一种新型故障限流器在合肥电网中的应用研究

林哲敏, 董 浩, 毛 荀, 赵 龙, 吴红斌

(1.国网安徽省电力公司 电力科学研究院,安徽 合肥 230601; 2.合肥工业大学 电气与自动化工程学院,安徽 合肥 230009)

安徽电网近年来发展迅速,随着电网网架的扩展和用电负荷的增长,到2020年左右,部分区域会出现短路电流超标的情况,这种情况给电网规划带来了挑战。若不采取相应的措施来限制短路电流,则会给安徽电网的安全运行带来诸多隐患,并降低安徽电网向华东电网的输送能力。另一方面,电力用户对电能质量的要求越来越高,如何在限制短路电流的同时,仍能保障电能的输送能力和电能质量要求,是一个亟待解决的问题。

作为一种柔性交流输电装置(flexible AC transmission system, FACTS),故障限流器(fault current limiter, FCL)在电网中的应用逐渐增多[1-2]。例如华东电网500 kV串联谐振型FCL的成功投运解决了局部线路短路电流过大的问题。相比较串联小电抗等传统的限流方式,FCL可以提高可靠性、调节线路潮流、避免引起系统振荡或失稳[3]。

故障时能够限制短路电流,并能够改善系统电能质量的新型多功能装置成为FCL的发展方向[4]。文献[5]提出了一种基于快速开关的节能型FCL,它可以实现在短时间内投入达到快速限流;文献[6]中提出的串联补偿型FCL能够在故障情况下限流,正常运行情况下作为串联补偿器给系统提供补偿;文献[7]设计了一种基于模糊控制器的串联补偿型FCL,提出的模糊控制器可以提高发电机的功角稳定性;文献[8]提出了一种可以改变补偿度的串联补偿型FCL,但没有考虑由于双向连接的门极可关断晶闸管(gate-turn-off thyristor,GTO)产生的低次谐波问题。本文给出一种基于脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)控制的FCL,利用PWM控制器的高频特性,抑制低次谐波。在分析其原理的基础上,针对2020年合肥电网220 kV肥西母线短路电流过高的问题,根据FCL在电网中不同安装位置的限流效果,得出最佳安装方案。并按照该方案在肥西局部电网等值系统中进行了含FCL的仿真,验证该种故障限流器的限流作用。

1 合肥电网短路电流分析

1.1 合肥电网短路电流水平

依据2020年安徽电网的规划,在全接线情况下,合肥南部电网500 kV变电站的220 kV母线短路电流水平较高。其220 kV全接线网架如图1所示。

图1 2020年合肥南部电网220 kV地理接线图

合肥南部电网的2个500 kV变电站肥西站和肥南站的220 kV母线短路电流水平见表1所列[9]。

表1 肥西和肥南220 kV母线三相短路电流 kA

由表1可以看出,到2020年肥西站、肥南站的220 kV母线三相短路电流均已超过220 kV开关的遮断容量50 kA。在表1运行方式中,虽然短路电流小于断路器遮断容量,但解环的情况需要同时解开紫云—锦绣和大学城—东至路双线,会大大降低合肥片区的运行可靠性。这将给合肥电网的运行带来安全问题,应采取更合适的限流措施来限制短路电流。

1.2 限制短路电流的方法

目前关于电网中短路电流限制,主要有如下几种措施:① 改变系统运行方式;② 变压器中性点安装小电抗;③ 串联电抗器。在上述短路电流的限制措施中,改变系统运行方式会造成电气联系降低,不仅削减系统的安全裕度,同时还降低了系统的灵活性和可靠性;变压器中性点安装小电抗需要更换变压器,同时会增大变压器上电压降;串联电抗器成本比较低,但是在正常运行条件下会增大系统阻抗,这样会增加系统网损[10]。

目前作为FACTS设备的一种,FCL不会改变系统运行方式,在系统正常运行条件下不投入阻抗为0或者很小,故障情况下则实现限制短路电流响应。因此,本文研究的是一种PWM控制的FCL原理以及在合肥电网中的应用。

2 基于PWM控制的FCL结构与原理

2.1 结构设计

FCL经过多年发展,研究方向已经逐渐趋向于快速限流、串联补偿和改善电能质量等方面。为了在限制合肥电网局部地区短路电流的同时,改善故障期间的电能质量,采用一种结合了串联补偿和PWM控制限流为一体的FCL。基于PWM控制的FCL拓扑结构如图2所示[11],PWM型FCL主要由开关控制的补偿电容器组、旁路电感L1和限流电感L2以及开关S1、S2组成,S1、S2分别由2个GTO和2个二极管组成。C0、C1、C2这一系列电容器组可以根据线路的需要来进行接入,给系统提供串联补偿。

