柔性配电与故障电流限制技术

由变压器、机械开关、导线组成的传统配电系统存在一些难以克服的技术问题, 如短路引起的过电流与电压骤降危害、重合闸或倒闸操作引起的供电短时中断、电压与功率不能连续调节等, 而柔性配电技术、故障电流限制技术的发展则为解决这些问题提供了技术手段, 将使配电系统的构成与运行方式发生革命性的变化。这两项技术对提高供电质量与配电网运行效率至关重要, 也是智能配电网的重要技术内容。

1 柔性配电技术概述

柔性配电技术是柔性交流输电( Flexible ACT ransmission System, FACTS) 技术在配电网的延伸, 简称为DFACTS( Distribution FACTS) 。FACTS 是利用电力电子技术和控制技术对交流输电系统的阻抗、电压、相位等基本参数进行灵活快速地调节, 进而对系统的有功和无功潮流进行灵活地控制, 以提高输电系统的输送能力与稳定水平。作为提高电力系统安全稳定水平与运行效率的重要技术手段, FACT S 技术已在电力系统中获得广泛应用。

智能配电网的一个重要特征是具有很高的电能质量, 能够为用户提供定制电力( Custom Pow2er) 技术或定质电力。所谓/ 定制0, 是指用户根据其负荷运行需要向供电企业提出的对供电质量的特殊要求, 如要求供电一刻都不能中断, 没有电压骤降、谐波、电压波动的影响等。而依赖传统的供电技术难以满足用户的这些特殊要求, 这就需要应用DFACT S 技术对各种电能质量问题进行有效地控制。电能质量控制是DFACT S 技术的一种主要的应用领域, 鉴于此, 有人将其称为定制电力技术。

DFACTS 技术在智能配电网中的另一个应用领域是解决分布式电源( DER) 并网问题。一是提供动态无功补偿, 克服风力发电、太阳能发电功率输出间歇性的影响, 使配电网在最大程度地接纳风电、太阳能发电功率的同时, 保证电压质量与稳定性; 二是对有源配电网( 指分布式电源高度渗透的配电网, 见本讲座第二讲) 的潮流进行调节与控制, 优化配电网潮流分布, 提高配电网运行可靠性, 减少损耗。

随着电力电子技术的迅猛发展, 电力电子器件容量不断增大, 成本逐步降低, DFACTS 技术更加成熟可靠。而DFACT S 设备的推广应用, 将极大地推动智能配电网技术的发展。可以预见,将来DFACT S 设备会象如今的变压器、开关设备一样, 遍布智能配电网的各个环节。

2 柔性配电设备及其应用

本节介绍目前几种主要的DFACT S 设备及其应用。

2. 1 固态开关

固态开关是应用电力电子器件构成的开关设备, 分为固态转换开关( Solid State T ransferSwitch, SSTS) 与固态断路器( Solid State Cir cuitBreaker, SSCB) 两种。它们利用电力电子器件导通与截止速度快的特点, 解决传统机械开关动作时间长( 达数个周波) 带来的问题。

1) SSTS 是由晶闸管( SCR) 构成的负荷开关,可在接到控制命令后数个微秒内接( 导) 通, 在半个周波内关断( 截止) ; 如果用绝缘栅双极晶体管( IGBT) 代替SCR, 其关断时间也可缩短至几个微秒以内。SSTS 用于双电源供电回路的切换, 可避免采用机械开关倒闸操作引起的较长时间供电中断, 使敏感负荷的供电不受影响。如图1 所示的双电源供电回路, 正常运行时, 固态转换开关A 接通, 固态转换开关B 关断, 敏感负荷由电源A 供电, 电源B 处于备用状态。在控制系统检测到电源A 停电时, 在半个周波内将固态转换开关A 关断、固态转换开关B接通, 负荷在一个周波内转为由电源B 供电, 实现供电回路的/ 无缝0转换。

目前, SST S 已有商业化的产品。

2) SSCB 由门极可关断晶闸管( GTO) 回路和晶闸管( SCR) 加限流电抗器( 或电阻器) 回路两部分并联而成, 如图2 所示。正常运行时, 电流流经GTO 支路。电力系统故障时, 流经GTO 支路的电流迅速超过限额, GTO 在半个周波之内关断, 故障随之流经SCR 和限流电抗器相串联的支路, 达到限制故障电流的目的。然后SCR 关断,完全切断故障电流。

目前, 对SSCB 的研究还处在低电压、小电流断路器的试验探讨阶段, 将其实用化还需进行大量的研究工作。

2. 2 静态无功补偿装置( SVC)

