帶串聯(lián)補償FCL的拓撲結(jié)構(gòu)及其組成部分分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u16972帶串聯(lián)補償FCL的拓撲結(jié)構(gòu)及其組成部分分析概述 1271131.1帶串聯(lián)補償FCL的拓撲結(jié)構(gòu) 1183851.2門極可關(guān)斷晶閘管GTO 2302851.3GTO的驅(qū)動電路 2324941.4GTO的緩沖電路和抑制電路 488901.5基于快速開關(guān)GTO的串聯(lián)補償型故障限流器的特點 5206031.6保護用避雷器ZnO 61.1帶串聯(lián)補償FCL的拓撲結(jié)構(gòu)本文設(shè)計的帶串聯(lián)補償FCL[24]的拓撲結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，主要由一個固定電容器C、旁路電感L1（并聯(lián)）、串聯(lián)電感L2、反并聯(lián)的門極可關(guān)斷晶閘管GTO以及避雷器ZnO，作為電容器的過電壓保護用的，可控火花間隙SG則保護避雷器確保短時受熱不會過高。整個裝置可以分為串聯(lián)補償模塊和故障限流模塊兩部分。其中，串聯(lián)補償模塊主要由串聯(lián)電容器組成，故障限流模塊主要由與電容器串聯(lián)的電流限制電抗器組成。圖3-1電容C的容抗大于串聯(lián)電感L2的感抗，由電容C和電感L2合成的電抗呈容性。在系統(tǒng)正常運行時，在輸電線路中，由于線路有交流電流通過時，在導線周圍產(chǎn)生磁場，使得交流輸電線呈現(xiàn)為感性元件，引起電壓降低，線路越長，則其輸電能力越低，所以需在輸電線路中串聯(lián)電容來抵消線路電感的影響。當正常運行時，固態(tài)開關(guān)GTO截止，電感L1退出，負荷電流從電容C流過，F(xiàn)CL呈容性，對線路起到串聯(lián)補償?shù)淖饔茫瑥亩纳葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了電網(wǎng)的輸電能力和電壓穩(wěn)定性[34]。當故障發(fā)生時，故障檢測系統(tǒng)觸發(fā)固態(tài)開關(guān)導通，兩個GTO輪流導通半軸，旁路電感L1接入，對L1和C選擇合適的參數(shù)，使感抗小于容抗，并聯(lián)后可以得到較大的電抗，與L2串聯(lián)后，F(xiàn)CL呈感性實現(xiàn)限流，改變GTO的導通角，可在不同的短路情況下改變限流程度。1.2門極可關(guān)斷晶閘管GTO可關(guān)斷晶閘管常寫作GTO(GateTurnOffThyristor)，是門極可關(guān)斷晶閘管的簡稱。GTO是晶閘管家族的一個成員，是晶閘管的派生器件，但GTO可以通過在門極施加負的電流脈沖使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件，是一種高電壓、大電流的雙極型全控器件。[35]GTO的電壓、電流容量比電力晶體管大的多，和晶閘管接近。因此，GTO在高電壓和大中容量的斬波器和逆變器中獲得了廣泛的應(yīng)用。與普通晶閘管相同的是，它們都是PNPN四層半導體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。與普通晶閘管不同的是，GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部有多個小GTO元，可以在門極抽出電流，使得門極控制關(guān)斷便于實現(xiàn)。多元集成的結(jié)構(gòu)還使GTO能比普通晶閘管由更快的開通過程，更強的承受di/dt能力且不會出現(xiàn)局部電流過大的問題，有較高的工作頻率且具有自關(guān)斷能力，施加負脈在門極沖就可以隨時使其關(guān)斷而無須復(fù)雜的換流電路，所以此裝置整體體積變小，重量也減輕，效率得以提高，可靠性得以增加。GTO的開通和關(guān)斷都只需要幾十微秒，利用它組成的快速開關(guān)可以以滿足限制器特性要求。1.3GTO的驅(qū)動電路GTO對驅(qū)動電路要求較嚴得于它的結(jié)構(gòu)和特點。GTO會損壞當在門極控制不當時和在遠不足電壓、電流定額的情況下。（1）GTO的開通控制在門極觸發(fā)后，GTO要求所有的GTO元同時導通，這是由于多元集成結(jié)構(gòu)。如果GTO元延遲時間的差異過大且沒有足夠大的門極正向電流上升陡度，則將造成先導通的GTO元電流密度會過大。將造成GTO元陰極導電面積擴展緩慢的是門極正向電流脈沖幅值和寬度不足，并且會造成局部電流密度不能迅速減小。如果大部分GTO元尚未達到擎住電流時門極脈沖就已結(jié)束，就可能使部分導通的GTO元因承擔全部陽極電流而損耗。