10 kV配電網短路電流限流措施對比分析

黃華穎 黃輝 葉烜榮 劉雄光 陳媛莉

摘要：針對配電網短路電流對系統安全穩定運行的影響，本文主要對含分布式光伏電源和感應電動機的配電網限流措施進行研究。考慮分布式光伏電源和感應電動機負荷，研究了加裝普通串聯電抗器、理想故障限流器、串聯諧振型固態限流器和磁通約束型限流器對10 kV配電網的限流效果，并通過搭建Matlab/Simulink仿真模型，對IEEE33節點系統進行仿真分析。仿真結果表明，限流裝置中的電感值越大，限流效果越好;普通串聯電抗器對于穩態電壓和電流有一定的影響，而其余3種限流裝置對穩態電壓和電流無影響。該研究對電網短路故障分析具有理論研究價值和現實意義。

關鍵詞：限流措施; 故障限流器; 配電網; 感應電動機; 光伏電源

中圖分類號： TM713??文獻標識碼： A

近年來，隨著經濟的飛速發展，電力網絡不斷完善，線路與電源越來越密集，系統運行方式更復雜，阻抗減小，使短路電流水平進一步上升，如不加以控制，短路電流超過斷路器遮斷容量，將對電網安全運行構成威脅[12]。此外，隨著環境等問題的日益惡化，越來越多的可再生清潔能源并入電網，在10 kV配電網系統中，也出現了越來越多的分布式可再生能源，如光伏和風力發電[3]。隨著這些分布式電源的加入，10 kV配電網的結構由單電源輻射型變成多電源網狀型，這必然會影響配電網短路電流水平、繼電保護的整定計算及系統穩定性[46]。感應電動機也成為配電網中重要的動態負荷，其反饋電流的獨有特性，使感應電動機在電力系統短路時能工作在發電機狀態，升高短路電流，在電網短路故障分析與限制中極為重要[7]。因此，在含有分布式電源和感應電動機負荷的10 kV配電網中，如何限制短路電流水平是電網在規劃和運行過程中亟待解決的問題。目前，國內外對分布式可再生能源對電網短路電流的影響及限流措施的優化等方面均進行了相應的研究。王秀蓮等人[812]主要研究了分布式光伏電源的建模以及低電壓穿越方案的設計，進而仿真分析分布式光伏電源對于電網短路電流的影響;針對限流措施，孫婷等人[13]從運行調度優化的角度，提出一種使用接線方式調整和優化發電機出力來控制故障電流幅值的限流方法;陳麗莉等人[1416]主要對各種限流措施的限流效果和費用進行了數學描述并建模，根據限流措施優化模型和算法存在的缺陷，提出了綜合考慮安全性、穩定性、經濟性的限流措施多目標優化模型，并采用并用分支定界法和免疫粒子群算法進行求解。上述研究均沒有對含有分布式光伏電源和感應電動機負荷的10 kV配電網進行限流措施的研究和對比分析?；诖?，本文對含分布式光伏電源及感應電動機負荷的10 kV配電網，選取加裝普通串聯電抗器、理想故障限流器、串聯諧振型固態限流器和磁通約束型限流器4種限流裝置，采用IEEE33節點系統進行實例仿真，對比分析加裝不同限流裝置后對含分布式光伏電源及感應電動機負荷的10 kV配電網短路電流水平的影響。該研究為電網短路故障分析提供了理論基礎。

1?短路電流抑制措施

由改變電網結構和調整系統運行方式的方法可知，實現分區分層運行是限制短路電流水平的有效措施，但鋪設周期長，成本高;直流聯網提高了系統的整體穩定性，但直流輸電系統造價高;母線分列運行和線路拉停等方法通過增大電網等值阻抗，降低短路電流，削弱系統電氣聯系，降低系統運行的安全性及穩定性[1]。針對IEEE33節點系統特點，本文主要分析更換或增加一次設備的方法，即加裝普通限流電抗器（current limiting reactor，CLR）和故障限流器（fault current limiter，FCL）等。

