柔性配電與故障電流限制技術(shù)

由變壓器、機(jī)械開關(guān)、導(dǎo)線組成的傳統(tǒng)配電系統(tǒng)存在一些難以克服的技術(shù)問題, 如短路引起的過電流與電壓驟降危害、重合閘或倒閘操作引起的供電短時(shí)中斷、電壓與功率不能連續(xù)調(diào)節(jié)等, 而柔性配電技術(shù)、故障電流限制技術(shù)的發(fā)展則為解決這些問題提供了技術(shù)手段, 將使配電系統(tǒng)的構(gòu)成與運(yùn)行方式發(fā)生革命性的變化。這兩項(xiàng)技術(shù)對(duì)提高供電質(zhì)量與配電網(wǎng)運(yùn)行效率至關(guān)重要, 也是智能配電網(wǎng)的重要技術(shù)內(nèi)容。

1 柔性配電技術(shù)概述

柔性配電技術(shù)是柔性交流輸電( Flexible ACT ransmission System, FACTS) 技術(shù)在配電網(wǎng)的延伸, 簡(jiǎn)稱為DFACTS( Distribution FACTS) 。FACTS 是利用電力電子技術(shù)和控制技術(shù)對(duì)交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓、相位等基本參數(shù)進(jìn)行靈活快速地調(diào)節(jié), 進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)的有功和無功潮流進(jìn)行靈活地控制, 以提高輸電系統(tǒng)的輸送能力與穩(wěn)定水平。作為提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平與運(yùn)行效率的重要技術(shù)手段, FACT S 技術(shù)已在電力系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。

智能配電網(wǎng)的一個(gè)重要特征是具有很高的電能質(zhì)量, 能夠?yàn)橛脩籼峁┒ㄖ齐娏? Custom Pow2er) 技術(shù)或定質(zhì)電力。所謂/ 定制0, 是指用戶根據(jù)其負(fù)荷運(yùn)行需要向供電企業(yè)提出的對(duì)供電質(zhì)量的特殊要求, 如要求供電一刻都不能中斷, 沒有電壓驟降、諧波、電壓波動(dòng)的影響等。而依賴傳統(tǒng)的供電技術(shù)難以滿足用戶的這些特殊要求, 這就需要應(yīng)用DFACT S 技術(shù)對(duì)各種電能質(zhì)量問題進(jìn)行有效地控制。電能質(zhì)量控制是DFACT S 技術(shù)的一種主要的應(yīng)用領(lǐng)域, 鑒于此, 有人將其稱為定制電力技術(shù)。

DFACTS 技術(shù)在智能配電網(wǎng)中的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是解決分布式電源( DER) 并網(wǎng)問題。一是提供動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償, 克服風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電功率輸出間歇性的影響, 使配電網(wǎng)在最大程度地接納風(fēng)電、太陽能發(fā)電功率的同時(shí), 保證電壓質(zhì)量與穩(wěn)定性; 二是對(duì)有源配電網(wǎng)( 指分布式電源高度滲透的配電網(wǎng), 見本講座第二講) 的潮流進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制, 優(yōu)化配電網(wǎng)潮流分布, 提高配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性, 減少損耗。

隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展, 電力電子器件容量不斷增大, 成本逐步降低, DFACTS 技術(shù)更加成熟可靠。而DFACT S 設(shè)備的推廣應(yīng)用, 將極大地推動(dòng)智能配電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。可以預(yù)見,將來DFACT S 設(shè)備會(huì)象如今的變壓器、開關(guān)設(shè)備一樣, 遍布智能配電網(wǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

2 柔性配電設(shè)備及其應(yīng)用

本節(jié)介紹目前幾種主要的DFACT S 設(shè)備及其應(yīng)用。

2. 1 固態(tài)開關(guān)

固態(tài)開關(guān)是應(yīng)用電力電子器件構(gòu)成的開關(guān)設(shè)備, 分為固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)( Solid State T ransferSwitch, SSTS) 與固態(tài)斷路器( Solid State Cir cuitBreaker, SSCB) 兩種。它們利用電力電子器件導(dǎo)通與截止速度快的特點(diǎn), 解決傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)( 達(dá)數(shù)個(gè)周波) 帶來的問題。

