一种改进短路电流限制装置研究

摘要：文章提出了一种改进的短路电流限制装置，其能够在限制短路电流的同时提高电路的电能质量，在非故障时给系统提供一定的无功进行多目标补偿解决系统供电的复合电能质量问题，在故障状态下，能够快速切换工作模式对短路电流进行限制。

关键词：电能质量；短路电流；限制装置；前馈解耦

中图分类号：TM761 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）26-0017-04

1 概述

随着技术不断发展进步，用户对供电电能质量有了新要求。

电能质量问题包括电压波动与闪变、电压暂降暂升、电压不平衡以及电力谐波等；其中电压恒定是用户的基本要求，电压暂降会导致设备发热和输出功率的增加或减少，电压暂升超过限值会导致电气绝缘击穿和设备的毁坏；在诸多电能质量问题中，电压暂降所受到的关注一直是最多的，在欧洲由电压暂降引起的用户投诉占整个电能质量问题的80%以上，而由谐波、开关误操作等引起的电能质量问题投诉不到20%。由此可见，电压暂降是电力系统中造成公害最大的电能质量问题，有必要采取积极、有效的措施对其进行治理以防止其给电力用户带来影响。

目前治理电压暂降的主要方法有：

（1）利用电压恢复器（DVR）。

图1 单相DVR结构原理图

如图1所示为DVR常用拓扑结构，此种拓扑下的DVR与UPS电源工作原理类似，当线路电压出现偏差时，其能够在5ms内实现补偿，补偿速度快，但是其容量有限、控制复杂并且价格昂贵。

（2）静止无功补偿设备（SVC）。SVC因其优越的暂态性能以及设备控制简单的特性受到广泛使用，目前用于抑制电压暂降和暂升的主要是基于TCR的SVC，但是其调节时间长，并且会带来谐波，对电压暂降和暂升的抑制能力有限。

（3）不间断电源（UPS）。UPS作为后备电源使用时，响应时间只需2～4ms，但是其不足在于容量小、价格昂贵，一般适合用于对于电能质量要求很高的重要负荷的电压波动抑制。

本文提出了一种新型补偿器，正常运行时，装置注入补偿电流，用以补偿电源电压在电抗器上产生的电压降落；电能质量不符合要求情况下，装置注入补偿电流保持负载侧电压稳定；短路情况下，接入串联电抗器起限制短路电流作用。

2 主电路拓扑设计

图2 新型短路电流限制器拓扑

如图2所示为新型短路电流限制器拓扑，设备包括电抗器、逆变器、滤波器、电容器、保护系统和控制器。系统正常运行时，逆变器对系统负荷侧进行无功、谐波等补偿使得负荷侧电能质量符合国家标准要求，同时，向电网注入相应无功功率，用以补偿串联在线路上电抗器产生的电压降落；当系统出现短路故障时，换流器迅速从电网中切除，短路电流流过限流电抗器，而不经过换流器，保护了装置。对于补偿器，本文采用了背靠背换流器的形式，此方法省去了常见DVR设备中的储能设备，一方面减少了储能设备的投资，另一方面整流器侧采用PWM整流能够很好地保持电压，取能来自电网自身，所以能够长期运行，不需要考虑储能设备的充电或者放电等保养问题。

3 电路工作原理以及控制策略

3.1 补偿控制策略

图3 系统等效电路

如图3所示为补偿系统等效结构图，通过向系统注入补偿电流，从而实现对系统电压的稳定。

对于电压暂降电能质量问题时，系统控制目标的确定，按照不同的情况有以下三种控制目标：

3.1.1 完全补偿法：其目标是保持负荷侧电压与电源侧电压一致，即有效值相等。严格时要求相位也相同。系统发生暂降后，不考虑相位跳变补偿器功率可表示为：

（1）

其中，Usag为暂降后电压标幺值，Z=R+jX为电源侧等效阻抗和负载侧等效阻抗并联值。

3.1.2 零有功功率注入法：其要求换流器系统不需要注入有功功率。如果单一进行无功补偿，此种办法可以，但是对于本文中多目标电能质量补偿来说其包含谐波补偿，其必定会带来有功的注入，所以不合理。

