管续流，通过新的控制 方式使限流电感续流时的衰减系数减小了接近一半。由于单相桥式s s f c l 大部分 时间都是在没有故障情况下运行的，除了s s f c l 刚接入电网的一小段时间外，限 流电感电流都应该大于主电路电流，因此通过续流晶闸管续流，限流电感电流下 天津大学硕士学位论文第二章新型桥式s s f c l 在单相电路中的应用 降得比较慢，减小辅助充磁回路对限流电感的充磁频率，从而减小了辅助充磁回 路的功耗。两种续流方式的等效电路如图2 - 7 所示。 图2 - 5 辅助充磁回路的仿真波形 图2 - 6 改进后的单相桥式s s f c l 拓扑结构 ：翁肪b 岛二 ( a )( b ) 图2 - 7 两种续流方式的比较 通过以上分析，可以知道改进后的单相桥式s s f c l 有如下优点： ( i ) 能自动检测故障的产生，及时把限流电感接入主电路中，起限流作用。 天津大学硕士学位论文第二章新型桥式s s f c l 在单褶电路中的应用 ( 2 ) 通过辅助充磁电路进入整流状态，对限流电感进行定时充磁，从而保证 了限流电感在没有故障的时候不串入主电路，因此不会给供电系统带来 谐波的影响。 ( 3 ) 通过辅助充磁电路进入逆变状态，可以把限流电感的能量反馈给辅助电 源，从而很快把限流电感电流减小到零，有利于电路的软重合闸。 ( 4 ) 通过对续流晶闸管的适当控制，可以减小辅助充磁回路的充磁频率，从 而减小了辅助充磁回路的功耗。 ( 5 ) s s f c l 具有断开故障电路的能力，从而减小断路器的操作次数，延长了 断路器的寿命。 2 4 单相桥式s s f c l 的控制策略 单相桥式s s f c l 在没有故障的时候，s s f c l 中的t 。、t ：的触发脉冲常加，对于 辅助充磁回路中的晶闸管t 3 、t ，只要限流电感的电流小于i 一的时候，都会给l 、 t 。加触发脉冲，启动辅助充磁回路对限流电感充磁；当限流电感的电流大于i 一 的时候，都要撤去t ，、t 。的触发脉冲。而辅助充磁回路中的t e 在一般情况下都对 其施加触发脉冲，只是在辅助充磁回路进入逆变状态时，才把触发脉冲撤去。在 没有故障的时候，续流晶闸管t 。的触发脉冲都是常加的，当限流电感电流大于主 电路电流时，限流电感两端电压为正，使t 。导通，限流电感的电流通过t s 续流。 当检测到电路出现故障时，撤去限流电路中t 。、t 。和辅助充磁回路中的l 、 t 。的触发脉冲。由前面分析可知，通过续流晶闸管r ，可以使桥s s f c l 具有切断故 障电路的能力。当检测到故障之后继续保留t 。的触发脉冲，在电源电压第一次换 极性方向时，就如本章第二节分析一样，这时t 。将承受正向电压丽导通，s s f c l 能最快在半个工频周期中切断故障电流。之后启动辅助充磁回路，侵其对限流电 感进行逆变，限流电感电流变为零后，关闭所有管子的触发脉冲。 在断开电路的一定时间后，将重新启动s s f c l ，由其进行软重合闸。如果故 障还存在，则重复以上各步对s s f c l 的控制。 2 5 单相桥式s s f c l 的仿真分析 本文通过使用姒t l a b s i 删l i n k “7 3 对单相桥式s s f c l 进行仿真仿真电路如 图2 - 8 所示。仿真模型由四个部分组成：电两主电路，桥式s s f c l 子系统，辅助充 磁回路子系统，检测控制子系统。电网主电路由一个频率为5 0 赫兹，峰值为4 0 0 天津大学硕士学位论文 第二章新型桥式s s f c l 在单相电路中的应用 伏的正弦交流电压源和一个兀型输电线路和一个1 0 欧姆的纯电阻负载组成，短路 故障由一个断路器模拟产生。桥式s s f c l 的限流电感为0 0 1 亨，辅助电源采用峰 值为4 0 0 伏、频率为5 0 赫兹的交流电压源带抽头的变压器的变比采用8 ；l ，带 抽头的变压器的输出电压由两个电压峰值为5 0 伏的交流电源来代替。短路故障在 0 2 秒产生。当限流电感电流大于i l _ f a u l t 的时候s s f c l 将产生动作。辅助充磁回 路是在限流电感电流大于i l _ m a x 的时候停止对限流电感充磁。当电感电流小于 图2 - 8 系统仿真电路图 图2 - 9 桥式s s f c l 子系统仿真模型 天津大学硕士学位论文 第二章新型桥式s s f c l 在单相电路中的应用 i k _ m i n 的时候将重新启动辅助充磁回路对限流电感充磁。