一種新型多目標串聯型短路限流控制器的研究

摘要：提出一種串聯型短路限流控制器，采用背靠背換流器與限流電抗器串聯的方式，在系統未發生短路故障時，背靠背換流器可以實現電壓補償、諧波抑制等功能，當發生短路時，將換流器切出，使短路限流電抗器工作。分析了電路的拓撲結構和控制原理，采用完全補償法對電壓進行補償，采用電源電流檢測法濾除系統中的諧波，然后用PSCAD進行了仿真和實驗驗證。
關鍵詞：控制器；短路限流；串聯型；電壓補償

1 引言
很多破壞電力系統正常運行的情況是由短路故障引起的。隨著電力系統容量的不斷增加，電網中的短路電流問題也隨之增多，因而限制電力系統短路電流已成為一個急需解決的問題。由于電力電子技術及大容量電力電子器件的快速發展，電力電子短路限流器(FCL)是限制短路電流一個較有效手段。它具有動作速度快、允許動作次數多、控制方便等優點，具有很好的應用前景。
這里將短路限流控制裝置和限流電抗器串聯后接在電源和負載之間，在系統正常運行時，換流器用于補償限流電抗器產生的電壓降，并抑制電抗器和負載產生的諧波，同時可消除電壓暫升、電壓暫降及三相不平衡等問題，當系統發生短路時將控制裝置切出，此時限流電抗器起到了限制短路電流的作用。

2 原理與設計
2．1 主電路拓撲
圖1為限流電抗器串聯FCL控制器主電路拓撲。電網側電壓經3個單相FCL控制器，單相FCL控制器由單相PWM整流器和單相逆變器組成。
單相PWM整流器輸出的直流電壓作為3個單相逆變器的直流電源，逆變器的輸出補償由限流電抗器和負載產生的壓降和諧波。L1，L2，L3為限流電抗器；G1，G2，G3為用于切出換流器的雙向晶閘管；K1，K2，K3用于切出整個裝置。

2．2 單相PWM整流器的控制策略
PWM整流器具有輸入電流諧波含量低，功率因數高、體積小、重量輕等特點。其控制策略為：將實際直流側電壓Ud與給定期望值Uref作差，所得結果經PI控制器，其輸出量乘以交流電壓信號的單位量sinA，之后得到電流iref，與電感電流ia作差經PI控制器，保證了電感電流跟蹤輸入電壓，最后產生的調制信號與三角波載波信號比較控制得到IGBT模塊的驅動信號。
2．3 單相逆變器控制策略
逆變器控制分2部分，首先是對電壓的跟蹤控制，即逆變器的輸出電壓補償因限流電抗器和負載產生的電壓降落和無功損耗，然后是抑制系統中的諧波，即起到串聯APF的作用，最后將上述兩個調制信號進行疊加作為逆變器給定電壓參考量與逆變器的實測電壓作差經比例積分控制，保證了逆變器電壓跟蹤參考電壓，最后與三角波載波信號比較控制得到IGBT模塊的驅動信號。
2．3．1 電壓降落的動態跟蹤控制
目前對于電壓降落的補償方式主要有同相補償、完全補償、最小能量補償這3種控制策略。這里采用完全補償法。該方法可使補償后的負載電流與理想參考電壓的幅值和相位均相同，即實現了負載電壓的連續性，在裝置容量足夠大時，它是一種理想的補償方法。
短路限流控制器與限流電抗器串聯于系統中，當系統未發生暫降或暫升，且此時假設負載為阻感的，則在系統中不存在諧波影響，那么可將該拓撲簡化，如圖2所示。