SVC 包括晶闸管控制的电抗器( T hyrisatorSwitch Reactor, T SR) 与晶闸管控制的电容器(T hyrisator Switch Capacitor, TSC) 两种装置。实际应用中, 也可将两者结合使用, 称为混合式SVC。SVC 通过控制晶闸管的导通时刻来改变流过电抗器或电容器的电流, 从而调节从系统中吸取或向系统注入的无功电流, 可以平滑、无级地调节容性或感性无功功率, 且具有较好的动态响应特性。而常规的无功功率补偿装置采用机械开关投切电容器, 响应速度慢, 且不能满足对波动较频繁的无功负荷进行连续补偿的要求。

SVC 广泛用于抑制轧钢机、电弧炉等冲击性负荷引起的电压闪变; 用于电气化铁路等场合, 补偿不对称负载引起的电压不平衡; 用于自动消弧线圈接地装置, 动态补偿中性点非有效接地系统的接地电容电流; 用于风力发电并网控制, 为风电场提供快速、连续地的无功补偿。

2. 3 静止同步补偿器( STATCOM)

STATCOM 又称静止无功发生装置( StaticVar Generator, SVG) 。它是一个基于脉宽调制( PWM) 技术的无功功率发生器, 通过自动调节注入到系统中去的无功电流, 实现对瞬时无功功率控制, 从而达到抑制电压波动、闪变与谐波的目的。STATCOM 克服了SVC 仍然需要配置大容量的电容或电感元件、仍然难以适应无功功率的急剧变化这两个缺点, 特别适用于冲击性负荷的无功补偿; 用于风电场的无功补偿时, 能够很好抑制风力发电机并网或切机瞬间引起的电压波动,并且在系统故障时, 能够提高机端电压恢复速度,维持风力发电机在故障期间继续平稳运行, 为系统提供功率支撑。

STATCOM 在国内外都有一定的应用。我国已开发出 50Mvar 的STATCOM 并投入实际系统运行。但是, 其控制复杂, 造价较高, 这限制了它的推广应用。

2. 4 动态不间断电源(DUPS)

DUPS( Dynamic Uninterrupted Power Sup2ply) 由STATCOM 和一个直流储能系统构成, 其中STATCOM 作为一个信号发生装置使用, 在供电中断时将储存的直流能量转换成有功电流,维持一段时间的供电。

DUPS 作为应急后备电源使用, 可防止敏感负荷因短暂的供电中断出现不正常。图3 所示为应用DUPS 的配电系统。母线I 上馈线出线采用固态断路器SSCB1, 其余馈线仍采用常规机械断路器。DUPS 通过固态断路器SSCB2( 正常情况下处于断开状态) 给敏感负荷供电。当负荷上游任一点发生故障引起供电中断时, 在半个周波时间内SSCB1 断开、SSCB2 投入,DUPS 给敏感负荷供电, 直至常规的机械断路器切除故障并恢复正常供电或者将负荷转移到无故障的馈线上去。

2. 5 动态电压恢复器(DVR)

DVR(Dynamic Voltage Restorer) 由直流储能电路、功率逆变器( PWM) 和串接在供电线路中的变压器组成, 如图4 所示。DVR 在测出电压瞬时降低后, 立即直流电源通过PWM 输出交流电压, 与系统电源电压相加( 串联) , 使负载上的电压维持在合格的范围内, 直至系统电压恢复到正常值。DVR 输出波形能够维持一段时间, 可以补偿系统电压的瞬时下降, 防止电压骤降给一些敏感负荷带来危害。这种补偿方式仅补偿电压的差值, 需要的补偿容量小, 且具有补偿效果与系统阻抗、负荷功率因数无关等优点。

DVR 和STATCOM 都是能够发出有功功率的电压补偿装置。DVR 是一种串联补偿装置, 主要用于解决电压骤降的补偿问题, 目前已用于化工厂、半导体制造等企业解决电压骤降问题; 而STATCOM 是一种并联补偿装置, 用于解决供电中断问题。

2. 6 智能通用变压器( IUT)

IUT ( Intelligent Universal T ransformer) 又称为电力电子变压器或固态变压器, 是含有电力电子变换器且通过高频变压器实现磁耦合的配电装置, 不仅实现传统变压器的变压、电隔离和传递能量, 还可以控制潮流、电压质量。作为一种集潮流与电能质量控制为一体的DFACTS 设备, IUT的推广应用, 对于建设智能配电网具有十分重要的意义。