i k _ _ f a u l t ，i l _ n m x ， i l _ m i n 这三个参数可通过检测控制子模块的输入来修改。桥式s s f c l 子系统、检 测控制子系统和辅助充磁回路子系统的仿真模型分别如图2 - 9 、图2 1 0 、图2 一1 1 所示。 图2 - 1 0 检测控制子系统仿真模型 图2 r 1 1 辅助充磁回路子系统仿真模型 接地故障在0 2 秒时产生。线路在无s s f c l 时输电线路电流的仿真波形如图 天津大学硕士学位论文第二章新型桥式s s f c l 在单相电路中的应用 2 - 1 2 所示。这时输电线路电流的第一个峰值为1 0 千安培，如果在实际电网中，将 会对电网中各种元件造成严重的影响。 图2 一1 2 无s s f c l 时，输电线路电流的波形 当装有把g t o 和电阻作为换流电路的桥式s s f c l 时，输电线路电流的仿真波形 如图2 - 1 3 所示。在故障发生后，短路电流的增加得到限制，输电线路电流的第一 个峰值大大减d , 至u 3 5 0 安培左右。在短路发生不到半个周期后线路电流变为零， 但半个周期之后输电线路电流重新出现，并且峰值比上一个周期的峰值要大。之 后输电线路电流重复刚才的变化，每经过一个周期，输电线路电流的峰值都增加， 因此该s s f c l 不能切断故障电路。究其原因，可以对桥路中各管子和g t o ，的电流 变化进行分析。在仿真过程中各管子的电流变化如图2 1 4 所示。从图可以看出， 在o 2 秒出现短路故障后，t ：管子的电流一直为零，因此t z 一直是关闭的。而t 。 管子的电流一直存在，因此t 。是一直导通的。而d 。、d ：两个管子是交替导通。g t o 。 没有电流，g t o 。是不导通的。由于t 。是一直导通，所以当电源电压为正时，使巩 也导通，从而使输电线路接通。电源电压为负时，d ：关闭，d 。导通，限流电感 图2 - 1 3 装有g t o 与电阻串联的换流电路的s s f c l 时输电线路电流的波形 天津大学硕士学位论文第二章新型桥式s s f c l 在单相电路中的应用 通过t l 、d 。续流，从而输电线路断开。因此仿真结果跟本章第四节的分析是一样 的。 ：二。而l ： i nn n _ 几几r l n o jr 1 0 1 i - 几lr 1 1 1 1 1 1 00 3d 40 5 t i m e 图2 - 1 4 装有g t o 与电阻串联的换流电路的s s f c l 时各管子流过的电流波形 当装有改进后的单相桥式s s f c l ，在故障发生后，短路电流的峰值同样被限 制到3 5 0 安培左右，并且在输电线路电流变为零后，直到0 4 2 秒s s f c l 重合闸时才 开始增加。输电线路电流的仿真波形图2 1 5 所示。而各管子的电流变化如图2 1 6 所示。在0 2 秒发生短路故障后，t 2 、d ，关闭，t 。、d 。继续导通。在0 2 2 秒处，t 。、 d ：也关闭，t 。开始导通，这时s s f c l 的四个桥臂都关闭，从而保证了故障电路的真 正断开。之后辅助充磁电路对限流电感进行逆变，t 。的电流随着限流电感电流的 减小而减小，最后减小到为零。因此改进后的单相桥式s s f c l 既能限制短路电流 的增加又具有断开电路的能力。 舢砌。佃卯。舢砌 舢m o ，o 。 天津大学硕士学位论文第二章新型桥式s s f c l 在单相电路中的应用 i _ i a i i 图2 一1 5 装有改进后的s s f c l 时输电线路电流的波形 00 10 20 30 40 50 60 7 图2 - 1 6 装有改进后的s s f c l 时各管子电流的波形 1 6 - 伽斯。仰 o佃卯 。伽如 d佃孤 。 天津大学硕士学位论文 第三章新型桥式s s f c l 在三相电网中的应用 第三章新型桥式s s f c l 在三相电网中的应用 在实际电网中都是三相系统的，因此本文将对新型桥式s s f c l 在三相电网中 的应用进行分析。为了使新型桥式s s f c l 直接应用到三相电网中，可以在三相电 网的每一相中，都装上一套新型单相桥式s s f c l ，其工作原理和控制策略跟在单 相电路中的应用是一样的，如图3 - 1 所示。但由于每一套设备都要一套辅助充磁 回路和一个限流电感，因此这种应用将会增大了投资成本，并且占用了很大的体 积。