林哲敏, 董 浩, 毛 荀, 趙 龍, 吳紅斌

(1.國網安徽省電力公司 電力科學研究院,安徽 合肥 230601; 2.合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院,安徽 合肥 230009)

安徽電網近年來發(fā)展迅速,隨著電網網架的擴展和用電負荷的增長,到2020年左右,部分區(qū)域會出現短路電流超標的情況,這種情況給電網規(guī)劃帶來了挑戰(zhàn)。若不采取相應的措施來限制短路電流,則會給安徽電網的安全運行帶來諸多隱患,并降低安徽電網向華東電網的輸送能力。另一方面,電力用戶對電能質量的要求越來越高,如何在限制短路電流的同時,仍能保障電能的輸送能力和電能質量要求,是一個亟待解決的問題。

作為一種柔性交流輸電裝置(flexible AC transmission system, FACTS),故障限流器(fault current limiter, FCL)在電網中的應用逐漸增多[1-2]。例如華東電網500 kV串聯(lián)諧振型FCL的成功投運解決了局部線路短路電流過大的問題。相比較串聯(lián)小電抗等傳統(tǒng)的限流方式,FCL可以提高可靠性、調節(jié)線路潮流、避免引起系統(tǒng)振蕩或失穩(wěn)[3]。

故障時能夠限制短路電流,并能夠改善系統(tǒng)電能質量的新型多功能裝置成為FCL的發(fā)展方向[4]。文獻[5]提出了一種基于快速開關的節(jié)能型FCL,它可以實現在短時間內投入達到快速限流;文獻[6]中提出的串聯(lián)補償型FCL能夠在故障情況下限流,正常運行情況下作為串聯(lián)補償器給系統(tǒng)提供補償;文獻[7]設計了一種基于模糊控制器的串聯(lián)補償型FCL,提出的模糊控制器可以提高發(fā)電機的功角穩(wěn)定性;文獻[8]提出了一種可以改變補償度的串聯(lián)補償型FCL,但沒有考慮由于雙向連接的門極可關斷晶閘管(gate-turn-off thyristor,GTO)產生的低次諧波問題。本文給出一種基于脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)控制的FCL,利用PWM控制器的高頻特性,抑制低次諧波。在分析其原理的基礎上,針對2020年合肥電網220 kV肥西母線短路電流過高的問題,根據FCL在電網中不同安裝位置的限流效果,得出最佳安裝方案。并按照該方案在肥西局部電網等值系統(tǒng)中進行了含FCL的仿真,驗證該種故障限流器的限流作用。

1 合肥電網短路電流分析

1.1 合肥電網短路電流水平

依據2020年安徽電網的規(guī)劃,在全接線情況下,合肥南部電網500 kV變電站的220 kV母線短路電流水平較高。其220 kV全接線網架如圖1所示。

圖1 2020年合肥南部電網220 kV地理接線圖

合肥南部電網的2個500 kV變電站肥西站和肥南站的220 kV母線短路電流水平見表1所列[9]。

表1 肥西和肥南220 kV母線三相短路電流 kA

由表1可以看出,到2020年肥西站、肥南站的220 kV母線三相短路電流均已超過220 kV開關的遮斷容量50 kA。在表1運行方式中,雖然短路電流小于斷路器遮斷容量,但解環(huán)的情況需要同時解開紫云—錦繡和大學城—東至路雙線,會大大降低合肥片區(qū)的運行可靠性。這將給合肥電網的運行帶來安全問題,應采取更合適的限流措施來限制短路電流。

1.2 限制短路電流的方法

目前關于電網中短路電流限制,主要有如下幾種措施:① 改變系統(tǒng)運行方式;② 變壓器中性點安裝小電抗;③ 串聯(lián)電抗器。在上述短路電流的限制措施中,改變系統(tǒng)運行方式會造成電氣聯(lián)系降低,不僅削減系統(tǒng)的安全裕度,同時還降低了系統(tǒng)的靈活性和可靠性;變壓器中性點安裝小電抗需要更換變壓器,同時會增大變壓器上電壓降;串聯(lián)電抗器成本比較低,但是在正常運行條件下會增大系統(tǒng)阻抗,這樣會增加系統(tǒng)網損[10]。