图2 PWM控制的故障限流器

PWM控制的FCL与现有的固态FCL有一定结构和功能上的差异,主要特点有:① 正常运行情况下向系统提供串联补偿,提高电能输送能力;② 双向并联的GTO受PWM信号驱动,具有快速的响应能力,能够通过改变PWM信号可控限流;③ PWM控制调节接入电感过程中将谐波控制在一定范围,改善电压波形。

2.2 工作原理

如图2所示的FCL,系统正常运行时,根据需要投入适当大小的电容器以实现该FCL的串联补偿功能。短路故障发生时,通过PWM控制等效开关S1和S2交替导通关断,限流电感快速投入系统。当开关S1导通时,限流电感L1接进线路当中,限制短路电流；而S2导通后,限流电感L1被旁路,这时S2成为L1的续流回路,L1从系统中被切除。S1、S2的导通与关断时间和比例由PWM波形的占空比D来决定,也即S1的导通时间占总时间的比例为D,通过控制占空比D就可以实现控制FCL的等效阻抗,从而实现可控限流。FCL等效阻抗和占空比的数学关系分析如下:

将S1、S2等效成理想开关，如图3所示,只考虑基波分量,接入系统中可控电感的等效阻抗如下[12-13]:

(1)

其中,ω为角频率;vDL为电感L1两端电压;iDL为流经L1的电流。故整个FCL的等效阻抗为:

(2)

图3 FCL的等效电路

如图3所示,GTO的动作不可避免地会产生低次谐波,而S1和S2受PWM信号控制,利用PWM控制后可以将低次谐波升至kf+1次[14],kf为开关频率和系统基频之间的比例系数。即低次谐波被转为高次谐波分量,在谐波消除工作中,高次谐波也远比低次谐波容易消除。

2.3 工作方式

由(2)式,对于PWM控制的FCL,调整占空比D在理论上可改变ZFCL的符号,也即切换FCL的容性补偿和感性限流功能。D在0～1的范围内,存在D0使得(2)式第1项分母几乎为0,等效阻抗很大。以D0为界,FCL呈现出不同的工作状态,见表2所列。

表2 不同参数下的工作方式

在L2<1/(ω2C)时,通过改变PWM控制信号的占空比即可改变FCL的等效阻抗[15],这就对应着FCL不同的工作方式,这里取一组数据为例，L1=0.02 H,L2=0.15 H,C=300 μF，由(2)式得到的等效阻抗变化趋势如图4所示。

图4 FCL的等效阻抗

从图4可以看出,对于此例选定的电抗和电容值,谐振点位于D=0.77附近,在其横坐标负方向,对应的是可控串补的工作方式,在系统正常运行时采用;其横坐标正方向,对应的是可控限流的工作方式,在系统短路故障时采用。

2.4 故障限流器的参数设计

设计故障限流器参数,主要是设计串联电容C和限流电感L1的大小,首先需要用到补偿度k和限流系数α。

(1) 选定补偿度k。线路串补电容的容抗XC=-kXLine,k为补偿度,则线路可以传输的有功功率为:

(3)

由(3)式可见,加装串联补偿装置可以提高线路传输的有功功率。在潮流发生变化,线路首末端相角差不变时,给予线路一定的串联补偿可以稳定线路潮流。在计算FCL串联电容大小时,需选定一个合适的补偿度来提高线路的电力输送能力。

(2) 计算限流系数α。根据系统的最大允许短路电流值,设定一个目标限制电流If,根据线路最大短路电流IL来计算出限流系数α，即

(4)

有了上述2个参数,由XC0=-kXLine根据线路自身电感计算出所需补偿电容C的大小,确定所需接入电容器的组数。根据系统短路阻抗计算出限流阻抗ZFCL为:

(5)

再利用线路中元件串并联关系可以确定出电感L1和电感L2的大小:

(6)

至此完成了FCL的主要参数计算,其中限流度α和补偿度k可以根据系统的实际需要来确定。

3 FCL在合肥电网中的应用

3.1 合肥电网局部主接线形式

随着FCL的发展,针对FCL在实际电力系统中的应用研究成为了一个新的方向[16]。本文主要以合肥电网为例来研究FCL的安装方案。通过对合肥片区短路电流计算可知,肥西母线处短路电流水平最大,肥西母线处进出线的接线方式如图5所示。

图5 肥西母线主接线

肥西母线采用双母四分段接线方式,将4段母线分别命名为IA、IB、IIA、IIB。

3.2 FCL在合肥电网中安装方案研究

本节利用PSD-BPA潮流及暂态稳定程序(下称PSD-BPA)分析和计算FCL在合肥电网中的安装方案。根据表1,考虑短路电流最大时的情况,即紫云—锦绣合环,金源热电投入,肥西、肥南皆3台变压器工作,此时需要在系统合适位置安装FCL,从而达到减小短路电流,稳定系统运行的作用。在母线安装FCL的方式有:母线出口安装、母联处安装。结合肥西母线的主接线形式,设计3种备选安装方案见表3所列。

