具有潮流控制和短路限流功能的鐵芯電抗調(diào)節(jié)器及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種具有潮流控制和短路限流功能的鐵芯電抗調(diào)節(jié)器及其控制方法，所述鐵芯電抗調(diào)節(jié)器包括6個(gè)口字型鐵芯、直流線圈和交流線圈；每個(gè)口字型鐵芯包括中間柱、邊柱、上磁軛和下磁軛，6個(gè)中間柱合在一起形成組合中間柱，相鄰邊柱的距離均相等；直流線圈繞制在所述組合中間柱上并與可調(diào)偏置直流源連接，所述交流線圈繞制在邊柱上，相對(duì)邊柱上的兩個(gè)交流線圈的同名端相連后連接在電網(wǎng)上；所述口字型鐵芯上設(shè)有氣隙。所述控制方法包括當(dāng)電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，將所述可調(diào)偏置直流源的電流值調(diào)節(jié)到指令值；當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流比穩(wěn)態(tài)工作電流大，控制可調(diào)偏置直流源的輸出電流下降至零。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，成本低，可靠性高。
【專利說(shuō)明】具有潮流控制和短路限流功能的鐵芯電抗調(diào)節(jié)器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及柔性輸變電裝置和輸變電控制方法，尤其是一種鐵芯電抗調(diào)節(jié)器及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代電網(wǎng)的潮流控制一直是電力系統(tǒng)運(yùn)行中最受關(guān)注的問(wèn)題，對(duì)于大電網(wǎng)而言，若其潮流得不到有效控制，將對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。但是全面的潮流控制需要大量復(fù)雜昂貴的裝置，這使得電網(wǎng)運(yùn)行成本上升。同時(shí)，由于電力系統(tǒng)容量的增大，短路電流也越來(lái)越大，不僅造成斷路器無(wú)法斷開(kāi)，也給電網(wǎng)帶來(lái)巨大的瞬時(shí)短路電流沖擊，現(xiàn)有的解決方案包括在電網(wǎng)上設(shè)置電抗器、故障限流器、加大變壓器電抗或者改變輸電線路運(yùn)行方
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[0003]在現(xiàn)代電網(wǎng)中，串聯(lián)電抗器可以通過(guò)調(diào)節(jié)自身的電抗來(lái)調(diào)整輸電網(wǎng)上的潮流；一些特殊場(chǎng)合也使用具有固定電抗值的干式電抗器來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)潮流；同時(shí)電力電子開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成的串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備也常常用來(lái)靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻抗。還有一種使用飽和鐵芯作為主要結(jié)構(gòu)的電抗器，利用超導(dǎo)線構(gòu)成控制電路，將飽和鐵芯和超導(dǎo)線圈相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)故障電流限制功能，常稱這一類裝置叫做飽和鐵芯型超導(dǎo)限流器。然而干式電抗器在潮流控制中往往缺乏靈活性；電力電子器件構(gòu)成的串聯(lián)補(bǔ)償裝置通常具有復(fù)雜的控制方式和大量昂貴的開(kāi)關(guān)器件，導(dǎo)致成本增加和使用策略復(fù)雜；飽和鐵芯限流器往往僅具有故障限流功能，而無(wú)法在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)靈活安排自身阻抗以適應(yīng)電力系統(tǒng)潮流的要求。