一種智能型故障電流限制器的製作方法

2023-07-08 06:48:46 1

專利名稱：一種智能型故障電流限制器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電力系統靈活交流輸電(FACTS)領域的故障電流限制器，具體涉及一種限流電抗靈活可調的智能型故障電流限制器。
背景技術：
隨著電力系統電源容量和負荷的迅速增長，系統的短路水平不斷上升，不少地區的短路容量已經達到甚至超過了斷路器的遮斷容量，這就為電力系統的安全穩定運行帶來了很大的隱患。為解決該問題，業內採用了包括電網解列、母線分裂、安裝串聯電抗器和高阻抗變壓器等手段在內的多種技術方案來應對。理論研究和工程實踐表明，基於晶閘管保護串聯電容器(TPSC)技術的串聯諧振式故障電流限制器(以下簡稱FCL裝置)能夠在限制系統短路電流水平的同時，不影響系統正常運行狀態下的潮流分布，運行可靠、靈活，並於2009年12月開始工程實際應用。2009年5月，國家電網公司首次提出了「智能電網計劃」，智能電網將為新能源接入電力系統提供良好的技術平臺。根據預計，2020年，中國可再生能源裝機將達到5. 7億千瓦，佔總裝機容量的35%，每年可減少煤炭消耗4. 7億噸標準煤，減排二氧化碳13. 8億噸。 其中，風能、太陽能等非水電的可再生能源比例將大大提高。新能源大多具有季節性、間歇性、波動性等特點，這就導致電網短路水平在不同季節、不同時段變化顯著。特別是大規模分布式電源、可再生能源等「即插即退」式電源的推廣應用，將導致系統短路水平呈現周期性或隨機性變化的趨勢。常規的FCL裝置很難對未來電網的狀態變化做出靈活響應。在新能源大規模接入的智能電網環境下，最大運行方式和最小運行方式對應的系統短路容量十分懸殊，按照最小運行方式下的系統阻抗來確定限流電抗參數可能無法確保線路斷路器能夠遮斷系統最大的短路電流；反之，按照最大運行方式下的系統阻抗來設計限流電抗器會大大提高損耗，降低FCL裝置運行的經濟性。同時應注意到，傳統的FCL裝置中，電容器僅用於在正常運行狀態下抵消限流電抗器的感抗，並未發揮串聯補償的作用，而串聯補償對於電力系統的穩定運行具有十分積極且重大的影響。

發明內容
針對現有技術的不足，本發明提出了一種分級式的智能型故障電流限制器的技術實現方案。本發明提供的智能型故障電流限制器根據電網的運行方式變化，靈活調節其工作模式，實現有效降低系統短路電流水平、提高系統穩定性、降低損耗等多個目標；並且本發明能夠適應智能電網的運行要求，為智能電網的安全穩定運行和大規模可再生能源的 「即插即退」式靈活接入提供技術支撐。本發明採用下述方案予以實施一種智能型故障電流限制器，其特徵在於，所述故障電流限制器包括串聯的可控補償電容模塊和可控限流電抗模塊；所述可控補償電容模塊中的電容器組1和可控限流電抗模塊中的可控限流電抗器7串聯。
本發明提供的一種優選的技術方案是所述可控補償電容模塊包括電容器組1、 金屬氧化物限壓器M0V2、閥控電抗器3、晶閘管閥4、阻尼電路D、火花間隙GAP5和旁路斷路器6 ；所述閥控電抗器3和晶閘管閥4串聯，組成閥控電抗器3-晶閘管閥4支路；所述電容器組1、金屬氧化物限壓器M0V2、閥控電抗器3-晶閘管閥4支路、火花間隙GAP5和旁路斷路器6依次並聯；所述阻尼電路D連接在閥控電抗器3-晶閘管閥4支路以及火花間隙GAP5 之間。本發明提供的第二優選的技術方案是所述可控限流電抗模塊包括可控限流電抗器7、第一隔離刀閘8、第二隔離刀閘9、第一接地刀閘10、第二接地刀閘11和旁路刀閘12 ； 所述可控限流電抗器7和第一隔離刀閘8串聯；所述第一接地刀閘10連接在可控限流電抗器7和第一隔離刀閘8之間；所述第二隔離刀閘9和電容器組1串聯；所述第二接地刀閘 11連接在電容器組1和第二隔離刀閘9之間；所述旁路刀閘12兩端分別連接第一隔離刀閘8和第二隔離刀閘9。