一种用于供电保障的中高压快速切换开关装置及方法与流程

1.本发明属于电力控制技术领域，具体涉及一种用于供电保障的中高压快速切换开关装置及方法。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，各行各业对于供电可靠性的要求越来越高。大型冲击性负荷或非线性负载的投切、雷击、等原因，导致配电网系统产生常规电网技术无法规避的电压暂降或短时中断问题，这类电压质量问题会导致配电网中许多敏感设备不能正常工作，甚至造成严重后果。鉴于上述原因，敏感电力用户通常会配备有两条或两条以上的电力馈线，一条作为常用供电电源，另一条作为b路电源，正常情况下由常用电源为负载供电，并通过固态切换开关(solid state transfer switch，ssts)对两路电源进行快速切换，也是治理电压暂降的具有代表性的装置之一。
3.随着电网规模的不断扩大和结构的日益复杂，电力系统的短路容量也随之增加，危害电力系统的安全稳定运行。当馈线负载侧发生短路故障时，急剧增大的短路电流会对电力系统中的保护开关或ssts等定制电力装置造成严重危害。在线路上装设故障限流器(fault current limiter，fcl)可以有效地限制短路故障时的短路电流值。目前，基于电力电子技术的固态限流器发展迅速，其基本原理是以电力电子器件的快速开关控制为核心，结合电阻、电感等元器件实现限流阻抗的快速切换，从而限制短路电流。然而，由于电网中短路故障发生频次较低，且限流器投资成本较大、功能单一，一定程度上造成了电网资产利用率低的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种用于供电保障的中高压快速切换开关装置及方法，以解决现有技术中电网安装限流器，电网资产利用率低的问题。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.本发明的第一方面，一种用于供电保障的中高压快速切换开关装置，包括真空断路器、双向晶闸管阀组、限流电抗器；a路电源通过第一双向晶闸管阀组连接负载设备，b路电源通过第二双向晶闸管阀组连接负载设备；真空断路器s1与第一双向晶闸管阀组并联设置，真空断路器s2与第二双向晶闸管阀组并联设置；第一双向晶闸管阀组平均分为两个部分：scr1a1～scr1an和scr1b1～scr1bn，限流电抗器l1lim与晶闸管阀组scr1b1～scr1bn两端并联；第二双向晶闸管阀组平均分为两个部分：scr2a1～scr2an和scr2b1～scr2bn，限流电抗器l2lim与晶闸管阀组scr2b1、scr2bn两端并联；当a路电源回路电压暂降或短时中断，真空断路器s1断开的同时触发晶闸管阀scr1
a1
～scr1
an
、scr1
b1
～scr1
bn
；再导通b路电源侧晶闸管阀组scr2
a1
～scr2
an
、scr2
b1
～scr2
bn
；停止触发晶闸管阀组scr1
a1
～scr1
an
、scr1
b1
～scr1
bn
；之后真空断路器s2闭合；当出现短路故障后，真空断路器s1关断，同时晶闸管阀组scr1
a1
～scr1
an
导通，晶闸管阀组scr1
a1
～scr1
an
仍然保持关断。
7.具体的，晶闸管阀组scr1b1～scr1bn两端并联过压保护器z1no。
8.具体的，晶闸管阀组scr2b1、scr2bn两端并联过压保护器z2no。
9.具体的，所述限流电抗器满足如下条件：
[0010][0011]
式中，α为实际电流限制率，α
′
为期望电流限制率，u
lim
是限流电抗接入后限流支路两端电压，u
zno
为过压保护器的击穿电压，β为安全系数。
[0012]
本发明的第二方面，一种故障限流方法，基于中高压快速切换开关装置，包括如下步骤：
[0013]
正常状态下，由真空断路器s1接a路电源进行工作，其他部分被旁路；
[0014]
当a路电源回路电压暂降或短时中断，真空断路器s1断开的同时触发晶闸管阀scr1
a1
～scr1
an
、scr1