這種飽和鐵芯超導(dǎo)限流器只具有二值輸出:即電網(wǎng)正常時(shí)表現(xiàn)低電抗和電網(wǎng)故障時(shí)表現(xiàn)高電抗，因而不具有潮流控制能力。為迫使電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)飽和鐵芯限流器串入電抗最小，需要極大的直流勵(lì)磁系統(tǒng)控制鐵芯處于深度飽和狀態(tài)，這類飽和鐵芯限流器中常采用超導(dǎo)材料作為直流線圈回路，相應(yīng)的制冷設(shè)備也必須投入使用才能保證超導(dǎo)材料的正常工作，因此飽和鐵芯超導(dǎo)限流器的裝置體積和設(shè)備投資都是巨大的，經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明的一個(gè)目的是要提供一種具有潮流控制和短路限流功能的鐵芯電抗調(diào)節(jié)器，用以解決干式電抗器和電力電子串聯(lián)補(bǔ)償裝置雖具有潮流控制功能卻不具有故障限流功能，而飽和鐵芯超導(dǎo)限流器雖具有故障限流功能卻不具有潮流控制功能的技術(shù)問(wèn)題。
[0005]技術(shù)方案:一種具有潮流控制和短路限流功能的鐵芯電抗調(diào)節(jié)器，包括6個(gè)口字型鐵芯、直流線圈和交流線圈；每個(gè)口字型鐵芯包括中間柱、邊柱、上磁軛和下磁軛，6個(gè)中間柱合在一起形成組合中間柱，相鄰邊柱的距離均相等；直流線圈繞制在所述組合中間柱上并與可調(diào)偏置直流源連接，所述交流線圈繞制在邊柱上，相對(duì)邊柱上的兩個(gè)交流線圈的同名端相連后連接在電網(wǎng)上；所述口字型鐵芯上設(shè)有氣隙。[0006]所述交流線圈繞制的匝數(shù)比所述直流線圈的匝數(shù)少。所述氣隙設(shè)置在邊柱、上磁軛或者下磁軛。
[0007]一種具有潮流控制和短路限流功能的鐵芯電抗調(diào)節(jié)器，包括2個(gè)口字型鐵芯、直流線圈和交流線圈；每個(gè)口字型鐵芯包括中間柱、邊柱、上磁軛和下磁軛，所述中間柱合在一起形成組合中間柱；所述直流線圈繞在組合中間柱上并和可調(diào)偏置直流源相連，交流線圈繞制在所述邊柱上，交流線圈的同名端相連后連接在電網(wǎng)上，所述上磁軛上設(shè)有氣隙。所述交流線圈繞制的匝數(shù)比所述直流線圈的匝數(shù)少。
[0008]本發(fā)明進(jìn)一步提供了上述具有潮流控制和短路限流功能的鐵芯電抗調(diào)節(jié)器的控制方法，包括如下步驟:
[0009]當(dāng)電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)電網(wǎng)潮流的需要，將所述可調(diào)偏置直流源的電流值調(diào)節(jié)到指令值；
[0010]當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流比穩(wěn)態(tài)工作電流大，控制可調(diào)偏置直流源的輸出電流下降至零，使鐵芯電抗調(diào)整器進(jìn)入限流工作狀態(tài)。
[0011]這種控制方法使得上述電抗調(diào)節(jié)器在電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)準(zhǔn)確控制鐵芯磁控電抗調(diào)節(jié)器直流線圈上的電流就可以平滑調(diào)節(jié)裝置的輸出基波阻抗到指定值，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波污染很小。在電網(wǎng)發(fā)生短路故障以后，控制直流線圈電流迅速降低至0，使裝置立即進(jìn)入限流工作狀態(tài)，保證了斷路器能夠可靠開(kāi)斷。
[0012]有益效果:本發(fā)明不需要使用超導(dǎo)材料，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，成本低，可靠性高?！緦＠綀D】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明三相結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；
