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文档简介

1、第十一届中国高校电力电子与电力传动学术年会多功能串联补偿器虚拟阻抗柔性限流及其运行机理1,1,1,2,1(1.湖南大学、电气与信息,长沙 410082;2. 长沙理工大学、电气与信息,长沙 410004)摘要:针对短路故障时冲击电流的柔性控制,提出了一种虚拟阻抗柔性限流的多功能串联补偿器(MSC-VIFCL)拓扑结构及控制策略。分析其在正常运行和不同类型短路故障时的工作状况及模式切换过程,阐述三相四桥臂串联逆变器中引入虚拟阻抗的控制方法,建立短路故障数学模型,并给出虚拟阻抗和晶闸管支路限流阻抗参数设计方法。仿真及实验结果表明,MSC-VIFCL 能有效抑制不同类型短路故障电流,故障发生后,虚拟

2、阻抗控制可实现电能质量补偿模式与限流模式间的平滑切换,设计晶闸管限流支路阻抗与继电保护整定值相配。:柔性限流 虚拟阻抗 模式切换 参数设计Multi-functional Series Compensator Flexible Current Limiting and ItsOperating MechanismTu Cming1,Xiong Zhuo1,Guo Qi1,Jiang Fei2,Jie1an University 、College of Electrical and Information Engineering, Changsha 410082 2. Changsha Univ

3、ersity of Science &Technology 、School of Electrical and Information Engineering ,Changsha 410004)Abstract: Aiming at flexible control of inrush current for short circuit fault, a topology and its control strategy of multi-functional(1.series compensator based virtual impedance flexible current limit

4、ing (MSC-VIFCL) are proed.ysis of its normal operation anddifferent types of short-circuit fault and the working mode of the specific pros of switching. The control method of virtual impedance inthree-phase four-leg inverters series converter isroduced, establishing mathematical mof short circuit fa

5、ult, and the design method ofvirtual impedance and thyristor current limiting impedance parameter is explained. Simulation and experimental results showt, theproed MSC-VIFCL can effectively suppress different types of short-circuit fault current, after the fault occurs, virtual impedance controlenab

6、les smooth switching betner quality compensation mode and current limiting mode, through the design of thyristor currentlimiting impedance to coordinate relay protection setting value.Key words: flexible current limit, virtual impedance,mode switching, parameter design目前基于电力电子技术的固态限流器是的热点。文献6-7分别利用串

7、联谐振电路阻抗为零、并联谐振导纳为零的特点设计出谐振式故障限流器。文献8提出一种带旁路电感的桥式短路故障0引言随着电力系统的升级改造,其规模与结构日益庞大和复杂,使得短路容量大大增加,短路故障对电力系统危害越来越大,严重威胁电力系统安全稳定运行1-3。同时,大量非线性、冲击性负荷接入导致电网电压出现波动、不平衡等问题,对敏感性负荷正常工作的影响巨大4-5。限流器,故障时桥路退出运行,旁路电感进行限流。文献9提出一种可控阻抗型桥式短路故障限流器,在限流电抗支路中串入并接的耗能电阻和绝缘栅双极型晶体管(),通过控制占空比调节限流阻抗大小。然而,上述限流器具有结构基金项目:国家自然科学基金项目(51

8、377051)Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51377051)多功能串联补偿器虚拟阻抗柔性限流及其运行机理功能单一、价格成本高的缺点,且电网故障的频次非常低,单一的故障限流器长期处于闲置,与其高昂的价格不匹配。为此,文献10提出一种具有短路限流功能的潮流控制器(UPFC-FCL),正常运行时为常规UPFC;短路故障时限流模块由零阻抗转变为抗,限制短路电流。之后,文献11对其进行改进,限流模块由不控整流桥组成。此类拓扑能实现电能质量调节和故障限流双功能,但其 UPFC 模块与限流模块相对独立,

