10 kV配电网短路电流限流措施对比分析
作者：黄华颖 黄辉 叶烜荣 刘雄光 陈媛莉
来源：《青岛大学学报（工程技术版）》2020年第03期
        摘要：針对配电网短路电流对系统安全稳定运行的影响，本文主要对含分布式光伏电源
和感应电动机的配电网限流措施进行研究。考虑分布式光伏电源和感应电动机负荷，研究了加装普通串联电抗器、理想故障限流器、串联谐振型固态限流器和磁通约束型限流器对10 kV配电网的限流效果，并通过搭建Matlab/Simulink仿真模型，对IEEE33节点系统进行仿真分析。仿真结果表明，限流装置中的电感值越大，限流效果越好;普通串联电抗器对于稳态电压和电流有一定的影响，而其余3种限流装置对稳态电压和电流无影响。该研究对电网短路故障分析具有理论研究价值和现实意义。
        关键词：限流措施; 故障限流器; 配电网; 感应电动机; 光伏电源
        中图分类号： TM713文献标识码： A
        近年来，随着经济的飞速发展，电力网络不断完善，线路与电源越来越密集，系统运行方式更复杂，阻抗减小，使短路电流水平进一步上升，如不加以控制，短路电流超过断路器遮断容量，将对电网安全运行构成威胁[12]。此外，随着环境等问题的日益恶化，越来越多的可再生清洁能源并入电网，在10 kV配电网系统中，也出现了越来越多的分布式可再生能源，如光伏和风力发电[3]。随着这些分布式电源的加入，10 kV配电网的结构由单电源辐射型变成多电源网状型，这必然会影响配电网短路电流水平、继电保护的整定计算及系统稳定
性[46]。感应电动机也成为配电网中重要的动态负荷，其反馈电流的独有特性，使感应电动机在电力系统短路时能工作在发电机状态，升高短路电流，在电网短路故障分析与限制中极为重要[7]。因此，在含有分布式电源和感应电动机负荷的10 kV配电网中，如何限制短路电流水平是电网在规划和运行过程中亟待解决的问题。目前，国内外对分布式可再生能源对电网短路电流的影响及限流措施的优化等方面均进行了相应的研究。王秀莲等人[812]主要研究了分布式光伏电源的建模以及低电压穿越方案的设计，进而仿真分析分布式光伏电源对于电网短路电流的影响;针对限流措施，孙婷等人[13]从运行调度优化的角度，提出一种使用接线方式调整和优化发电机出力来控制故障电流幅值的限流方法;陈丽莉等人[1416]主要对各种限流措施的限流效果和费用进行了数学描述并建模，根据限流措施优化模型和算法存在的缺陷，提出了综合考虑安全性、稳定性、经济性的限流措施多目标优化模型，并采用并用分支定界法和免疫粒子算法进行求解。上述研究均没有对含有分布式光伏电源和感应电动机负荷的10 kV配电网进行限流措施的研究和对比分析。基于此，本文对含分布式光伏电源及感应电动机负荷的10 kV配电网，选取加装普通串联电抗器、理想故障限流器、串联谐振型固态限流器和磁通约束型限流器4种限流装置，采用IEEE33节点系统进行实例仿真，对比分析加装不同限流装置后对含分布式光伏电源及感应电动机负荷的10 kV配电网短路电流水平的影响。该研究为电网短路故障分析提供了理论基础。
        1短路电流抑制措施
        由改变电网结构和调整系统运行方式的方法可知，实现分区分层运行是限制短路电流水平的有效措施，但铺设周期长，成本高;直流联网提高了系统的整体稳定性，但直流输电系统造价高;母线分列运行和线路拉停等方法通过增大电网等值阻抗，降低短路电流，削弱系统电气联系，降低系统运行的安全性及稳定性[1]。针对IEEE33节点系统特点，本文主要分析更换或增加一次设备的方法，即加装普通限流电抗器（current limiting reactor，CLR）和故障限流器（fault current limiter，FCL）等。
        1.1加装普通限流电抗器
        加装CLR是一种传统的限流技术，其制造技术目前相对成熟。电抗器是一个中间无抽头的空心电感线圈，其磁导率小，不存在饱和现象，电抗值通常不改变。线路中串联CLR，可看作将一个固定阻值的电抗器串入电网，相当于通过增大线路的电气距离，增加系统短路时的线路阻抗，从而降低短路电流。普通限流电抗器结构简单、造价较低、效果明显，且应用时间较长，可靠性高，实践经验丰富。加装普通限流电抗器目前已经应用于配电网，该方案虽然能够起到有效限制短路电流，适当控制潮流的作用，同时可以补偿长距离线路电容的影
响，但对系统具有一些负面作用，如线路阻抗升高可导致电网系统中线损增加，降低系统稳定性，系统电压跌落下降，甚至影响供电质量及继电保护中距离保护等问题。
        1.2加装故障限流器
