黃華穎 黃輝 葉烜榮 劉雄光 陳媛莉

摘要：針對(duì)配電網(wǎng)短路電流對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響，本文主要對(duì)含分布式光伏電源和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的配電網(wǎng)限流措施進(jìn)行研究?？紤]分布式光伏電源和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，研究了加裝普通串聯(lián)電抗器、理想故障限流器、串聯(lián)諧振型固態(tài)限流器和磁通約束型限流器對(duì)10 kV配電網(wǎng)的限流效果，并通過(guò)搭建Matlab/Simulink仿真模型，對(duì)IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，限流裝置中的電感值越大，限流效果越好;普通串聯(lián)電抗器對(duì)于穩(wěn)態(tài)電壓和電流有一定的影響，而其余3種限流裝置對(duì)穩(wěn)態(tài)電壓和電流無(wú)影響。該研究對(duì)電網(wǎng)短路故障分析具有理論研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：限流措施; 故障限流器; 配電網(wǎng); 感應(yīng)電動(dòng)機(jī); 光伏電源

中圖分類號(hào)： TM713??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電力網(wǎng)絡(luò)不斷完善，線路與電源越來(lái)越密集，系統(tǒng)運(yùn)行方式更復(fù)雜，阻抗減小，使短路電流水平進(jìn)一步上升，如不加以控制，短路電流超過(guò)斷路器遮斷容量，將對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行構(gòu)成威脅[12]。此外，隨著環(huán)境等問(wèn)題的日益惡化，越來(lái)越多的可再生清潔能源并入電網(wǎng)，在10 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)中，也出現(xiàn)了越來(lái)越多的分布式可再生能源，如光伏和風(fēng)力發(fā)電[3]。隨著這些分布式電源的加入，10 kV配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)由單電源輻射型變成多電源網(wǎng)狀型，這必然會(huì)影響配電網(wǎng)短路電流水平、繼電保護(hù)的整定計(jì)算及系統(tǒng)穩(wěn)定性[46]。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)也成為配電網(wǎng)中重要的動(dòng)態(tài)負(fù)荷，其反饋電流的獨(dú)有特性，使感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在電力系統(tǒng)短路時(shí)能工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，升高短路電流，在電網(wǎng)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(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的10 kV配電網(wǎng)中，如何限制短路電流水平是電網(wǎng)在規(guī)劃和運(yùn)行過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)分布式可再生能源對(duì)電網(wǎng)短路電流的影響及限流措施的優(yōu)化等方面均進(jìn)行了相應(yīng)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(shè)計(jì)，進(jìn)而仿真分析分布式光伏電源對(duì)于電網(wǎng)短路電流的影響;針對(duì)限流措施，孫婷等人[13]從運(yùn)行調(diào)度優(yōu)化的角度，提出一種使用接線方式調(diào)整和優(yōu)化發(fā)電機(jī)出力來(lái)控制故障電流幅值的限流方法;陳麗莉等人[1416]主要對(duì)各種限流措施的限流效果和費(fèi)用進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述并建模，根據(jù)限流措施優(yōu)化模型和算法存在的缺陷，提出了綜合考慮安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性的限流措施多目標(biāo)優(yōu)化模型，并采用并用分支定界法和免疫粒子群算法進(jìn)行求解。上述研究均沒(méi)有對(duì)含有分布式光伏電源和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的10 kV配電網(wǎng)進(jìn)行限流措施的研究和對(duì)比分析?；诖耍疚膶?duì)含分布式光伏電源及感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的10 kV配電網(wǎng)，選取加裝普通串聯(lián)電抗器、理想故障限流器、串聯(lián)諧振型固態(tài)限流器和磁通約束型限流器4種限流裝置，采用IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)例仿真，對(duì)比分析加裝不同限流裝置后對(duì)含分布式光伏電源及感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的10 kV配電網(wǎng)短路電流水平的影響。該研究為電網(wǎng)短路故障分析提供了理論基礎(chǔ)。

1?短路電流抑制措施

由改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行方式的方法可知，實(shí)現(xiàn)分區(qū)分層運(yùn)行是限制短路電流水平的有效措施，但鋪設(shè)周期長(zhǎng)，成本高;直流聯(lián)網(wǎng)提高了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，但直流輸電系統(tǒng)造價(jià)高;母線分列運(yùn)行和線路拉停等方法通過(guò)增大電網(wǎng)等值阻抗，降低短路電流，削弱系統(tǒng)電氣聯(lián)系，降低系統(tǒng)運(yùn)行的安全性及穩(wěn)定性[1]。針對(duì)IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)特點(diǎn)，本文主要分析更換或增加一次設(shè)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，F(xiàn)CL）等。