3.1.3 最小视在功率注入法：其本质上是要求注入电流最小，但是采用此种办法会导致负载侧功率因数偏低，达不到本文相应要求。

综上本文选用完全补偿法实现补偿。

3.2 PWM换流器控制策略

对于背靠背换流器，整流器的控制策略的稳定关系到整个补偿系统运行的稳定。如图4所示为基于前馈补偿解耦输入电流与直流侧电压的双闭环控制策略框图，通过引入前馈量实现dq轴分量的解耦控制，解耦过程见图5所示，通过引入ω0Liq与ω0Lid两个前馈量将耦合量抵消从而实现dq轴解耦控制。控制系统中电压外环的主要作用是维持直流侧电压恒定，其PI参数的设定目标主要是提高抗干扰性，电流内环的主要作用是增加控制器响应速度，由于都采用了PI调节器，所以能够很好地消除静差。基于前馈补偿解耦控制策略的PWM换流器通过电流环的调节自动改变、可以实现功率的双向流动。

图4 PWM整流器控制策略

图5 前馈解耦过程

4 仿真验证

4.1 复合补偿仿真

本文设计PWM整流器控制框图如图6所示。包括电压外环、电流内环，电流大小指令由电压外环PI调节器输出给定，乘上一个与电源同相的单位正弦波形便得到电流控制信号，再经过PI调节器与三角波进行比较得到IGBT开关的控制信号。

图6 PWM直流侧控制框图

图7 三相不平衡暂降补偿前后波形

本文此处考虑发生三相电压不平衡暂降扰动情况下的复合补偿，设定A相暂升35%，B相保持不变，C相暂降30%，补偿前后负荷侧电压波形分别如图7（a）、图7（b）所示。

可以知道补偿效果明显，响应速度很快，在5ms以内，取得了很好的效果，证实了控制策略的有效性。

4.2 短路电流限制仿真

短路电流计算过程中，线路阻抗很小所以忽略，设m为短路电流比，其计算式：

（2）

其中，I1为限制前短路电流，I2为限制后短路电流，XL为串入电路电抗，Xs0为发生短路故障时，短路电流回路电抗值，设定m=9。

在PSCAD/EMTDC仿真环境下，规定1.0～1.3s系统发生接地故障，如图8所示为加入电抗器前后短路电流，显然接入限流电抗器后，故障电流明显减小，峰值从7kA减小到0.7kA。

5 物理实验验证

物理实验电路拓扑如图2所示，控制策略见图4与图6所示；如图9所示为控制系统框图，DSP芯片负责人机接口控制算法以及故障检测的实现，数据的开入开出由FPGA实现，下层单元的控制由CPLD完成。物理平台搭建线路以及保护整定相关参数如表1、表2所示。

如图10所示为装置补偿无功电流和谐波复合电能质量问题时的效果。

如图11所示为装置补偿谐波电流、无功电流以及不平衡电流效果图。

由图10与图11补偿前后的效果，可以明显看出装置多目标补偿效果明显，证实了控制策略的有效性。

6 结语

本文提出了将对故障电流的抑制融入了无功补偿设备中，此处的优势在于无功补偿设备补偿了其产生的无功电流，同时由于设置了保护措施，所以在故障时刻能够及时地切除补偿设备而限流器同时发挥故障电流限制作用。通过对控制器设计，补偿设备可以进行多目标补偿，物理实验考查了该装置对于复合电能质量问题的补偿效果，结果证明控制策略有效，补偿效果很好。

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作者简介：吕华（1980—），男，就读于华北电力大学，浙江临安市供电局高级工程师，研究方向：电力电子在电力系统中的应用。