[0014]圖2a為本發(fā)明每相交直流線圈的接線方式和氣隙設(shè)置在上磁軛的示意圖；
[0015]圖2b為本發(fā)明每相交直流線圈的接線方式和氣隙設(shè)置在下磁軛的示意圖；
[0016]圖2c為本發(fā)明每相交直流線圈的接線方式和氣隙設(shè)置在上、下磁軛的示意圖；
[0017]圖2d為本發(fā)明每相交直流線圈的接線方式原理圖和氣隙設(shè)置在旁柱的示意圖；
[0018]圖2e本發(fā)明氣隙的示意圖；
[0019]圖3為本發(fā)明三相結(jié)構(gòu)的俯視圖及其開(kāi)氣隙位置的示意圖；
[0020]圖4為本發(fā)明的俯視圖；
[0021]圖5為本發(fā)明的仰視圖；
[0022]圖6為本發(fā)明在潮流控制時(shí)的磁化曲線控制原理圖；
[0023]圖7為本發(fā)明在故障限流時(shí)的磁化曲線控制原理圖；
[0024]圖8為本發(fā)明直流電流調(diào)整后輸出基波電抗的變化情況，是以交流220V等級(jí)樣機(jī)為例做的仿真實(shí)驗(yàn)圖；
[0025]圖9為本發(fā)明限流時(shí)的仿真實(shí)驗(yàn)圖，并與未接鐵芯電抗調(diào)節(jié)器是短路電流做了對(duì)t匕，是以交流220V等級(jí)樣機(jī)為例做的仿真實(shí)驗(yàn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖具體說(shuō)明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】:
[0027]本發(fā)明的鐵芯電抗調(diào)節(jié)器包括2種:針對(duì)單相結(jié)構(gòu)，設(shè)置2個(gè)口字型鐵芯，每個(gè)口字型鐵芯具有一個(gè)中間鐵芯柱、一個(gè)邊柱、上磁軛和下磁軛，上邊磁軛開(kāi)了特定大小的氣隙。單相結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)口字型鐵芯的中間柱合在一起構(gòu)成組合中間柱，直流線圈繞在組合中間柱上并和可調(diào)偏置直流源相連，可調(diào)偏置直流源可以根據(jù)需要改變鐵芯的飽和度改變鐵芯電抗調(diào)整裝置的輸出基波電抗。兩個(gè)口字型鐵芯的邊柱上均繞有交流線圈，兩個(gè)交流線圈同名端相連后再串接在電網(wǎng)上。
[0028]針對(duì)三相結(jié)構(gòu)，設(shè)置6個(gè)口字型鐵芯，三相結(jié)構(gòu)由6個(gè)口字型鐵芯組成，6個(gè)口字型鐵芯圍繞組合中間柱形成360°圓周結(jié)構(gòu)，每?jī)蓚€(gè)圍繞組合中柱呈180°的口字型結(jié)構(gòu)為一相，在這兩個(gè)口字型鐵芯邊柱上分別繞制有屬于同一相的線圈，并將兩個(gè)線圈同名端串聯(lián)后接在電網(wǎng)的對(duì)應(yīng)相上。直流線圈繞制在組合中柱上并和可調(diào)偏置直流源相連。直流線圈的匝數(shù)較多，通常可設(shè)置為幾百匝；每相邊柱上交流線圈匝數(shù)較少，通?？稍O(shè)置為幾十匝，每相邊柱上交流線圈匝數(shù)相同。
[0029]在本發(fā)明中，可調(diào)偏置直流源一般由電力電子器件組成，穩(wěn)態(tài)時(shí)通過(guò)準(zhǔn)確控制開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通關(guān)斷來(lái)調(diào)節(jié)直流線圈電流到指令值，進(jìn)而改變鐵芯電抗調(diào)節(jié)器的輸出基波電抗。并且由于鐵芯結(jié)構(gòu)開(kāi)有氣隙，使磁化曲線的線性度好，輸出電抗的調(diào)節(jié)范圍廣，整個(gè)裝置引入電網(wǎng)的諧波小。故障發(fā)生后可調(diào)偏置直流源能迅速將輸出直流電流值降為零，使鐵芯電抗調(diào)節(jié)器輸出電抗迅速增大，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)短路時(shí)快速投入裝置進(jìn)入限流狀態(tài)。
