電流補償型故障限流器對電力系統暫態穩定性的影響研究

張慧，邢玉林

(1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司宜昌設計院，湖北 宜昌 443000;2.湖北宜化集團化工機械設備制造安裝有限公司，湖北 宜昌 443000)

1 引言

隨著國民經濟的快速發展，電網容量極劇增長，短路電流值也有大幅度的升高，短路故障引起的電壓和頻率不穩定性將對用戶產生嚴重的后果;巨大的短路電流產生的短路熱動效應，亦會直接威脅到電力設備的安全運行，某些情況下甚至導致電力系統的崩潰［1］。

在短路故障相關聯的若干技術問題中，關于電力系統暫態穩定性的分析無疑需給予足夠的重視。暫態穩定研究可為電力系統規劃、運行及制定故障恢復方案提供依據［2］，其反映了故障擾動對系統暫態特性的影響，而分析的準確性亦直接關系到系統動態安全評估的有效性。

當前針對于如何強化電力系統暫態穩定性，國內外專家學者開展了較深入的研究工作，其涉及的技術手段亦從不同層面及應用角度帶來了積極效應［3－6］。其中，故障限流器作為可直接作用于短路故障的一種技術措施，其在抑制短路電流、避免電壓跌落及提升電網暫態性能上有著極強的適用性和擴展性。事實上，關于研究限流器對電力系統暫態穩定性，特別是功角特性的影響中，大多都是將限流器裝設于單機無窮大系統雙回輸電線路的進線端［7－8］，其分析結果表明:限流阻抗的插入降低了系統的轉移阻抗，導致故障過程中轉子加速面積減小，對于提高系統暫態穩定性起著正面作用。而當限流器安裝在發電機的機端位置時，其對系統功角特性的影響研究還有待進一步深化。

此外，縱觀目前故障限流器的應用形式可劃分為電阻型、電抗型及混向型，相比較單一的電感/電感式限流，混合型在某些技術層面上有望獲得更好的作用效果，而電流補償型故障限流器作為混合型的代表之一［9］，融合了電力電子及現代控制技術，同時具備較強的靈活性和實用性。

本文即以該電流補償型故障限流器為對象，研究其對電力系統暫態穩定性的影響。在概述該型限流設備拓撲結構及工作原理的基礎上，計及不同的故障工況探討了其對系統暫態穩定性的強化機制。進而，利用MATLAB/SIMULINK電磁暫態仿真程序，構建了涵蓋故障限流器的單機無窮大系統詳細模型，通過模擬多種場景下的系統運行特性，檢驗了理論研究的有效性。

2 電流補償型故障限流器的結構及原理

電流補償型故障限流器的結構圖如圖1所示。該型限流器由直流源、電流型變流器、限流電阻及常規耦合變壓器組成，其具體工作機理可描述為:在系統正常運行時，調節變流器交流側的輸出電流Ip，使其同變壓器二次側電流I2保持一致，此時限流電阻R上無電流通過，相當于變壓器二次側線圈被旁路，裝置對系統影響較小。

在發生故障后(負載Z2被短路)，系統主電流I1迅速增加，而I2也要相應上升，此時控制Ip=0，相當于變流器設備推出運行。繼而，限流電阻連同耦合變壓器接入主回路對故障電流加以抑制。假設耦合變壓器的一、二次側線圈電感可表示為L1、L2，耦合互感為M，則限流器在故障狀態下的等效回路如圖2所示。

由圖2推導出，限流器呈現的等效限流阻抗ZFCL表示為下式:

圖1 電流補償型故障限流器的結構示意圖

圖2 電流補償型故障限流器的等效電路圖

圖3 含故障限流器的單機無窮大系統示意圖

3 電流補償型故障限流器對電力系統暫態穩定性的影響

含電流補償型故障限流器的單機無窮大系統如圖3所示，同步發電機通過限流器、升壓變壓器T－1、雙回輸電線路及降壓變壓器T－2接到無限大容量母線。假設X'd為發電機的等效暫態電抗，XT1、XT2分別為升壓變壓器及降壓變壓器的電抗，XL為輸電線路電抗，ZV為短路時的附加阻抗。

