一種限流式UPFC保護系統的製作方法
2023-06-08 03:42:36
本發明涉及一種限流式UPFC保護系統，屬於電網保護領域。
背景技術：
統一潮流控制器（Unified Power Flow Controller，UPFC）是目前綜合功能最為強大的FACTS裝置。但截至目前世界範圍內真正投入工業化運行的UPFC極少，其在工業化應用的道路上還存在著諸多問題。例如，其必須有應對系統短路故障電流和系統高電壓衝擊的能力以保證自身不受損害。浙江大學的學者在UPFC的基礎上提出一種限流式UPFC，能夠應對短路故障和電壓衝擊，並成功試製10kV樣機。但在高壓系統中，限流式UPFC還存在如下問題：1）限流式UPFC啟動過程中直流電容充電帶來的進線過電流問題；2）短路電流對逆變橋的衝擊和對直流電容引起的充電過電壓問題等。
有鑑於此，本發明人對此進行研究，專門開發出一種限流式UPFC保護系統，本案由此產生。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種限流式UPFC保護系統。
為了實現上述目的，本發明的解決方案是：
一種限流式UPFC保護系統，包括UPFC，所述UPFC進線端依次通過進線緩衝濾波電路、並聯變壓器與三相電路相連，所述UPFC出線端依次通過出線緩衝濾波電路、串聯變壓器與限流器相連；所述進線緩衝濾波電路和並聯變壓器之間串聯有進線過流保護電路，所述出線緩衝濾波電路和串聯變壓器之間並聯有輸出過壓保護電路，所述串聯變壓器直接接入三相電路。
作為優選，所述進線過流保護電路包括主開關、充電電阻板、充電開關和時間繼電器，所述主開關串接在進線主路中，充電電阻板和充電開關、時間繼電器串接後並聯在主開關的兩端，所述充電電阻板包括充電電阻和繼電器，所述電電阻和進線緩衝濾波電路的濾波電感串聯，可以防止充電電流過大和直流電容的過充。
作為優選，所述進線過流保護電路進一步包括一級變壓器和二級變壓器，三相電壓經過一級變壓器降壓到220V為主開關失壓線圈加電，再經過二級變壓器降壓並整流後為時間繼電器和常規繼電器提供直流電源，充電開關安裝在二級變壓器和充電電阻板之間，用於控制充電電阻板是否充電。
作為優選，所述輸出過壓保護電路包括過壓檢測控制器、所述過壓檢測控制器的輸出側並聯有晶閘管和整流橋。
作為優選，所述過壓檢測控制器包括數個相互連接的電阻、電容、二極體、穩壓二極體和三極體。過壓檢測控制器可以為晶閘管提供穩定的觸發電流直至限流器電路動作。
作為優選，所述進線緩衝濾波電路包括串接在進線主路上的數個濾波電感。
作為優選，所述出線緩衝濾波電路包括串接在出線主路上的數個濾波電感。
作為優選，所述限流器電路包括相互並聯的整流橋、續流管和限流電感，所述整流橋由晶閘管組成。
限流式UPFC保護系統工作原理：限流式UPFC裝置啟動時，電流從三相電路送電端通過並聯變壓器、進線過流保護電路、進線緩衝濾波電路給UPFC中的直流電容充電，該過程稱為不控整流充電，持續時間由進線過流保護電路中的時間繼電器設定，該過程結束後，進線過流保護電路中的主開關閉合，進線過流保護電路被短路，UPFC正常工作，輸出過壓保護電路和限流器不起作用；當三相電路受電端靠近UPFC裝置處發生短路故障時，輸出過壓保護電路中過壓檢測控制器檢測到故障並觸發晶閘管導通，使得進線緩衝濾波電路出線端被三相短接，UPFC得到保護，同時限流器通過串聯變壓器向三相系統無延時插入限流電感Ldc,限制系統短路電流的幅值和上升速度。
與現有技術相比，本發明所述的限流式UPFC保護系統具有如下優點：
1、通過進線過流保護電路和輸出過壓保護電路，可以保護限流式UPFC免受過壓過流危害，並且保護自動動作，沒有時延；
2、通過對充電電阻、濾波電感、二極體和晶閘管進行適當的參數選取，限流式UPFC保護系統可適用於不同電壓等級，尤其是高壓限流式UPFC的保護；
3、由於正常工況下，進線過流保護在直流電容不控整流充電結束後被短接，輸出過壓保護電路不動作，限流器續流管導通使得限流電感被短接，因此本保護系統對限流式UPFC的常規運行幾乎沒有影響；
以下結合附圖及具體實施例對本發明做進一步詳細描述。
附圖說明
圖1為本實施例的限流式UPFC保護系統原理圖；
圖2為本實施例的進線過流保護電路原理圖；
圖3為本實施例的過電壓保護動作後的電路簡化圖；
圖4為本實施例的過壓檢測控制器內部電路圖。
具體實施方式
如圖1所示，一種限流式UPFC保護系統，包括UPFC 1，所述UPFC 1進線端依次通過進線緩衝濾波電路2、並聯變壓器3與三相電路送電端相連，所述UPFC 1出線端依次通過出線緩衝濾波電路4、串聯變壓器5副邊與限流器8相連；所述進線緩衝濾波電路2和並聯變壓器3之間串聯有進線過流保護電路6，所述出線緩衝濾波電路4和串聯變壓器5副邊之間並聯有輸出過壓保護電路7，所述串聯變壓器5源邊直接串聯接入三相電路受電端。