本發明提供的第三優選的技術方案是所述電容器組1和閥控電抗器3-晶閘管閥 4支路並聯來調節可控補償電容模塊的容抗值。本發明提供的第四優選的技術方案是所述可控限流電抗模塊採用電抗器型分級可調方案和變壓器型分級可調方案來調節可控限流電抗模塊的感抗值。本發明提供的第五優選的技術方案是所述智能型故障電流限制器具備諧振、補償、限流和強補四個工作模式，並可根據需要在四個工作間自動、快速轉換。與現有技術相比，本發明達到的用有益效果是(1)本發明的技術方案明確，主電路結構合理，便於設備製造與集成；(2)本發明可根據系統短路容量的變化，分級調節接入的限流電抗器的參數，具有更強的系統適應性和運行的靈活性，同時能夠降低裝置的損耗；(3)在正常運行狀態下，調節可控限流電抗與可控補償電容兩大模塊，可使智能型故障電流限制器運行在串聯補償的狀態下，提高系統的輸送能力；(4)在故障清除後，可使智能型故障電流限制器運行在「強補」模式下，有利於增大系統阻尼，提高系統穩定暫態與動態穩定極限；(5)本發明提供的智能型故障電流限制器運行方式智能、靈活，可適應多種系統工況的運行要求，可顯著提高電力系統運行的安全性、穩定性、靈活性與經濟性；(6)可在本發明產品的設計和集成中借鑑可控串補、故障電流限制器的成熟經驗， 便於工程實現。


圖1是智能型故障電流限制器原理示意圖；圖2是可控補償電容模塊等效容抗值的運行特性曲線；圖3是電抗器型分級可調方案示意圖；圖4是變壓器型分級可調方案示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做進一步的詳細說明。
本發明提出的智能型故障電流限制器的主電路原理示意圖如圖1所示。智能型故障電流限制器由可控補償電容和可控限流電抗兩大功能模塊串聯構成，圖1中被虛線框內的部分即為可控補償電容模塊，由電容器組1、金屬氧化物限壓器(M0V)2、晶閘管閥4、閥控電抗器3、阻尼電路D、火花間隙(GAP) 5、旁路斷路器6組成。MOV是電容器組的過電壓主保護設備，確保電容器組的安全運行。GAP是電容器組的後備保護設備，在MOV的運行狀態 (能耗、溫度、電流等)達到整定值時被觸發，確保電容器組和MOV的安全。需要指出，在本發明中，GAP並非是必需的構成設備，在不裝設GAP的情況下可以依靠晶閘管閥實現快速旁路功能，不包含GAP的主電路方案仍屬於本專利的保護範圍。旁路斷路器在GAP觸發後合閘，為GAP去游離提供通路，同時也是完成投退操作的必需設備。阻尼電路用來限制電容器組放電電流的幅值和頻率，保護相關設備不被損壞。可控補償電容模塊的等效容抗值是由智能型故障電流限制器的控制保護系統(指得是智能型故障電流限制器的二次部分)對晶閘管閥導通角的調節來實現的，二者的函數關係參見圖2。由圖2可見，可控補償電容模塊的等效容抗值在一定的範圍內是連續可調的。圖1中「可控限流電抗器」表示智能型故障電流限制器的可控限流電抗功能模塊， 本發明提出了該功能模塊的兩種可行的實現方案(1)電抗器型分級可調方案電抗器型分級可調方案示意圖如圖3所示。圖3所示的實例為三組電抗器L組成的可控限流電抗功能模塊，在實際應用中，應根據需求確定電抗器的數目。每一組限流電抗器兩端並聯晶閘管閥T(含限流小電抗Ls)和旁路斷路器。通過控制晶閘管閥與旁路斷路器的開通和關斷，能夠實現四個等級的電抗器接入方案(投入零、一、二、三組電抗器)。