图5 为采用高频变换器的一种IUT 的构成原理图。IUT 在原边先将工频交流电或直流电通过电力电子变换器转换成高频信号, 然后通过中间高频变换器耦合至副边, 再利用电力电子变换器还原成工频交流电或直流电, 或其他形式的电能。由于采用高频变换器, 这种IUT 体积远小于常规变压器并且损耗也显著减小。通过对两边电力电子交换器的控制, 可根据需要调整IUT 电压与功率输出, 使输出电压、波形稳定, 提高电能质量。

目前对IUT 研究还处在理论探讨、技术研发与试验阶段, 随着电力电子技术的发展, 相信不久能有IUT 投入实际运行。

2. 7 轻型直流输电( HVDC)

系统轻型HVDC 系统采用可关断电力电子器件( 如IGBT ) 构成电压源型换流站( VoltageSourced Converters, VSC) 进行直流传输( 如图6所示) 。它具有一系列传统直流输电所不具备的优点, 一是它可以同时而且独立地控制有功功率与无功功率输出, 不仅不需要交流侧提供无功功率, 而且还能够动态补偿交流母线的无功功率; 二是电流能够自关断, 可以工作在无源逆变方式,不需要外加的换相电压, 其受端系统可以是无源网络; 三是其交流侧的电流可控, 不会增加交流系统的短路容量。

轻型HVDC 系统特别适用于远离电网的风电、太阳能、小水电等分布式电源(DER) 的并网联络, 如用于海上风电场并网。此外, 还适用于远离电网的海上钻井平台、小岛等孤立负荷供电。

受电力电子器件功率的限制, 轻型HVDC 系统容量还相对较小, 随着电力电子技术的发展, 轻型HVDC 系统的设计容量会进一步提高, 获得更为广泛的应用。

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。

4. 2 超导FCL

超导FCL 简称SFCL( Superconductor FCL) ,是利用超导体在由超导转换为正常状态后阻抗增大来限制故障电流。它有多种实现方式。

1) 电阻型SFCL 由高温超导(High T emper2ature Superconductor, HT S) 线圈与并联的普通线圈构成。正常运行时, 线路电流全部通过处于超导状态的HT S。在出现短路故障时, HT S 线圈因流过它的电流超过临界值而呈现高电阻, 电流被转移到普通线圈上去, 达到限流目的。

2) 桥路型SFCL 构成原理如图8 所示, 它由二极管V1~ V4、HT S 线圈和直流偏压源Gb 组成。调节Gb的值, 使流过HTS 线圈的电流大于线路额定电流峰值。正常运行时, 桥路始终导通,HT S 线圈两端电压为零。一旦发生短路故障,HT S 线圈失超转变为高阻状态串入线路中限流。

3) 变压器型SFCL 由通过线路电流的原边常规绕组、副边短接的高温超导线圈和铁芯组成。正常运行时, 超导线圈阻抗为零, 变压器因副边被短接而呈现低阻抗。故障时, 超导线圈因变压器副边电流很快超过临界值而失超, 副边电阻瞬间变大, 导致变压器原边的等效阻抗很快增大,从而限制故障电流的增加。

4) 饱和型SFCL 是一种非失超型的限流器,由铁芯、一次交流绕组、二次直流HTS 绕组及直流偏置电源等构成( 见图9) 。当额定交流电流通过一次绕组时, 选择合适的直流偏置电源使两个铁芯均处于深度饱和状态。而当出现故障时, 瞬间增大的电流使交流线圈在铁芯中产生的磁动势接近于直流磁动势, 使两个铁芯分别在正负半波退出饱和, 系统呈现高阻抗而起到限流的作用。

5) 磁屏蔽型SFCL 由外层的铜线圈、中间的HTS 线圈和内侧的铁芯或空心电抗器组成, 铜线圈接入线路。正常运行时, HTS 线圈感应磁通可抵消( 屏蔽) 铜线圈产生的磁通, 整个装置呈现很小的电抗值。当电流超过一定值后, HTS 线圈失超,磁屏蔽作用消失, SFCL 呈现较大阻抗而限流。

总之, SFCL 能在较高电压下运行, 可在极短时间( 百微秒级) 内有效地限制故障电流, 是FCL发展的重要方向。目前SFCL 技术尚不够成熟,还需要解决电流整定困难、失超后的散热维护等问题。由于SFCL 失超后恢复时间过长, 不适于需要快速重合闸的场合。

