基于限流电抗器电压的直流配电网单端量保护

直流配电网故障特性复杂,故障电流上升速度快且峰值大,快速、灵敏的故障识别与线路保护是保障直流配电网安全运行的关键技术之一。为此,针对增设限流电抗器的直流配电网,提出一种利用限流电抗器电压实现高灵敏故障识别的直流配电网单端量保护方案。首先,通过分析含限流电抗器的直流配电网故障特性,明确区内、区外故障时限流电抗器电压的特征差异。其次,研究限流电抗器对故障特性及直流保护的影响机制,提出虚拟补偿策略以增强故障识别的灵敏性。在此基础上,根据线路电压变化率设计保护启动判据,提出基于虚拟补偿的故障识别判据和故障选极判据,并给出完整的保护方案流程。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台进行大量的仿真测试,结果表明所提保护方案能够实现对直流故障的快速准确判断,无需通信支持,且对过渡电阻、噪声及负荷波动具有较强的耐受能力。

紧凑型混合励磁三相饱和铁芯型故障限流器

加装饱和铁芯型故障限流器是限制高压系统短路电流的有效方法,但其需要与外加的限流空心电抗器配合,导致整个限流系统占地面积和体积很大。因此,基于非正交解耦原理提出了一种紧凑型混合励磁三相饱和铁芯型故障限流器(compact hybrid-biased three-phase saturated core fault current limiter,CTFCL),其具有占地面积和体积小的优点。首先,提出了含非正交解耦绕组的CTFCL拓扑。其次,建立了CTFCL的等效电磁路模型,分析了其工作原理。然后,给出CTFCL的参数设计准则,搭建了220 kV的有限元模型,仿真验证了CTFCL的限流效果和电磁特性。最后,设计并研制出小容量样机,开展了实验研究。仿真和实验结果均证明了该文所提CTFCL的有效性,CTFCL对各种短路均有良好的限制效果,且对比得到CTFCL限流系统占地面积和体积较传统三相SCFCL限流系统分别减少了44%和26%,适合实际高压系统的安装与应用。

基于磁热耦合的超大容量干式空心限流电抗器金属结构件温度场研究及试验验证

针对500kV/6000A的干式空心限流电抗器金属结构件发热问题,依托于上海远东-亭卫500kV变电站加装串抗工程,采用磁热耦合仿真分析与试验验证相结合的方法,研究了额定电流6000A,单台阻抗7Ω,单台容量252MVar的大容量限流电抗器金属结构件温度场分布特性。研究结果表明:一是限流电抗器的金属结构件温升试验与仿真结果基本吻合,验证了仿真计算的准确性;二是采用特殊结构设计的铝吊臂通流,热点温升为92K,满足超大容量限流电抗器长期通流的使用要求;三是采用低涡流设计结构的不锈钢支撑结构件,热点温升不超过100K,满足支撑强度要求。

基于直流超导限流器的超导带材实验研究

为进一步认识直流超导限流器中超导带材在直流短路电流下的超导特性及失超电阻的建立规律,对超导带材进行了直流电流冲击实验,测量了冲击电流作用下带材的失超电阻特性,得出了单位长度超导带材失超电阻与其产热量具有固定的函数关系。以此建立了长度可变的超导带材电阻及温升仿真模型,分析了超导带材发生不可逆损伤的原因,并实验验证该模型的可靠性。基于该模型,对5 kV混合型超导限流器中超导组件进行了设计,此方法对其他超导限流器的设计也具有较强的指导意义。

变阻抗高温超导限流器的限流特性研究

超导限流器在系统短路限流中具有良好的应用前景,但是电阻型超导限流器在深度限流后难以快速恢复,针对此问题本文提出了交流系统中的一种基于组合超导线圈的变阻抗超导限流器,能在增大限流率的同时显著缩短主通流支路超导带材的通流时间。基于单根超导带材的实验结果在Simulink中依次建立了单根超导带材和变阻抗超导限流器的R-Q仿真模型,仿真分析了变阻抗超导限流器的限流性能和恢复性能,并通过实验验证了仿真结果的准确性,最后在10 kV交流电力系统中分析了变阻抗超导限流器的限流效果。结果显示,本方案超导限流器的主通流和主限流线圈带材根数之比为2∶1时,限流阻抗能增大到常规超导限流器的3倍以上,能有效提高电力系统的稳定性。

