本發(fā)明屬于電力技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種新型多功能電力電子限流系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：
電力是國家的主要能源和經(jīng)濟(jì)命脈，安全、優(yōu)質(zhì)地保證電力供給不僅關(guān)系國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民群眾的生活質(zhì)量，還維系社會(huì)穩(wěn)定與國家安全。而近年來隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，勢必造成電力系統(tǒng)短路電流的不斷增大。當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，成千上萬安培的短路電流會(huì)燒毀電氣，導(dǎo)致導(dǎo)體間受機(jī)械應(yīng)力而變形，同時(shí)造成電壓下降、功率分布變化，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，各種非線性負(fù)荷及沖擊性負(fù)荷不斷入網(wǎng)，導(dǎo)致了系統(tǒng)中電壓波動(dòng)、閃變等電壓質(zhì)量問題日益嚴(yán)重，愈發(fā)影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行及入網(wǎng)的敏感性負(fù)荷的正常運(yùn)轉(zhuǎn)?，F(xiàn)有的技術(shù)方案有在母線上串聯(lián)電抗器?，F(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)如下：1、長期串聯(lián)在線路上，損耗大，造成大量資源損耗；2、限流電抗在系統(tǒng)非故障時(shí)，長期閑置在電網(wǎng)內(nèi)，利用率低下；3、限流電抗設(shè)計(jì)難度較大，需要同時(shí)考慮限流效果和電網(wǎng)非故障期間的損耗；電抗值大限流效果好，但所需無功和有功能量也大(電抗本身有電阻)；電抗值小，限流效果難以達(dá)到；4、僅能實(shí)現(xiàn)故障限流功能，不能針對(duì)電能質(zhì)量問題進(jìn)行補(bǔ)償。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供了一種新型多功能電力電子限流系統(tǒng)及控制方法，能實(shí)現(xiàn)限流及電壓波動(dòng)補(bǔ)償?shù)亩喙δ芡負(fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制方法以及針對(duì)不同故障類型的邏輯控制方式。本發(fā)明實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種新型多功能電力電子限流系統(tǒng)及其控制方法，所述電力電子系統(tǒng)主要由PWM穩(wěn)壓模塊、三單相DVR模塊、晶閘管支路三部分組成；PWM穩(wěn)壓模塊通過并聯(lián)變壓器Tb并入10kV電網(wǎng)，三單相DVR模塊通過共用PWM穩(wěn)壓模塊的直流側(cè)實(shí)現(xiàn)能量供給，三單相DVR模塊的各逆變單元輸出點(diǎn)和輸出濾波電抗器之間設(shè)立晶閘管支路，晶閘管支路連接DVR模塊逆變單元的兩個(gè)輸出點(diǎn)，DVR的輸出通過串聯(lián)變壓器串入電網(wǎng)和負(fù)載之間，同時(shí)在串聯(lián)變壓器二次側(cè)并聯(lián)小電容C濾波支路。進(jìn)一步，PWM穩(wěn)壓模塊的連接方式：電感分別依次連接到絕緣柵雙極型晶體管IGBT上，直流側(cè)電容并聯(lián)在絕緣柵雙極型晶體管IGBT的兩端；進(jìn)一步，三單相DVR模塊的連接方式：三單相DVR的絕緣柵雙極型晶體管IGBT分別依次并聯(lián)在直流側(cè)電容的兩端；進(jìn)一步，晶閘管支路的連接方式：晶閘管支路3連接在單相DVR各逆變單元輸出點(diǎn)和輸出濾波電抗器之間，通過雙向晶閘管短路到DVR逆變單元的另一輸出端。進(jìn)一步，PWM穩(wěn)壓模塊的控制過程為：直流側(cè)電壓標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)際檢測到的直流側(cè)電壓值Udc做差，其差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后與三相電壓同頻同相的正弦量sin相乘后與實(shí)際檢測到的穩(wěn)壓電流做差，其差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后進(jìn)行三角波調(diào)制，調(diào)制后得到的信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后送入穩(wěn)壓模塊的H橋，然后穩(wěn)壓模塊的H橋的輸出電流信號(hào)即為實(shí)際檢測到的穩(wěn)壓電流，再反饋到第二次PI調(diào)節(jié)器之前。