零磁通補償式短路電流限制器研究

王海鴻

（中國礦業大學徐海學院，江蘇 徐州 221000）

0 引言

隨著電力系統裝機容量的擴增和電網互聯水平的升級，電網在發生短路故障時往往會伴隨短路電流的急劇增加。此時采用合理的方法控制短路電流顯得尤為重要。

然而通過增大斷路器的遮斷容量限制短路電流并不合理，一方面，無法從技術上實現遮斷器容量的大幅提高，而容量越大，需要的投資也就越多，經濟性得不到滿足。另一方面，即使能夠提高遮斷容量，其可靠性也不足以支撐電網的運行。

短路電流限制器（Fault Current Limiter）的概念在20世紀70年代被提出，它的核心原理是：當系統處于正常運行的狀態時，裝置呈現低阻抗狀態；當短路故障突然發生時，裝置迅速轉化為高阻抗狀態從而有效的限制短路電流。本文在借鑒各種傳統的短路電流限制器的基礎上，提出一種新型的基于零磁通的短路電流限制器，意在通過該裝置改善大電網發生故障時伴隨的電流劇增，根據其工作原理利用仿真軟件進行設計，驗證其可行性。

1 零磁通電流限制器分析

1.1 工作原理

零磁通的短路電流限制器是利用變壓器的磁通效應，將變壓器原邊側串接于系統之中，然后將變壓器副邊側注入跟蹤電流。想要達到短路電流限制的目的，就必須使得原副邊電流反向且成比例。變壓器的等效模型如圖1所示。

圖1 變壓器的T型等效電路

圖1 Z和Z為分別為變壓器原邊漏阻抗和勵磁阻抗（鐵芯始終工作在不飽和狀態下），二者不受副邊側電流的影響。設變比k=N/N，由圖1可得以下關系式：

在式（1）中：

Z=r+jx為變壓器原邊漏阻抗；

Z=r+jx為變壓器勵磁阻抗；

I˙=I˙/k為變壓器副邊側電流折算到原邊側電流；

I˙=I˙+I˙為變壓器勵磁電流。

當系統處于正常運行狀態時時，若控制副邊側電流滿足：

即使得副邊側注入電流，這樣副邊側電流折算到原邊側的電流為：

可得變壓器鐵芯內磁通為二者疊加：

此時，忽略諧波，原邊側感應電動勢為：

由原邊側看其阻抗為：

串聯接入系統的原邊側阻抗很小，因此在系統中產生很小的電壓降，不會影響系統的正常運行，在此可以忽略不計。

當系統發生短路故障時，通過控制使得副邊側注入電流變為0，即使變壓器的副邊側開路，此時，鐵芯內的磁動勢僅受原邊側電流影響，感應電動勢為：

在忽略諧波的情況下，此時磁通僅由變壓器原邊側電流產生。

這樣，原邊側繞組AX的阻抗為：

通過計算可知，此時原邊側呈現高阻抗性，接近于勵磁阻抗，從而有效的限制短路電流的增長。

1.2 工作電路結構

基于對其工作原理的介紹，設計了如圖2所示的短路故障限制器結構：

圖2 短路電流限制器電路拓撲

短路電流限制器原邊側串聯接入電網高壓電路，副邊側接入可控電源，通過CT測流裝置檢測變壓器原邊側電流大小，進而由逆變器產生與原邊側方向相反的電流注入副邊側，形成一個閉環的電流。當電力系統處于正常運行狀態時，注入副邊電流能夠使得鐵芯內主磁通為零，此時線路阻抗呈現低阻抗性，不影響系統正常運行；當系統發生短路故障時，想要達到抑制短路電流必須使得短路電流限制器原邊側呈高阻性，此時只需要將副邊電流切斷，即可起到保護電力線路的作用。

2 零磁通短路電流限制器控制策略研究

傳統的限制器控制策略有滯環PWM控制方法、三角波比較PWM電流滯環控制方式和無源控制策略等。本文選擇的控制策略為基于SVPWM的閉環PI控制。

三相逆變器輸出側所連接的負載用來當作FCL的變壓器的副邊側，由磁通補償等效電路可得，在進行磁通補償時，逆變器輸出側所連接的負載即為變壓器的副邊側等效電阻，但其阻值極小，可以忽略不計，因此可得：

圖3 未投入短路故障限流器系統三相電流圖

圖4 投入短路故障限流器系統三相電流圖

3 仿真分析

本章以MALAB/Simulink作為仿真實驗平臺，搭建了零磁通短路電流限制器仿真模型，并仿真了三相短路故障情況。通過分析得到的仿真波形來驗證本文提出的零磁通短路電流限制器的效果。

3.1 實驗仿真圖及波形

在Simulink中，使系統發生三相短路故障，投入短路故障限流器與未投入短路故障限流器波形對比。

4 結語

本文以MALAB/Simulink作為仿真實驗平臺，搭建零磁通短路電流限制器仿真模型，并仿真了三相短路故障情況，仿真結果表明，零磁通短路電流限制器具有較好的短路電流限制的效果。