柔性配电与故障电流限制技术(3)

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!

参考文献

[ 1] 韩英铎, 严干贵, 姜齐荣, 等. 信息电力FACTS 及DFACTS 技术[ J] . 电力系统自动化. 2000, ( 10) .

[ 2] 陈建业, 赵 广. 电力电子技术在配电网中的应用[ J] . 国际电力, 2001, ( 1) .

[ 3] 滕乐天, 何维国, 刘 隽, 等. 电力电子技术对上海电网发展的革新与挑战[ J] . 供用电, 2009, ( 1) .

[ 4] 毛承雄, 范 澍, 王 丹, 等. 电力电子变压器的理论及其应用[ J] . 高电压技术, 2003, ( 12) .

[ 5] 胡兆庆, 毛承雄, 陆继明, 等. 一种新型的直流输电技术HVDC) LIGHT[ J] . 电工技术学报, 2005, ( 7) .

[ 6] 武守远, 荆 平, 戴朝波, 等. 故障限流技术及其发展[ J] . 电网技术, 2008, ( 12) .[ 7] 周雪松, 向龙瑞, 马幼捷, 等. 故障限流装置的发展和应用[ J] . 电工技术学报, 2004, ( 11) .

[ 8] 江道灼, 熬志香, 卢旭日, 等. 短路限流技术的研究与发展[ J] . 电力系统及其自动化学报, 2004, ( 11) .

徐丙垠 ( 1961- ) , 山东理工大学教授, 科汇电力自动化公司董事长李天友 ( 1963- ) , 高级工程师, 福建省电力公司副总工程师薛永端 ( 1970- ) , 教授级高级工程师, 科汇电力自动化公司总工程师金文龙 ( 1941- ) , 教授级高级工程师, 国家电网公司原发输电部处长