1.1?加裝普通限流電抗器

加裝CLR是一種傳統的限流技術，其制造技術目前相對成熟。電抗器是一個中間無抽頭的空心電感線圈，其磁導率小，不存在飽和現象，電抗值通常不改變。線路中串聯CLR，可看作將一個固定阻值的電抗器串入電網，相當于通過增大線路的電氣距離，增加系統短路時的線路阻抗，從而降低短路電流。普通限流電抗器結構簡單、造價較低、效果明顯，且應用時間較長，可靠性高，實踐經驗豐富。加裝普通限流電抗器目前已經應用于配電網，該方案雖然能夠起到有效限制短路電流，適當控制潮流的作用，同時可以補償長距離線路電容的影響，但對系統具有一些負面作用，如線路阻抗升高可導致電網系統中線損增加，降低系統穩定性，系統電壓跌落下降，甚至影響供電質量及繼電保護中距離保護等問題。

1.2?加裝故障限流器

FCL基本工作原理是通過開關設備使其在正常運行時呈低阻抗或零阻抗，故障發生時呈高阻抗，故障切除后能迅速恢復低阻抗狀態，既限制短路電流，又不增加系統正常運行時的阻抗。根據FCL的原理，理想限流器由斷路器和電抗器并聯構成。隨著超導技術、大功率半導體器件、微電子控制技術及新型材料的發展，目前FCL按照其制造材料和工作原理可分為超導限流器（superconducting fault current limiter，SFCL）、固態限流器（solid state fault current limiter，SSFCL）、熱敏電阻限流器（thermistor fault current limiter，TFCL）和磁元件型限流器等。SFCL利用超導體失超原理進行限流，能在較高電壓下運行，響應速度較快，但交流損耗較高，超導材料失超不均勻，影響線路繼電保護，散熱與維護等問題;TFCL利用具有正溫度系數的熱敏電阻的電阻溫度特性限制短路電流，動作迅速，但散熱恢復時間長，對周邊設備強度有一定要求，不適用于高電壓等級電網等;SSFCL是基于電力電子裝置獨特的快速通斷能力代替開關設備，控制自身連接的限流設備裝置。正常運行時，電容器與電感發生串聯諧振，故障發生時SCR導通，電抗器投入線路，限制短路電流[1718]。

磁元件型限流器分為磁飽和開關型和磁通約束型兩種。正常運行時，耦合系數k≈1，并聯電感阻抗很小。故障發生時，開關斷開，對外呈現高阻抗，限制短路電流[19]。

2?仿真計算與結果分析

通過搭建Matlab/Simulink仿真模型，對IEEE33節點系統[20]進行實例仿真，IEEE33節點系統結構圖如圖1所示。仿真情景包含3種配電網類型：即不含光伏電源和感應電動機的配電網、含有感應電動機的配電網和含有光伏電源的配電網。

2.1?不含光伏電源和感應電動機的配電網

對三相短路進行仿真分析，得到系統典型節點穩態電流和電壓值、三相短路電流有效值及功率值，系統典型節點參數值如表1所示。

加裝CLR及FCL都是在短路故障發生后，電抗器接入線路，線路呈現高阻抗，限制短路電流。經過仿真分析，加裝CLR、理想故障限流器、串聯諧振型固態限流器和磁通約束型限流器4種限流裝置，在電感值相同時，對三相短路電流有效值的影響基本相同，符合理論分析。不同自感下，電抗器在短路電流有效值及其與不加限流措施的比值如表2所示。由表2可以看出，雖然加裝限流裝置能明顯限制短路電流，但其效果隨著電感增大很快削弱，同時隨短路點與電源點的電氣距離的增大而增強。加裝不同電感值CLR及FCL，對穩態電流電壓值和功率的影響如表3和表4所示。

由表3可以看出，加裝CLR對穩態電流電壓值和功率值影響較大，隨著電感值增大，穩態時功率迅速減小，這表明電網正常運行時，電抗器串接在電網線路中，阻抗增大，會增大系統線損。由表4與表2結合可知，在系統穩定運行時，加裝FCL對穩態電流電壓值及功率值影響極小，但故障發生時，電抗器能迅速接入線路，增大線路阻抗。通過仿真數據分析，表明FCL具有優良性能。