1) SSTS 是由晶閘管( SCR) 構(gòu)成的負(fù)荷開關(guān),可在接到控制命令后數(shù)個(gè)微秒內(nèi)接( 導(dǎo)) 通, 在半個(gè)周波內(nèi)關(guān)斷( 截止) ; 如果用絕緣柵雙極晶體管( IGBT) 代替SCR, 其關(guān)斷時(shí)間也可縮短至幾個(gè)微秒以內(nèi)。SSTS 用于雙電源供電回路的切換, 可避免采用機(jī)械開關(guān)倒閘操作引起的較長(zhǎng)時(shí)間供電中斷, 使敏感負(fù)荷的供電不受影響。如圖1 所示的雙電源供電回路, 正常運(yùn)行時(shí), 固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)A 接通, 固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)B 關(guān)斷, 敏感負(fù)荷由電源A 供電, 電源B 處于備用狀態(tài)。在控制系統(tǒng)檢測(cè)到電源A 停電時(shí), 在半個(gè)周波內(nèi)將固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)A 關(guān)斷、固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)B接通, 負(fù)荷在一個(gè)周波內(nèi)轉(zhuǎn)為由電源B 供電, 實(shí)現(xiàn)供電回路的/ 無縫0轉(zhuǎn)換。

目前, SST S 已有商業(yè)化的產(chǎn)品。

2) SSCB 由門極可關(guān)斷晶閘管( GTO) 回路和晶閘管( SCR) 加限流電抗器( 或電阻器) 回路兩部分并聯(lián)而成, 如圖2 所示。正常運(yùn)行時(shí), 電流流經(jīng)GTO 支路。電力系統(tǒng)故障時(shí), 流經(jīng)GTO 支路的電流迅速超過限額, GTO 在半個(gè)周波之內(nèi)關(guān)斷, 故障隨之流經(jīng)SCR 和限流電抗器相串聯(lián)的支路, 達(dá)到限制故障電流的目的。然后SCR 關(guān)斷,完全切斷故障電流。

目前, 對(duì)SSCB 的研究還處在低電壓、小電流斷路器的試驗(yàn)探討階段, 將其實(shí)用化還需進(jìn)行大量的研究工作。

2. 2 靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置( SVC)

SVC 包括晶閘管控制的電抗器( T hyrisatorSwitch Reactor, T SR) 與晶閘管控制的電容器(T hyrisator Switch Capacitor, TSC) 兩種裝置。實(shí)際應(yīng)用中, 也可將兩者結(jié)合使用, 稱為混合式SVC。SVC 通過控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻來改變流過電抗器或電容器的電流, 從而調(diào)節(jié)從系統(tǒng)中吸取或向系統(tǒng)注入的無功電流, 可以平滑、無級(jí)地調(diào)節(jié)容性或感性無功功率, 且具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。而常規(guī)的無功功率補(bǔ)償裝置采用機(jī)械開關(guān)投切電容器, 響應(yīng)速度慢, 且不能滿足對(duì)波動(dòng)較頻繁的無功負(fù)荷進(jìn)行連續(xù)補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

SVC 廣泛用于抑制軋鋼機(jī)、電弧爐等沖擊性負(fù)荷引起的電壓閃變; 用于電氣化鐵路等場(chǎng)合, 補(bǔ)償不對(duì)稱負(fù)載引起的電壓不平衡; 用于自動(dòng)消弧線圈接地裝置, 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)的接地電容電流; 用于風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制, 為風(fēng)電場(chǎng)提供快速、連續(xù)地的無功補(bǔ)償。

2. 3 靜止同步補(bǔ)償器( STATCOM)

STATCOM 又稱靜止無功發(fā)生裝置( StaticVar Generator, SVG) 。它是一個(gè)基于脈寬調(diào)制( PWM) 技術(shù)的無功功率發(fā)生器, 通過自動(dòng)調(diào)節(jié)注入到系統(tǒng)中去的無功電流, 實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)無功功率控制, 從而達(dá)到抑制電壓波動(dòng)、閃變與諧波的目的。STATCOM 克服了SVC 仍然需要配置大容量的電容或電感元件、仍然難以適應(yīng)無功功率的急劇變化這兩個(gè)缺點(diǎn), 特別適用于沖擊性負(fù)荷的無功補(bǔ)償; 用于風(fēng)電場(chǎng)的無功補(bǔ)償時(shí), 能夠很好抑制風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)或切機(jī)瞬間引起的電壓波動(dòng),并且在系統(tǒng)故障時(shí), 能夠提高機(jī)端電壓恢復(fù)速度,維持風(fēng)力發(fā)電機(jī)在故障期間繼續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行, 為系統(tǒng)提供功率支撐。

