多目標控制電網短路電流限制裝置

許 暉 尹忠東

（新能源電力系統國家重點實驗室〈華北電力大學〉，中國 北京 102206）

0 引言

大容量遠距離輸電為我國東部沿海等符負荷中心提供了大量的電能，同時也充分利用了西部地區的煤炭等資源。但是隨著容量的增長和電網聯系度的更為密切，其過大的短路電流如果不能及時處理，很可能造成大面積的電網解列，給社會功能的正常運轉造成極大損失和不便[1]。為應對短路電流造成的威脅，目前往往是對現有設備進行升級，但這樣不僅成本高，而且有其固有的技術和物理限制。當短路容量超過斷路器的遮斷容量時，斷路器將無法正常工作[2]。而盲目提高斷路器的遮斷容量，技術難度大，經濟性差。此外，斷路器的分閘時間長達20-150ms，而短路電流的峰值通常出現在第一半波(25ms)前后。即使斷路器有足夠的遮斷容量，它也無法使設備免受短路電流峰值引起的電動力和熱沖擊[3]。本文首先分析了短路電流的類型和危害，介紹了傳統的限流措施，然后提出了基于串聯限流和并聯補償相結合的多目標控制電網短路電流限制裝置，為解決過大的短路電流問題提供了新的途徑。

1 短路電流的類型和危害

短路就是不正常的相-相之間或相-地之間發生通路的情況。電力系統的故障多半是由短路電流引起的，在一些大型發電站的出口處，短路電流最大值可達100-200kA。在三相系統中，短路類型可分為：單相接地短路、兩相短路、兩相接地短路和三相短路。根據短路情況的不同，其可能只影響局部區域的正常供電，也可能造成大面積的電網癱瘓。其危害包括：（1）由于電動力效應，短路電流使導體間產生很大的機械應力。如果導體強度不夠，設備將會損壞。（2）隨著短路電流的增大，必須要對原有的所有相關電氣設備進行改造和升級，投資巨大、工期長，造成電網長期工作在不正常工作狀態。（3）短路電流使得系統的電壓大幅度下降，電動機的電磁轉矩隨之減小。而系統中比例最大的負荷就是異步電動機，這將大大威脅負荷的安全運行。（4）若不能及時切斷短路電流，并列運行的同步發電機會解列，破壞系統穩定，這也是短路電流造成的最嚴重的后果。（5）不對稱短路產生的不平衡電流，會出現零序不平衡磁通，這會對附近的通信線路造成干擾。（6）短路電流引起的電弧可能燒壞電氣設備，同時引起設備發熱，威脅絕緣、降低使用壽命。

2 短路電流的限制方法

2.1 常規方法

為應對短路電流，可以發展高一級電壓水平的電網，并讓低壓電網按供電區域的不同分片運行，即實現電網分層分區運行，這是最主要最有效的限制短路電流的方式[4]；母線分段運行方式能夠通過增加系統阻抗來有效降低短路電流水平，但是這樣做會削弱系統間的電氣聯系，降低安全裕度；采用直流輸電，用直流背靠背裝置將電網分成幾個相對獨立的小交流系統，可切斷交流系統之間的短路電流聯系通道，但此法不適用于小容量短距離輸電，且投資較大[5]；加裝限流電抗器、高阻變壓器、更換相應電氣設備，可有效控制下游電網的短路電流，但是這些設備在穩態運行時會消耗大量無功功率，會帶來新的問題，并且也增加了成本。

雖然上述方法都可以在一定程度上限制短路電流，但仍有眾多不足，在某些方面是以犧牲電網其他質量指標為代價的。因此需要研究一個既能有效限制短路電流，又不會給電網帶來附加不良影響的方法。

2.2 多目標短路電流限制方法

針對目前各種短路電流限制方法的不足，本文提出了一種新穎的基于并聯型背靠背換流器拓撲的多目標短路電流限制方案，如圖1 所示。該方案將傳統的串聯限流電抗器和并聯VSC 電壓源型換流器有機結合，不但能在系統發生短路故障時有效限制故障電流，還能在系統正常運行時，提供無功、諧波、負序電流等電能質量問題的綜合補償。不但顯著提高了限流系統的實用性和可靠性，還實現了對電網的多目標控制效果。

圖1 多目標控制電網短路電流限制裝置原理圖

如圖1 所示，裝置由串聯電抗器和背靠背并聯VSC 換流器構成，串聯電抗器串聯在線路中，電抗器兩端并聯有兩組VSC 換流器，兩組換流器的直流母線連接到一起，構成背靠背系統。其工作原理如下：

系統正常運行時，電源側換流器工作于可控整流狀態，維持直流母線電容電壓恒定，負載側換流器工作于逆變狀態，對負荷無功、諧波、三相不平衡進行補償；此外，由于串聯限流電抗器的影響，負荷側要比沒有串聯限流電抗器時產生更顯著的電壓降落，因此負荷側的逆變器還實施負荷電壓支撐，補償串抗引起的電壓降落，使得負荷側電壓保持額定電壓水平。當負荷側發生短路故障時，負荷側逆變器迅速封鎖IGBT 觸發脈沖，退出補償狀態，此時限流電抗器發揮限流作用，將短路電流限制到規定的限值。

通過電氣仿真軟件可以得出：假定在1.0s 時刻負荷側A 相發生接地故障，1.3s 時刻短路故障切除。當未接入此裝置時，系統短路電流峰值達到11kA；而接入多目標控制電網短路電流限制裝置后，同樣在1.0s-1.3s 時間段A 相發生接地故障，裝置檢測到故障后，迅速封鎖逆變器控制脈沖，退出補償狀態，電抗器自動進入限流工作狀態限制故障電流，使故障電流明顯減小，電流峰值僅為1.5kA。

3 結束語

本文提出的基于并聯型背靠背換流器拓撲的多目標短路電流限制方案，能夠在不給電網帶來負面影響的前提下，有效限制短路電流，投資小，效果好。為系統的安全運行提供了一種可靠的保障。

［1］袁娟，劉文穎，董明齊，史可琴，范越.西北電網短路電流的限制措施[J].電網技術，2007，31(10)：42-45.

［2］陳怡靜.大電網短路電流限制措施研究[D].杭州：浙江大學，2008.

［3］IEEE recommended practice for evaluating electric power system compatibility with electronic process equipment [J].IEEE Standard，20 July，1998，pp.1346-1998.

［4］韓戈，韓柳，吳琳.各種限制電網短路電流措施的應用與發展[J].電力系統保護與控制，2010，38(1)：141-144.

［5］楊冬，劉玉田，牛新生.電網結構對短路電流水平及受電能力的影響分析[J].電力系統保護與控制，2009，37(22)：62-67.