柔性配电与故障电流限制技术

3 故障电流限制技术概述

故障电流限制技术是智能电网的另一项重要技术。一般情况下, 配电网短路会产生很大的故障电流, 除可能造成相关的配电设备因发热、机械应力损害外, 还会引起母线电压骤降, 使同一母线供电的敏感用电设备受影响, 带来严重的后果。配电设备、导线的设计也因此要留有足够的耐短路电流冲击的裕度, 这都使配电设备、导线的制造成本大幅增加, 而应用故障电流限制技术, 将短路电流降低到一个合理的水平上, 则可以解决这些问题。对于智能配电网, 由于DER 大量接入, 这将造成配电网短路容量增加, 使之超过配电设备与导线允许的设计值。如果因此而更换配电设备与导线, 将造成极大的浪费, 而安装故障电流限制设备来防止短路容量超标则是一个比较经济的解决方案。因此, 故障电流限制技术对于提高供电质量、减少配电网造价与DER 并网投资都具有十分重要的意义, 是建设智能配电网的一项关键技术。

限制故障电流的措施分为系统级措施与设备级措施两类。系统级措施有电网解列运行、母线分列运行、提高电压等级等; 设备级措施则是应用故障电流限制器( Fault Current Limiter, FCL ) 。因受可靠性、电压质量、损耗等因素的限制, 系统级限流措施发挥的作用有限, 必须配合使用FCL, 才能把短路电流降到一个较低的水平。

FCL 是一种串接在线路中的电气设备, 未来的智能配电网, FCL 将获得普遍应用, 短路电流甚至可限制至2 倍额定电流以下, 使配电系统摆脱短路电流的危害, 传统的遮断大电流的断路器或许从系统中消失, 配电网面貌、性能与保护控制方式将发生根本性的变化。

4 故障电流限制器( FCL) 及其应用

FCL 分为被动型与主动型两种。被动型FCL 在正常运行与故障状态下, 均增加系统阻抗, 构成简单, 易于实现, 但在正常运行状态下会产生电压降, 增加系统损耗。目前在系统中获得广泛应用的FCL 是串联电抗器, 是一种传统的被动型FCL。

主动型FCL 只是在故障状态下快速增加系统阻抗, 既限制了故障电流, 又不影响系统的正常运行, 是理想的故障电流限制设备。目前应用或正在研发的主动型FCL 有高压限流熔丝、可控串补装置、超导型故障电流限制器等。因其原理、造价或其他一些因素的影响, 主动型FCL 的应用受到了限制。随着电力电子技术与新材料技术的发展, 主动型FCL 技术会更加成熟, 其性能将进一步改进, 成本也会逐渐降低, 将成为主流的FCL。

以下介绍已应用于配电网中的几种主要的FCL( 均为主动型) 及其在配电网中的应用情况。

4. 1 谐振FCL

谐振FCL 分串联谐振与并联谐振两种类型。

1) 串联谐振FCL 利用电力电子器件, 使正常工作时处于串联谐振( 阻抗接近零) 状态下的电路在出现短路故障时脱谐, 使阻抗增大而达到限制短路电流的目的。图7 为串联谐振FCL 构成原理图, 正常运行时晶闸管( SCR) 不导通, 电感L 与电容C 发生串联谐振, 装置阻抗为零。在系统出现短路时, SCR导通, 电抗器串入电路起到限流作用。串联谐振FCL 简单、可靠, 已在中压配电网中获得应用。

2) 并联谐振FCL 在电力电子器件控制下正常工作时处于非谐振状态, 阻抗较小, 而在系统出现短路故障时进入并联谐振( 阻抗) 状态, 使线路阻抗增大而限制短路电流。这种FCL 容量有限,实际系统中应用较少。