CN103545787A - 统一电能质量控制器的保护***及其保护控制方法 - Google Patents
统一电能质量控制器的保护***及其保护控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种统一电能质量控制器的保护***及其保护控制方法，反并联晶闸管安装在串联耦合变压器一次侧，其余五个断路器分别安装在串联耦合变压器与于***连接处、串联耦合变压器与负载连接处、UPQC并联部分与***连接处、UPQC串联部分与耦合变压器连接处以及串联耦合变压器一次侧。可以在负荷侧、***侧出现短路故障后，10ms内快速旁路串联耦合变压器，实现对UPQC耦合变压器及串联侧换流器的保护；由于快速旁路串联耦合变压器，***短路阻抗不会发生变化，***上级故障保护动作不受影响；在反并联晶闸管拒动情况下可以通过断路器动作对装置进行二次保护，提高了装置的可靠性及安全性。
Description
技术领域
本发明涉及电力保护控制的技术领域，特别是涉及一种统一电能质量控制器的保护***及其保护控制方法。
背景技术
统一电能质量控制器（Unified Power Quality Conditioner，简称UPQC）作为一种能够同时解决电压、电流质量问题的复合型装置，凭借其串联部分及并联部分的换流器即可以解耦后独立运行，又可以针对配电线路中同时存在电压、电流问题时实现综合补偿的特点，在未来智能电网的发展中占据了重要的地位，但是换流器昂贵的价格制约了其在低压配电领域的应用。若将模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter，MMC）技术应用于统一电能质量控制器，即可以提高UPQC的容量又可以提高UPQC的电压等级，从而了扩展UPQC在中压领域的使用，使得UPQC具有更加广阔的应用前景。
基于模块化多电平变流器的统一电能质量控制器（Modular MultilevelConverter，MMC-Unified Power Quality Conditioner，MMC-UPQC）的结构由多个子模块串联组成，其子模块由旁路开关、晶闸管、IGBT、二极管和电容构成，如图1所示。
在MMC的故障运行中，通过冗余模块技术可以快速的将故障子模块与冗余子模块进行替换，提高了换流器故障情况下的使用效率。但是针对于MMC-UPQC整体装置在***出现故障时，如何合理的操作保证其安全可靠稳定的运行，不仅是***对装置的要求，更是装置保护自身的要求。
由于UPQC拓扑结构的特殊性，其串联部分一般通过串联耦合变压器与***相连，如图2所示。电流互感器的二次绕组不能开路，否则将会造成危险的高电压烧毁设备，因此配电***中发生短路故障时，UPQC中的串联部分换流器不能从电流互感器的二次侧断开。若采用断路器旁路串联耦合变压器一次侧的电路，则由于断路器的动作时间较长，依然无法实现对装置快速高效的故障保护。在实际的UPQC装置在运行中需要一个特殊的保护***。
发明内容
针对上述统一电能质量控制器保护动作不及时，安全性不高的问题，本发明提出一种快速及时，安全性较高的统一电能质量控制器的保护***。
一种统一电能质量控制器的保护***，包括：
分别设置在串联耦合变压器一次侧的两端的第一断路器和第二断路器；其中，所述串联耦合变压器的二次侧与统一电能质量控制器的串联部分连接；
与所述串联耦合变压器、所述第一断路器和第二断路器构成的支路并联的反并联晶闸管；
设置在所述统一电能质量控制器串联部分与所述串联耦合变压器二次侧之间的第三断路器；
设置在所述统一电能质量控制器并联部分与负载之间的第四断路器；
与所述反并联晶闸管并联的第五断路器；
与所述反并联晶闸管以及各个所述断路器连接的控制器；
当发生短路接地故障时，所述控制器控制所述反并联晶闸管导通，所述第五断路器合闸，所述第一至第四断路器分闸。
本发明的统一电能质量控制器的保护***中，当发生短路接地故障时，故障电流经串联耦合变压器一次侧，此时，所述控制器控制所述反并联晶闸管导通，将所述串联耦合变压器旁路，由于反并联晶闸管接收导通指令快速动作的时间很快，通常在10ms以内，因此能够使保护动作更加及时快速；所述第五断路器合闸，接替所述反并联晶闸管将所述串联耦合变压器旁路，避免所述反并联晶闸管的导通时间过长而影响使用寿命；所述第一至第四断路器分闸，使所述统一电能质量控制器与***和负载都彻底断开连接，安全性更高。
一种本发明的统一电能质量控制器的保护***的保护控制方法，包括以下步骤：
S101，检测是否出现短路接地故障或者故障电流，如果是，则执行步骤S102至S105；
