柔性配电与故障电流限制技术(2)

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。