1.1?加裝普通限流電抗器

加裝CLR是一種傳統(tǒng)的限流技術(shù)，其制造技術(shù)目前相對(duì)成熟。電抗器是一個(gè)中間無(wú)抽頭的空心電感線圈，其磁導(dǎo)率小，不存在飽和現(xiàn)象，電抗值通常不改變。線路中串聯(lián)CLR，可看作將一個(gè)固定阻值的電抗器串入電網(wǎng)，相當(dāng)于通過(guò)增大線路的電氣距離，增加系統(tǒng)短路時(shí)的線路阻抗，從而降低短路電流。普通限流電抗器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、效果明顯，且應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，可靠性高，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富。加裝普通限流電抗器目前已經(jīng)應(yīng)用于配電網(wǎng)，該方案雖然能夠起到有效限制短路電流，適當(dāng)控制潮流的作用，同時(shí)可以補(bǔ)償長(zhǎng)距離線路電容的影響，但對(duì)系統(tǒng)具有一些負(fù)面作用，如線路阻抗升高可導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)中線損增加，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，系統(tǒng)電壓跌落下降，甚至影響供電質(zhì)量及繼電保護(hù)中距離保護(hù)等問(wèn)題。

1.2?加裝故障限流器

FCL基本工作原理是通過(guò)開(kāi)關(guān)設(shè)備使其在正常運(yùn)行時(shí)呈低阻抗或零阻抗，故障發(fā)生時(shí)呈高阻抗，故障切除后能迅速恢復(fù)低阻抗?fàn)顟B(tài)，既限制短路電流，又不增加系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的阻抗。根據(jù)FCL的原理，理想限流器由斷路器和電抗器并聯(lián)構(gòu)成。隨著超導(dǎo)技術(shù)、大功率半導(dǎo)體器件、微電子控制技術(shù)及新型材料的發(fā)展，目前FCL按照其制造材料和工作原理可分為超導(dǎo)限流器（superconducting fault current limiter，SFCL）、固態(tài)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(dǎo)體失超原理進(jìn)行限流，能在較高電壓下運(yùn)行，響應(yīng)速度較快，但交流損耗較高，超導(dǎo)材料失超不均勻，影響線路繼電保護(hù)，散熱與維護(hù)等問(wèn)題;TFCL利用具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻的電阻溫度特性限制短路電流，動(dòng)作迅速，但散熱恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)周邊設(shè)備強(qiáng)度有一定要求，不適用于高電壓等級(jí)電網(wǎng)等;SSFCL是基于電力電子裝置獨(dú)特的快速通斷能力代替開(kāi)關(guān)設(shè)備，控制自身連接的限流設(shè)備裝置。正常運(yùn)行時(shí)，電容器與電感發(fā)生串聯(lián)諧振，故障發(fā)生時(shí)SCR導(dǎo)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(kāi)關(guān)型和磁通約束型兩種。正常運(yùn)行時(shí)，耦合系數(shù)k≈1，并聯(lián)電感阻抗很小。故障發(fā)生時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，對(duì)外呈現(xiàn)高阻抗，限制短路電流[19]。

2?仿真計(jì)算與結(jié)果分析

通過(guò)搭建Matlab/Simulink仿真模型，對(duì)IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)[20]進(jìn)行實(shí)例仿真，IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。仿真情景包含3種配電網(wǎng)類型：即不含光伏電源和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的配電網(wǎng)、含有感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的配電網(wǎng)和含有光伏電源的配電網(wǎng)。

2.1?不含光伏電源和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的配電網(wǎng)

對(duì)三相短路進(jìn)行仿真分析，得到系統(tǒng)典型節(jié)點(diǎn)穩(wěn)態(tài)電流和電壓值、三相短路電流有效值及功率值，系統(tǒng)典型節(jié)點(diǎn)參數(shù)值如表1所示。

加裝CLR及FCL都是在短路故障發(fā)生后，電抗器接入線路，線路呈現(xiàn)高阻抗，限制短路電流。經(jīng)過(guò)仿真分析，加裝CLR、理想故障限流器、串聯(lián)諧振型固態(tài)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(shí)，對(duì)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(shí)隨短路點(diǎn)與電源點(diǎn)的電氣距離的增大而增強(qiáng)。加裝不同電感值CLR及FCL，對(duì)穩(wěn)態(tài)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(duì)穩(wěn)態(tài)電流電壓值和功率值影響較大，隨著電感值增大，穩(wěn)態(tài)時(shí)功率迅速減小，這表明電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，電抗器串接在電網(wǎng)線路中，阻抗增大，會(huì)增大系統(tǒng)線損。由表4與表2結(jié)合可知，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，加裝FCL對(duì)穩(wěn)態(tài)電流電壓值及功率值影響極小，但故障發(fā)生時(shí)，電抗器能迅速接入線路，增大線路阻抗。通過(guò)仿真數(shù)據(jù)分析，表明FCL具有優(yōu)良性能。

