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固态断路器的应用与仿真研究 |
| 固态断路器（SSCB）是柔性交流输电系统（FACTS）和DFACTS（配电FACTS）中实现对电力系统参数和网络结构快速、灵活、准确控制的关键设备，也是保障现代电力系统安全、可靠运行的重要设备。随着配电网容量的日益增大，系统的短路容量也持续增加，这对开关设备的开断能力提出了更高的要求。同时，随着用户对供电质量要求的不断提高，如何快速切除短路电流以抑制故障期间电网电压的跌落也非常重要。现有的机械式断路器因受其自身物理结构的制约，其开断容量很难有大幅度提高，并且动、静触头分开时引起的电弧延长了故障电流切除时间，使之难以满足一些电力用户对故障电流开断的速动性要求，因此如何限制、迅速开断故障电流显得日趋重要。基于电力电子器件的固态断路器因其卓越的电流关断性能使其自问世以来便引起广泛的关注。 1 固态断路器的工作原理 SSCB是背靠背地将晶闸管并联在一起，形成一个交流开关模块，再按额定电压将其串联起来。如果晶闸管是常规的硅整流管（SCR），则开关在交流电流第1次过零点时断开回路。这将形成几毫秒的时延，但已可为大部分用途所接受。如果采用门极可关断晶闸管（GTO），则可瞬时切断电流。ZnO避雷器和缓冲器用来吸收晶闸管关断时所产生的过电压。 来用于6kV及以上系统的SSCB大多采用GT0器件。正常运行时GTO导通，负荷电流从中流过；一旦检测到故障，控制系统向GTO门极发出关断脉冲，SSCB可在几百lls内，在故障电流没有上升到较大幅值前就予以切除，因此可有效抑制电网电压的跌落和大故障电流带来的恶劣后果。 若再将1组电抗器并联于SSCB，则构成了故障电流限制器（FCL）。其工作原理是：在正常负荷条件下，GTO开关闭合并处于完全导通状态。GTO开关由电流大小或电流上升率驱动，在几十lLs内可转换为断开状态，并可断开很大的电流，使故障电流在达到破坏性的数值前很快受到限制。在GTO关断瞬间，电流流向缓冲器，缓冲器在晶闸管电压达到ZnO避雷器动作电压之前，限制了电压的上升速度。该电压也加在电抗器上，由于电抗器的限流作用，故障电流受到了限制。当故障被清除，线路电流恢复正常，GTO开关则在电压为零或接近零时接通，这样可以避免缓冲器的电容放电电流太大，电抗器上的电流将在零点几秒内衰减掉。 2 固态断路器的应用 MATLAB软件中的电力系统模块库（PSB）是一种针对电力系统的可视化建模与仿真工具。在PSB的电力电子模块库中，有一个理想开关模型，它用于模拟一个简化的电力电子装置，如GTO装置或者是用于电流切断的固态断路器。理想开关模型由1个电阻、1个电感和1个由逻辑信号C控制的开关组成。 启动仿真，观察流过电抗器的电流人与电压认以及开关电压Uswitch与开关电流Iswitch。在t=36ms时，开关断开，流过电抗器的电流为0．185A。电抗器上的电流断开时，在电抗器上产生一个高频过电压 （711HZ），其最高电压可通过下式计算 1）目前电力电子器件的额定电压和额定电流较低，在高压电网中，需要采取多个GTO串并联的方式来提高固态断路器的开断容量及其可靠性，因此必须解决各驱动脉冲的同步控制问题，以保证各串并联运行的GTO在开通与关断时有较好的均压和均流特性，否则压降不均或分流不均都将导致GTO元件的损坏，威胁整个串联模块的安全。但由于GTO开断时的增益很小，仅有4～5倍，因此开断大的电流需要大幅值、陡上升率的门极驱动脉冲电流，且随着串并联器件数的增多，控制这些脉冲的一致性触发难度很大。 3）GTO的过载能力低，不能持续导通故障电流，而只能在故障电流到达其最大关断值前关断，因此固态断路器无法实现与下游断路器的整定配合。 |