为此本文对新型桥式s s f c l 在三相电网中的应用进行了深入研究，提出了新 型桥式s s f c l 应用在三相电网中拓扑结构和控制策略。新型三相桥式s s f c l 的拓 扑结构如图3 - 2 所示。从图可以看出，新型三相桥式s s f c l ，只用了一个限流电 感和一套辅助充磁回路，从而使成本费用和占用的体积都比单相桥式s s f c l 直接 应用在三相电网中要小得多。 图3 - 1 单相桥式s s f c l 在三相系统中的应用 图3 2 新型三相桥式s s f 乱的拓扑结构 天津大学硕士学位论文第三章新型桥式s s f c l 在三相电网中的应用 3 1 三相桥式s s f c l 的构成 从图3 - 2 可知，三相桥式s s f c l 也分为限流主电路和辅助充磁回路两部分。 辅助充磁回路的工作原理跟单相桥式s s f c l 里的一样，因此这里不多作介绍。限 流主电路是由三相桥式电路、续流桥臂( t 和d 。) 、限流电感组成，在续流桥臂 的中间接地。由于多了一个续流桥臂，所以三相桥式s s f c l 的工作原理跟普通的 桥式整流电路的工作原理是不同的。在普通的桥式整流电路中，负载承受的是线 电压，在每一时刻哪两相的线电压比较大，哪两相的线电压就加在负载上，因此， 各管子的导通角为1 2 0 。而在三相桥式s s f c l 中，在没有故障时，限流电感是 通过续流桥臂续流的，从电源侧看，限流电感被短接掉。续流桥臂的导通使到e 点和f 点接地，因此三相电源共地，三相桥式s s f c l 在没有故障的情况下，三相 桥臂中各个管子的导通角为1 8 0 。 3 2 三相桥式s s f o l 的工作原理 3 2 1 无故障时的工作原理 s s f c l 刚接入电路的时候，限流电感电流为零，小于各相电流，限流电感两 端电压为负，续流桥臂t 。、d 。承受反向电压，因此续流桥臂不导通，这时三相桥 式s s f c l 的工作原理跟三相整流桥的一样，可以看作是三相电源对限流电感整流 ( 充磁) ，等效电路如图3 3 所示。在三相电源对限流电感充磁的过程中，由于 某一时刻只有两相电源与限流电感串联，因此在对限流电感充磁过程中，有一相 负载是不工作的。然而这个初始充磁过程时间很短，限流电感电流很快就增加到 大于相电流峰值，之后限流电感两端电压为正，从而使l 、d 。承受正向电压，续 流桥臂导通，三相负载就可以正常工作了。之后通过辅助充磁回路在适当时候对 限流电感充磁，从而保证在没有故障时限流电感不会再串接入电路中。因此三相 桥式s s f c l 对三相负载的这种影响是可以忽略。在限流电感被续流桥臂短接之 后，e 点和f 点接地，因此在每相桥臂中，只要该相电源为正则上桥臂导通，电 源为负则下桥臂导通，三相中各管子的导通角为1 8 0 。因此整个电路如同一个 没有装有s s f c l 的三相接地系统一样工作，等效电路如图3 - 4 所示。 天津大学硕士学位论文第三章新型桥式s s f c l 在三相电网中的应用 0 525j5 ，毒； ：厂苇 ： 毒； id 3jid 22i d s 图3 - 3 没故障时，限流电感电流小于相电流时的等效电路 图3 - 4 没故障时，限流电感电流大于相电流时的等效电路 3 2 2 单相接地短路故障时的工作原理 本节在所有类型故障情况下对s s f c l - r 作原理的分析将以图3 5 的三相电压 波形为参照的。 仉l i c u o f x f k 嗣l 粥；洋x t i t 2 t 3t4t6t6t7协tlt2”“tst6t7t 8 蚀t l o ( 丑) 相正向过零( b ) 相负向过零 图3 - 5 三相电压波形图 当发生单相接地短路故障时，三相桥式s s f c l 的工作原理可根据发生故障的 时刻不同，分为两种情况讨论。以下的讨论都是以a 相产生单相接地故障为例， 其他两相产生的单相接地故障的分析跟a 相的分析是一样的。 第一种情况是发生短路时故障相相电压为正。假设在a 相电压正向过零时产 生a 相接地短路。由于一开始短路时，a 相的电流小于限流电感的电流，所以限 流电感还是被t 和d 4 短接，e 点和f 点都接地。这时，由于a 相、c 相电压为正， 天津大学硕士学位论文第三章新型桥式s s f c l 在三相电网中的应用 b 相电压为负，所以t l 、t 3 、现管导通，b 相和c 相正常工作，而a 相由于接地 短路，电流增加得很快。