4. 3 热敏电阻FCL

热敏电阻( PTC) 是一种非线性电阻, 室温时电阻值非常低, 当故障电流流过时, 材料发热升温, 在温度升高到一定值时, 电阻值在微秒时间内提高8~ 10 个数量级, 从而起到限制故障电流的作用。热敏电阻FCL 已在低压( 380V) 系统中获得应用。由于单个PTC 元件的电压与电流额定值不高, 且存在电阻受外界因素影响大、电阻恢复时间长等缺陷, 限制了其在高压系统中的应用。

4. 4 固态FCL

固态FCL 由半导体器件构成, 能够在达到峰值电流之前的电流上升阶段就中断故障电流。图10 给出了一种固态FCL 的结构, 正常工作时, 半导体开关(GTO1 与GTO2) 导通流过负荷电流,对系统运行无影响。当检测到故障电流后, 半导体开关被关断, 电流转移到电抗器上, 从而限制了故障电流。

图10 固态限流器原理图

固态FCL 也是一种DFACTS 设备。随着电力电子技术的发展, 固态FCL 技术愈来愈成熟,目前已在中低压配电设备中获得应用。

5 讲座总结语

智能配电网是人们对未来配电网的愿景, 具有更高安全性、更高的供电质量、更高资产利用效率, 可大量接入可再生能源发电, 能够与用户互动, 适应电动汽车的发展等。本系列讲座共分5讲。介绍了智能配电网的定义、提出的背景、智能配电网的功能特征与主要技术内容, 着重分专题介绍了智能配电网的几项核心技术内容, 即分布式电源并网技术、高级配电自动化技术、互动功能与高级量侧体系(AMI) 、柔性交流配电与故障电流限制技术。讲座力求使读者对智能配电网有一较全面的认识, 共同推进我国智能配电网的研究与建设。

建设智能电网要特别关注配电网。

1) 建设智能电网, 首先要解决用户供电可靠性低的问题。供电可靠性是衡量电网性能优劣、先进与否的根本指标。目前, 我国供电可靠性与国际先进水平还有相当的差距, 城市地区每年平均每个用户的停电时间长达十几个小时, 而美国是90 min 左右, 欧洲的发达国家用户年停电时间平均为1 h 左右, 韩国与我国香港地区仅为十几分钟, 新加坡、日本甚至不到10 min。目前我国用户的停电时间( 扣除缺电因素) 95% 以上都是由配电网引起的, 因此, 我们要提高供电可靠性, 必须在配电网上狠下功夫, 切实把配电网技术装备与管理水平搞上去。

2) 智能电网应是一个高效电网。目前, 在我国电力系统的损耗中, 配电网的损耗占比最大, 其中的中低压配电网的线损占50%以上。提高电网的经济运行水平, 配电网显然是一个关键环节。

3) 智能电网能够引起全社会的关注, 甚至上升到国家战略, 关键就是要解决可再生能源发电的并网问题。我国除了少数地区的风能、太阳能可大规模集中开发外, 大多可再生能源的特点是能量密度低、分布广, 采用小容量的分布式发电形式就地接入配电网, 向附近用户供电。这些分布式发电装置接入配电网, 功率双向流动, 对传统配电网是功率单向流动的辐射型网络是个很大的挑战。通过建设智能配电网, 可以从配电网的规划设计和保护控制等方面解决分布式电源接入的问题。

4) 建设智能配电网适应了电动汽车发展的需要。通过电价杠杆, 合理地调整电动汽车充电时间, 可以显著地减少电网峰谷负荷差, 提高电网的容量利用率, 同时还可以很好地补偿可再生能源发电的间歇性; 此外, 利用电动汽车的储能逆变后上网, 进一步减少对系统备用容量的需求。由此来看, 不管是分布式发电并网还是电动汽车推广应用, 着眼点都在配电网。

综上所述, 建设智能电网必须高度关注配电网。当然, 建设智能配电网是一个长期的过程。我国配电网的投资长期相对不足, 自动化水平低,总体运行水平相对不高, 目前停电多、损耗高、低电压、超负荷的现象依然存在, 而分布式电源、电动汽车应用也刚起步, 因此, 智能配电网工作的重点主要还是应放在完善配电网结构、提高供电质量与资产运行效率上。在条件较为成熟的城市,在重点抓好配电自动化技术、智能电表技术应用的基础上, 可进行一些分布式电源并网、柔性配电技术、电动汽车充电站( 桩) 等试点工作, 不断总结推广, 推进我国智能配电网技术的发展。

本系列讲座的撰写过程中承蒙朱良镭老师的全程指导, 本讲的插图由山东理工大学硕士生翟红英帮助绘制, 在此表示感谢!

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