[0030]結(jié)合圖1至圖5描述本發(fā)明。圖1為本發(fā)明的側(cè)視圖，中間繞制有直流線圈，直流線圈所接的可調(diào)偏置直流源以及6個(gè)邊柱上的交流線圈未畫(huà)出。A相交流線圈繞制在鐵芯柱1-1和鐵芯柱1-2上；B相交流線圈繞制在鐵芯柱1-3和鐵芯柱1-4上；C相交流線圈繞制在鐵芯柱1-5和鐵芯柱1-6上，每相的兩個(gè)交流線圈同名端相接后串聯(lián)在電網(wǎng)。
[0031]如圖2a?圖2d所示為鐵芯電抗調(diào)節(jié)器的一相結(jié)構(gòu)，鐵芯電抗調(diào)節(jié)器的氣隙可以設(shè)置在上磁軛(如圖2a)、下磁軛(如圖2b)、上下磁軛(如圖2c)或者旁柱(如圖2d)上。圖2e為氣隙的結(jié)構(gòu)圖，通過(guò)合理調(diào)整鐵芯c制造中氣隙的寬度L如圖2e，可以使圖2a?圖2d所示的鐵芯電抗調(diào)節(jié)器獲得相同的工作特性。
[0032]如圖2a?圖2d所示，每相的交流線圈2_1和交流線圈2_2的同名端相連后再與電網(wǎng)2-5連接。要注意三相結(jié)構(gòu)中，直流線圈繞制在組合中間柱1-7上，在直流線圈2-3上同樣串接有可調(diào)直流源2-4。一相電抗調(diào)節(jié)器模型中的氣隙設(shè)置位置參照?qǐng)D2a?圖2d。如圖4所示，交直流線圈的具體排布方式如下:A相線圈由線圈4-1和線圈4-2同名端串接組成，B相線圈由線圈4-3和線圈4-4同名端串接組成，C相線圈由線圈4-5和線圈4_6同名端串接組成，在該圖中還可見(jiàn)直流線圈4-7。
[0033]從圖1和3可以看出:本特定三相裝置由六個(gè)口字型鐵芯組成，且每個(gè)口字型鐵芯上磁軛都開(kāi)有氣隙，例如氣隙3-7、3-8、3-9、3-10、3-11及3_12?？谧中丸F芯下磁軛、中間柱和邊柱均不開(kāi)氣隙(同樣地該三相裝置也可以合理選擇在下磁軛、上下磁軛或邊柱開(kāi)氣隙，通過(guò)合理設(shè)置氣隙寬度L，可以使不同氣隙位置的各個(gè)三相鐵芯調(diào)節(jié)器呈現(xiàn)出同樣的工作效果)。
[0034]三相鐵芯電抗調(diào)節(jié)器的控制方法與單相鐵芯電抗調(diào)節(jié)器一致，下面結(jié)合磁化曲線工作原理圖6和圖7，對(duì)三相鐵芯電抗調(diào)節(jié)器工作特性進(jìn)行分析。
[0035]當(dāng)電網(wǎng)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)可以根據(jù)電網(wǎng)潮流的需要，調(diào)節(jié)直流線圈2-3處的可調(diào)偏置直流源2-4電流到指令值idc。由于電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)各相正常工作電流的幅值(包括負(fù)向交流電幅值im—和正向交流電幅值im+) Im變化較小，電抗調(diào)節(jié)器的磁化曲線處于弧AB所在的特定范圍內(nèi)。圖6描述了潮流控制時(shí)的磁化曲線工作原理:由于鐵芯開(kāi)有氣隙，
磁化曲線線性度較好，可以把弧AB所在區(qū)間近似看做直線段I萬(wàn)^失芯電抗調(diào)節(jié)器的輸出
電感(旁柱線圈電感)在?區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為不變，即L = tana，此時(shí)有輸出電抗Xtjut = coL
不變。通過(guò)控制可調(diào)偏置直流源2-4的直流控制電流Id?？梢钥刂畦F芯的工作點(diǎn)，使鐵芯磁導(dǎo)率發(fā)生變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)裝置的輸出電抗Χ_，以達(dá)到根據(jù)需要改變電網(wǎng)線路電流的目的。