在節點2加裝5 mH電抗值的CLR和FCL，不同短路點的短路電流與不加限流措施的短路電流比值如表5所示。由表5可以看出，隨著短路點與加裝限流設備位置的電氣距離的增大，限流設備的限流效果逐漸減弱。

2.2?僅含感應電動機的配電網

感應電動機是目前電力系統中最常見、需求量最大且權重極高的動態負荷。大容量感應電動機在系統短路后可能處于發電機狀態，并向短路點傳遞短路電流。因此，對于含異步電動機的配電網短路分析，需考慮反饋短路電流的影響[7]。

針對IEEE33節點系統[20]，選取額定電壓為380 V，額定容量為3730 W的感應電動機經變壓器并網，置于節點4和節點5之間，加入感應電動機時，各節點穩態電流電壓值和功率如表6所示。

選取典型上游節點1，2，23和典型下游節點4，6，10進行短路仿真，并在短路節點處添加5 mH電抗值限流措施進行分析，含感應電動機的配電網短路電流水平和限流措施結果如表7所示。

感應電動機的加入對穩態電流電壓產生一定影響，位于安裝節點上游且電氣距離較近的測量點會增大功率，而其他節點功率普遍降低;對上游短路點，感應電動機會增大短路電流，對下游短路點，感應電動機會減小短路電流，且這種特性隨著短路點與安裝位置電氣距離的增大愈發削弱，符合感應電動機反饋電流的特性。同時，限流措施對含感應電動機的配電網仍能有效限制短路電流。

2.3?僅含光伏電源的配電網

并網型光伏發電結構主要由太陽能光伏電池、最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）、逆變器和隔離變壓器4部分構成。本文選用Boost升壓斬波電路進行MPPT控制，通過三相三電平VSC轉換器，將100 kW陣列模型連接到10 kV配電網[21]。

在模擬仿真過程中，光伏并網位置選在節點4和節點5之間，光伏并網后穩態電流電壓值和功率如表8所示。選取典型上游節點1，2，23和典型下游節點4，6，10進行短路仿真，并在短路節點處添加5 mH電抗值限流措施進行分析，含分布式光伏電源的配電網短路電流水平和限流措施結果如表9所示。

含分布式光伏電源的配電網對功率產生較大影響，與并網電氣距離短，且位于安裝點上游的節點功率增大。短路發生時，光伏電源使系統短路電流水平有所下降，且限流措施具有較好的限流效果。

3?結束語

本文圍繞含分布式光伏電源和感應電動機的配電網限流措施進行分析研究。分別針對加裝普通串聯電抗器、理想故障限流器、串聯諧振型固態限流器和磁通約束型限流器4種限流裝置，在IEEE33節點標準配電系統的基礎上，通過Matlab/Simulink搭建相應的仿真模型。仿真結果表明，加裝CLR與FCL的限流效果相似，但在系統穩定運行時加裝CLR，增大線損，降低系統穩定性，而加裝FCL對穩態時的性能幾乎無影響，具有明顯優勢;短路電流均隨電抗值的增大而減小，但限流效果被削弱;含感應電動機的配電網由于電動機反饋電流作用，對穩態值及短路水平具有一定影響;光伏電源并網使配電網變為多電源供電，其短路電流特性有所改變。通過上述算例分析，給出了在含分布式光伏電源和感應電動機負荷的10 kV配電網中，安裝不同限流裝置對電網穩態性能及限流效果的優劣對比，為10 kV配電網選取適當的限流裝置提供了理論基礎和依據。下一步將針對運行成本、穩定性、限流效果進行限流的多目標優化研究。

參考文獻：

[1]?陳麗莉. 大電網限流措施的優化配置研究[D]. 杭州： 浙江大學， 2011.

[2]?Alam M S， Abido M A Y， EIAmin I. Fault current limiters in power systems： a comprehensive review[J]. Engergies， 2018（11）： 1025.

[3]?Kumar D S， Srinivasan D， ?Reindl T. A fast and scalable protection scheme for distribution networks with distributed generation[J]. IEEE Trans on Power Delivery， 2016， 31（1）： 6775.