晶閘管閥支路可以保證在需要的情況下(如故障清除後系統處於搖擺過程)快速切除電抗器， 提高裝置的容性補償度，起到「強補」的作用；如果對旁路斷路器的動作時間要求不高，在設計中依靠可控補償電容模塊實現「強補」功能，則晶閘管閥支路可以省略。為了減小設備的佔地，也可採用在線圈中引出抽頭的方式實現限流電抗的分組。(2)變壓器型分級可調方案變壓器型分級可調方案示意圖如圖4所示。變壓器的一次繞組接入系統，在二次繞組引出抽頭，構成分級投切的結構。圖4所示的實例中，變壓器二次側引出三個抽頭，並分別與開關Κ1、Κ2、Κ3連接。在實際應用中，可根據需求確定抽頭的數目。通過對開關Κ1、 Κ2、Κ3的分合間操作，可改變變壓器副邊接入電抗的大小，進而調節變壓器一次側呈現的電抗。假定變壓器漏抗為XL，圖4所示的主電路所呈現的阻抗可在表1所示的4種狀態間切換。表1變壓器型分級可調方案限流電抗接入狀態
幵關狀態限流電抗接入情況KlΚ2Κ3----合XL--合分XL+Xk3合分分XL+Xk3+ Xk2分分分XL+Xk3+ Xk2+Xkl
需要指出，圖4中的K1、K2、K3表示旁路機構，可以用旁路斷路器來實現，也可在斷路器兩端並聯晶閘管閥，提高裝置的響應速度。與電抗器型分級可調方案類似，晶閘管閥為可選的設備。如果對旁路斷路器的動作時間要求不高，在設計中依靠可控補償電容模塊實現「強補」功能，則晶閘管閥支路可以省略。可控補償電容功能模塊和可控限流電抗功能模塊運行狀態靈活可控，由二者組成的智能型故障電流限制器可工作於下述四種模式，大大提高了成套設備運行的靈活性和經濟性，實現了對故障電流限制器的「智能化」控制。智能型故障電流限制器的控制保護系統根據監測和輸入的系統狀態數據，智能調節裝置的運行模式，以實現對系統安全穩定性的支撐功能。四種模式如下(1)諧振模式可控限流電抗模塊和可控補償電容模塊處於工頻串聯諧振狀態， 智能型故障電流限制器的接入不影響系統潮流分布。(2)補償模式可控補償電容容抗值大於可控限流電抗的感抗值，智能型故障電流限制器呈現容性補償狀態，提高系統的輸送能力。(3)限流模式可控補償電容被旁路(晶閘管閥、火花間隙、旁路開關多重措施確保動作的快速性和可靠性)，可控限流電抗投入系統，將故障電流限制允許範圍內。(4)強補模式通過調節可控補償電容模塊晶閘管閥觸發角和快速旁路可控限流電抗模塊(後者僅在可控限流電抗模塊配置了晶閘管閥的情況下採用)，使裝置在短時間內(如2 5秒)呈現大容抗狀態(如1. 2p. u)，利於提高故障後系統的暫態和動態穩定性。當電力系統處於正常運行狀態，智能型故障電流限制器對應的工作模式為諧振模式或補償模式。此時，可控限流電抗模塊呈現的電抗值取決於系統當前運行方式下的短路容量，確保當可控電容被旁路、可控限流電抗接入後能夠將短路電流降低到廠站相關設備的遮斷容量以下。諧振模式下，智能型故障電流限制器呈現的等效阻抗為零，智能型故障電流限制器的接入不影響電力系統的潮流分布；如果線路潮流較重，可將裝置調至補償模式， 提高輸送能力。當智能型故障電流限制器檢測到電力系統發生短路故障後，即進入限流模式，降低故障電流，以利於線路斷路器安全可靠地清除故障。當故障清除後，系統會進入暫態搖擺過程(典型持續時間2 5秒)，可將智能型故障電流限制器調至強補模式，提高系統的暫態和動態穩定水平。在智能型故障電流限制器運行過程中，如果出現常規機組開停機、分布式電源投退、網絡結構變化等影響短路容量的事件，智能型故障電流限制器的控制保護系統將根據人工輸入或監測數據，計算可控限流電抗的目標阻抗，並根據智能型故障電流限制器當前的工作模式，發出控制命令，調節可控限流電抗和可控補償電容的阻抗值。本發明提出的智能型故障電流限制器在電網正常運行時表現為零阻抗或零容抗， 以達到不改變潮流分布的目的或提高系統穩定性的作用；在電網發生短路故障時，迅速呈現高阻抗以限制故障電流，確保電網與設備安全。