進(jìn)一步，單相電壓補(bǔ)償與模式切換控制過程為：設(shè)定的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)電壓為與實(shí)際檢測到的電源側(cè)電壓為Us作差，其差值乘以1/k后與DVR實(shí)際輸出的二次側(cè)補(bǔ)償電壓做差，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后進(jìn)行三角波調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)連接到與門的輸入端，同時(shí)電流isl經(jīng)過故障檢測后一部分經(jīng)驅(qū)動(dòng)后送入晶閘管，一部分經(jīng)過閉鎖模塊連接到與門的另一輸入端，與門的輸出端連接到驅(qū)動(dòng)電路后送入逆變橋的輸入端。進(jìn)一步，針對(duì)不同類型短路故障的限流邏輯順序?yàn)椋寒?dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相對(duì)地短路時(shí)，電力系統(tǒng)三相之間的線電壓依然對(duì)稱，系統(tǒng)可以帶著一個(gè)接地點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行，限流裝置不動(dòng)作；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生相間短路或相間接地短路時(shí)，裝置檢測到短路電流，控制故障相的DVR工作脈沖進(jìn)行封鎖，故障相DVR不工作，封鎖脈沖10us后，將故障相的晶閘管導(dǎo)通，則DVR輸出電感被短接在串聯(lián)變壓器的二次側(cè)，輸出電感等效到一次側(cè)的阻抗作為線路的限流阻抗進(jìn)行限流，同時(shí)保持非故障相可以持續(xù)運(yùn)行在電壓質(zhì)量補(bǔ)償狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相短路或三相對(duì)地短路時(shí)，裝置檢測到三相短路電流后，封鎖三相DVR的工作脈沖，延時(shí)10us后，控制三相晶閘管D1，D2，D3都導(dǎo)通，則三相的DVR輸出電感都被短路到串聯(lián)變壓器的二次側(cè)，電感通過串聯(lián)變壓器等效到一次側(cè)的阻抗進(jìn)行限流；當(dāng)電網(wǎng)某相或某幾相發(fā)生故障時(shí)，該相進(jìn)入限流態(tài)的時(shí)間僅為us級(jí)，而繼保動(dòng)作到完成系統(tǒng)跳閘的時(shí)限通常為0.5s-1s。本發(fā)明提供的新型多功能電力電子限流系統(tǒng)及控制方法，可補(bǔ)償電壓波動(dòng)，提高電網(wǎng)系統(tǒng)供電可靠性、穩(wěn)定性；穩(wěn)定負(fù)載電壓，確保用戶側(cè)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；限制短路電流，提高電網(wǎng)系統(tǒng)和供電設(shè)備的安全性；限制短路電流，保護(hù)用戶設(shè)備的安全；縮短短路故障發(fā)生到繼電保護(hù)動(dòng)作之間電網(wǎng)承受短路電流的時(shí)間，提高電網(wǎng)安全性。附圖說明圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的新型多功能電力電子限流系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的穩(wěn)壓模塊控制過程的示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的單相電壓補(bǔ)償與模式切換控制過程的示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的短路故障檢測與識(shí)別過程的示意圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的短路發(fā)生時(shí)裝置的動(dòng)作過程的示意圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的不同短路類型對(duì)應(yīng)的限流邏輯的示意圖。具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。圖1為本發(fā)明提出的新型多功能電力電子限流系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。主要由PWM穩(wěn)壓模塊1、三單相DVR模塊2、晶閘管支路3三部分組成。PWM穩(wěn)壓模塊1通過并聯(lián)變壓器Tb并入10kV電網(wǎng)，三單相DVR模塊2通過共用PWM穩(wěn)壓模塊1的直流側(cè)實(shí)現(xiàn)能量供給，三單相DVR模塊2的各逆變單元輸出點(diǎn)和輸出濾波電抗器之間設(shè)立晶閘管支路3，在串聯(lián)變壓器副邊并聯(lián)小電容C濾波支路，串聯(lián)變壓器串聯(lián)在電網(wǎng)和負(fù)載之間。三相H橋PWM穩(wěn)壓模塊1的直流側(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)三單相DVR模塊2的能量供給；三單相DVR模塊2，每相DVR分別檢測各相的相電壓，控制DVR對(duì)各相的電壓變化進(jìn)行補(bǔ)償，使相電壓穩(wěn)定在設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值；晶閘管支路3，用于短路DVR輸出電感，當(dāng)短路故障時(shí)將短路電流限制在一定范圍內(nèi)。PWM穩(wěn)壓模塊1的連接方式：電感分別依次連接到絕緣柵雙極型晶體管IGBT上，直流側(cè)電容并聯(lián)在絕緣柵雙極型晶體管IGBT的兩端；三單相DVR模塊2的連接方式：三單相DVR的絕緣柵雙極型晶體管IGBT分別依次并聯(lián)在直流側(cè)電容的兩端；晶閘管支路3的連接方式：晶閘管支路3連接在單相DVR各逆變單元輸出點(diǎn)和輸出濾波電抗器之間，通過雙向晶閘管短路到DVR逆變單元的另一輸出端。