考虑短路电流暂态分量的高压交流系统短路故障限流器参数设计

在高压交流输电系统(HVAC)发生短路故障时,极大可能会产生含暂态分量(short circuit current transient component,SCTC)的短路故障电流;当SCTC含量很大时甚至会产生短路电流的零点漂移现象,会对故障限流器(fault current limiter,FCL)的限流工作和参数设计造成很大的影响。针对上述问题,提出了一种SCTC泄能型故障限流器(SCTC energy drain type fault current limiter,SEDFCL)及其参数设计方法,可以加快SCTC的衰减。首先,分析了SEDFCL与SCTC的相互影响和SEDFCL的电磁路工作机理,并研究了SEDFCL场路耦合特性,对电磁参数进行了设计;然后,通过有限元仿真搭建了220 kV SEDFCL模型,探究了SEDFCL结构的有效性、合理性、RC参数的调节作用,以及故障情况下SEDFCL功能的有效性;最后,搭建一台小容量样机,建立试验平台并进行样机试验,证实SEDFCL结构和功能的有效性。与传统五柱式限流器(five-column hybrid excitation type FCL,FHETFCL)相比,SEDFCL将时间常数显著降低117.66%,限流效果提高6.29%。

一种新型混合型超导限流器的设计与实验研究

为解决传统电阻型超导限流器因超导组件参与常态通流而产生的超导带材用量过多及电流引线漏热功率过大等问题,提出了一种适用于中压船舶直流电力系统短路故障保护的新型混合型超导限流器拓扑结构。对其基于IGBT、高速真空开关的联合换流过程进行了试验研究与理论计算,得出了电容、电感、电阻等参数对换流过程的影响规律;采用盘式无感绕制的方式制作了超导带材盘,组成的高温超导组件电感值仅2.9μH;介绍了限流器用高速真空开关的触头运动特性;最后对限流器样机进行了试验,样机成功将预期峰值为57.6 kA的短路电流限流至24 kA以内,完成了在短路电流上升率为34 A/μs条件下,7.7 kA电流的换流,换流时间仅为61μs,电容电压最大值为1170 V,并实现了高速真空开关无弧分断。

基于MOPSO算法的超导限流器结构参数优化

电阻型超导限流器能够快速限制短路电流,因此常与直流断路器结合使用开断直流故障。超导限流器的性能与直流断路器元件参数之间存在复杂耦合关系,在一定直流断路器元件参数下的超导限流器的选型亟需研究。文中首先分析了现有超导限流器电阻的模型,然后仿真了超导限流器与直流断路器结合使用时的短路故障,分析了超导限流器电阻和回路电流的变化规律。仿真结果表明:超导限流器可成功限制故障电流的上升,帮助直流断路器开断故障电流;超导限流器的电阻、温度和电流波形之间存在复杂耦合关系。最后,固定超导带材的截面,通过多目标粒子群算法对超导限流器的长度进行了优化,优化前后的结果表明:当超导带材长度为47 m时,短路电流峰值为1.24 kA,在5.90 ms时产生电流过零点,比优化前超导带材减少了7 m,但短路电流峰值和过零点时间几乎没有变化。

电阻型直流故障限流器的冲击特性研究

直流故障限流器能够快速限制故障电流上升,但需要关注其在故障冲击过程中的限流动态特性。为此,开展电阻型限流器的故障冲击特性研究。首先,理论分析并推导限流器串入前后系统直流电压、限流器耐受冲击电流的数学表达式。然后,搭建直流大电流冲击平台,研发限流器实验室样机;在MATLAB/Simulink仿真平台中搭建限流器模型并开展冲击特性仿真分析。最后,分别对单线圈和多线圈并联结构的电阻型限流器进行大电流冲击测试。仿真与实验结果表明:故障冲击越大,限流器失超后电阻上升越快且幅值越大,限流效果越好;在冲击电压较低时,限流电阻会呈现先迅速上升然后下降的趋势。