正是由于上述原因，要求GTO的門極正向驅(qū)動電流的前沿必須有足夠的幅值和陡度，才可達門極觸發(fā)電流（直流值）的6~10倍，然后逐漸降至1.2倍左右，下降過程越緩慢越好。門極脈沖寬度最好和GTO導通時間相同，這樣可以降低GTO導通期間的管壓降，減少導通損耗。在GTO導通的期間，雖然門極電流都超過所給的觸發(fā)電流，但不能超過所給門極正向峰值功率和門極正向平均功率。與同等容量的普通晶閘管相比，GTO所需正向驅(qū)動電流的幅值和前沿陡度都較大。GTO的關(guān)斷控制圖3-2GTO門極關(guān)斷時iC和uC波形圖3-3GTO門級電壓電流波形圖3-2是GTO門極關(guān)斷時脈沖電流i和門陰極電壓u的波形。在儲存時間t期間，門極與陰極間的PN結(jié)仍是正向偏置的。在儲存時間結(jié)束后，N1P2N1等效晶體管開始退飽和并且恢復(fù)控制能力，GTO內(nèi)部進行陽極電流衰減的正反饋過程，這段時間即為陽極電流下降時間tf。在此期間，門極電流仍為負，門極已承受負電壓。門極反向電壓峰值通常都接近甚至達到門陰極間雪崩擊穿電壓后逐漸衰減，直至尾部時間tt階段都應(yīng)保持門極負電壓。如在下次GTO重新開通前都保持一定反向電壓，則可防止GTO誤導通。圖3-2中陰影面積稱為門極關(guān)斷電荷QC，此時P基區(qū)中儲存一定數(shù)量的電荷。若關(guān)斷陽極電流IA一定，則QG也一定。QG隨IA的增大而增大。如果門極負電流幅值和陡度增加，因為陰影面積QC不變，所以ts將縮短。但同時，也加強了tf階段門極抽取P1N1P2等效晶體管集成點擊電流的能力，加速了陽極電流衰減的正反饋過程，使下降時間tf縮短。門極反向脈沖電流的峰值一般應(yīng)達到GTO導通的陽極電流的25%~30%，最大不應(yīng)超過，以免門極瞬時功耗過大而燒壞。1.4GTO的緩沖電路和抑制電路由于電路中有電感存在，所以在電路中的電力半導體器件關(guān)斷時，往往會在器件上產(chǎn)生很高的過電壓du/dt，對器件的安全運行帶來很大的威脅。而電力晶體管作為器件時，還會造成反向偏置二次擊穿。通常設(shè)置緩沖電路以防止過電壓和減小du/dt，緩沖電路還可以減少關(guān)斷損耗。另外，通常設(shè)置di/dt抑制電路為了對器件開通時進行保護，這種電路還可以減少開通損耗并防止電力晶體管的正向偏置二次擊穿。GTO的緩沖電路和抑制電路如圖3-4所示。圖3-4GTO的緩沖電路和抑制電路在GTO應(yīng)用中，由于GTO對通態(tài)電流臨界上升率di/dt和斷態(tài)電壓上升率dv/dt有要求，所以對緩沖電路也提出了相應(yīng)的要求，即緩沖電路必須保證GTO工作時的di/dt和dv/dt不超過允許值。這樣，GTO的緩沖電路必須設(shè)有電感L和電容Cs。電感應(yīng)與GTO串聯(lián)，用以限制GTO的di/dt；電容應(yīng)與GTO并聯(lián)，用以限制GTO的dv/dt。不同的GTO，其允許的di/dt和dv/dt是不同的。所以緩沖電路的參數(shù)也不相同。GTO緩沖電路的電感值和電容值不應(yīng)過大。如果電感值和電容值太大，雖可很好地抑制di/dt和dv/dt，但因電感和電容均為儲能元件，反而會增加緩沖的損耗。另外，必須在吸收電容上串聯(lián)一個由快速二極管VDs和吸收電阻Rs組成的電路，以防止GTO導通時因吸收電容Cs突然放電而產(chǎn)生過高的di/dt導致GTO損壞。VDs的導通特性影響尖峰電壓U1，因為導通慢的二極管，在下降的通態(tài)電流仍然很高時，將阻礙Cs對dv/dt的降低。如圖3-5所示。因此，為防止VDs在負載電流轉(zhuǎn)到緩沖電路時出現(xiàn)瞬時高電壓和減小電壓突變后陽極電壓的斜率，應(yīng)選擇正向恢復(fù)待性好、反向恢復(fù)特性快，且恢復(fù)軟度小的VDs。為保證Cs在GTO最小導通時間內(nèi)放完電，必須使Rs盡可能小，相反，為把流經(jīng)GTO的電容放電電流限制在安全值內(nèi)，又希望Rs大一些。一般Rs取5~10Ω。圖3-5GTO緩沖電路波形圖1.5基于快速開關(guān)GTO的串聯(lián)補償型故障限流器的特點基于快速開關(guān)的串聯(lián)補償型故障限流器的特點有：（1）已有的常規(guī)限流器一般只有限流效果，而該新型故障限流器在系統(tǒng)正常運行時能為線路提供串聯(lián)補償功能，并且提高了設(shè)備的利用率，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和增大功率傳輸能力。（2）故障時限流電感、并聯(lián)阻抗共同承擔短路電壓，電容兩端無過電壓。（3）快速限流，發(fā)生故障時限流器迅速進入限流狀態(tài)進行限流，并能在故障切除時，快速恢復(fù)串補狀態(tài)。1.6保護用避雷器ZnO由于線路電感中會儲有能量，所以當GTO關(guān)斷后，電感與緩沖電容將由于產(chǎn)生振蕩而在裝置兩端形成過電壓，限流效果被影響。因此，為吸收這部