本發明提出的智能型故障電流限制器由可控限流電抗功能模塊和可控補償電容功能模塊串聯而成。可控補償電容的實現方案與目前已經獲得大量工程應用的可控串補的電路方案類似，技術成熟，運行可靠性高。本發明還就可控限流電抗的主電路提出了兩種技術實現方案。通過適當調節可控限流電抗和可控補償電容的阻抗值，改變智能型故障電流限制器整體呈現的阻抗特性，調節接入系統的電抗值，適應系統短路容量發生波動時的需要，既能有效限制短路電流，又可降低智能型故障電流限制器的損耗，提高系統穩定性，大大提高了智能型故障電流限制器運行的靈活性和經濟性。 最後應該說明的是結合上述實施例僅說明本發明的技術方案而非對其限制。所屬領域的普通技術人員應當理解到本領域技術人員可以對本發明的具體實施方式
進行修改或者等同替換，但這些修改或變更均在申請待批的權利要求保護範圍之中。
權利要求
1.一種智能型故障電流限制器，其特徵在於，所述故障電流限制器包括串聯的可控補償電容模塊和可控限流電抗模塊；所述可控補償電容模塊中的電容器組(1)和可控限流電抗模塊中的可控限流電抗器(7)串聯。
2.如權利要求1所述的智能型故障電流限制器，其特徵在於，所述可控補償電容模塊包括電容器組(1)、金屬氧化物限壓器M0W2)、閥控電抗器(3)、晶閘管閥0)、阻尼電路D、 火花間隙GAP(5)和旁路斷路器(6)；所述閥控電抗器(3)和晶閘管閥串聯，組成閥控電抗器(3)-晶閘管閥(4)支路；所述電容器組(1)、金屬氧化物限壓器MOVO)、閥控電抗器 (3)-晶閘管閥(4)支路、火花間隙GAP(5)和旁路斷路器(6)依次並聯；所述阻尼電路D連接在閥控電抗器(3)-晶閘管閥(4)支路以及火花間隙GAP(5)之間。
3.如權利要求1所述的智能型故障電流限制器，其特徵在於，所述可控限流電抗模塊包括可控限流電抗器(7)、第一隔離刀閘(8)、第二隔離刀閘(9)、第一接地刀閘(10)、第二接地刀閘(11)和旁路刀閘(12)；所述可控限流電抗器(7)和第一隔離刀閘⑶串聯；所述第一接地刀閘(10)連接在可控限流電抗器(7)和第一隔離刀閘(8)之間；所述第二隔離刀閘(9)和電容器組(1)串聯；所述第二接地刀閘(11)連接在電容器組⑴和第二隔離刀閘 (9)之間；所述旁路刀閘(12)兩端分別連接第一隔離刀閘⑶和第二隔離刀閘(9)。
4.如權利要求2所述的智能型故障電流限制器，其特徵在於，所述電容器組(1)和閥控電抗器(3)-晶閘管閥(4)支路並聯來調節可控補償電容模塊的容抗值。
5.如權利要求3所述的智能型故障電流限制器，其特徵在於，所述可控限流電抗模塊採用電抗器型分級可調方案和變壓器型分級可調方案來調節可控限流電抗模塊的感抗值。
6.如權利要求1-5任一所述的智能型故障電流限制器，其特徵在於，所述智能型故障電流限制器具備諧振、補償、限流和強補四個工作模式，並可根據需要在四個工作間自動、 快速轉換。
全文摘要
本發明涉及一種限流電抗靈活可調的智能型故障電流限制器，該故障電流限制器由可控補償電容和可控限流電抗兩大模塊串聯組成；本發明提供的智能型故障電流限制器根據電網的運行方式變化，靈活調節其工作模式，實現有效降低系統短路電流水平、提高系統穩定性、降低損耗等多個目標；並且本發明能夠適應智能電網的運行要求，為智能電網的安全穩定運行和大規模可再生能源的「即插即退」式靈活接入提供技術支撐。
文檔編號H02H9/02GK102214917SQ20111016071
公開日2011年10月12日 申請日期2011年6月15日 優先權日2011年6月15日
發明者宋曉通, 戴朝波, 王宇紅, 石澤京 申請人:中國電力科學研究院, 中電普瑞科技有限公司