9、各元器件功能复用少,主要元器件仍然处于闲置状态。为提高元器件复用率,文献 12-14提出一种新型多功能固态限流器,正常运行时优化电压质量;故障时通过串联变压器、晶闸管短路支路、晶闸管旁路电抗支路进行限流。但该拓扑在短路故障发生瞬间的过电流得不到抑制,且存在短时的不控状态使得线路电流趋于零,对故障检测造成影响。针对上述不足,本文充分结合新型多功能固态限流器与虚拟阻抗控制的优点提出 MSC-VIFCL 拓扑结构和控制策略。分析其正常运行和短路故障限流的工作原理及模式间的切换过程,阐述串联逆变器中引入虚拟阻抗的控制方法,给出虚拟阻抗和晶闸管支路限流阻抗的参数设计方法。故障发生后,通过虚拟阻抗柔性限流

10、实现电压补偿模式和故障限流模式间的平滑切换。投入晶闸管限流支路阻抗, 限制故障电流与继电保护整定值配合。对MSC-VIFCL 进行仿真和实验验证了该拓扑的有效性和可行性。1拓扑结构与控制系统组成本文所提MSC-VIFCL 的拓扑结构如图1 所示。左侧并联整流器采用三相三桥臂结构;右侧串联逆变器采用三相四桥臂结构。串联变压器二次侧采用星形连接方式,串联逆变器第四桥臂输出点 N 经输出电感 LN 接到变压器二次侧中性点 n;晶闸管限流支路由双向晶闸管 D 与限流阻抗 ZK 串联组成,并接于串联逆变器三桥臂输出点和中性点 n 之间。MSC-VIFCL 具有电压补偿和故障限流两种工作模式。正常运行时,

11、补偿电网电压不平衡、骤升、骤降等问题。短路故障时,串联逆变器控制环中引入虚拟阻抗,控制调节逆变器输出阻抗,抑制短路故障电流上升速率,通过虚拟阻抗柔性限流,实现电压补偿和故障限流模式间的平滑切换,导通晶闸管限流支路并故障相,采用晶闸管限流阻抗限制短路电流,达成故障电流与继电保护整定值相配合。故障消除后,再次工作于电压补偿模式。USZLZSTC1L1L2nCabLNcNZKD晶闸管限流支路三相四桥臂串联逆变器并联整流器图 1 MSC-VIFCL 的拓扑结构第十一届中国高校电力电子与电力传动学术年会Fig. 1Topological structure of MSC-VIFC虚拟阻抗环节YZVFau

12、ltIPCfVvVrefV*abc1VsV*I*I*IVabcICdqCLLPIdq0Cf S Vsf电容电流参馈dq0abc图 2 串联变换器控制系统框图Fig. 2 Block diagram of series converter control system串联逆变器控制系统如图 2 所示。其中虚拟阻抗环Fig. 3 Switching pros of operation mode节为:通过故障检测判断是否引入虚拟阻抗,虚拟阻抗2.1 电压补偿阶段ZV 与逆变器输出电流 IP 作用产生电压降 VV,虚拟阻抗上的电压降VV 与给定参考电压Vref相减形成新的电压参考值V*。逆变器输出电压

13、Vabc 与电压参考值V*经abc-dq0正常运行时,晶闸管限流支路断开,系统处于电压补偿模式。其中,并联整流器保持直流侧电容电压稳定,并向串联逆变器供能;三相四桥臂串联逆变器解耦等效变换后的差值经过 PI 调节,再与电容电流参馈项相为三个独立的单相全桥逆变器,当三相输入不平衡时,加,实现三相解耦控制。滤波电感电流参考值 I *经空间逆变器各相之间互不影响,能独立各相的输入电压,L使得负载电压保持稳定15。2.2 故障限流阶段矢量电流调节器生成串联逆变器各个桥臂的控制信号。2工作模式分析,文献17短路故障时,为避免模块过流通过并延时导通晶闸管支路限流,但在其延MSC-VIFCL 工作模式切换过

14、程如图 3 所示。正常时过程中故障电流为零,对故障检测造成影响。本文通运行时补偿电网电压;短路故障时,首先通过虚拟阻抗过引入虚拟阻抗柔性限流,平滑切换工作模式后导通晶柔性限流完成模式间的平滑切换,保护短路时免闸管限流支路,实现故障电流与继电保护整定值相配合。受过电流冲击,然后投入晶闸管限流支路限制故障电流;1)虚拟阻抗限流系统运行时,t0 时刻负载侧发生短路故障,t1 时刻控制系统检测到短路故障发生,如图 4 所示串联逆变器故障消除后再次工作于电压补偿模式。具体暂态过程及控制策略在下文中进行详细分析。晶闸管限流支路限流虚拟阻抗柔性限流动态电压补偿模式动态电压补偿模式t5故障相控制环引入虚拟阻抗