b1
～scr1
bn
，电路被转移到晶闸管阀回路；再导通b路电源侧晶闸管阀组scr2
a1
～scr2
an
、scr2
b1
～scr2
bn
，发生强迫换流；停止触发晶闸管阀组scr1
a1
～scr1
an
、scr1
b1
～scr1
bn
，完成换流；之后真空断路器s2闭合，b路电源进行工作，其他部分被旁路；
[0015]
当出现短路故障后，真空断路器s1关断，同时晶闸管阀组scr1
a1
～scr1
an
快速导通，晶闸管阀组scr1
a1
～scr1
an
仍然保持关断，此时限流电抗器通过晶闸管阀组scr1
a1
～scr1
an
串联接入系统当中。
[0016]
进一步的，当出现短路故障后，若故障电流继续增大，限流电抗器上的压降继续升高，过压保护器将限流电抗器的压降限制在并联晶闸管阀组的耐受电压以下。
[0017]
进一步的，满足下式时，判定电压暂降或短时中断：
[0018]
u《0.9u
phn
，其中，u
phn
为相电压基准值。
[0019]
进一步的，判断是否发生短路的方法为：通过电流互感器获取电源与双向晶闸管阀组之间线路上的电流值，并将电流值传递至控制器，控制器将电流值与预设的阈值进行对比，当超出阈值时判定发生短路。
[0020]
进一步的，控制器通过驱动电路控制晶闸管阀组的通断。
[0021]
进一步的，a路电源为主电源，b路电源为备用电源。
[0022]
本发明的有益效果如下：
[0023]
本发明实施例提供的中高压快速切换开关装置，能够实现双路电源的快速切换和短路故障限流的双重功能。当主供电回路电压出现暂降或短时中断时，本发明装置可实现备用供电回路的快速切换。当负荷侧出现短路故障时，本发明装置可以快速实现故障限流功能，从而避免故障的扩大化，对电力系统的安全可靠运行具有重要意义。
附图说明
[0024]
构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0025]
图1为本发明实施例中高压快速切换开关装置拓扑结构图。
[0026]
图2为本发明实施例中限流控制策略图。
[0027]
图3为本发明实施例中限流控制过程示意图，(a)电网稳态，(b)故障限流暂态。
[0028]
图4为本发明实施例中故障限流方法工作过程示意图。
[0029]
图5为本发明实施例中故障限流方法工作过程状态图，(a)电网系统稳态模式，(b)快速切换模式，(c)发生强迫换流，(d)完成换流，(e)将限流电抗器的压降限制在并联晶闸管阀组的耐受电压以下。
[0030]
图6为本发明实施例中系统短暂失压或中断时的仿真波形，(a)短暂失压，(b)强迫换流，(c)电压和电流恢复正常状态。
[0031]
图7为本发明实施例中系统短路时的仿真波形，(a)发生短路故障，(b)过压保护器开始发挥作用时电压波形，(c)故障电流显著减小。
具体实施方式
[0032]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0033]
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本技术所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
[0034]
本发明实施例提供了一种用于供电保障的中高压快速切换开关装置及方法，用于和电网公司的保电智慧平台相配合，保电智慧平台通过多种传感器监测供电回路的电压电流状况，并根据电压电流状况控制中高压快速切换开关装置，具体为：当主供电回路电压出现暂降或短时中断时，本发明装置可实现备用供电回路的快速切换。当负荷侧出现短路故障时，本发明装置可以快速实现故障限流功能。
[0035]
如图1所示，本发明实施例的第一方面，一种用于供电保障的中高压快速切换开关装置，包括真空断路器、双向晶闸管阀组、限流电抗器和过压保护器zno；a路电源通过第一双向晶闸管阀组连接负载设备，b路电源通过第二双向晶闸管阀组连接负载设备，本实施例中，a路电源为主电源，b路电源为备用电源。