S102，控制所述统一电能质量控制器的并联部分闭锁，所述串联部分上桥臂旁路、下桥臂闭锁或者上桥臂闭锁、下桥臂旁路；
S103，所述控制器对所述反并联晶闸管发送导通触发信号，控制所述反并联晶闸管导通；
S104，所述控制器对所述第五断路器发出合闸指令，控制所述第五断路器合闸；
S105，所述控制器对所述第一至第四断路器发出分闸指令，控制所述第一至第四断路器进行分闸操作。
本发明的统一电能质量控制器的保护***的保护控制方法中，在所述统一电能质量控制器工作时检测是否出现短路接地故障或者故障电流。控制所述统一电能质量控制器的并联部分闭锁，所述串联部分上桥臂旁路、下桥臂闭锁或者上桥臂闭锁、下桥臂旁路，首先通过内部模块化多电平换流器的子模块闭锁和旁路状态对所述统一电能质量控制器进行保护。并且，所述控制器对所述反并联晶闸管发送导通信号，使所述反并联晶闸管导通并维持，将所述串联耦合变压器旁路，由于反并联晶闸管接收导通指令快速动作的时间很快，通常在10ms以内，因此能够使保护动作更加及时快速；然后，所述控制器对所述第五断路器发出合闸指令，使所述第五断路器合闸，接替所述反并联晶闸管将所述串联耦合变压器旁路，避免所述反并联晶闸管的导通时间过长而影响使用寿命；使所述第一至第四断路器分闸，使所述统一电能质量控制器与***和负载都彻底断开连接，安全性更高。
附图说明
图1是现有技术一种基于模块化多电平变流器的统一电能质量控制器的结构示意图；
图2是本发明统一电能质量控制器的保护***的结构示意图；
图3是本发明统一电能质量控制器的保护***的保护控制方法的流程示意图。
具体实施方式
请参阅图2，图2是本发明统一电能质量控制器的保护***的结构示意图。
所述统一电能质量控制器的保护***，包括：
分别设置在串联耦合变压器一次侧的两端的第一断路器CB1和第二断路器CB2；其中，所述串联耦合变压器的二次侧与统一电能质量控制器的串联部分连接；
与所述串联耦合变压器、所述第一断路器CB1和第二断路器CB2构成的支路并联的反并联晶闸管SCR；
设置在所述统一电能质量控制器串联部分与所述串联耦合变压器二次侧之间的第三断路器CB3；
设置在所述统一电能质量控制器并联部分与负载之间的第四断路器CB4；
与所述反并联晶闸管SCR并联的第五断路器CB5；
与所述反并联晶闸管SCR以及各个所述断路器连接的控制器（图未示）；
当发生短路接地故障时，所述控制器控制所述反并联晶闸管SCR导通，所述第五断路器CB5合闸，所述第一至第四断路器分闸。
本发明的统一电能质量控制器的保护***中，当发生短路接地故障时，故障电流经串联耦合变压器一次侧，此时，所述控制器控制所述反并联晶闸管导通，将所述串联耦合变压器旁路，由于反并联晶闸管接收导通指令快速动作的时间很快，通常在10ms以内，因此能够使保护动作更加及时快速；所述第五断路器合闸，接替所述反并联晶闸管将所述串联耦合变压器旁路，避免所述反并联晶闸管的导通时间过长而影响使用寿命；所述第一至第四断路器分闸，使所述统一电能质量控制器与***和负载都彻底断开连接，安全性更高。所述统一电能质量控制器的保护***由反并联晶闸管和断路器组成。其采用大容量的反并联晶闸管对MMC型UPQC进行故障保护。
UPQC的并联部分换流器直接接于负载与***之间的线路中，串联部分换流器则经由串联耦合变压器接入交流***，如图2所示。所述的MMC型UPQC串并联部分的主体结构为模块化多电平换流器，通过换流器子模块数目的增加提高装置的容量及其电压等级，如图1所示。所述的MMC型UPQC反并联晶闸管安装在串联耦合变压器一次侧，其余五个断路器分别安装在串联耦合变压器与于***连接处、串联耦合变压器与负载连接处、UPQC并联部分与***连接处、UPQC串联部分与耦合变压器连接处以及串联耦合变压器一次侧。
所述的反并联晶闸管SCR的选择需综合考虑负载侧发生短路故障情况下所需承受的最大故障电流。
为达到更佳的保护控制效果，所述保护***的各个所述断路器的配合方式可设置为：
所述控制器输出一对常开点并接于所述第五断路器CB5的跳闸回路中；所述第五断路器CB5输出四对常开点分别并接于所述第一至第四断路器的跳闸回路中作为连锁跳闸。
与所述串联耦合变压器一次侧并联的所述第五断路器CB5输出四对（无源点）常开点分别并接于其余四个断路器的跳闸回路中作为连锁跳闸；
UPQC的所述控制器输出一对（无源点）常开点并接于与所述第五断路器CB5的跳闸回路中，保证UPQC故障时所述第五断路器CB5先合闸保持供电线路通畅，再分别断开其余4个断路器；
进一步地，还可设置所述第三断路器CB3和所述第四断路器CB4各输出一对常闭点并接于所述第五断路器CB5的合闸回路中。