15、,等效增大串联逆变器输出故障相故障相阻抗,限制瞬态故障过电流冲击,MSC-VIFCL 由电压晶闸管断开t4短故故 故障 障消 判除 定t3路 障补偿模式进入虚拟阻抗限流模式。故障t0判定封锁t2导通虚拟阻抗上压降为t12 LdI切换到短路故障限流切换到动态电压补偿 I2 =V V 2 V 2 PdtR(1) VP VVLR图 3 工作模式切换过程空间矢量电流调节器dq0abcN多功能串联补偿器虚拟阻抗柔性限流及其运行机理式中,RV 为虚拟电阻,LV 为虚拟电感,短路故障时电流突增使虚拟电感上压降 VL 极大,不利于逆变器控I 2U sin wt 。01ZL式中,LS,RS 分别为电压源内部电感

16、和电阻; 为故障时系统初始相位角;L 为串联变压器漏感;L1 为滤波电感;iap 为短路电流非周期分量,ip 为短路电流周期分量。制,可令 Z =R ,控制虚拟阻抗为纯阻性。同时,非故VV障相继续工作在电压补偿模式。NFault AY延时IPVVYFault B延时2)晶闸管限流支路限流虚拟阻抗柔性限流可保证故障瞬间电流上升率的有YFault C延时VaVrefV*Vb效抑制,控制模块在 t=t2 时发出故障相桥臂信号和晶闸管导通信号,此时串联逆变器故障相桥臂开Vc图 4 虚拟阻抗控制框图路,直流侧电容和晶闸管限流支路断开。等效拓扑如图Fig. 4 Block diagram ofvirtua

17、l impedance control6 所示,晶闸管限流支路阻抗ZK 接入串联变压器二次侧,与输出滤波电感 L1 串联后限流。通过设计晶闸管限流支路阻抗值,实现与继电保护整定值的柔性配合,保证继USZSZLTFiIPICILC1并联整流器输出虚拟阻抗ZVL1电保护装置安全切除短路故障。USZSFZL第四桥臂故障相桥臂T图 5 虚拟阻抗限流阶段等效拓扑C1并联整流器L1Fig. 5 Equivalent topology of virtual impedance currentZKDlimiting stage晶闸管限流支路效拓扑如 5 所示,串联逆变器输出阻抗可等效为虚图 6晶闸管限流支路限

18、流阶段等效拓扑拟阻抗 ZV,US 2U s为系统电压源(U 为系统相Fig. 6 Equivalent topology of thyristor branch current电压有效值,w 为系统角频率),线路电流为 i,变压器limiting stage变比 k=1,由电路图 5 拓扑,虚拟阻抗柔性限流2.3 故障消除阶段阶段有t=t3 时,短路故障消除,故障恢复阶段线路电流和晶闸管支路电流如图 7 所示。控制系统检测到故障消除后,t=t4 时控制模块发出晶闸管关断信号,是晶闸管过零关断,双向晶闸管过零关断,限流支路退出运行,线di LS L L1 RS RV i2U s(2)dt由式(2

19、) R t -t 2Usin wt ei(t) I1L01Z路电流迅速减小至正常运行时大小,系统重新工作于电(3)2U sin wt ii压补偿模式。appZ arctanL / RR RS RV , L LS L L1 ,ZvNN第十一届中国高校电力电子与电力传动学术年会ZVVref_d1tVdtt4图 9 d 轴电压环等效模型图 7 线路电流和晶闸管限流支路电流Fig. 9 Voltage loop equivalent min Synchronous d-frameFig. 7 Line current and thyristor branch current由图 9d 轴电压闭环传递函