[0036]圖8是交流220V等級(jí)下，以圖1為模型的三相裝置A相輸出電抗和可調(diào)偏置直流源2-4的電流關(guān)系的仿真圖。裝置B相和C相輸出電抗和可調(diào)偏置直流源2-4的電流關(guān)系情況與A相相同，這里未畫(huà)出。由于本鐵芯電抗調(diào)節(jié)器鐵芯開(kāi)有氣隙，磁化曲線的線性度好，因此對(duì)電網(wǎng)的諧波污染很小，具有實(shí)用價(jià)值?？烧{(diào)偏置直流源2-4輸出直流電流和交流220V電網(wǎng)下線路電流以及諧波系數(shù)的關(guān)系可見(jiàn)下表，該表是將220V等級(jí)的鐵芯電抗調(diào)節(jié)器接在交流220V電網(wǎng)上的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(電網(wǎng)每相負(fù)載20 Ω，每相系統(tǒng)電抗0.6 Ω，電源內(nèi)阻不計(jì))
[0037]
[0038]
【權(quán)利要求】
1.一種具有潮流控制和短路限流功能的鐵芯電抗調(diào)節(jié)器，其特征在于，包括6個(gè)口字型鐵芯、直流線圈和交流線圈；每個(gè)口字型鐵芯包括中間柱、邊柱、上磁軛和下磁軛，6個(gè)中間柱合在一起形成組合中間柱，相鄰邊柱的距離均相等；直流線圈繞制在所述組合中間柱上并與可調(diào)偏置直流源連接，所述交流線圈繞制在邊柱上，相對(duì)邊柱上的兩個(gè)交流線圈的同名端相連后連接在電網(wǎng)上；所述口字型鐵芯上設(shè)有氣隙。
2.如權(quán)利要求1所述的具有潮流控制和短路限流功能的鐵芯電抗調(diào)節(jié)器，其特征在于，所述交流線圈繞制的匝數(shù)比所述直流線圈的匝數(shù)少。
3.如權(quán)利要求1所述的具有潮流控制和短路限流功能的鐵芯電抗調(diào)節(jié)器，其特征在于，所述氣隙設(shè)置在邊柱、上磁軛或者下磁軛上。
4.一種具有潮流控制和短路限流功能的鐵芯電抗調(diào)節(jié)器，其特征在于，包括2個(gè)口字型鐵芯、直流線圈和交流線圈；每個(gè)口字型鐵芯包括中間柱、邊柱、上磁軛和下磁軛，所述中間柱合在一起形成組合中間柱；所述直流線圈繞在組合中間柱上并和可調(diào)偏置直流源相連，交流線圈繞制在所述邊柱上，交流線圈的同名端相連后連接在電網(wǎng)上，所述上磁軛上設(shè)有氣隙。
5.如權(quán)利要求4所述的具有潮流控制和短路限流功能的鐵芯電抗調(diào)節(jié)器，其特征在于，所述交流線圈繞制的匝數(shù)比所述直流線圈的匝數(shù)少。
6.權(quán)利要求1所述的具有潮流控制和短路限流功能的鐵芯電抗調(diào)節(jié)器的控制方法，其特征在于，包括如下步驟: 當(dāng)電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)電網(wǎng)潮流的需要，將可調(diào)偏置直流源的電流值調(diào)節(jié)到指令值； 當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流比穩(wěn)態(tài)工作電流大，控制可調(diào)偏置直流源的輸出電流下降至零，使鐵芯電抗調(diào)整器進(jìn)入限流工作狀態(tài)。
7.一種對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行潮流控制和短路限流的方法，其特征在于，包括如下步驟: 當(dāng)電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)電網(wǎng)潮流的需要，將所述可調(diào)偏置直流源的電流值調(diào)節(jié)到指令值； 當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流比穩(wěn)態(tài)工作電流大，控制可調(diào)偏置直流源的輸出電流下降至零，使鐵芯電抗調(diào)整器進(jìn)入限流工作狀態(tài)。
【文檔編號(hào)】H02P13/00GK103475293SQ201310412277
【公開(kāi)日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】梅軍, 鄭建勇, 王佳成, 姚磊, 錢瀅鋒, 劉賓 申請(qǐng)人:東南大學(xué)