UPQC串并联部分接入***处的2个断路器（第三断路器CB3和第四断路器CB4）中任一发生故障跳闸，需要与所述串联耦合变压器10一次侧并联的第五断路器CB5同时闭合，因此上述2个断路器各输出一对常闭点并接至与所述第五断路器CB5的合闸回路中，已达到快速联动的效果。
请参阅图3，图3是本发明统一电能质量控制器的保护***的保护控制方法的流程示意图。
本发明的统一电能质量控制器的保护***的保护控制方法，包括以下步骤：
S101，检测是否出现短路接地故障或者故障电流，如果是，则执行步骤S102至S105；
本步骤中，检测***是否出现故障现象，或者检测***是否出现故障电流；如果出现故障或过电流现象则进行步骤S102；如果未出现故障及过电流现象则跳过步骤S102至步骤S105，***继续运行；
S102，控制所述统一电能质量控制器的并联部分闭锁，所述串联部分上桥臂旁路、下桥臂闭锁或者上桥臂闭锁、下桥臂旁路；
在本步骤中，MMC型UPQC并联侧换流器闭锁上、下桥臂子模块，串联侧换流器上桥臂子模块旁路（闭锁）、下桥臂子模块闭锁（旁路）；
S103，所述控制器对所述反并联晶闸管SCR发送导通触发信号，控制所述反并联晶闸管SCR导通；
在本步骤中，控制柜向反并联晶闸管SCR发送导通触发信号，使反并联晶闸管SCR动作，反并联晶闸管SCR动作，旁路装置串联侧耦合变压器；
S104，所述控制器对所述第五断路器发出合闸指令，控制所述第五断路器合闸；
在本步骤中，控制柜向与所述串联耦合变压器一次侧并联的第五断路器CB5发出合闸指令，使该第五断路器CB5合闸。
优选地，在所述第五断路器CB5合闸后，所述控制器停止对所述反并联晶闸管SCR发送导通触发信号，控制所述反并联晶闸管SCR关断。进一步地，使反并联晶闸管SCR在下一个电流过零点关断。
S105，所述控制器对所述第一至第四断路器发出分闸指令，控制所述第一至第四断路器进行分闸操作。
控制柜发出断路器分闸指令，使设置串联耦合变压器与***连接处的第一断路器CB1、设置在串联耦合变压器与负载连接处的第二断路器CB2、设置在UPQC串联侧与串联耦合变压器连接处的第三断路器CB3、设置在UPQC并联侧与***连接处的第四断路器CB4同时进行分闸操作，结束。
本发明的统一电能质量控制器的保护***的保护控制方法中，在所述统一电能质量控制器工作时检测是否出现短路接地故障或者故障电流。控制所述统一电能质量控制器的并联部分闭锁，所述串联部分上桥臂旁路、下桥臂闭锁或者上桥臂闭锁、下桥臂旁路，首先通过内部模块化多电平换流器的子模块闭锁和旁路状态对所述统一电能质量控制器进行保护。并且，所述控制器对所述反并联晶闸管发送导通信号，使所述反并联晶闸管导通并维持，将所述串联耦合变压器旁路，由于反并联晶闸管接收导通指令快速动作的时间很快，通常在10ms以内，因此能够使保护动作更加及时快速；然后，所述控制器对所述第五断路器发出合闸指令，使所述第五断路器合闸，接替所述反并联晶闸管将所述串联耦合变压器旁路，避免所述反并联晶闸管的导通时间过长而影响使用寿命；使所述第一至第四断路器分闸，使所述统一电能质量控制器与***和负载都彻底断开连接，安全性更高。
当负荷侧或者***侧发生短路接地故障时，***电压将直接作用于***阻抗和串联耦合变压器一次侧，由于***阻抗与串联耦合变压器一次绕组阻抗相比要小的很多，大部分故障电压将主要作用于变压器一次侧，变压器二次侧将感应出高电压。即使UPQC串联部分不工作，在二极管不控整流的作用下，公共直流母线电压依然会升高。因此当发生故障时，需要采取有效措施对装置进行快速隔离退出，以避免故障电流对装置造成损伤。
若负载侧发生了三相短路接地故障，故障电流流经***阻抗与串联耦合变压器一次侧，在本发明的保护控制方法中，UPQC并联部分迅速闭锁，串联部分上桥臂旁路、下桥臂闭锁或者上桥臂闭锁、下桥臂旁路。所述反并联晶闸管SCR接受控制器导通指令快速动作，将所述串联耦合变压器旁路，动作时间为10ms以内，第五断路器CB5接受控制器合闸指令，第一至第四断路器接受控制器分闸指令，UPQC安全退出运行，故障保护结束动作。
统一电能质量控制器的主体结构-模块化多电平换流器的简化示意图如图1所示，三相分别由2N个子模块与电感器串联而成，分为上、下两个桥臂。故障状态下，需通过模块化多电平换流器的子模块的闭锁和旁路状态对装置进行保护。如图1所示当子模块中T1、T2置0时，子模块处于闭锁状态；当子模块中T1、T2分别置0，置1，子模块处于旁路状态。
本发明的统一电能质量控制器的保护***及其保护控制方法还具有以下有益效果：
