多目標(biāo)控制電網(wǎng)短路電流限制裝置

許 暉 尹忠東

（新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室〈華北電力大學(xué)〉，中國(guó) 北京 102206）

0 引言

大容量遠(yuǎn)距離輸電為我國(guó)東部沿海等符負(fù)荷中心提供了大量的電能，同時(shí)也充分利用了西部地區(qū)的煤炭等資源。但是隨著容量的增長(zhǎng)和電網(wǎng)聯(lián)系度的更為密切，其過(guò)大的短路電流如果不能及時(shí)處理，很可能造成大面積的電網(wǎng)解列，給社會(huì)功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成極大損失和不便[1]。為應(yīng)對(duì)短路電流造成的威脅，目前往往是對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，但這樣不僅成本高，而且有其固有的技術(shù)和物理限制。當(dāng)短路容量超過(guò)斷路器的遮斷容量時(shí)，斷路器將無(wú)法正常工作[2]。而盲目提高斷路器的遮斷容量，技術(shù)難度大，經(jīng)濟(jì)性差。此外，斷路器的分閘時(shí)間長(zhǎng)達(dá)20-150ms，而短路電流的峰值通常出現(xiàn)在第一半波(25ms)前后。即使斷路器有足夠的遮斷容量，它也無(wú)法使設(shè)備免受短路電流峰值引起的電動(dòng)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(tǒng)的限流措施，然后提出了基于串聯(lián)限流和并聯(lián)補(bǔ)償相結(jié)合的多目標(biāo)控制電網(wǎng)短路電流限制裝置，為解決過(guò)大的短路電流問(wèn)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(fā)生通路的情況。電力系統(tǒng)的故障多半是由短路電流引起的，在一些大型發(fā)電站的出口處，短路電流最大值可達(dá)100-200kA。在三相系統(tǒng)中，短路類型可分為：?jiǎn)蜗嘟拥囟搪贰上喽搪贰上嘟拥囟搪泛腿喽搪贰８鶕?jù)短路情況的不同，其可能只影響局部區(qū)域的正常供電，也可能造成大面積的電網(wǎng)癱瘓。其危害包括：（1）由于電動(dòng)力效應(yīng)，短路電流使導(dǎo)體間產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力。如果導(dǎo)體強(qiáng)度不夠，設(shè)備將會(huì)損壞。（2）隨著短路電流的增大，必須要對(duì)原有的所有相關(guān)電氣設(shè)備進(jìn)行改造和升級(jí)，投資巨大、工期長(zhǎng)，造成電網(wǎng)長(zhǎng)期工作在不正常工作狀態(tài)。（3）短路電流使得系統(tǒng)的電壓大幅度下降，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩隨之減小。而系統(tǒng)中比例最大的負(fù)荷就是異步電動(dòng)機(jī)，這將大大威脅負(fù)荷的安全運(yùn)行。（4）若不能及時(shí)切斷短路電流，并列運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)會(huì)解列，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定，這也是短路電流造成的最嚴(yán)重的后果。（5）不對(duì)稱短路產(chǎn)生的不平衡電流，會(huì)出現(xiàn)零序不平衡磁通，這會(huì)對(duì)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(shè)備，同時(shí)引起設(shè)備發(fā)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(guī)方法

為應(yīng)對(duì)短路電流，可以發(fā)展高一級(jí)電壓水平的電網(wǎng)，并讓低壓電網(wǎng)按供電區(qū)域的不同分片運(yùn)行，即實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)分層分區(qū)運(yùn)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(yùn)行方式能夠通過(guò)增加系統(tǒng)阻抗來(lái)有效降低短路電流水平，但是這樣做會(huì)削弱系統(tǒng)間的電氣聯(lián)系，降低安全裕度；采用直流輸電，用直流背靠背裝置將電網(wǎng)分成幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小交流系統(tǒng)，可切斷交流系統(tǒng)之間的短路電流聯(lián)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(yīng)電氣設(shè)備，可有效控制下游電網(wǎng)的短路電流，但是這些設(shè)備在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)會(huì)消耗大量無(wú)功功率，會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)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(wǎng)其他質(zhì)量指標(biāo)為代價(jià)的。因此需要研究一個(gè)既能有效限制短路電流，又不會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)附加不良影響的方法。

2.2 多目標(biāo)短路電流限制方法

針對(duì)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(lián)型背靠背換流器拓?fù)涞亩嗄繕?biāo)短路電流限制方案，如圖1 所示。該方案將傳統(tǒng)的串聯(lián)限流電抗器和并聯(lián)VSC 電壓源型換流器有機(jī)結(jié)合，不但能在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)有效限制故障電流，還能在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，提供無(wú)功、諧波、負(fù)序電流等電能質(zhì)量問(wèn)題的綜合補(bǔ)償。不但顯著提高了限流系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)的多目標(biāo)控制效果。

圖1 多目標(biāo)控制電網(wǎng)短路電流限制裝置原理圖

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

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電源側(cè)換流器工作于可控整流狀態(tài)，維持直流母線電容電壓恒定，負(fù)載側(cè)換流器工作于逆變狀態(tài)，對(duì)負(fù)荷無(wú)功、諧波、三相不平衡進(jìn)行補(bǔ)償；此外，由于串聯(lián)限流電抗器的影響，負(fù)荷側(cè)要比沒(méi)有串聯(lián)限流電抗器時(shí)產(chǎn)生更顯著的電壓降落，因此負(fù)荷側(cè)的逆變器還實(shí)施負(fù)荷電壓支撐，補(bǔ)償串抗引起的電壓降落，使得負(fù)荷側(cè)電壓保持額定電壓水平。當(dāng)負(fù)荷側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，負(fù)荷側(cè)逆變器迅速封鎖IGBT 觸發(fā)脈沖，退出補(bǔ)償狀態(tài)，此時(shí)限流電抗器發(fā)揮限流作用，將短路電流限制到規(guī)定的限值。

通過(guò)電氣仿真軟件可以得出：假定在1.0s 時(shí)刻負(fù)荷側(cè)A 相發(fā)生接地故障，1.3s 時(shí)刻短路故障切除。當(dāng)未接入此裝置時(shí)，系統(tǒng)短路電流峰值達(dá)到11kA；而接入多目標(biāo)控制電網(wǎng)短路電流限制裝置后，同樣在1.0s-1.3s 時(shí)間段A 相發(fā)生接地故障，裝置檢測(cè)到故障后，迅速封鎖逆變器控制脈沖，退出補(bǔ)償狀態(tài)，電抗器自動(dòng)進(jìn)入限流工作狀態(tài)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(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于并聯(lián)型背靠背換流器拓?fù)涞亩嗄繕?biāo)短路電流限制方案，能夠在不給電網(wǎng)帶來(lái)負(fù)面影響的前提下，有效限制短路電流，投資小，效果好。為系統(tǒng)的安全運(yùn)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(wǎng)短路電流的限制措施[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(10)：42-45.

［2］陳怡靜.大電網(wǎng)短路電流限制措施研究[D].杭州：浙江大學(xué)，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(wǎng)短路電流措施的應(yīng)用與發(fā)展[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(1)：141-144.

［5］楊冬，劉玉田，牛新生.電網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)短路電流水平及受電能力的影響分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(22)：62-67.