20、数为KP S KiG S (4)CZ C K S 2 Z C K K S K3系统关键参数设计fV f PV fiPi其特征方程为3.1 虚拟阻抗参数设计虚拟阻抗参数值设计主要考虑两个方面:第一,从C Z C K S 2 Z CK K S K 0fV fPV fiPi(5)将特征方程化为1+K p s 0 形式,等效开环传递函数系统稳定性角度考虑,分析串联逆变器控制环中引入虚q s拟阻抗对稳定性的影响;第二,从直流侧电容电压角度p s ,其中K 为所需为G s 的参数,由式(5)考虑,分析虚拟阻抗限流对电容电压的影响。q s1)系统稳定性角度图 8 为串联逆变器在 dq 坐标下的控制系统框图,

21、输出电流 IP 经虚拟阻抗 ZV 形成前馈环节,与参考电压 Vref 得到新的参考电压 V*。耦合项 wCfVq 和-wCfVd 代表通过变换C K S 2 C K Sf Pf i 01+Z(6)V CS 2 K S KfPi图 10 为式(6)传递函数的根轨迹分析图,具体参数见后的滤波器的电容基波电流,通过电容电流参馈解表 1。通过根轨迹分析虚拟阻抗 ZV 取值范围为(0,3)。耦16。其中,电流调节器可看成为 1 的增益模块,由于d、q 坐标系具有对称性,以 d 轴为例,简化其控制框图如图 9 所示。8004000ZVIp_dVV_d Vref_d-400I*L_dV*Vabc_dII1C

22、ddLdC S f-800-wCfwCf-1200-800-4000流参wCf馈wCf图 10 变量 ZV 根轨迹I*L_qVref_qILqICqVabc_q1C S Fig. 10 Variable Z root locusfVVV_qIp_qZV2)直流侧电容电压角度图 8 dq 坐标下串联逆变器控制系统直流侧电容作为连接并联整流器和串联逆变器的储Fig. 8 Series converter control system in synchronous能装置,系统正常工作需维持直流侧电压稳定。虚拟阻抗柔性限流阶段系统潮流分析如图 11 所示。输出电流前馈K KiPS空间矢量电流调节器V*

23、q电容电空间矢量电流调节器K KiPS输出电流前馈Cf S K KiP S多功能串联补偿器虚拟阻抗柔性限流及其运行机理分量不超过短路电流 20%时,对断路器不造成影响 17。FPT PSPSi 最大起始值为短路电流周期分量的幅值,考虑直流分apP2P1量为最大值时的情况,设 iap 衰减到故障电流 20%所需时间为 t,有Udc并联变换器串联变换器r tr t2U2U2Ue (e) 20%ll(9)zzz图 11 虚拟阻抗柔性限流阶段潮流分析由式(9)Fig. 11 Trendysis of virtual impedance flexible current limitingl ln 4 t

24、 r在稳态运行状态时,直流母线电压基本为恒定值;而当短路故障时,网侧变换器和串联变换器之问的功率(10)其中,l L L L,r R R R ,z r2 (wl)2 。SKSK将不再相等,直流侧电压会由于网侧与串联变流器之问的功率失衡而发生抬升。串联变换器吸收有功率 P1,工作于整流器状态;并联变换器发出有功功率 P1,工作于逆变器状态。由于此时P1 P2 ,系统能量由串联变换器传递至直流侧电容,直流侧电压抬升,此时直流侧电压同时,为与继电保护整定值配合,保证继电保护装置正确判断故障并切断故障电流18,设正常运行时线路电流最大值为 IM,继电保护动作整定值为IM(为断路器动作系数),ZS 和

25、L 相对于晶闸管限流支路阻抗 ZK和滤波电感 L1 较相当于扰动量,对并网电流的动态响应过程产生冲击性忽略,有影响,并网电流 i0 增大,并联变换器向电网传输功率 P12U2U i I (11)MZ wLZ也迅速增大,达到P P 后直流侧电压重新稳定。K1L21由式(11)短路故障时直流侧电压最大值为 U ,忽略变换器CZ ZL wL(12)和变压器损耗,故障时直流侧电容为K11P P dtW U UC=22(7)晶闸管限流支路电阻功率为CC12222U2P i2 R U(13)RP P U i cos S cos(8)KK Z wLKK1 1SS LR wLV1由式(12)可知,为实现与继电