计及多元因素新型柔性限流器在多端直流系统中的优化配置方法

已有限流器优化配置方法大多以电阻、电感型限流器为配置对象,且只考虑每条线路均配置限流器的工况,降低系统经济效益,因此提出一种计及新型柔性直流限流器(novel flexible fault current limiter,NFFCL)运行特性、位置、数量等因素的优化配置方法。首先基于换流站和NFFCL简化模型,构建含NFFCL直流系统故障电流计算模型,并在5节点直流系统验证其准确性;其次,以NFFCL成本、限流效果为目标函数,以断路器最大开断电流为约束条件,构建多目标优化配置模型,并对NSGA-Ⅱ算法中的拥挤度计算进行改进,以实现优化配置过程中NFFCL安装数量与容量的解耦;最后,采用改进拥挤度计算的NSGA-Ⅱ算法求解得到11节点直流系统的NFFCL优化配置方案,并通过限流器成本、安装数量、限流效果之间的关系选取最终方案。

基于限流电抗器电压特性的直流线路保护研究

高压直流配电网保护是柔性直流配电网亟待解决的关键问题之一。基于限流电抗器的电压特性设计了一种新型的多端柔性直流线路保护方法。计及线路边界特性,提出了故障快速、可靠识别的方法,利用直流电抗器电压变化判据实现了保护的方向性。搭建了复合式环状结构的高压直流配电网模型,验证了所提方法能够满足直流配电系统保护速动性、可靠性和选择性的要求。

限流器配置与网架结构优化协同的受端电网短路电流抑制策略

如何有效地抑制短路电流水平已成为受端电网规划和运行中不可忽视的问题。文中量化和构建了计及超导故障限流器(SFCL)配置与网架结构优化的短路电流约束。在此基础上,提出了一种SFCL配置与网架结构优化协同的短路电流抑制模型,采用基于McCormick包络的交流潮流线性化框架,并通过循环结构最小化松弛误差。为有效求解上述模型,将主问题分解为若干子问题,设计了基于嵌套Benders分解算法的求解策略。基于改进的IEEE 39节点系统和河南电网规划系统开展仿真分析,验证了所提策略在经济性和短路电流抑制效果方面的有效性和实用性。

故障限流器在电力系统中应用研究现状

故障限流器可以快速地限制短路电流,保证系统安全稳定运行,是一种具有发展潜力的限制短路电流技术。在综合大量文献的基础上综述了国内外故障限流器的应用研究现状、发展应用;详细介绍了故障限流器的分类、基本原理和应用要求,归纳了它们在电力系统中的安装地点,提出了在实用化过程中故障限流器研究亟待解决的问题,包括:FCL与电力系统整体性能的交互影响;FCL与电网关键设备的交互影响;FCL的经济性评价;FCL与其他现有FACTS装置控制系统、电网调度控制系统的协调配合问题;FCL的最优化配置问题等。

超导限流器研究与开发的最新进展

介绍了超导限流器的基本工作原理、技术特性 ,并详细介绍了饱和型、桥路型、电阻型、变压器型、混合型、三相电抗型、屏蔽型等 7类超导限流器的结构及工作原理 ,综述了超导限流器的国内外发展状况 ,同时提出了超导限流器应用所特有的

面向超高压电网的故障限流器的应用研究

针对迫切需要解决的大负荷中心短路电流超标的问题,在介绍了短路电流限制器研究现状,阐述了新型串联谐振型限流器(SCCL)工作原理后,用等面积法分析了单机无穷大系统中SCCL提高系统暂态稳定裕度的机理,并比较了串联电抗器与谐振型限流器的优缺点。谐振型参数设计是工程设计的难点,其中抑制因子代表着限流器限流能力,其取值要综合系统需求考虑。保证电容器可靠旁路是谐振型限流器的关键技术,多重化旁路开关技术能有效抵御电容器过压击穿的风险。基于优化参数的大量仿真实验证明:主电路设计合理,旁路开关电气强度降低,电容器在有效保护范围内。