圖2為PWM穩(wěn)壓模塊的控制過程。直流側(cè)電壓標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)際檢測到的直流側(cè)電壓值Udc做差，其差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后與三相電壓同頻同相的正弦量sin相乘后與實(shí)際檢測到的穩(wěn)壓電流做差，其差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后進(jìn)行三角波調(diào)制，調(diào)制得到的PWM控制信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路后送入穩(wěn)壓模塊的H橋，然后穩(wěn)壓模塊的H橋的輸出電流信號(hào)即為實(shí)際檢測到的穩(wěn)壓電流，再反饋到第二次PI調(diào)節(jié)器之前。圖3為單相電壓補(bǔ)償與模式切換控制過程。設(shè)定的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)電壓為與實(shí)際檢測到的電源側(cè)電壓為Us作差，其差值乘以1/k后與DVR實(shí)際輸出的二次側(cè)補(bǔ)償電壓做差，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后進(jìn)行三角波調(diào)制，調(diào)制后得到的信號(hào)連接到與門的輸入端，同時(shí)電流isl經(jīng)過故障檢測后一部分經(jīng)過驅(qū)動(dòng)后送入晶閘管，一部分經(jīng)過閉鎖模塊連接到與門的另一輸入端，與門的輸出端經(jīng)過驅(qū)動(dòng)后連接到逆變橋的輸入端。適用的電力系統(tǒng)為10kv中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由三個(gè)部分組成：PWM穩(wěn)壓模塊、三單相DVR模塊、晶閘管支路。其工作原理為：并聯(lián)變壓器Tb將10kV電壓降為400V線電壓，通過三相H橋的PWM穩(wěn)壓模塊將直流側(cè)電壓穩(wěn)定在800V，三個(gè)單相的DVR結(jié)構(gòu)并聯(lián)在直流側(cè)電容兩端，每相DVR分別檢測各相的相電壓，當(dāng)檢測到電壓波動(dòng)時(shí)，將該波動(dòng)部分作為指令，控制DVR對(duì)各相的電壓變化進(jìn)行補(bǔ)償，使負(fù)載處相電壓穩(wěn)定在設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，晶閘管將DVR輸出電感短路到串聯(lián)變壓器的二次側(cè)時(shí)，設(shè)串聯(lián)變壓器的變比為k，輸出電感的阻抗為Z，則二次側(cè)等效到一次側(cè)的阻抗為k2Z，所以適當(dāng)選擇串聯(lián)變壓器的變比k可以控制將短路電流限制在一定范圍內(nèi)。對(duì)PWM穩(wěn)壓模塊采用電壓電流雙閉環(huán)PI控制，直流側(cè)電壓標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)際檢測到的直流側(cè)電壓值Udc做差，其差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后與三相電壓同頻同相的正弦量sin相乘作為PWM穩(wěn)壓模塊所需要的穩(wěn)壓電流與實(shí)際檢測到的穩(wěn)壓電流iwa，iwb，iwc做差，其差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后進(jìn)行三角波比較得到穩(wěn)壓模塊三個(gè)橋臂的控制信號(hào)。三單相DVR模塊中的每相DVR電壓補(bǔ)償采用電壓閉環(huán)PI控制，設(shè)定的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)電壓為實(shí)際檢測到的電源側(cè)電壓為Us，串聯(lián)變壓器的變比為k，則標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)際值Us的差值乘以1/k才是DVR在變壓器二次側(cè)的理想輸出值，該理想輸出值作為電壓波動(dòng)指令Uref，Uref與DVR二次側(cè)實(shí)際補(bǔ)償輸出的電壓Uc的差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后進(jìn)行三角波比較，得到DVR逆變橋的控制信號(hào)。當(dāng)檢測到該相有短路電流時(shí)，該相故障檢測模塊給出高電平，經(jīng)過閉鎖模塊轉(zhuǎn)換成為低電平后對(duì)DVR工作脈沖進(jìn)行封鎖，同時(shí)該高電平控制晶閘管導(dǎo)通，將DVR輸出電抗器短路到串聯(lián)變壓器二次側(cè)進(jìn)行限流。如圖4所示，isl為檢測到的線路上的瞬時(shí)電流；iop為短路電流的動(dòng)作值，即當(dāng)線路電流瞬時(shí)絕對(duì)值連續(xù)兩次大于該值時(shí)認(rèn)為發(fā)生短路故障；ire為短路動(dòng)作電流返回值，即線路電流的計(jì)算幅值連續(xù)兩次小于該值時(shí)，認(rèn)為短路故障消除。