STATCOM 在國(guó)內(nèi)外都有一定的應(yīng)用。我國(guó)已開發(fā)出 50Mvar 的STATCOM 并投入實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行。但是, 其控制復(fù)雜, 造價(jià)較高, 這限制了它的推廣應(yīng)用。

2. 4 動(dòng)態(tài)不間斷電源(DUPS)

DUPS( Dynamic Uninterrupted Power Sup2ply) 由STATCOM 和一個(gè)直流儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成, 其中STATCOM 作為一個(gè)信號(hào)發(fā)生裝置使用, 在供電中斷時(shí)將儲(chǔ)存的直流能量轉(zhuǎn)換成有功電流,維持一段時(shí)間的供電。

DUPS 作為應(yīng)急后備電源使用, 可防止敏感負(fù)荷因短暫的供電中斷出現(xiàn)不正常。圖3 所示為應(yīng)用DUPS 的配電系統(tǒng)。母線I 上饋線出線采用固態(tài)斷路器SSCB1, 其余饋線仍采用常規(guī)機(jī)械斷路器。DUPS 通過固態(tài)斷路器SSCB2( 正常情況下處于斷開狀態(tài)) 給敏感負(fù)荷供電。當(dāng)負(fù)荷上游任一點(diǎn)發(fā)生故障引起供電中斷時(shí), 在半個(gè)周波時(shí)間內(nèi)SSCB1 斷開、SSCB2 投入,DUPS 給敏感負(fù)荷供電, 直至常規(guī)的機(jī)械斷路器切除故障并恢復(fù)正常供電或者將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到無故障的饋線上去。

2. 5 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)

DVR(Dynamic Voltage Restorer) 由直流儲(chǔ)能電路、功率逆變器( PWM) 和串接在供電線路中的變壓器組成, 如圖4 所示。DVR 在測(cè)出電壓瞬時(shí)降低后, 立即直流電源通過PWM 輸出交流電壓, 與系統(tǒng)電源電壓相加( 串聯(lián)) , 使負(fù)載上的電壓維持在合格的范圍內(nèi), 直至系統(tǒng)電壓恢復(fù)到正常值。DVR 輸出波形能夠維持一段時(shí)間, 可以補(bǔ)償系統(tǒng)電壓的瞬時(shí)下降, 防止電壓驟降給一些敏感負(fù)荷帶來危害。這種補(bǔ)償方式僅補(bǔ)償電壓的差值, 需要的補(bǔ)償容量小, 且具有補(bǔ)償效果與系統(tǒng)阻抗、負(fù)荷功率因數(shù)無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)。

DVR 和STATCOM 都是能夠發(fā)出有功功率的電壓補(bǔ)償裝置。DVR 是一種串聯(lián)補(bǔ)償裝置, 主要用于解決電壓驟降的補(bǔ)償問題, 目前已用于化工廠、半導(dǎo)體制造等企業(yè)解決電壓驟降問題; 而STATCOM 是一種并聯(lián)補(bǔ)償裝置, 用于解決供電中斷問題。

2. 6 智能通用變壓器( IUT)

IUT ( Intelligent Universal T ransformer) 又稱為電力電子變壓器或固態(tài)變壓器, 是含有電力電子變換器且通過高頻變壓器實(shí)現(xiàn)磁耦合的配電裝置, 不僅實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)變壓器的變壓、電隔離和傳遞能量, 還可以控制潮流、電壓質(zhì)量。作為一種集潮流與電能質(zhì)量控制為一體的DFACTS 設(shè)備, IUT的推廣應(yīng)用, 對(duì)于建設(shè)智能配電網(wǎng)具有十分重要的意義。