26、保护整定值相配合,由式(7)(8)可知,增大虚拟电阻 R 可减小串联V晶闸管限流支路阻抗 ZK 取值应在满足整定值的范围内。而由式(10)(13)可知,晶闸管限流支路阻抗 ZK 和滤波电抗 L1 取值一定时,限流电阻 RK 与衰减时间t 成反比,与电阻功率 PK 成正比。考虑故障时晶闸管限流支路功率等级,限流电阻 RK 的取值应保证衰减时间符合要求的情况下尽可能小。变换器吸收有功功率 P ,使电压 U 减小。1C基于以上分析,当电网短路故障时,通过设置合适的虚拟电阻参数,进一步网侧变流器的稳压能力、能量转移能力,尽量保证变流系统的能量平衡。3.2 限流支路阻抗参数设计故障相桥臂后,晶闸管限流支

27、路阻抗投入变压器二次侧,短路电流中非周期分量 iap 是按指数规4仿真与实验律衰减的直流分量,其衰度由系统时间常数决定。由于断路器额定开断短路电流用周期分量表征,当直流4.1第十一届中国高校电力电子与电力传动学术年会为验证本文所提MSC-VIFCL 的拓扑结构及其控制策略的可行性和有效性,对图 1 所示拓扑结构在柔性限流,直流侧电容电压抬升,0.34s 后晶闸管限流支路投入,直流侧电容电压恢复。可见,ZV =0.5 时电压抬升值 UC=860V,ZV =1 时电压抬升值 UC=730V。ZV=1.5 时电压抬升值 UC=680V。进行建模其短路故障限流能力和引入不同虚拟阻抗对直流侧电容电压的影

28、响。主要参数如表 1 所示。800表 1 仿真及实验参数700Tab.1 Main simulation parameter6005004 00.20图 13 不同虚拟阻抗直流侧电容电压仿真波形Fig. 13 Simulation waveform ofide of the capacitor voltagein different virtual impedance4.2 实验验证为验证理论分析的正确性,本文基于 RT-LAB 硬件在环实验,针对不同类型故障进行了实验验证,主电路与控制电路参数与仿真一致。1) 三相接地短路系统运行过程中,0.32s 节点 F 发生三相接地短路,负载电压跌落接

29、近于零,控制系统检测到三相短路故障,t1在串联逆变器控制环中引入虚拟阻抗,短路电流在增大过程中控制在 220A 左右;0.34s 投入晶闸管限流支路阻抗,短路电流限制在 180A 左右。0.44s 故障消除,系统恢复正常运行。(a)电网电压2000-2002000-20060020000.20.250图图 12 三相接地短路仿真仿真波形Fig. 12 Simulation waveform of three-phase to earth short-circuit(b)逆变器输出电压2) 不同虚拟阻抗直流侧电容电压三相接地短路故障时,不同虚拟阻抗 ZV 取值下直流侧电容电压波形如图 13 所示

30、。0.32s0.34s 时虚拟阻抗电容电压/V负载电压/V短路电流/AUC /VUS (200 V/格)UT (50 V/格)参数数值参数数值系统线电压/V380直流母线电压/ V600系统频率/ Hz50并联整流器滤波电感/ mH50串联逆变器滤波电感/ mH2串联逆变器滤波电容/ uF40串联逆变器PI 参数10/1直流侧电容/ uF5000虚拟阻抗/1.5限流电感/ mH1.8限流电阻/1.2线路阻抗/10变压器变比1断路器动作系数5多功能串联补偿器虚拟阻抗柔性限流及其运行机理直流侧电容电压抬升U CUCt (25 ms/格)t (25 ms/格)(c)直流侧电容电压(c)负载电压图 1

31、5 两相接地短路实验波形图 14 电压补偿功能实验波形Fig.15 Experimental waveform of two-phase to earthFig.14 Experimental waveform of voltage compensation functionshort-circuit ground图 14 为电压补偿功能实验结果。其中,正常运行时逆变器输出电压为零,t1t2 时网侧电压不平衡跌落,t3t4时网侧电压不平衡抬升,控制系统检测到网侧电压 US波动后,串联逆变器输出补偿电压 UT,由于解耦后各相图 15 为两相接地短路实验结果。可见 t1 时刻系统发生两相接地短路,