如圖2所示，在本實施例中，所述進線過流保護電路6包括主開關Q1、充電電阻板61、充電開關K和時間繼電器Jt，所述主開關Q1串接在進線主路中，充電電阻板61和充電開關K、時間繼電器Jt串接後並聯在主開關Q1的兩端。所述充電電阻板61包括充電電阻R和常規繼電器J1-J3，所述充電電阻R和進線緩衝濾波電路2的濾波電感串聯，可以防止充電電流過大和UPFC內部直流電容的過充。所述充電電阻R採用大功率充電電阻，具體參數根據不同電壓等級的系統進行相應的調整。
所述進線過流保護電路6還包括一級變壓器T0和二級變壓器T1，三相電壓經過一級變壓器T0降壓為220V為主開關失壓線圈加電，然後再經過二級變壓器T1降壓並整流後為時間繼電器和常規繼電器提供直流電源，充電開關K安裝在二級變壓器T1和充電電阻板61之間，用於控制充電電阻板61是否充電。
進線過流保護電路6工作過程為：
1）進線通電前，將充電開關K打到閉合；
2）進線通電後，一級變壓器T0輸出電壓有效，主開關Q1失壓線圈加電，二級變壓器T1輸出電壓有效，時間繼電器Jt開始計時，充電電阻板61中的常規繼電器線圈J1、J2、J3迴路通電吸合開關，三塊充電電阻板61對主電路UPFC1中的直流電容C充電；
3）充電時間根據RC常數調節時間繼電器Jt；
4）當時間繼電器Jt延時結束後，主開關Q1自動儲能、自動合閘；
5）當進線分斷後，進線電壓消失，主開關Q1失壓線圈掉電，主開關Q1跳閘分斷，亦可用於緊急情況分閘。
本實施例所述的進線過流保護電路6為自啟動進線過流保護電路，採用電電阻R和濾波電感L串聯，以防止充電電流過大和直流電容的過充。在完成充電後，自動控制主開關Q1合閘，短接充電電阻R。
在本實施例中，所述輸出過壓保護電路7包括過壓檢測控制器71，所述壓檢測控制器71的輸出側並聯有晶閘管TH7和整流橋，所述整流橋由二極體DM1~DM6組成。在系統發生短路故障出現過電壓後，過壓檢測控制器71觸發旁路晶閘管TH7，依靠輸出緩衝電感的過渡，確保主電路UPFC1中的IGBT逆變橋不會過電流，同時將高壓短路衝擊電流（系統發生短路故障，會有很大的短路電流通過串聯變壓器耦合到UPFC的IGBT逆變橋）轉移至旁路晶閘管TH7，並逐漸衰減至零。過電壓保護動作後的電路模型如圖3所示，在a3、c3之間出現電壓超出保護櫃設定的檢測電壓時，晶閘管TH7被觸發導通，Ldc電流經DM1→TH7→DM2返回，形成迴路。
如圖4所示，所述過壓檢測控制器71包括數個相互連接的電阻、電容、二極體、穩壓二極體和三極體。其主要思路是利用短路過程中逐漸升高的D點電壓通過第六電阻R6、第五電阻R5分壓來控制C點的電位，以降低可控精密電壓源Ts的電位(B點電位)，使第一三極體Tk1導通，從而通過第二穩壓二極體Z2、第三電阻R3、第一電阻R1分壓控制晶閘管TH7導通，達到三相短接的目的。同時，由於晶閘管TH7的導通，第三電容C3電壓會通過第七電阻R7-晶閘管TH7-第三電容C3迴路放電逐漸降低，造成B點電壓的上升，引起第一三極體Tk1不穩定，圖4中其他的輔助電路正解決了這一問題：1）第三電容C3採用儲能大電容，為電路在晶閘管TH7開通後提供短暫的電壓支撐，使D點的電壓維持在一定電壓值之上。2）第一三極體Tk1導通同時，第二三極體Tk2也被導通，C點電壓通過R6和R4||R5分壓產生，使得C點的分壓比變高，在D點電壓下降的同時短暫維持C點電壓，保證A、B兩點的電壓差能維持第一三極體Tk1持續導通，為晶閘管TH7提供穩定的觸發電流直至限流器模塊動作，斷開系統二次側。通過過壓檢測控制器71，可以使輸出過壓保護電路7能在一定時間（與過壓檢測控制器71元件的參數選型有關）內維持晶閘管TH7可靠的導通，從而保證在限流器電路將短路故障切除之前（20ms內），UPFC1中的直流側電容和IGBT換流器能得到較好的保護。
限流式UPFC保護系統工作原理：限流式UPFC裝置啟動時，電流從三相電路送電端通過並聯變壓器3、進線過流保護電路6、進線緩衝濾波電路2給UPFC1中的直流電容充電，該過程稱為不控整流充電，持續時間由進線過流保護電路6中的時間繼電器設定，該過程結束後，進線過流保護電路6中的主開關Q1閉合，進線過流保護電路6被短路，UPFC1正常工作，輸出過壓保護電路7和限流器8不起作用；當三相電路受電端靠近裝置處發生短路故障時，輸出過壓保護電路7中過壓檢測控制器檢測到故障並觸發TH7導通，使得進線緩衝濾波電路2出線端被三相短接，UPFC 1得到保護，同時限流器8通過串聯變壓器5向三相系統無延時插入限流電感Ldc,限制系統短路電流的幅值和上升速度。
上述實施例和圖式並非限定本發明的產品形態和式樣，任何所屬技術領域的普通技術人員對其所做的適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明的專利範疇。