等效电路如图3 - 6 ( a ) 所示。 在t 。时刻，当a 相的短路电流和c 相相电流之和大于限流电感的电流时， 电感的两端电压为负。然而d 。和l 是否都关闭，可以通过下面的分析得出结果。 假设m 是断开的，d 两端的电压是一端接地，另一端的电压u ，。在仉没断开之 前，f 点接地，这时因为b 相电压为负，a 相和c 相电压都为正，因此只有观导 通。因此这时f 点的电压值为u f = i x r b - u b = o ，即u b = i x r b ，i m 为b 相相电流，为b 相负载电阻值。而当d 4 断开后，b 相电流变为限流电感的电 流，u f = i l x r b u b = ( i l - i m ) x r b 。由于i l 比i 大很多，因此仉断开后，u f 0 ， 因此这时仉会承受正向电压而导通。所以d 。是导通的而不是断开的。 通过以上分析可以知道，d 。是否导通可以这样认为：如果限流电感的电流比 流过d 。、d ：和现电流之和要大的话，d 。就导通。同样按照这种方法来分析l 是否 关闭。由于流过t 。的a 相短路电流和流过t 。的c 相相电流之和比限流电感电流 要大，所以l 是关闭的。 这时e 点的电压u e = u ，这时c 相负载两端电压为线e e , u c a 因此，此 时b 相正常工作，c 相在线电压情况下工作，故障相a 相串入限流电感工作，这 时的等效电路如图3 - 6 ( b ) 所示。 在t z 时刻，a 相电压和c 相电压相等，u “= 0 ，c 相电流为零。之后u c 电 压变负，因此b 在t ：时刻断开。此时c 相不工作，b 相正常工作，故障相a 相串 入限流电感工作。等效电路如图3 - 6 ( c ) 所示。 在t 。时刻，c 相负向过零，由于d 。导通，f 点接地，所以当c 相电源变为负 后，现将承受正向电压而导通。这时b 、c 两相正常工作。等效电路如图3 - 6 ( d ) 所示。 在t ；时刻，b 相电压正向过零，d ：承受反向电压而截止。由于这时候t 2 已经 没有触发脉冲，就算在t 。时刻之后b 相电压比a 相电压大，孔也不会导通。因此 在t 。时刻后，b 相不工作。等效电路如图3 6 ( e ) 所示。 在t ，时刻，a 相电压负向过零，限流电感电流有减小的趋势，因此限流电感 两端电压为正，从而使d ，导通，限流电感将通过t ，、d 。来续流。这时f 点电压为 u ，而u u c ，因此d a 将承受正向电压继续导通，而c 相负载将在线电压u “ 下工作。因为流过d 。、d 。的电流之和大于限流电感电流，所以d 。关闭。这时等效 天津大学硕士学位论文第三章新型桥式s s f c l 在三相电网中的应用 电路如图3 - 6 ( f ) 所示 t 图3 - 6s s f c l 在a 相接地时的各种工作情况 在b 时刻后，u u c ，d 3 继续导通，c 相负载在u c 下工作。在t 。时刻后，u u ， 所以l 继续导通，t 。截止，这时候限流电感两端电压为c 相的相电压，a 相不工 作，b 相正常工作，c 相串入限流电感工作。在t s 时刻，u ， u 。，所以d ：继续导通，这时b 相和c 相串联形成回路，b 相负载在线电压 u c b 下工作。在t 4 时刻，u 。 u 。，d 2 截止，这时三相电路都不工作，给t s 触发 脉冲，使限流电感通过t 5 换流，断开故障电路。这时切断电路的时间为1 4 个 工频周期。 第三种情况是产生故障时两个故障相的电源电压都为负，当检测到故障后， 为了使l 能够截止，并不是马上撤消各管子的触发脉冲，而是等到这两个故障 相中有一相的电源电压变为正之后才撤消各管子的触发脉冲。以a 相电压负向过 零时，a c 两相接地短路为例。在t ，时刻之后，短路电流大于限流电感电流，d 截止，由于u 。 u 所以d 。截止，a 相不工作，限流电感的两端电压为c 相的相 电压，c 相串入限流电感工作，b 相正常工作。在t ：时刻，u u c ，所以 l 继续导通，b 相在线电压u 。下工作。在这之后b 相电路或断开或在线电压下 工作，而a 、c 两故障相串入限流电感工作，限流电感两端电压一直为u 。到 天津大学硕士学位论文第三章新型桥式s s f c l 在三相电网中的应用 了t ，时刻，a 相正向过零，由于u ，吐j ，因此仉将承受正向电压