高压SF_6断路器关合预击穿特性计算与试验研究

同步关合技术是控制断路器关合涌流和过电压的主要技术方法,技术关键点在于选取断路器触头合闸相角的合理范围。通过试验和仿真计算的手段研究高压断路器关合预击穿特性。首先,计算不同开距下灭弧室内电场强度和气流场介质密度的动态变化过程,应用SF6气体流注理论击穿判据计算合闸击穿电压曲线。搭建126 k V SF6断路器动态击穿特性试验回路,给出正、负极性电压下断路器合闸过程动态击穿电压曲线,分析SF6气体极性效应对击穿电压的影响。对比分析仿真计算与试验结果,给出同步关合技术最佳的合闸相角。结果表明:SF6气体正极性击穿电压值大于负极性;击穿电压值仿真计算值可以表征合闸过程临界击穿电压的变化;以试验数据为参考,在开关合闸偏差为±1 ms、电角度±18°时,确定最佳合闸目标相角为9°,预击穿时间在(0 ms,0.5 ms),预击穿电压在(0 k V,47.68 k V)范围内变化。

考虑漏磁效应的永磁饱和型故障限流器磁路建模与实验研究

漏磁效应对永磁饱和型故障限流器(permanent-magnet-biased saturation based fault current limiter,PMFCL)的动态特性具有重要影响。针对一种直线式PMFCL的磁拓扑,以铁心磁通的工作零点作为分界阐明了其2个阶段的限流机理,指出铁心磁通自过零反向后将发生畸变,永磁体不再参与限流过程。基于磁场分割原理实现2类等效磁路模型中总漏磁导和漏磁系数的计算,针对拟圆环截面磁通管的漏磁导,提出基于曲线拟合而改变积分变量的求解方法。在Matlab/Simulink环境下建立了考虑漏磁效应的PMFCL仿真模型,分别与小电流和大电流工况的实验结果进行对比,验证了建模方法的有效性。

基于快速开关的串联谐振型故障限流器的仿真

为限制电力系统短路电流,提出了一种开关作为电容器短路元件的串联谐振型故障电流限制器拓扑。以220kV单相线路为例,利用EMTP软件对这种限流器拓扑的动态工作特性进行仿真分析。提出了2种有效措施,以抑制电流转移过程由杂散振荡导致的电容支路高频过电流和过电压现象,仿真结果表明,在电容支路中串入电抗器比在快速开关支路中串入效果更佳。快速开关的合闸时间对限流效果至为关键,对此做了具体分析。结果指出,快速开关的合闸时间须足够短(10ms以内),才能有效实现故障限流。该故障限流器拓扑结构简单、响应速度快,其中的快速开关只进行快速合闸操作,不需要具备电流开断能力,易设计,造价低廉。

基于灵敏度法的超导故障限流器的优化配置

提出一种超导故障限流器(SFCL)优化配置的新方法。通过进行短路计算,首先确定安装SFCL能够可靠启动的支路,然后分析SFCL对网络阻抗矩阵的影响,得出短路电流超标点自阻抗对这些支路阻抗参数的灵敏度,根据灵敏度的大小,从中选取安装SFCL的多条候选支路,采用改进的非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)这一多目标优化算法对候选支路进行优化计算,实现SFCL的安装位置、数量以及阻抗值的优化配置。最后,通过6节点系统和IEEE 39节点系统的仿真验证了所述方法的有效性和可靠性,大大缩小了解的搜索空间,实现了SFCL的优化配置,限制了超标点短路电流水平。

用于并联断路器的紧耦合电抗器设计

随着电网的扩建和巨型发电机组的投运,电力系统已经越来越多的暴露出短路电流过大的弊病。单一断路器的使用已经不足以安全开断短路电流,而断路器的配合使用又存在控制系统复杂,造价高等缺点。为解决上述问题,提出了应用紧耦合电抗器的方案以使断路器的并联使用简单化和智能化,达到自动均流/限流的目的,大大提高了系统短路电流的开断水平,同时具有结构简单、运行可靠、功耗小的优点。这种紧耦合电抗器,与并联断路器配合使用,在系统正常运行时,对外表现为漏电感,数值极小,同时由于自身结构的原因能自动均流;而在系统发生短路时,会自动判断并联断路器的灭弧室是否同时开断,从而产生均流/限流功能。在介绍了这种紧耦合电抗器的工作原理和设计方法后分析了紧耦合电抗器磁效应可能造成的外部影响,并对该种电抗器在电路中的使用进行了仿真。结果显示,该紧耦合电抗器确能实现自动均流/限流的功能,对外部设备的影响较小。