正常時(shí)電網(wǎng)系統(tǒng)工作正常，沒有短路電流，觸發(fā)器置位Q為低電平。短路故障發(fā)生后，取線路電流的瞬時(shí)絕對(duì)值比較，當(dāng)瞬時(shí)絕對(duì)值大于短路電流的動(dòng)作值iop，且延時(shí)delay1時(shí)間后isl的瞬時(shí)絕對(duì)值仍大于iop值，則S1為高電平，而在RS觸發(fā)器上電初始Q被置位為低電平，則短路發(fā)生后S為高電平。isl與兩倍幅值的基波正余弦相乘后，經(jīng)過低通濾波后得到直流分量計(jì)算的均方根值就得到了電流isl的幅值Im，Im大于短路動(dòng)作電流返回值ire形成低電平，且延時(shí)delay2時(shí)間后Im仍大于短路動(dòng)作電流返回值，則S2得到低電平，Q經(jīng)過delay3延時(shí)與S2信號(hào)相與形成R的低電平。S為高電平，R為低電平，則此時(shí)觸發(fā)器輸出Q變?yōu)楦唠娖?，該高電平信?hào)一方面經(jīng)過閉鎖轉(zhuǎn)換成低電平將DVR脈沖封鎖，另一方面控制該相晶閘管導(dǎo)通進(jìn)行短路限流。當(dāng)短路故障消除后，計(jì)算得到的幅值Im小于短路動(dòng)作電流返回值形成高電平信號(hào)，延時(shí)且延時(shí)delay2時(shí)間后Im仍小于短路動(dòng)作電流返回值，使得S2為高電平，Q在短路時(shí)處于高電平，則R為高電平。短路故障消失后isl的瞬時(shí)絕對(duì)值一直小于iop，則S1為低電平，使S為低電平。S為低電平，R為高電平，則RS觸發(fā)器重新置位Q為低電平，則封鎖信號(hào)消失，DVR重新工作，晶閘管導(dǎo)通信號(hào)消失，承受反壓關(guān)斷。delay1，delay2，delay3分別設(shè)置為50us，10us，5ms，delay1的設(shè)置是為了避免電網(wǎng)中存在電流型的毛刺，連續(xù)兩次判斷瞬時(shí)絕對(duì)值大于限流動(dòng)作值時(shí)才被判定為短路發(fā)生，delay2的設(shè)置是為了連續(xù)兩次判定幅值小于限流動(dòng)作返回值才算短路故障消失；delay3的設(shè)置是從限流狀態(tài)切換到電能質(zhì)量補(bǔ)償狀態(tài)的時(shí)間；delay1，delay2，delay3可根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)情況進(jìn)行靈活設(shè)定。同時(shí)由于目前通常采用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，計(jì)算速度快，可以設(shè)置對(duì)線路電流的瞬時(shí)絕對(duì)值連續(xù)n次大于iop認(rèn)為短路故障發(fā)生，連續(xù)m次計(jì)算Im小于ire認(rèn)為短路故障消除，可以根據(jù)控制需要靈活設(shè)置n，m的大小。如圖5，圖6所示，不同類型的電網(wǎng)短路故障對(duì)應(yīng)了不同的限流動(dòng)作方式。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相對(duì)地短路時(shí)，電力系統(tǒng)三相之間的線電壓依然對(duì)稱，系統(tǒng)可以帶著一個(gè)接地點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行，限流裝置不動(dòng)作。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生相間短路或相間接地短路時(shí)，裝置檢測到短路電流，控制故障相的DVR工作脈沖進(jìn)行封鎖，故障相DVR不工作，封鎖脈沖10us后，將故障相的晶閘管導(dǎo)通，則DVR輸出電感被短接在串聯(lián)變壓器的二次側(cè)，輸出電感等效到一次側(cè)的阻抗作為線路的限流阻抗進(jìn)行限流，同時(shí)保持非故障相可以持續(xù)運(yùn)行在電壓質(zhì)量補(bǔ)償狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相短路或三相對(duì)地短路時(shí)，裝置檢測到三相短路電流后，封鎖三相DVR的工作脈沖，延時(shí)10us后，控制三相晶閘管D1，D2，D3都導(dǎo)通，則三相的DVR輸出電感都被短路到串聯(lián)變壓器的二次側(cè)，電感通過串聯(lián)變壓器等效到一次側(cè)的阻抗進(jìn)行限流。當(dāng)電網(wǎng)某相或某幾相發(fā)生故障時(shí)，該相進(jìn)入限流態(tài)的時(shí)間僅為us級(jí)，而繼保動(dòng)作到完成系統(tǒng)跳閘的時(shí)限通常為0.5s-1s，所以在等待繼保動(dòng)作的時(shí)間內(nèi)，已經(jīng)大大縮短了系統(tǒng)承受短路電流的時(shí)間。通常電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，都有繼保完成跳閘，故障排除后再恢復(fù)供電，而本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)控制的嚴(yán)謹(jǐn)性，加入了故障消除自恢復(fù)功能，即一旦電網(wǎng)未斷電，短路故障自動(dòng)消失，本發(fā)明的短路故障檢測識(shí)別模塊能夠自動(dòng)控制切除限流模式，恢復(fù)到電能質(zhì)量補(bǔ)償模式。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。