電流補(bǔ)償型故障限流器對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響研究

張慧，邢玉林

(1.中國電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司宜昌設(shè)計(jì)院，湖北 宜昌 443000;2.湖北宜化集團(tuán)化工機(jī)械設(shè)備制造安裝有限公司，湖北 宜昌 443000)

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電網(wǎng)容量極劇增長，短路電流值也有大幅度的升高，短路故障引起的電壓和頻率不穩(wěn)定性將對(duì)用戶產(chǎn)生嚴(yán)重的后果;巨大的短路電流產(chǎn)生的短路熱動(dòng)效應(yīng)，亦會(huì)直接威脅到電力設(shè)備的安全運(yùn)行，某些情況下甚至導(dǎo)致電力系統(tǒng)的崩潰［1］。

在短路故障相關(guān)聯(lián)的若干技術(shù)問題中，關(guān)于電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的分析無疑需給予足夠的重視。暫態(tài)穩(wěn)定研究可為電力系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行及制定故障恢復(fù)方案提供依據(jù)［2］，其反映了故障擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)特性的影響，而分析的準(zhǔn)確性亦直接關(guān)系到系統(tǒng)動(dòng)態(tài)安全評(píng)估的有效性。

當(dāng)前針對(duì)于如何強(qiáng)化電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，國內(nèi)外專家學(xué)者開展了較深入的研究工作，其涉及的技術(shù)手段亦從不同層面及應(yīng)用角度帶來了積極效應(yīng)［3－6］。其中，故障限流器作為可直接作用于短路故障的一種技術(shù)措施，其在抑制短路電流、避免電壓跌落及提升電網(wǎng)暫態(tài)性能上有著極強(qiáng)的適用性和擴(kuò)展性。事實(shí)上，關(guān)于研究限流器對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，特別是功角特性的影響中，大多都是將限流器裝設(shè)于單機(jī)無窮大系統(tǒng)雙回輸電線路的進(jìn)線端［7－8］，其分析結(jié)果表明:限流阻抗的插入降低了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移阻抗，導(dǎo)致故障過程中轉(zhuǎn)子加速面積減小，對(duì)于提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性起著正面作用。而當(dāng)限流器安裝在發(fā)電機(jī)的機(jī)端位置時(shí)，其對(duì)系統(tǒng)功角特性的影響研究還有待進(jìn)一步深化。

此外，縱觀目前故障限流器的應(yīng)用形式可劃分為電阻型、電抗型及混向型，相比較單一的電感/電感式限流，混合型在某些技術(shù)層面上有望獲得更好的作用效果，而電流補(bǔ)償型故障限流器作為混合型的代表之一［9］，融合了電力電子及現(xiàn)代控制技術(shù)，同時(shí)具備較強(qiáng)的靈活性和實(shí)用性。

本文即以該電流補(bǔ)償型故障限流器為對(duì)象，研究其對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。在概述該型限流設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)上，計(jì)及不同的故障工況探討了其對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的強(qiáng)化機(jī)制。進(jìn)而，利用MATLAB/SIMULINK電磁暫態(tài)仿真程序，構(gòu)建了涵蓋故障限流器的單機(jī)無窮大系統(tǒng)詳細(xì)模型，通過模擬多種場(chǎng)景下的系統(tǒng)運(yùn)行特性，檢驗(yàn)了理論研究的有效性。

2 電流補(bǔ)償型故障限流器的結(jié)構(gòu)及原理

電流補(bǔ)償型故障限流器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該型限流器由直流源、電流型變流器、限流電阻及常規(guī)耦合變壓器組成，其具體工作機(jī)理可描述為:在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)變流器交流側(cè)的輸出電流Ip，使其同變壓器二次側(cè)電流I2保持一致，此時(shí)限流電阻R上無電流通過，相當(dāng)于變壓器二次側(cè)線圈被旁路，裝置對(duì)系統(tǒng)影響較小。

在發(fā)生故障后(負(fù)載Z2被短路)，系統(tǒng)主電流I1迅速增加，而I2也要相應(yīng)上升，此時(shí)控制Ip=0，相當(dāng)于變流器設(shè)備推出運(yùn)行。繼而，限流電阻連同耦合變壓器接入主回路對(duì)故障電流加以抑制。假設(shè)耦合變壓器的一、二次側(cè)線圈電感可表示為L1、L2，耦合互感為M，則限流器在故障狀態(tài)下的等效回路如圖2所示。

由圖2推導(dǎo)出，限流器呈現(xiàn)的等效限流阻抗ZFCL表示為下式:

圖1 電流補(bǔ)償型故障限流器的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 電流補(bǔ)償型故障限流器的等效電路圖

圖3 含故障限流器的單機(jī)無窮大系統(tǒng)示意圖

3 電流補(bǔ)償型故障限流器對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

含電流補(bǔ)償型故障限流器的單機(jī)無窮大系統(tǒng)如圖3所示，同步發(fā)電機(jī)通過限流器、升壓變壓器T－1、雙回輸電線路及降壓變壓器T－2接到無限大容量母線。假設(shè)X'd為發(fā)電機(jī)的等效暫態(tài)電抗，XT1、XT2分別為升壓變壓器及降壓變壓器的電抗，XL為輸電線路電抗，ZV為短路時(shí)的附加阻抗。

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，總的轉(zhuǎn)移電抗可計(jì)算為:

發(fā)電機(jī)的電磁功率為 Pe=EVsinδ/Xd∑。由于故障前后總的轉(zhuǎn)移阻抗發(fā)生改變，電磁功率的輸出將受到相應(yīng)影響。本文根據(jù)不同的故障類型，分別對(duì)轉(zhuǎn)移阻抗及電磁功率的變化特性進(jìn)行討論。

(1)對(duì)稱短路故障

系統(tǒng)發(fā)生對(duì)稱短路故障(三相短路)時(shí)，附加阻抗Zv=0，在此設(shè)定限流阻抗ZFCL表示為ZFCL=RFCL+

jXFCL。計(jì)及變換后的轉(zhuǎn)移電路［10］，發(fā)電機(jī)的輸出電磁功率則表示為:

其中:

由式(3)可知，發(fā)電機(jī)的電磁功率主要將消耗在阻抗Z11上，鑒于限流器的工作阻抗呈現(xiàn)出電阻－電感混合型，則能夠一定程度上消耗發(fā)電機(jī)在故障期間的輸出電磁功率，減小轉(zhuǎn)子加速面積，起到提高暫態(tài)穩(wěn)定性的功效。

(2)不對(duì)稱短路故障

以單相接地短路為例，研究電流補(bǔ)償型限流器在系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定性的作用，附加阻抗 Zv=Z∑(2)+Z∑(0)，Z∑(2)和 Z∑(0)的表達(dá)式分別為:

其中XL(2)、XL(0)為輸電線路的負(fù)序及零序電抗，進(jìn)而Zv可表示為:

總體而言，限流電阻的引入使得轉(zhuǎn)移阻抗增加，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸送至無窮大母線的功率會(huì)降低，但是限流電阻本身也會(huì)消耗掉發(fā)電機(jī)的輸送功率，故發(fā)電機(jī)總輸出電磁功率是否增加與限流電阻的具體取值有關(guān)。結(jié)合文獻(xiàn)［11］中的詳細(xì)描述，限流電阻取得過小或者過大均不利于暫態(tài)穩(wěn)定，需綜合考慮系統(tǒng)參數(shù)，合理取值以實(shí)現(xiàn)提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的功效。

4 仿真分析

為驗(yàn)證上述理論分析的正確性，并量化探討電流補(bǔ)償型故障限流器對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，在MATLAB/SIMULINK電磁暫態(tài)仿真程序中對(duì)圖3進(jìn)行了詳細(xì)建模，部分仿真參數(shù)如表1所示。

(1)不同類型的短路故障仿真

設(shè)定在t=2s時(shí)如圖4所示位置發(fā)生三相接地短路，180ms后切除故障。對(duì)應(yīng)于單相接地短路、兩相相間短路及三相短路這三種情況，在沒有限流器和安裝電流補(bǔ)償型故障限流器的條件下，最大搖擺角的差別分別為6.5°、10.7°、25.2°。由此得出結(jié)論:限流器的引入對(duì)于單相接地短路時(shí)暫態(tài)穩(wěn)定性的提高幅度最弱，而對(duì)于三相短路時(shí)暫態(tài)穩(wěn)定性的提高幅度最強(qiáng)。

表1 暫態(tài)穩(wěn)定仿真電路參數(shù)

(2)不同故障切除時(shí)間下的仿真

本文亦仿真研究了系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時(shí)，不同的故障切除時(shí)間對(duì)功角搖擺曲線的影響，如圖5所示。

圖4 不同故障下的功角曲線

圖5 Power-angle curves of the system under different fault clearance times

隨著故障切除時(shí)間的逐漸加大，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)在故障期間的動(dòng)能累計(jì)也是越來越多，導(dǎo)致最大搖擺角越來越高，此期間對(duì)于暫態(tài)穩(wěn)定性的不利影響也愈加嚴(yán)重。當(dāng)切除時(shí)間增加至240ms時(shí)，若未安裝限流器或是其他輔助設(shè)備，示例系統(tǒng)將會(huì)失去同步。相對(duì)應(yīng)地，在電流補(bǔ)償型故障限流器有效發(fā)揮作用的前提下，功角振蕩可抑制在可接受的范圍內(nèi)，系統(tǒng)仍然可以維持其穩(wěn)定性。故而可得出結(jié)論:限流器的裝設(shè)能夠增大系統(tǒng)的極限切除角，為繼電保護(hù)的切除故障動(dòng)作帶來更大時(shí)間裕度。

5 結(jié)論

本文針對(duì)當(dāng)前普遍關(guān)注的系統(tǒng)故障問題，基于一種電流補(bǔ)償型故障限流器，研究了其對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。結(jié)合理論分析和仿真研究，其結(jié)果表明:此型故障限流器的引入可明顯抑制發(fā)電機(jī)功角振蕩、延長故障切除時(shí)間、提高系統(tǒng)應(yīng)對(duì)短路沖擊的強(qiáng)壯性。

事實(shí)上，故障限流器對(duì)電力系統(tǒng)的作用應(yīng)是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過程，其安裝位置的優(yōu)化，限流參數(shù)的選取及同繼電保護(hù)裝置的配合等都需要給予系統(tǒng)地探討。相信隨著研究工作的進(jìn)一步全面展開，更多有效結(jié)論的形成會(huì)推動(dòng)其實(shí)用化邁向更深的層次。

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