桂帆
南京电力设计研究院有限公司 江苏南京 210000
【摘要】随着随着电动汽车和风光储能的逐渐推广，对现有配电网的负荷接入方式和潮流调节提出了更为灵活、更为严苛的要求，而限流式统一潮流控制器（简称限流式UPFC）是一种结合UPFC和桥式限流器，能有效应对系统短路故障的新型柔性交流输电装置,在未来的交直流混合微网中有较好的应用前景。本文提出了10kV限流式UPFC的工作原理，明确了UPFC模块和限流器模块的工作方式，为解决日后交直流混合配电网即将遇到的调节与限流问题提供了一种思路。
【关键词】交直流混合配电网；限流式UPFC；UPFC模块；限流器模块；
1.引言
随着10kV配电网主流构架规模越来越大，结构日益复杂，短路容量迅速增加，迫切需要一种能有效满足分布式能源的直流侧接入，又能有效进行调节潮流的装置，而在电力电子技术越发成熟的今天，UPFC越来越成为智能交直流混合微网的可靠选择。单作为一种全控型电力电子装置，现有的UPFC过载能力十分有限，一旦其安装点附近发生短路，UPFC必须迅速退出运行，否则其串并联变换器等设备极易因承受系统高电压和巨大短路电流的冲击而在极短时间内烧毁，这也是UPFC在电力系统中广泛应用需要解决的重要问题之一。[1-4]
2. 限流式UPFC的工作原理
2.1 UPFC模块的工作原理
UPFC由两个电压源型变换器（逆变器1和逆变器2）通过共用的直流母线以背靠背的形式连接起来，这种电路拓扑实际上是一个实用的AC-AC功率变换器，两端各自拥有独立可控的输入输出参数，能实现两个变换器交流端之间的有功功率双向流动，同时每个变换器又可以独立的向系统吸收或发出无功功率。
需要注意的是UPFC的两个逆变器之间虽然存在通过共用的直流母线建立的有功功率交换通路，但是它们与系统交换的无功功率却被直流母线隔开，各自独立控制，因此并联变换器可以工作在功率因数为1的情况下，与系统零无功交换，或者被控提供系统所需的无功功率补偿。
2.2 SSFCL模块的工作原理
10kV限流器一个三相晶闸管桥路和直流电感并联，接入串联耦合变压器副边绕组的一端，另外一端三相并接。其工作原理为：系统正常运行时控制整流桥上下桥臂的晶闸管分别在各相电压的正负过零点开通，与负载侧直流电感并联的续流管T7、T8常触发导通为直流电感提供续流回路以保持其中的电流在变压器副边绕组的负载电流峰值；T7、T8常导通，变压器副边等效于短接（T7、T8两管压降可以忽略）；负载侧发生短路时，系统电压全部降落在变压器原边并耦合至桥路上，迫使续流管关断，直流电感自动串入系统，可以在短路瞬间自动限制故障电流迅速上升，同时控制系统动作封锁整流桥晶闸管的触发脉冲，经过几个周波之后晶闸管全部关断，变压器副边开路，短路电流被彻底切断，达到保护系统免受短路故障损害的目的（原理图见图1）。
2.3 10kV限流式UPFC的工作原理
10kV限流式UPFC的拓扑结构图如图1所示。电网无故障正常运行时，同一桥臂的上下两管分别在交流系统电压的正负过零点处触发导通，各自工作180°电角度。在装置刚刚启动时串联变压器原边电流则通过导通的3个管子给直流电感充电至副边电流峰值稳定下来，直流电感电流和交流电流的差值通过T7、T8管续流，直流侧等效于短接，相当于串联耦合变压器二次侧（与中性点）短接，整个装置等效为常规UPFC在运行。
当装置处于启动、停机、潮流调节等正常的暂态过程时，SSFCL模块的直流电感电流将跟随线路电流的变化，经过一个短暂的充放电过程，重新稳定在一个新的值，再次进入稳态运行状态。
当电网（装置出口侧）发生短路故障时，交流系统电压全部降落在串联耦合变压器原边并耦合至副边绕组，导致SSFCL模块直流侧电压突然增大，迫使续流管T7~T8承受反压自动关断，直流电感自动串入串联耦合变中性点并经其耦合串入故障回路限制短路电流上升率，同时控制系统检测并确认故障后立即封锁UPFC和SSFCL的所有管子的触发脉冲，迫使它们退出运行，经一个周波左右串联耦合变压器副边开路，短路电流自动切断。
综上所述，在选择直流电容时无需大容量设计，只要保证在其流过短路电流的时间（最多20ms）内的值不超过IGBT模块的安全限度即可，大大降低了UPFC的设计容量和元件成本。而现今构成SSFCL桥路的晶闸管的电压、电流耐受水平要远高于构成UPFC桥路的IGBT，成本也更低，因此整个装置可以取得较高的技术和经济效益，不仅保护了UPFC免受系统高电压和短路大电流的冲击而损坏，同时降低了系统的短路电流水平，为系统安全、稳定运行提供了可靠的保证。
3 结语
随着配电网功能日益完善，规模日趋扩大，分布式接入电源的日趋增多，配电线路对相角、阻抗、电压系统潮流、和无功容量提出了更高的控制要求。10kV限流式UPFC在很大程度上能满足今后配电网日益增长的需求。
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