[4]?戴志輝， 李川， 焦彥軍. IIDG 低電壓穿越模型及其在配網故障分析中的應用[J]。電力系統及其自動化學報， 2018， 30（7）： 1623.

[5]?高仕紅， 張昌華， 耿東山， 等. 雙饋式風力發電機低電壓穿越控制策略[J]. 電力系統及其自動化學報， 2014， 26（8）： 3439.

[6]?李晶， 李鑫， 馬越， 等. 分布式電源容量對配電網保護的影響分析[J]. 電力系統及其自動化學報， 2016， 28（2）： 98102.

[7]?劉楠， 張彥濤， 秦曉輝， 等. 感應電動機負荷對短路電流影響機理研究[J]. 電網技術， 2012， 36（8）： 187192.

[8]?王秀蓮， 胡廣， 畢大強. 光伏低電壓穿越期間無功補償對差動保護靈敏度的影響分析[J]. 電力系統保護與控制， 2016， 44（4）： 5156.

[9]?胡永萍. 光伏并網逆變及低電壓穿越控制策略研究[D]. 濟南： 山東大學， 2014.

[10]?孟軍， 汪沨， 劉蓓， 等. 分布式發電條件下配電網故障恢復現狀與展望[J]. 電力系統及其自動化學報， 2016， 28（1）： 4650， 67.

[11]?王強鋼. 分布式發電計入電網故障穿越控制及短路電流計算方法[D]. 重慶： 重慶大學， 2015.

[12]?劉健， 林濤， 同向前， 等. 分布式光伏電源對配電網短路電流影響的仿真分析[J]. 電網技術， 2013， 37（8）： 20802085.

[13]?孫婷， 韓松， 許逵， 等. 基于分區運行和優化調度的電網限流措施研究[J]. 智能電網， 2015， 3（5）： 394399.

[14]?陳麗莉、黃民翔、張弘， 等. 電網限流措施的優化配置[J]. 電力系統自動化， 2009， 33（11）： 3842.

[15]?葉承晉， 黃民翔， 陳麗莉， 等. 基于并行非支配排序遺傳算法的限流措施多目標優化[J]. 電力系統自動化， 2013， 37（2）： 4955.

[16]?張 思， 黃民翔， 陳麗莉. 基于并行免疫粒子群算法的限流措施優化[J]. 電力系統保護與控制， 2012， 40（8）： 1519， 56.

[17]?嚴朝陽. 串聯諧振型故障限流器的研究及應用[D]. 保定： 華北電力大學， 2012.

[18]?婁杰， 李慶民， 肖茂友， 等. 基于快速開關的串聯諧振型故障限流器的仿真[J]. 高電壓技術， 2006（5）： 8083.

[19]?謝明達. 并網光伏特性及其對電網影響研究[D]. 昆明： 云南師范大學， 2015.

[20]?周開峰. 含分布式電源的配電網重構研究[D]. 保定： 華北電力大學， 2014.

[21]?文博. 磁通約束型限流器應用研究[D]. 武漢： 華中科技大學， 2012.

Comparison and Analysis on Current Limiting Measures of Short Circuit Current in 10 kV Distribution Network

HUANG Huaying1， HUANG Hui1， YE Xuanrong1， LIU Xiongguang1， CHEN Yuanli2

（1. Yunfu Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co. Ltd.， Yunfu 527399， China;

2. Guangzhou Yijun Power Technology Co. Ltd， Guangzhou 510080， China）

Abstract： ?In view of the influence of shortcircuit current on the safety and stability of distribution system， this paper mainly studies the current limiting measures of distribution network including distributed PV sources and induction motors. The current limiting effects of ordinary series reactor， ideal fault current limiter， series resonant solidstate current limiter and fluxconstrained current limiter on 10 kV distributed network are studied considering distributed PV and induction motors. And case studies are carried out on IEEE33 nodes system through the establishment of Matlab/Simulink simulation model. The simulation results demonstrate that the bigger the inductance is， the better the current limiting effect is. The ordinary series reactor affects voltage and current in steady state and the others do not. The study has theoretical research value and practical significance for shortcircuit fault analysis of power grid.

Key words： current limiting measures; FCL; distribution network; induction motor; PV