目前作為FACTS設備的一種,FCL不會改變系統(tǒng)運行方式,在系統(tǒng)正常運行條件下不投入阻抗為0或者很小,故障情況下則實現限制短路電流響應。因此,本文研究的是一種PWM控制的FCL原理以及在合肥電網中的應用。

2 基于PWM控制的FCL結構與原理

2.1 結構設計

FCL經過多年發(fā)展,研究方向已經逐漸趨向于快速限流、串聯(lián)補償和改善電能質量等方面。為了在限制合肥電網局部地區(qū)短路電流的同時,改善故障期間的電能質量,采用一種結合了串聯(lián)補償和PWM控制限流為一體的FCL?；赑WM控制的FCL拓撲結構如圖2所示[11],PWM型FCL主要由開關控制的補償電容器組、旁路電感L1和限流電感L2以及開關S1、S2組成,S1、S2分別由2個GTO和2個二極管組成。C0、C1、C2這一系列電容器組可以根據線路的需要來進行接入,給系統(tǒng)提供串聯(lián)補償。

圖2 PWM控制的故障限流器

PWM控制的FCL與現有的固態(tài)FCL有一定結構和功能上的差異,主要特點有:① 正常運行情況下向系統(tǒng)提供串聯(lián)補償,提高電能輸送能力;② 雙向并聯(lián)的GTO受PWM信號驅動,具有快速的響應能力,能夠通過改變PWM信號可控限流;③ PWM控制調節(jié)接入電感過程中將諧波控制在一定范圍,改善電壓波形。

2.2 工作原理

如圖2所示的FCL,系統(tǒng)正常運行時,根據需要投入適當大小的電容器以實現該FCL的串聯(lián)補償功能。短路故障發(fā)生時,通過PWM控制等效開關S1和S2交替導通關斷,限流電感快速投入系統(tǒng)。當開關S1導通時,限流電感L1接進線路當中,限制短路電流；而S2導通后,限流電感L1被旁路,這時S2成為L1的續(xù)流回路,L1從系統(tǒng)中被切除。S1、S2的導通與關斷時間和比例由PWM波形的占空比D來決定,也即S1的導通時間占總時間的比例為D,通過控制占空比D就可以實現控制FCL的等效阻抗,從而實現可控限流。FCL等效阻抗和占空比的數學關系分析如下:

將S1、S2等效成理想開關，如圖3所示,只考慮基波分量,接入系統(tǒng)中可控電感的等效阻抗如下[12-13]:

(1)

其中,ω為角頻率;vDL為電感L1兩端電壓;iDL為流經L1的電流。故整個FCL的等效阻抗為:

(2)

圖3 FCL的等效電路

如圖3所示,GTO的動作不可避免地會產生低次諧波,而S1和S2受PWM信號控制,利用PWM控制后可以將低次諧波升至kf+1次[14],kf為開關頻率和系統(tǒng)基頻之間的比例系數。即低次諧波被轉為高次諧波分量,在諧波消除工作中,高次諧波也遠比低次諧波容易消除。

2.3 工作方式

由(2)式,對于PWM控制的FCL,調整占空比D在理論上可改變ZFCL的符號,也即切換FCL的容性補償和感性限流功能。D在0～1的范圍內,存在D0使得(2)式第1項分母幾乎為0,等效阻抗很大。以D0為界,FCL呈現出不同的工作狀態(tài),見表2所列。

表2 不同參數下的工作方式

在L2<1/(ω2C)時,通過改變PWM控制信號的占空比即可改變FCL的等效阻抗[15],這就對應著FCL不同的工作方式,這里取一組數據為例，L1=0.02 H,L2=0.15 H,C=300 μF，由(2)式得到的等效阻抗變化趨勢如圖4所示。

