零磁通補(bǔ)償式短路電流限制器研究

王海鴻

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)裝機(jī)容量的擴(kuò)增和電網(wǎng)互聯(lián)水平的升級(jí)，電網(wǎng)在發(fā)生短路故障時(shí)往往會(huì)伴隨短路電流的急劇增加。此時(shí)采用合理的方法控制短路電流顯得尤為重要。

然而通過(guò)增大斷路器的遮斷容量限制短路電流并不合理，一方面，無(wú)法從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)遮斷器容量的大幅提高，而容量越大，需要的投資也就越多，經(jīng)濟(jì)性得不到滿足。另一方面，即使能夠提高遮斷容量，其可靠性也不足以支撐電網(wǎng)的運(yùn)行。

短路電流限制器（Fault Current Limiter）的概念在20世紀(jì)70年代被提出，它的核心原理是：當(dāng)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行的狀態(tài)時(shí)，裝置呈現(xiàn)低阻抗?fàn)顟B(tài)；當(dāng)短路故障突然發(fā)生時(shí)，裝置迅速轉(zhuǎn)化為高阻抗?fàn)顟B(tài)從而有效的限制短路電流。本文在借鑒各種傳統(tǒng)的短路電流限制器的基礎(chǔ)上，提出一種新型的基于零磁通的短路電流限制器，意在通過(guò)該裝置改善大電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)伴隨的電流劇增，根據(jù)其工作原理利用仿真軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，驗(yàn)證其可行性。

1 零磁通電流限制器分析

1.1 工作原理

零磁通的短路電流限制器是利用變壓器的磁通效應(yīng)，將變壓器原邊側(cè)串接于系統(tǒng)之中，然后將變壓器副邊側(cè)注入跟蹤電流。想要達(dá)到短路電流限制的目的，就必須使得原副邊電流反向且成比例。變壓器的等效模型如圖1所示。

圖1 變壓器的T型等效電路

圖1 Z和Z為分別為變壓器原邊漏阻抗和勵(lì)磁阻抗（鐵芯始終工作在不飽和狀態(tài)下），二者不受副邊側(cè)電流的影響。設(shè)變比k=N/N，由圖1可得以下關(guān)系式：

在式（1）中：

Z=r+jx為變壓器原邊漏阻抗；

Z=r+jx為變壓器勵(lì)磁阻抗；

I˙=I˙/k為變壓器副邊側(cè)電流折算到原邊側(cè)電流；

I˙=I˙+I˙為變壓器勵(lì)磁電流。

當(dāng)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)時(shí)，若控制副邊側(cè)電流滿足：

即使得副邊側(cè)注入電流，這樣副邊側(cè)電流折算到原邊側(cè)的電流為：

可得變壓器鐵芯內(nèi)磁通為二者疊加：

此時(shí)，忽略諧波，原邊側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

由原邊側(cè)看其阻抗為：

串聯(lián)接入系統(tǒng)的原邊側(cè)阻抗很小，因此在系統(tǒng)中產(chǎn)生很小的電壓降，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在此可以忽略不計(jì)。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，通過(guò)控制使得副邊側(cè)注入電流變?yōu)?，即使變壓器的副邊側(cè)開(kāi)路，此時(shí)，鐵芯內(nèi)的磁動(dòng)勢(shì)僅受原邊側(cè)電流影響，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

在忽略諧波的情況下，此時(shí)磁通僅由變壓器原邊側(cè)電流產(chǎn)生。

這樣，原邊側(cè)繞組AX的阻抗為：

通過(guò)計(jì)算可知，此時(shí)原邊側(cè)呈現(xiàn)高阻抗性，接近于勵(lì)磁阻抗，從而有效的限制短路電流的增長(zhǎng)。

1.2 工作電路結(jié)構(gòu)

基于對(duì)其工作原理的介紹，設(shè)計(jì)了如圖2所示的短路故障限制器結(jié)構(gòu)：

圖2 短路電流限制器電路拓?fù)?/p>

短路電流限制器原邊側(cè)串聯(lián)接入電網(wǎng)高壓電路，副邊側(cè)接入可控電源，通過(guò)CT測(cè)流裝置檢測(cè)變壓器原邊側(cè)電流大小，進(jìn)而由逆變器產(chǎn)生與原邊側(cè)方向相反的電流注入副邊側(cè)，形成一個(gè)閉環(huán)的電流。當(dāng)電力系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，注入副邊電流能夠使得鐵芯內(nèi)主磁通為零，此時(shí)線路阻抗呈現(xiàn)低阻抗性，不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，想要達(dá)到抑制短路電流必須使得短路電流限制器原邊側(cè)呈高阻性，此時(shí)只需要將副邊電流切斷，即可起到保護(hù)電力線路的作用。

2 零磁通短路電流限制器控制策略研究

傳統(tǒng)的限制器控制策略有滯環(huán)PWM控制方法、三角波比較PWM電流滯環(huán)控制方式和無(wú)源控制策略等。本文選擇的控制策略為基于SVPWM的閉環(huán)PI控制。

三相逆變器輸出側(cè)所連接的負(fù)載用來(lái)當(dāng)作FCL的變壓器的副邊側(cè)，由磁通補(bǔ)償?shù)刃щ娐房傻茫谶M(jìn)行磁通補(bǔ)償時(shí)，逆變器輸出側(cè)所連接的負(fù)載即為變壓器的副邊側(cè)等效電阻，但其阻值極小，可以忽略不計(jì)，因此可得：

圖3 未投入短路故障限流器系統(tǒng)三相電流圖

圖4 投入短路故障限流器系統(tǒng)三相電流圖

3 仿真分析

本章以MALAB/Simulink作為仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，搭建了零磁通短路電流限制器仿真模型，并仿真了三相短路故障情況。通過(guò)分析得到的仿真波形來(lái)驗(yàn)證本文提出的零磁通短路電流限制器的效果。

3.1 實(shí)驗(yàn)仿真圖及波形

在Simulink中，使系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障，投入短路故障限流器與未投入短路故障限流器波形對(duì)比。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以MALAB/Simulink作為仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，搭建零磁通短路電流限制器仿真模型，并仿真了三相短路故障情況，仿真結(jié)果表明，零磁通短路電流限制器具有較好的短路電流限制的效果。