多目標控制電網(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(qū)的煤炭等資源。但是隨著容量的增長和電網(wǎng)聯(lián)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(wǎng)解列，給社會功能的正常運轉(zhuǎn)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(xiàn)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(jīng)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(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(tǒng)的限流措施，然后提出了基于串聯(lián)限流和并聯(lián)補償相結(jié)合的多目標控制電網(wǎng)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(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100-200kA。在三相系統(tǒng)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(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）由于電動力效應，短路電流使導體間產(chǎn)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(wǎng)長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，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩隨之減小。而系統(tǒng)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(fā)電機會解列，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定，這也是短路電流造成的最嚴重的后果。（5）不對稱短路產(chǎn)生的不平衡電流，會出現(xiàn)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(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

為應對短路電流，可以發(fā)展高一級電壓水平的電網(wǎng)，并讓低壓電網(wǎng)按供電區(qū)域的不同分片運行，即實現(xiàn)電網(wǎng)分層分區(qū)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(tǒng)阻抗來有效降低短路電流水平，但是這樣做會削弱系統(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)分成幾個相對獨立的小交流系統(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、更換相應電氣設備，可有效控制下游電網(wǎng)的短路電流，但是這些設備在穩(wěn)態(tài)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(wǎng)其他質(zhì)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(wǎng)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(lián)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(tǒng)的串聯(lián)限流電抗器和并聯(lián)VSC 電壓源型換流器有機結(jié)合，不但能在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時有效限制故障電流，還能在系統(tǒng)正常運行時，提供無功、諧波、負序電流等電能質(zhì)量問題的綜合補償。不但顯著提高了限流系統(tǒng)的實用性和可靠性，還實現(xiàn)了對電網(wǎng)的多目標控制效果。

圖1 多目標控制電網(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)正常運行時，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，負載側(cè)換流器工作于逆變狀態(tài)，對負荷無功、諧波、三相不平衡進行補償；此外，由于串聯(lián)限流電抗器的影響，負荷側(cè)要比沒有串聯(lián)限流電抗器時產(chǎn)生更顯著的電壓降落，因此負荷側(cè)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(cè)電壓保持額定電壓水平。當負荷側(cè)發(fā)生短路故障時，負荷側(cè)逆變器迅速封鎖IGBT 觸發(fā)脈沖，退出補償狀態(tài)，此時限流電抗器發(fā)揮限流作用，將短路電流限制到規(guī)定的限值。

通過電氣仿真軟件可以得出：假定在1.0s 時刻負荷側(cè)A 相發(fā)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(tǒng)短路電流峰值達到11kA；而接入多目標控制電網(wǎng)短路電流限制裝置后，同樣在1.0s-1.3s 時間段A 相發(fā)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(tài)，電抗器自動進入限流工作狀態(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

本文提出的基于并聯(lián)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(wǎng)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(tǒng)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(wǎng)短路電流的限制措施[J].電網(wǎng)技術，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，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)短路電流措施的應用與發(fā)展[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(1)：141-144.

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