表3 FCL的安装方案

方案1考虑只在一处母线出口处加装一组FCL的情况(由于是双回线,一组为2台),以在肥西—大学城线路上安装为例；方案2为肥西IA-IB、IIA-IIB母联处安装2组FCL；方案3为肥西IA-IIA、IB-IIB母联处安装2组FCL。选取FCL的参数见表4所列。

表4 合肥电网中FCL参数

按照表3所列的3种备选方案分别进行计算分析,得到在3种安装方案下,母线发生三相接地短路时的短路电流值,见表5所列。

表5 母联安装FCL时的母线短路电流 kA

从表5中可以得出如下结论:

(1) FCL按3种方案安装后,短路电流都发生了不同程度的减小,说明这3种方案中FCL在短路时都起到了限制短路电流的效果。

(2) 按照方案1安装,即在母线出口处装设一处FCL时,因为母线的短路电流仍然超过50 kA,超过开关的遮断容量,所以在线路上仅装设一组无法达到预期效果;按照方案3安装,即肥西IA-IIA、IB-IIB母联处安装2台FCL,仍然存在短路电流超标的情况。

(3) 当肥西IA-IB、IIA-IIB母联处安装FCL时,母线的短路电流都可以被限制在遮断电流50 kA以下,达到了预期的效果,其中按照方案2安装时短路电流更小,限制效果更好。

通过上述计算,FCL按照方案2在母联处安装,可以有效地限制短路电流,母线电流可以降至50 kA以下,达到断路器遮断电流的标准,因此,方案2为最佳安装方案。

3.3 FCL在合肥电网中的仿真分析

3.3.1 FCL的等值电路图

利用Matlab/simulink软件搭建一个简化的等值系统如图6所示,来进一步研究FCL的特性,其中输电线路的分布参数为:x=0.4 Ω/km,r=0.014 Ω/km,系统为220 kV电压等级,FCL按照方案2安装在肥西母联处。

图6 肥西母线处等值系统

设置仿真时间为0～1 s,假定0.4 s时母线发生三相短路故障,0.5 s时短路故障消失。

根据上一节叙述的参数计算内容,取FCL模型的参数见表6所列,其中f为PWM信号的频率。

表6 FCL的参数

3.3.2 FCL安装后的效果对比

当发生短路故障时,输电线路是否安装FCL的对比结果如图7所示。

从图7可以看出,在不加装PWM控制的FCL时,线路电流会达到50 kA以上,这会给高压电气设备带来一定的安全隐患;而加装了PWM控制的FCL之后,线路电流的峰值可以降到45 kA以下,并且在正常运行时不会对线路电流值造成影响。等值算例系统仿真结果与BPA软件计算结果基本一致。

图7 三相短路情况下的线路电流对比结果

基于PWM控制的FCL和普通FCL的电流仿真图和谐波分析结果如图8、图9所示。

图8 不同类型FCL投入时电流波形

由图8可以看出,图8a中有比较明显的谐波分量,图8b中的电流曲线相对来说比较光滑,谐波分量较少。由图9可以看出,安装PWM控制的故障限流器谐波情况更好,总谐波失真(total harmonic distortion,THD)为1.14%,比安装普通FCL时的1.97%要低。因此,本文提出的PWM控制的FCL可以有效地抑制自身所产生的谐波的传播,对线路电流电压波形的影响比普通故障限流器小,因而保证了PWM控制的FCL接入不会给电网的电能质量带来很大的影响。

图9 不同类型FCL投入时谐波情况

综上所述,在合肥电网等值系统中,按照方案2安装的PWM控制的串联补偿型FCL起到了明显的限制短路电流的作用,而且对谐波有一定的抑制作用。

4 结 论

(1) 本文提出的基于PWM控制的串联补偿型FCL在正常运行状态下可以给线路提供串联补偿。故障情况下能够快速投入,工作在限流模式。

(2) 通过FCL在合肥电网中局部线路中的应用计算,得出在肥西等母线上存在短路电流过大的问题。FCL可以使短路电流限制在预期的范围之内,计算得出FCL在合肥电网中安装的最佳方案。

(3) 从仿真结果可以看出,在最佳方案安装下,本文研究的串联补偿型FCL在合肥电网等值系统中能够有效限制短路电流,并且在限流状态下有效改善电流波形。

(4) 串联补偿型FCL采用PWM控制,这样的高频控制策略能够抑制低次谐波,使得电能质量得到改善。