柔性配電與故障電流限制技術(shù)

3 故障電流限制技術(shù)概述

故障電流限制技術(shù)是智能電網(wǎng)的另一項(xiàng)重要技術(shù)。一般情況下, 配電網(wǎng)短路會產(chǎn)生很大的故障電流, 除可能造成相關(guān)的配電設(shè)備因發(fā)熱、機(jī)械應(yīng)力損害外, 還會引起母線電壓驟降, 使同一母線供電的敏感用電設(shè)備受影響, 帶來嚴(yán)重的后果。配電設(shè)備、導(dǎo)線的設(shè)計(jì)也因此要留有足夠的耐短路電流沖擊的裕度, 這都使配電設(shè)備、導(dǎo)線的制造成本大幅增加, 而應(yīng)用故障電流限制技術(shù), 將短路電流降低到一個(gè)合理的水平上, 則可以解決這些問題。對于智能配電網(wǎng), 由于DER 大量接入, 這將造成配電網(wǎng)短路容量增加, 使之超過配電設(shè)備與導(dǎo)線允許的設(shè)計(jì)值。如果因此而更換配電設(shè)備與導(dǎo)線, 將造成極大的浪費(fèi), 而安裝故障電流限制設(shè)備來防止短路容量超標(biāo)則是一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)的解決方案。因此, 故障電流限制技術(shù)對于提高供電質(zhì)量、減少配電網(wǎng)造價(jià)與DER 并網(wǎng)投資都具有十分重要的意義, 是建設(shè)智能配電網(wǎng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

限制故障電流的措施分為系統(tǒng)級措施與設(shè)備級措施兩類。系統(tǒng)級措施有電網(wǎng)解列運(yùn)行、母線分列運(yùn)行、提高電壓等級等; 設(shè)備級措施則是應(yīng)用故障電流限制器( Fault Current Limiter, FCL ) 。因受可靠性、電壓質(zhì)量、損耗等因素的限制, 系統(tǒng)級限流措施發(fā)揮的作用有限, 必須配合使用FCL, 才能把短路電流降到一個(gè)較低的水平。

FCL 是一種串接在線路中的電氣設(shè)備, 未來的智能配電網(wǎng), FCL 將獲得普遍應(yīng)用, 短路電流甚至可限制至2 倍額定電流以下, 使配電系統(tǒng)擺脫短路電流的危害, 傳統(tǒng)的遮斷大電流的斷路器或許從系統(tǒng)中消失, 配電網(wǎng)面貌、性能與保護(hù)控制方式將發(fā)生根本性的變化。

4 故障電流限制器( FCL) 及其應(yīng)用

FCL 分為被動型與主動型兩種。被動型FCL 在正常運(yùn)行與故障狀態(tài)下, 均增加系統(tǒng)阻抗, 構(gòu)成簡單, 易于實(shí)現(xiàn), 但在正常運(yùn)行狀態(tài)下會產(chǎn)生電壓降, 增加系統(tǒng)損耗。目前在系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用的FCL 是串聯(lián)電抗器, 是一種傳統(tǒng)的被動型FCL。

主動型FCL 只是在故障狀態(tài)下快速增加系統(tǒng)阻抗, 既限制了故障電流, 又不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行, 是理想的故障電流限制設(shè)備。目前應(yīng)用或正在研發(fā)的主動型FCL 有高壓限流熔絲、可控串補(bǔ)裝置、超導(dǎo)型故障電流限制器等。因其原理、造價(jià)或其他一些因素的影響, 主動型FCL 的應(yīng)用受到了限制。隨著電力電子技術(shù)與新材料技術(shù)的發(fā)展, 主動型FCL 技術(shù)會更加成熟, 其性能將進(jìn)一步改進(jìn), 成本也會逐漸降低, 將成為主流的FCL。

以下介紹已應(yīng)用于配電網(wǎng)中的幾種主要的FCL( 均為主動型) 及其在配電網(wǎng)中的應(yīng)用情況。

4. 1 諧振FCL

諧振FCL 分串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振兩種類型。

1) 串聯(lián)諧振FCL 利用電力電子器件, 使正常工作時(shí)處于串聯(lián)諧振( 阻抗接近零) 狀態(tài)下的電路在出現(xiàn)短路故障時(shí)脫諧, 使阻抗增大而達(dá)到限制短路電流的目的。圖7 為串聯(lián)諧振FCL 構(gòu)成原理圖, 正常運(yùn)行時(shí)晶閘管( SCR) 不導(dǎo)通, 電感L 與電容C 發(fā)生串聯(lián)諧振, 裝置阻抗為零。在系統(tǒng)出現(xiàn)短路時(shí), SCR導(dǎo)通, 電抗器串入電路起到限流作用。串聯(lián)諧振FCL 簡單、可靠, 已在中壓配電網(wǎng)中獲得應(yīng)用。

2) 并聯(lián)諧振FCL 在電力電子器件控制下正常工作時(shí)處于非諧振狀態(tài), 阻抗較小, 而在系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)進(jìn)入并聯(lián)諧振( 阻抗) 狀態(tài), 使線路阻抗增大而限制短路電流。這種FCL 容量有限,實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用較少。