        FCL基本工作原理是通过开关设备使其在正常运行时呈低阻抗或零阻抗，故障发生时呈高阻抗，故障切除后能迅速恢复低阻抗状态，既限制短路电流，又不增加系统正常运行时的阻抗。根据FCL的原理，理想限流器由断路器和电抗器并联构成。随着超导技术、大功率半导体器件、微电子控制技术及新型材料的发展，目前FCL按照其制造材料和工作原理可分为超导限流器（superconducting fault current limiter，SFCL）、固态限流器（solid state fault current limiter，SSFCL）、热敏电阻限流器（thermistor fault current limiter，TFCL）和磁元件型限流器等。SFCL利用超导体失超原理进行限流，能在较高电压下运行，响应速度较快，但交流损耗较高，超导材料失超不均匀，影响线路继电保护，散热与维护等问题;TFCL利用具有正温度系数的热敏电阻的电阻温度特性限制短路电流，动作迅速，但散热恢复时间长，对周边设备强度有一定要求，不适用于高电压等级电网等;SSFCL是基于电力电子装置独特的快速通断能力代替开关设备，控制自身连接的限流设备装置。正常运行时，电容器与电感发生串联谐振，故障发生时SCR导通，电抗器投入线路，限制短路电流[1718]。
        磁元件型限流器分为磁饱和开关型和磁通约束型两种。正常运行时，耦合系数k≈1，并联电感阻抗很小。故障发生时，开关断开，对外呈现高阻抗，限制短路电流[19]。
        2仿真计算与结果分析
        通过搭建Matlab/Simulink仿真模型，对IEEE33节点系统[20]进行实例仿真，IEEE33节点系统结构图如图1所示。仿真情景包含3种配电网类型：即不含光伏电源和感应电动机的配电网、含有感应电动机的配电网和含有光伏电源的配电网。
reactor网站        2.1不含光伏电源和感应电动机的配电网
        对三相短路进行仿真分析，得到系统典型节点稳态电流和电压值、三相短路电流有效值及功率值，系统典型节点参数值如表1所示。
        加装CLR及FCL都是在短路故障发生后，电抗器接入线路，线路呈现高阻抗，限制短路电流。经过仿真分析，加装CLR、理想故障限流器、串联谐振型固态限流器和磁通约束型限流器4种限流装置，在电感值相同时，对三相短路电流有效值的影响基本相同，符合理论分析。不同自感下，电抗器在短路电流有效值及其与不加限流措施的比值如表2所示。由表2可
以看出，虽然加装限流装置能明显限制短路电流，但其效果随着电感增大很快削弱，同时随短路点与电源点的电气距离的增大而增强。加装不同电感值CLR及FCL，对稳态电流电压值和功率的影响如表3和表4所示。
        由表3可以看出，加装CLR对稳态电流电压值和功率值影响较大，随着电感值增大，稳态时功率迅速减小，这表明电网正常运行时，电抗器串接在电网线路中，阻抗增大，会增大系统线损。由表4与表2结合可知，在系统稳定运行时，加装FCL对稳态电流电压值及功率值影响极小，但故障发生时，电抗器能迅速接入线路，增大线路阻抗。通过仿真数据分析，表明FCL具有优良性能。
        在节点2加装5 mH电抗值的CLR和FCL，不同短路点的短路电流与不加限流措施的短路电流比值如表5所示。由表5可以看出，随着短路点与加装限流设备位置的电气距离的增大，限流设备的限流效果逐渐减弱。
        2.2仅含感应电动机的配电网
        感应电动机是目前电力系统中最常见、需求量最大且权重极高的动态负荷。大容量感应
电动机在系统短路后可能处于发电机状态，并向短路点传递短路电流。因此，对于含异步电动机的配电网短路分析，需考虑反馈短路电流的影响[7]。
        针对IEEE33节点系统[20]，选取额定电压为380 V，额定容量为3730 W的感应电动机经变压器并网，置于节点4和节点5之间，加入感应电动机时，各节点稳态电流电压值和功率如表6所示。
        选取典型上游节点1，2，23和典型下游节点4，6，10进行短路仿真，并在短路节点处添加5 mH电抗值限流措施进行分析，含感应电动机的配电网短路电流水平和限流措施结果如表7所示。
        感应电动机的加入对稳态电流电压产生一定影响，位于安装节点上游且电气距离较近的测量点会增大功率，而其他节点功率普遍降低;对上游短路点，感应电动机会增大短路电流，对下游短路点，感应电动机会减小短路电流，且这种特性随着短路点与安装位置电气距离的增大愈发削弱，符合感应电动机反馈电流的特性。同时，限流措施对含感应电动机的配电网仍能有效限制短路电流。
        2.3仅含光伏电源的配电网
        并网型光伏发电结构主要由太阳能光伏电池、最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）、逆变器和隔离变压器4部分构成。本文选用Boost升压斩波电路进行MPPT控制，通过三相三电平VSC转换器，将100 kW阵列模型连接到10 kV配电网[21]。
        在模拟仿真过程中，光伏并网位置选在节点4和节点5之间，光伏并网后稳态电流电压值和功率如表8所示。选取典型上游节点1，2，23和典型下游节点4，6，10进行短路仿真，并在短路节点处添加5 mH电抗值限流措施进行分析，含分布式光伏电源的配电网短路电流水平和限流措施结果如表9所示。

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