當系統正常運行時，總的轉移電抗可計算為:

發電機的電磁功率為 Pe=EVsinδ/Xd∑。由于故障前后總的轉移阻抗發生改變，電磁功率的輸出將受到相應影響。本文根據不同的故障類型，分別對轉移阻抗及電磁功率的變化特性進行討論。

(1)對稱短路故障

系統發生對稱短路故障(三相短路)時，附加阻抗Zv=0，在此設定限流阻抗ZFCL表示為ZFCL=RFCL+

jXFCL。計及變換后的轉移電路［10］，發電機的輸出電磁功率則表示為:

其中:

由式(3)可知，發電機的電磁功率主要將消耗在阻抗Z11上，鑒于限流器的工作阻抗呈現出電阻－電感混合型，則能夠一定程度上消耗發電機在故障期間的輸出電磁功率，減小轉子加速面積，起到提高暫態穩定性的功效。

(2)不對稱短路故障

以單相接地短路為例，研究電流補償型限流器在系統發生不對稱故障時對暫態穩定性的作用，附加阻抗 Zv=Z∑(2)+Z∑(0)，Z∑(2)和 Z∑(0)的表達式分別為:

其中XL(2)、XL(0)為輸電線路的負序及零序電抗，進而Zv可表示為:

總體而言，限流電阻的引入使得轉移阻抗增加，導致發電機輸送至無窮大母線的功率會降低，但是限流電阻本身也會消耗掉發電機的輸送功率，故發電機總輸出電磁功率是否增加與限流電阻的具體取值有關。結合文獻［11］中的詳細描述，限流電阻取得過小或者過大均不利于暫態穩定，需綜合考慮系統參數，合理取值以實現提高系統暫態穩定性的功效。

4 仿真分析

為驗證上述理論分析的正確性，并量化探討電流補償型故障限流器對系統暫態穩定性的影響，在MATLAB/SIMULINK電磁暫態仿真程序中對圖3進行了詳細建模，部分仿真參數如表1所示。

(1)不同類型的短路故障仿真

設定在t=2s時如圖4所示位置發生三相接地短路，180ms后切除故障。對應于單相接地短路、兩相相間短路及三相短路這三種情況，在沒有限流器和安裝電流補償型故障限流器的條件下，最大搖擺角的差別分別為6.5°、10.7°、25.2°。由此得出結論:限流器的引入對于單相接地短路時暫態穩定性的提高幅度最弱，而對于三相短路時暫態穩定性的提高幅度最強。

表1 暫態穩定仿真電路參數

(2)不同故障切除時間下的仿真

本文亦仿真研究了系統發生三相短路故障時，不同的故障切除時間對功角搖擺曲線的影響，如圖5所示。

圖4 不同故障下的功角曲線

圖5 Power-angle curves of the system under different fault clearance times

隨著故障切除時間的逐漸加大，發電機轉子側在故障期間的動能累計也是越來越多，導致最大搖擺角越來越高，此期間對于暫態穩定性的不利影響也愈加嚴重。當切除時間增加至240ms時，若未安裝限流器或是其他輔助設備，示例系統將會失去同步。相對應地，在電流補償型故障限流器有效發揮作用的前提下，功角振蕩可抑制在可接受的范圍內，系統仍然可以維持其穩定性。故而可得出結論:限流器的裝設能夠增大系統的極限切除角，為繼電保護的切除故障動作帶來更大時間裕度。

5 結論

本文針對當前普遍關注的系統故障問題，基于一種電流補償型故障限流器，研究了其對電力系統暫態穩定性的影響。結合理論分析和仿真研究，其結果表明:此型故障限流器的引入可明顯抑制發電機功角振蕩、延長故障切除時間、提高系統應對短路沖擊的強壯性。

事實上，故障限流器對電力系統的作用應是一個相對復雜的過程，其安裝位置的優化，限流參數的選取及同繼電保護裝置的配合等都需要給予系統地探討。相信隨著研究工作的進一步全面展開，更多有效結論的形成會推動其實用化邁向更深的層次。

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