新型磁控开关型故障限流器研究

论文摘要

随着我国工业现代化程度的快速提升,对其有重要保障作用的电力系统规模也随之不断扩大,从而对电网安全、稳定、可靠运行提出了新的、更高的要求。作为电力系统安全可靠运行重要措施之一,短路电流快速限制关键理论与装置的研究,已成为当前电力系统研究的前沿和热点课题之一。本文旨在研究一种新型磁控开关型故障限流器,研究其拓扑结构及限流理论关键技术,研制出新型磁控开关型故障限流器(220V/50A)样机。本文的主要研究工作包括以下几个方面:提出一种新型磁控开关型故障限流器的拓扑结构,该拓扑由具有磁控开关作用的三柱铁心、限流电感及可控偏置电源组成。正常运行时,利用磁饱和原理使三柱铁心边柱饱和,限流器处于低感抗状态;故障后通过磁路耦合方式将串联在偏置回路的限流电感自动接入故障回路,并通过控制偏置电流实现短路电流的快速限制,达到对电力系统保护的目的。这种拓扑具有故障电流快速跟踪、限流电感自动投切、稳态运行损耗小、基本无谐波、控制灵活有效、结构简单可靠的特点。新型磁控开关型故障限流器满足电力系统保护选择性、速动性、灵敏性、可靠性的要求,是电网安全保护的有效装置之一。分析了新型磁控开关型故障限流器的参数设计、磁场分布、损耗及温升等基础理论,编制了限流器参数设计、仿真计算的相关软件及限流器电磁场计算的有限元软件,并进行了仿真研究。研究结果表明:新型磁控开关型故障限流器限流效果好,故障后可以通过实施偏置电流的控制,达到短路电流限制的设定目标。本文提出的这种限流器故障后采用限流电感与交流线圈、偏置线圈等效阻抗共同作用模式,使得限流能力大大提高,并且降低了限流器的电压损耗。此方面的研究为限流器样机的研制及高压大容量限流器的研究提供了理论依据。研制了基于DSP和FPGA处理器的新型磁控开关型故障限流器控制系统。在系统软件实现上,针对限流器系统的非线性特性,提出了基于模糊PID的偏置电流控制方法,该方法具有不需要精确数学模型,可在线修改控制器参数的特点。偏置电流控制器硬件由(以DSP为核心的三相偏置电流)采样运算单元、(以FPGA为核心)数字移相触发控制单元及通讯单元组成。控制系统主要实现晶闸管触发、信号采样及采样数据的分析运算、滤波等功能,并与监测系统保持通讯。新型磁控开关型故障限流器控制系统的研制为限流器样机的实现奠定了技术基础。研制了220V/50A新型磁控开关型故障限流器样机,并进行了限流器控制系统性能测试、限流器系统的静态实验与动态实验、限流器损耗及温升测试。综合实验研究结果表明:该样机具有动态响应速度快,故障切除恢复能力强,不影响自动重合闸的正常运行,谐波影响可忽略,无需附加散热装置等特征,达到了预定设计要求。限流器实验进一步验证了限流器原理的可行性、有效性及模型的正确性,为研究和设计高压限流器及挂网试运行提供了实验依据。对新型磁控开关型故障限流器应用进行了探讨。考虑了限流器对电力系统暂态稳定性的影响,以及高压限流器的实现问题。研究结果表明:本文提出的限流器在接入电网后,能快速限制短路电流,大大减少了系统的不平衡功率,有利于提高系统的暂态稳定性。在220kV及500kV高压限流器实现时,需要较大的直流偏置电流,因而励磁系统的实现成为研制高压限流器的关键因素。本文提出的新型磁控开关型故障限流器具有稳态电压损耗小、限流能力可调、动态响应速度快、限流效果好且无谐波污染等优点,是电力系统中有前途的保护设备。理论分析与建模仿真工作为限流器样机的研制及高压大容量限流器的研究提供了理论依据;对低压样机的实验研究验证了限流原理的可行性及模型的正确性,为研究和设计大型限流器及挂网试运行提供了初步的实验依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 故障电流限制器研究综述
• 1.2.1 固态限流器
• 1.2.2 放电间隙型故障限流器
• 1.2.3 发射控制型故障限流器
• 1.2.4 PTC 电阻型故障限流器
• 1.2.5 限流熔断器
• 1.2.6 超导型故障限流器
• 1.3 课题研究意义及研究内容
• 第二章 新型磁控开关型故障限流器建模与理论分析
• 2.1 新型磁控开关型故障限流器的设计与建模
• 2.1.1 拓扑结构
• 2.1.2 模型分析
• 2.2 新型磁控开关型故障限流器理论分析
• 2.2.1 限流器系统的参数设计
• 2.2.2 限流器电磁场有限元分析
• 2.2.3 限流器损耗与温升分析
• 2.2.4 系统仿真分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 新型磁控开关型故障限流器控制系统研制
• 3.1 新型磁控开关型故障限流器控制对象特性
• 3.1.1 三相全控整流桥负载特性
• 3.1.2 倍频反电势负载整流系统运行特性
• 3.1.3 全控整流桥逆变运行特性
• 3.2 新型磁控开关型故障限流器的控制策略
• 3.3 新型磁控开关型故障限流器控制系统的实现
• 3.3.1 控制系统总体设计
• 3.3.2 偏置电流控制器
• 3.3.3 电网运行状态监测子系统
• 3.4 本章小结
• 第四章 新型磁控开关型故障限流器实验研究
• 4.1 新型磁控开关型故障限流器控制系统性能测试
• 4.2 新型磁控开关型故障限流器系统实验
• 4.2.1 静态实验
• 4.2.2 动态实验
• 4.3 新型磁控开关型故障限流器损耗与温升测试
• 4.4 本章小结
• 第五章 新型磁控开关型故障限流器应用研究
• 5.1 新型磁控开关型故障限流器对电力系统稳定性的影响
• 5.2 高压磁控开关型故障限流器探讨
• 5.3 本章小结
• 第六章 全文总结与研究展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文
• 攻读博士学位期间参与的科研项目
• 致谢