圖4 FCL的等效阻抗

從圖4可以看出,對于此例選定的電抗和電容值,諧振點位于D=0.77附近,在其橫坐標負方向,對應的是可控串補的工作方式,在系統(tǒng)正常運行時采用;其橫坐標正方向,對應的是可控限流的工作方式,在系統(tǒng)短路故障時采用。

2.4 故障限流器的參數設計

設計故障限流器參數,主要是設計串聯(lián)電容C和限流電感L1的大小,首先需要用到補償度k和限流系數α。

(1) 選定補償度k。線路串補電容的容抗XC=-kXLine,k為補償度,則線路可以傳輸的有功功率為:

(3)

由(3)式可見,加裝串聯(lián)補償裝置可以提高線路傳輸的有功功率。在潮流發(fā)生變化,線路首末端相角差不變時,給予線路一定的串聯(lián)補償可以穩(wěn)定線路潮流。在計算FCL串聯(lián)電容大小時,需選定一個合適的補償度來提高線路的電力輸送能力。

(2) 計算限流系數α。根據系統(tǒng)的最大允許短路電流值,設定一個目標限制電流If,根據線路最大短路電流IL來計算出限流系數α，即

(4)

有了上述2個參數,由XC0=-kXLine根據線路自身電感計算出所需補償電容C的大小,確定所需接入電容器的組數。根據系統(tǒng)短路阻抗計算出限流阻抗ZFCL為:

(5)

再利用線路中元件串并聯(lián)關系可以確定出電感L1和電感L2的大小:

(6)

至此完成了FCL的主要參數計算,其中限流度α和補償度k可以根據系統(tǒng)的實際需要來確定。

3 FCL在合肥電網中的應用

3.1 合肥電網局部主接線形式

隨著FCL的發(fā)展,針對FCL在實際電力系統(tǒng)中的應用研究成為了一個新的方向[16]。本文主要以合肥電網為例來研究FCL的安裝方案。通過對合肥片區(qū)短路電流計算可知,肥西母線處短路電流水平最大,肥西母線處進出線的接線方式如圖5所示。

圖5 肥西母線主接線

肥西母線采用雙母四分段接線方式,將4段母線分別命名為IA、IB、IIA、IIB。

3.2 FCL在合肥電網中安裝方案研究

本節(jié)利用PSD-BPA潮流及暫態(tài)穩(wěn)定程序(下稱PSD-BPA)分析和計算FCL在合肥電網中的安裝方案。根據表1,考慮短路電流最大時的情況,即紫云—錦繡合環(huán),金源熱電投入,肥西、肥南皆3臺變壓器工作,此時需要在系統(tǒng)合適位置安裝FCL,從而達到減小短路電流,穩(wěn)定系統(tǒng)運行的作用。在母線安裝FCL的方式有:母線出口安裝、母聯(lián)處安裝。結合肥西母線的主接線形式,設計3種備選安裝方案見表3所列。

表3 FCL的安裝方案

方案1考慮只在一處母線出口處加裝一組FCL的情況(由于是雙回線,一組為2臺),以在肥西—大學城線路上安裝為例；方案2為肥西IA-IB、IIA-IIB母聯(lián)處安裝2組FCL；方案3為肥西IA-IIA、IB-IIB母聯(lián)處安裝2組FCL。選取FCL的參數見表4所列。

表4 合肥電網中FCL參數

按照表3所列的3種備選方案分別進行計算分析,得到在3種安裝方案下,母線發(fā)生三相接地短路時的短路電流值,見表5所列。

表5 母聯(lián)安裝FCL時的母線短路電流 kA

從表5中可以得出如下結論:

