柔性配電與故障電流限制技術

3 故障電流限制技術概述

故障電流限制技術是智能電網的另一項重要技術。一般情況下, 配電網短路會產生很大的故障電流, 除可能造成相關的配電設備因發(fā)熱、機械應力損害外, 還會引起母線電壓驟降, 使同一母線供電的敏感用電設備受影響, 帶來嚴重的后果。配電設備、導線的設計也因此要留有足夠的耐短路電流沖擊的裕度, 這都使配電設備、導線的制造成本大幅增加, 而應用故障電流限制技術, 將短路電流降低到一個合理的水平上, 則可以解決這些問題。對于智能配電網, 由于DER 大量接入, 這將造成配電網短路容量增加, 使之超過配電設備與導線允許的設計值。如果因此而更換配電設備與導線, 將造成極大的浪費, 而安裝故障電流限制設備來防止短路容量超標則是一個比較經濟的解決方案。因此, 故障電流限制技術對于提高供電質量、減少配電網造價與DER 并網投資都具有十分重要的意義, 是建設智能配電網的一項關鍵技術。

限制故障電流的措施分為系統(tǒng)級措施與設備級措施兩類。系統(tǒng)級措施有電網解列運行、母線分列運行、提高電壓等級等; 設備級措施則是應用故障電流限制器( Fault Current Limiter, FCL ) 。因受可靠性、電壓質量、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較低的水平。

FCL 是一種串接在線路中的電氣設備, 未來的智能配電網, FCL 將獲得普遍應用, 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, 配電網面貌、性能與保護控制方式將發(fā)生根本性的變化。

4 故障電流限制器( FCL) 及其應用

FCL 分為被動型與主動型兩種。被動型FCL 在正常運行與故障狀態(tài)下, 均增加系統(tǒng)阻抗, 構成簡單, 易于實現(xiàn), 但在正常運行狀態(tài)下會產生電壓降, 增加系統(tǒng)損耗。目前在系統(tǒng)中獲得廣泛應用的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)的正常運行, 是理想的故障電流限制設備。目前應用或正在研發(fā)的主動型FCL 有高壓限流熔絲、可控串補裝置、超導型故障電流限制器等。因其原理、造價或其他一些因素的影響, 主動型FCL 的應用受到了限制。隨著電力電子技術與新材料技術的發(fā)展, 主動型FCL 技術會更加成熟, 其性能將進一步改進, 成本也會逐漸降低, 將成為主流的FCL。

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

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)短路故障時脫諧, 使阻抗增大而達到限制短路電流的目的。圖7 為串聯(lián)諧振FCL 構成原理圖, 正常運行時晶閘管( SCR) 不導通, 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, SCR導通, 電抗器串入電路起到限流作用。串聯(lián)諧振FCL 簡單、可靠, 已在中壓配電網中獲得應用。

2) 并聯(lián)諧振FCL 在電力電子器件控制下正常工作時處于非諧振狀態(tài), 阻抗較小, 而在系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時進入并聯(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,實際系統(tǒng)中應用較少。