[0036]
真空断路器s1与第一双向晶闸管阀组并联设置，真空断路器s2与第二双向晶闸管阀组并联设置。第一双向晶闸管阀组平均分为两个部分：scr1a1～scr1an和scr1b1～scr1bn，两个部分的晶闸管阀组耐压值均为额定电压值，限流电抗器l1lim与晶闸管阀组scr1b1～scr1bn两端并联，来实现故障短路电流的限流作用。晶闸管阀组scr1b1～scr1bn两端并联过压保护器z1no，用于电力电子开关的过电压保护。第二双向晶闸管阀组平均分为两个部分：scr2a1～scr2an和scr2b1～scr2bn，两个部分的晶闸管阀组耐压值均为额定电压值，限流电抗器l2lim与晶闸管阀组scr2b1、scr2bn两端并联，来实现故障短路电流的限流作用。晶闸管阀组scr2b1、scr2bn两端并联过压保护器z2no，用于电力电子开关的过电压保护。
[0037]
在本发明的一个具体实施例中，本发明装置的限流效果取决于所接入电抗的大小。对于中高压系统而言，较大的短路故障电流通常会在限流电抗上产生一个较大的过电压，该电压也直接加在了开关器件的两端，虽然限流模块有过压保护器zno的保护，但必须要保证其过电压在过压保护器的电压承受范围内，因此，限流电抗的取值不能太大。同时，
为了保证较好的限流效果，要求限流电抗必须有一定的电流限制率，这又要求限流电抗的取值不能太小。
[0038]
本实施例中提供了限流电抗器的选取，以一相为例，设相电压为u，系统阻抗为x
sys
，晶闸管阀组导通电阻为ron，限流阻抗为l
lim
。
[0039]
短路故障电流为：
[0040]
if＝u/x
sys
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0041]
故障电流流经晶闸管阀组支路时：
[0042]i′f＝u/(x
sys
n
·ron
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0043]
限流电抗接入后短路故障电流为：
[0044]ilim
＝u/(x
sys
2πf
·
l
lim
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0045]
电流限制率为：
[0046]
α＝(i
f-i
lim
)/ifꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0047]
限流电抗接入后限流支路两端电压为：
[0048][0049]
考虑一定的过电压裕量情况下，限流电抗的限制条件应为：
[0050][0051]
式中，α
′
为期望电流限制率，u
zno
为过压保护器zno的击穿电压，β为安全系数，一般取值为1.2～1.5之间。
[0052]
本发明实施例的第二方面，提供了一种故障限流方法，基于上述的中高压快速切换开关装置，如图3(a)所示，在电网稳态时，限流电抗器被旁路，限流模块对系统不产生影响。一旦发生短路故障，限流器将进入故障限流暂态，如图3(b)所示，控制器判定短路故障之后，控制与限流电抗器并联的晶闸管阀组断开，限流电抗器投入故障线路当中进行限流。具体来说，控制策略分为：系统稳态、系统短暂失压或中断、系统短路故障三种，在三种状态下本发明装置可实现对应工作模式的切换，具体的切换流程如图4所示，图5为本发明装置模式切换对应的工作状态。
[0053]
(1)正常状态下，由真空断路器s1接a路电源进行工作，其他部分被旁路，开关通态损耗最小，此时装置工作在系统稳态模式，如图5a所示。
[0054]
(2)当a路电源回路电压暂降或短时中断，装置需要开始执行快速切换功能时，装置进入快速切换模式。真空断路器s1断开的同时触发晶闸管阀scr1
a1
～scr1
an
、scr1
b1
～scr1
bn
，电路被转移到晶闸管阀回路，起到了熄灭真空断路器s1电弧的作用，如图5b所示。
[0055]
再导通b路电源侧晶闸管阀组scr2
a1
～scr2
an
、scr2
b1
～scr2
bn