在節(jié)點(diǎn)2加裝5 mH電抗值的CLR和FCL，不同短路點(diǎn)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(diǎn)與加裝限流設(shè)備位置的電氣距離的增大，限流設(shè)備的限流效果逐漸減弱。

2.2?僅含感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的配電網(wǎng)

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是目前電力系統(tǒng)中最常見(jiàn)、需求量最大且權(quán)重極高的動(dòng)態(tài)負(fù)荷。大容量感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在系統(tǒng)短路后可能處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，并向短路點(diǎn)傳遞短路電流。因此，對(duì)于含異步電動(dòng)機(jī)的配電網(wǎng)短路分析，需考慮反饋短路電流的影響[7]。

針對(duì)IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)[20]，選取額定電壓為380 V，額定容量為3730 W的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)經(jīng)變壓器并網(wǎng)，置于節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)5之間，加入感應(yīng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，各節(jié)點(diǎn)穩(wěn)態(tài)電流電壓值和功率如表6所示。

選取典型上游節(jié)點(diǎn)1，2，23和典型下游節(jié)點(diǎn)4，6，10進(jìn)行短路仿真，并在短路節(jié)點(diǎn)處添加5 mH電抗值限流措施進(jìn)行分析，含感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的配電網(wǎng)短路電流水平和限流措施結(jié)果如表7所示。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的加入對(duì)穩(wěn)態(tài)電流電壓產(chǎn)生一定影響，位于安裝節(jié)點(diǎn)上游且電氣距離較近的測(cè)量點(diǎn)會(huì)增大功率，而其他節(jié)點(diǎn)功率普遍降低;對(duì)上游短路點(diǎn)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)會(huì)增大短路電流，對(duì)下游短路點(diǎn)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)會(huì)減小短路電流，且這種特性隨著短路點(diǎn)與安裝位置電氣距離的增大愈發(fā)削弱，符合感應(yīng)電動(dòng)機(jī)反饋電流的特性。同時(shí)，限流措施對(duì)含感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的配電網(wǎng)仍能有效限制短路電流。

2.3?僅含光伏電源的配電網(wǎng)

并網(wǎng)型光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)主要由太陽(yáng)能光伏電池、最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）、逆變器和隔離變壓器4部分構(gòu)成。本文選用Boost升壓斬波電路進(jìn)行MPPT控制，通過(guò)三相三電平VSC轉(zhuǎn)換器，將100 kW陣列模型連接到10 kV配電網(wǎng)[21]。

在模擬仿真過(guò)程中，光伏并網(wǎng)位置選在節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)5之間，光伏并網(wǎng)后穩(wěn)態(tài)電流電壓值和功率如表8所示。選取典型上游節(jié)點(diǎn)1，2，23和典型下游節(jié)點(diǎn)4，6，10進(jìn)行短路仿真，并在短路節(jié)點(diǎn)處添加5 mH電抗值限流措施進(jìn)行分析，含分布式光伏電源的配電網(wǎng)短路電流水平和限流措施結(jié)果如表9所示。

含分布式光伏電源的配電網(wǎng)對(duì)功率產(chǎn)生較大影響，與并網(wǎng)電氣距離短，且位于安裝點(diǎn)上游的節(jié)點(diǎn)功率增大。短路發(fā)生時(shí)，光伏電源使系統(tǒng)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(jié)束語(yǔ)

本文圍繞含分布式光伏電源和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的配電網(wǎng)限流措施進(jìn)行分析研究。分別針對(duì)加裝普通串聯(lián)電抗器、理想故障限流器、串聯(lián)諧振型固態(tài)限流器和磁通約束型限流器4種限流裝置，在IEEE33節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)配電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)Matlab/Simulink搭建相應(yīng)的仿真模型。仿真結(jié)果表明，加裝CLR與FCL的限流效果相似，但在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)加裝CLR，增大線損，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，而加裝FCL對(duì)穩(wěn)態(tài)時(shí)的性能幾乎無(wú)影響，具有明顯優(yōu)勢(shì);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(yīng)電動(dòng)機(jī)的配電網(wǎng)由于電動(dòng)機(jī)反饋電流作用，對(duì)穩(wěn)態(tài)值及短路水平具有一定影響;光伏電源并網(wǎng)使配電網(wǎng)變?yōu)槎嚯娫垂╇姡涠搪冯娏魈匦杂兴淖?。通過(guò)上述算例分析，給出了在含分布式光伏電源和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的10 kV配電網(wǎng)中，安裝不同限流裝置對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)性能及限流效果的優(yōu)劣對(duì)比，為10 kV配電網(wǎng)選取適當(dāng)?shù)南蘖餮b置提供了理論基礎(chǔ)和依據(jù)。下一步將針對(duì)運(yùn)行成本、穩(wěn)定性、限流效果進(jìn)行限流的多目標(biāo)優(yōu)化研究。

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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