(1) FCL按3種方案安裝后,短路電流都發(fā)生了不同程度的減小,說明這3種方案中FCL在短路時都起到了限制短路電流的效果。

(2) 按照方案1安裝,即在母線出口處裝設一處FCL時,因為母線的短路電流仍然超過50 kA,超過開關的遮斷容量,所以在線路上僅裝設一組無法達到預期效果;按照方案3安裝,即肥西IA-IIA、IB-IIB母聯(lián)處安裝2臺FCL,仍然存在短路電流超標的情況。

(3) 當肥西IA-IB、IIA-IIB母聯(lián)處安裝FCL時,母線的短路電流都可以被限制在遮斷電流50 kA以下,達到了預期的效果,其中按照方案2安裝時短路電流更小,限制效果更好。

通過上述計算,FCL按照方案2在母聯(lián)處安裝,可以有效地限制短路電流,母線電流可以降至50 kA以下,達到斷路器遮斷電流的標準,因此,方案2為最佳安裝方案。

3.3 FCL在合肥電網中的仿真分析

3.3.1 FCL的等值電路圖

利用Matlab/simulink軟件搭建一個簡化的等值系統(tǒng)如圖6所示,來進一步研究FCL的特性,其中輸電線路的分布參數為:x=0.4 Ω/km,r=0.014 Ω/km,系統(tǒng)為220 kV電壓等級,FCL按照方案2安裝在肥西母聯(lián)處。

圖6 肥西母線處等值系統(tǒng)

設置仿真時間為0～1 s,假定0.4 s時母線發(fā)生三相短路故障,0.5 s時短路故障消失。

根據上一節(jié)敘述的參數計算內容,取FCL模型的參數見表6所列,其中f為PWM信號的頻率。

表6 FCL的參數

3.3.2 FCL安裝后的效果對比

當發(fā)生短路故障時,輸電線路是否安裝FCL的對比結果如圖7所示。

從圖7可以看出,在不加裝PWM控制的FCL時,線路電流會達到50 kA以上,這會給高壓電氣設備帶來一定的安全隱患;而加裝了PWM控制的FCL之后,線路電流的峰值可以降到45 kA以下,并且在正常運行時不會對線路電流值造成影響。等值算例系統(tǒng)仿真結果與BPA軟件計算結果基本一致。

圖7 三相短路情況下的線路電流對比結果

基于PWM控制的FCL和普通FCL的電流仿真圖和諧波分析結果如圖8、圖9所示。

圖8 不同類型FCL投入時電流波形

由圖8可以看出,圖8a中有比較明顯的諧波分量,圖8b中的電流曲線相對來說比較光滑,諧波分量較少。由圖9可以看出,安裝PWM控制的故障限流器諧波情況更好,總諧波失真(total harmonic distortion,THD)為1.14%,比安裝普通FCL時的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產生的諧波的傳播,對線路電流電壓波形的影響比普通故障限流器小,因而保證了PWM控制的FCL接入不會給電網的電能質量帶來很大的影響。

圖9 不同類型FCL投入時諧波情況

綜上所述,在合肥電網等值系統(tǒng)中,按照方案2安裝的PWM控制的串聯(lián)補償型FCL起到了明顯的限制短路電流的作用,而且對諧波有一定的抑制作用。

4 結 論

(1) 本文提出的基于PWM控制的串聯(lián)補償型FCL在正常運行狀態(tài)下可以給線路提供串聯(lián)補償。故障情況下能夠快速投入,工作在限流模式。

(2) 通過FCL在合肥電網中局部線路中的應用計算,得出在肥西等母線上存在短路電流過大的問題。FCL可以使短路電流限制在預期的范圍之內,計算得出FCL在合肥電網中安裝的最佳方案。

(3) 從仿真結果可以看出,在最佳方案安裝下,本文研究的串聯(lián)補償型FCL在合肥電網等值系統(tǒng)中能夠有效限制短路電流,并且在限流狀態(tài)下有效改善電流波形。

(4) 串聯(lián)補償型FCL采用PWM控制,這樣的高頻控制策略能夠抑制低次諧波,使得電能質量得到改善。