第一，本发明可以在负荷侧、***侧出现短路故障后，10ms内快速旁路串联耦合变压器，实现对UPQC耦合变压器及串联侧换流器的保护；
第二，本发明可以在检测到发生严重短路故障10ms后，完成进一步***跳闸停运保护，由于快速旁路串联耦合变压器，***短路阻抗不会发生变化，***上级故障保护动作不受影响；
第三，本发明在反并联晶闸管拒动情况下可以通过断路器动作对装置进行二次保护，提高了装置的可靠性及安全性。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种统一电能质量控制器的保护***，其特征在于，包括：
分别设置在串联耦合变压器一次侧的两端的第一断路器和第二断路器；其中，所述串联耦合变压器的二次侧与统一电能质量控制器的串联部分连接；
与所述串联耦合变压器、所述第一断路器和第二断路器构成的支路并联的反并联晶闸管；
设置在所述统一电能质量控制器串联部分与所述串联耦合变压器二次侧之间的第三断路器；
设置在所述统一电能质量控制器并联部分与负载之间的第四断路器；
与所述反并联晶闸管并联的第五断路器；
与所述反并联晶闸管以及各个所述断路器连接的控制器；
当发生短路接地故障时，所述控制器控制所述反并联晶闸管导通，所述第五断路器合闸，所述第一至第四断路器分闸。
2.如权利要求1所述的统一电能质量控制器的保护***，其特征在于：
所述控制器输出一对常开点并接于所述第五断路器的跳闸回路中；
所述第五断路器输出四对常开点分别并接于所述第一至第四断路器的跳闸回路中作为连锁跳闸。
3.如权利要求2所述的统一电能质量控制器的保护***，其特征在于：
所述第三断路器和所述第四断路器各输出一对常闭点并接于所述第五断路器的合闸回路中。
4.一种如权利要求1所述统一电能质量控制器的保护***的保护控制方法，包括以下步骤：
S101，检测是否出现短路接地故障或者故障电流，如果是，则执行步骤S102至S105；
S102，控制所述统一电能质量控制器的并联部分闭锁，所述串联部分上桥臂旁路、下桥臂闭锁或者上桥臂闭锁、下桥臂旁路；
S103，所述控制器对所述反并联晶闸管发送导通触发信号，控制所述反并联晶闸管导通；
S104，所述控制器对所述第五断路器发出合闸指令，控制所述第五断路器合闸；
S105，所述控制器对所述第一至第四断路器发出分闸指令，控制所述第一至第四断路器进行分闸操作。
5.如权利要求4所述的统一电能质量控制器的保护***的保护控制方法，其特征在于：
在所述第五断路器合闸后，所述控制器停止对所述反并联晶闸管发送导通触发信号，控制所述反并联晶闸管关断。
6.如权利要求5所述的统一电能质量控制器的保护***的保护控制方法，其特征在于：
所述控制器控制所述反并联晶闸管在下一个电流过零点关断。
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Address after: 510080 water Donggang 8, Dongfeng East Road, Yuexiu District, Guangzhou, Guangdong. Co-patentee after: HUIZHOU POWER SUPPLY BUREAU, GUANGDONG POWER GRID CO., LTD. Patentee after: ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE, GUANGDONG POWER GRID CO., LTD. Co-patentee after: North China Electric Power University Address before: 510080 water Donggang 8, Dongfeng East Road, Yuexiu District, Guangzhou, Guangdong. Co-patentee before: Huizhou Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Corporation Patentee before: Electrical Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation Co-patentee before: North China Electric Power University |
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