，发生强迫换流，如图5c所示。停止触发晶闸管阀组scr1
a1
～scr1
an
、scr1
b1
～scr1
bn
，完成换流，如图5d所示。之后真空断路器s2闭合，b路电源进行工作，其他部分被旁路。
[0056]
本实施例中，短暂失压或中断故障辨识方法如下：
[0057]
为判断短暂失压或断线故障，需获取相电压幅值。设相电压为正弦函数，记为u
α
：
[0058]
[0059]
其中u为相电压有效值，ω为电压角频率，为初始相位。
[0060]
将相电压延时π/2ω，记为u
β
：
[0061][0062]
将u
α
、u
β
进行dq变换，得
[0063][0064]
uq的相反数即为相电压幅值。
[0065]
设u
phn
为相电压基准值，对10kv输电系统，u
phn
≈5.77kv。满足下式时，判定电压暂降或短时中断：
[0066]
u《0.9u
phn
[0067]
(3)当出现短路故障后，本发明装置快速投入限流电抗器，此时装置工作在故障限流模式，将短路故障电流快速限制在较低的水平。具体方案是关断快速真空断路器s1，同时晶闸管阀组scr1
a1
～scr1
an
快速导通，但与限流电抗器并联的晶闸管阀组scr1
a1
～scr1
an
仍然保持关断，此时限流电抗器通过晶闸管阀组scr1
a1
～scr1
an
串联接入系统当中，从而实现电网中故障电流快速抑制，若故障电流继续增大，限流电抗器上的压降继续升高，过压保护器将限流电抗器的压降限制在并联晶闸管阀组的耐受电压以下，从而保证了并联晶闸管的安全，如图5e所示。
[0068]
具体的，如图2所示，本实施例中，判断是否发生短路的方法为：通过电流互感器获取电源与双向晶闸管阀组之间线路上的电流值，并将电流值传递至控制器，控制器将电流值与预设的阈值进行对比，当超出阈值时判定发生短路，控制器通过驱动电路控制晶闸管阀组的通断。控制器在完成短路故障检测的同时，也对开关器件的驱动状态进行实时监测。
[0069]
本发明实施例的第三方面，为了验证本发明装置拓扑结构的有效性和可行性，在psim仿真平台上搭建了仿真模型，进行效果验证。本发明装置的模式切换分为两种，一种是系统短暂失压或中断时的模式切换，另一种是系统短路时的模式切换，仿真结果如下。
[0070]
(1)系统短暂失压或中断效果分析
[0071]
当系统短暂失压或中断时，本发明装置将进入快速切换模式，把发生故障的主供电电源快速断开，并切换至备用侧电源供电。系统在0.3s时发生短暂失压，本发明装置两侧的电压和电流如图6所示。当发生短暂失压时，主供电电源的电压出现下降，b路电源电压一直保持稳定，如图6(a)所示。此时，利用本发明装置的快速切换原理，在判定电压暂降后，由控制器同时触发a路电源侧和b路电源侧的晶闸管阀组，在完成强迫换流后进行迅速切换，电压和电流只存在不到半个周波的跌落即可恢复正常状态，如图6(b)与图6(c)所示，说明此时模式切换成功，b路电源开始供电。
[0072]
(2)系统短路时效果分析的仿真波形
[0073]
当系统发生短路故障时，本发明装置将进入故障限流模式，将短路故障电流转移至限流模块进行限流。假设系统在0.5s时发生短路故障，本发明装置两侧的电压和电流如图7所示。当系统发生短路故障时，先由控制器判定短路故障的发生，并由断路器在半个周
波之内将故障电流转移至限流回路，如图7(a)所示。在转移至限流回路后，晶闸管阀组分为两类，不与限流电抗并联的阀组被触发导通，限流模块中的晶闸管阀组保持关断，限流模块被投入发挥限流作用，将故障电流从超过15ka限制在10ka左右，限流深度为40％，如图7(a)所示。当限流模块两端电压持续上升时，并联在限流电抗两端的过压保护器开始发挥作用，其电压波形如图7(b)所示，电压始终不高于10kv，过压保护器发挥保护电力电子器件的作用。负载侧电流由于短路故障而存在电流的短暂冲击，在限流模块接入后其故障电流显著减小，波形如图7(c)所示。
[0074]
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。