32、故障相电压减小至零,故障相电流迅速增大;非故障相电压略微增大,仍能正常运行。控制系统检测到故障后,在故障相逆变器控制环中引入虚拟之间互不影响,能独立输入电压,使负载电压 UL阻抗,限制故障电流上升,直流侧电容电压略微抬升。保持稳定。t2 时刻导通晶闸管限流支路,故障相模块,故障相电流得到有效限制,直流侧电容电压恢复,晶闸晶闸管限流虚拟阻抗限流管限流支路限流值与继电保护整定值相配合。t3 时刻故障消除,故障相线路电流和负载电压恢复正常。支路限流t1t2t3晶闸管限流支路限流虚拟阻抗限流t (25 ms/格)(a)两相接地短路电流t1t2t3非故障相负载电压tt13t (25 ms/格)(a)三相

33、接地短路电流t1t3t (25 ms/格)(b)负载电压t (25 ms/格)(b)负载电压I (100 A/格)UL (200 V/格)UL (200 V/格)U (200 V/格)I (100 A/格)Udc (200 V/格)t1Vt2第十一届中国高校电力电子与电力传动学术年会率高。直流侧电容电压抬升U C参考文献UC1. 国家电网发展模式J. 中国电机工程,学报, 2013, 33(7): 1-10.t (25 ms/格)Liu Zhenya, Zhang Qi.Study on the Development Mode ofNationaler Grid of ChinaJ. Pro

34、ceedings of the Csee, 2013,(c)直流侧电容电压33(7): 1-10.图 16 三相接地短路实验波形2,等.主动配电网规划关键问题与展,Fig.16 Experimental waveform of three-phase to earth望J.电工技术学报, 2014, 29(2): 13-23.short-circuitZhang Jianhua, Zeng Bo, Zhang Yuying,et al. KeyIes and图 16 为三相接地短路实验结果。t1 时刻电网发生三相接地短路,负载电压减小至零,线路电流迅速增大,Research Prospects

35、 of Active DistributionNetwork PlanningJ.Traniona of China Electrotechnical Society,2014, 29(2):控制系统检测到故障后,串联逆变器控制环中引入虚拟13-23.阻抗,有效限制故障冲击电流,同时虚拟阻抗柔性限流3,等. 基于静态安全性和实时供电能力的输电网安全时直流侧稳压电容为能量中转站,增加的能量使其电压等级J.电工技术学报, 2014, 29(6): 229-237.Ma Liye,et抬升。t2 时刻导通双向晶闸管,全部模块,al.Research on SecurityClassification

36、 of Transmis进入晶闸管限流模式,限流后线路电流值与继电保护整NetworkConsidering S icSecurity and Real-Timeer定值配合。t3 时刻故障恢复,检测到线路正常后,切断双向晶闸管模块,线路电压和电流迅速恢复正常。Supply CapabilityJ.Traniona of China ElectrotechnicalSociety, 2014, 29(6): 229-237.6结论4,高山,等. 含风电接入的电网规划方案电能估J.电工技术学报,2013, 28(8):56-65.本文提出一种虚拟阻抗柔性限流的多功能串联补偿Wang Shenzh

37、e,Shan, et al.Evaluation ofer Quality in器拓扑结构及其控制策略。仿真和实验结果验证了其可Grid Planning Scheme withWinderegrationJ.行性和有效性。主要结论如下:Tranionaof China Electrotechnical Society,2013, 28(8):1)短路故障发生后,通过虚拟阻抗柔性限流,限制56-65.瞬态故障过电流冲击,实现电压补偿模式和故障限流模5雪. 电能质量指标的完善化及其展望J. 中国电机工式之间的平滑切换。程学报, 2014, 34(29): 5073-5079.2)虚拟阻抗柔性限流

38、需考虑对控制系统稳定性和直流侧电容电压的影响。设计晶闸管限流支路阻抗,可实Lin Haixue. Perfectinger Quality Indiand ProspectJ.Proceedings of the Csee,2014, 34(29): 5073-5079.现故障电流与继电保护整定值相配合。6徐国政. 串联谐振型限流器对操作过电压,3)串联逆变器采用复用结构,减少了装置元器件数目,正常时进行电压补偿,故障时短路限流,装置利用的影响及分析J. 高压电气, 2009, 45(2): 44-47.Udc (200 V/格)Vt1t2多功能串联补偿器虚拟阻抗柔性限流及其运行机理Hong

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