圖5 為采用高頻變換器的一種IUT 的構(gòu)成原理圖。IUT 在原邊先將工頻交流電或直流電通過電力電子變換器轉(zhuǎn)換成高頻信號(hào), 然后通過中間高頻變換器耦合至副邊, 再利用電力電子變換器還原成工頻交流電或直流電, 或其他形式的電能。由于采用高頻變換器, 這種IUT 體積遠(yuǎn)小于常規(guī)變壓器并且損耗也顯著減小。通過對(duì)兩邊電力電子交換器的控制, 可根據(jù)需要調(diào)整IUT 電壓與功率輸出, 使輸出電壓、波形穩(wěn)定, 提高電能質(zhì)量。

目前對(duì)IUT 研究還處在理論探討、技術(shù)研發(fā)與試驗(yàn)階段, 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展, 相信不久能有IUT 投入實(shí)際運(yùn)行。

2. 7 輕型直流輸電( HVDC)

系統(tǒng)輕型HVDC 系統(tǒng)采用可關(guān)斷電力電子器件( 如IGBT ) 構(gòu)成電壓源型換流站( VoltageSourced Converters, VSC) 進(jìn)行直流傳輸( 如圖6所示) 。它具有一系列傳統(tǒng)直流輸電所不具備的優(yōu)點(diǎn), 一是它可以同時(shí)而且獨(dú)立地控制有功功率與無功功率輸出, 不僅不需要交流側(cè)提供無功功率, 而且還能夠動(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流母線的無功功率; 二是電流能夠自關(guān)斷, 可以工作在無源逆變方式,不需要外加的換相電壓, 其受端系統(tǒng)可以是無源網(wǎng)絡(luò); 三是其交流側(cè)的電流可控, 不會(huì)增加交流系統(tǒng)的短路容量。

輕型HVDC 系統(tǒng)特別適用于遠(yuǎn)離電網(wǎng)的風(fēng)電、太陽能、小水電等分布式電源(DER) 的并網(wǎng)聯(lián)絡(luò), 如用于海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)。此外, 還適用于遠(yuǎn)離電網(wǎng)的海上鉆井平臺(tái)、小島等孤立負(fù)荷供電。

受電力電子器件功率的限制, 輕型HVDC 系統(tǒng)容量還相對(duì)較小, 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展, 輕型HVDC 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量會(huì)進(jìn)一步提高, 獲得更為廣泛的應(yīng)用。

3 故障電流限制技術(shù)概述

故障電流限制技術(shù)是智能電網(wǎng)的另一項(xiàng)重要技術(shù)。一般情況下, 配電網(wǎng)短路會(huì)產(chǎn)生很大的故障電流, 除可能造成相關(guān)的配電設(shè)備因發(fā)熱、機(jī)械應(yīng)力損害外, 還會(huì)引起母線電壓驟降, 使同一母線供電的敏感用電設(shè)備受影響, 帶來嚴(yán)重的后果。配電設(shè)備、導(dǎo)線的設(shè)計(jì)也因此要留有足夠的耐短路電流沖擊的裕度, 這都使配電設(shè)備、導(dǎo)線的制造成本大幅增加, 而應(yīng)用故障電流限制技術(shù), 將短路電流降低到一個(gè)合理的水平上, 則可以解決這些問題。對(duì)于智能配電網(wǎng), 由于DER 大量接入, 這將造成配電網(wǎng)短路容量增加, 使之超過配電設(shè)備與導(dǎo)線允許的設(shè)計(jì)值。如果因此而更換配電設(shè)備與導(dǎo)線, 將造成極大的浪費(fèi), 而安裝故障電流限制設(shè)備來防止短路容量超標(biāo)則是一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)的解決方案。因此, 故障電流限制技術(shù)對(duì)于提高供電質(zhì)量、減少配電網(wǎng)造價(jià)與DER 并網(wǎng)投資都具有十分重要的意義, 是建設(shè)智能配電網(wǎng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

限制故障電流的措施分為系統(tǒng)級(jí)措施與設(shè)備級(jí)措施兩類。系統(tǒng)級(jí)措施有電網(wǎng)解列運(yùn)行、母線分列運(yùn)行、提高電壓等級(jí)等; 設(shè)備級(jí)措施則是應(yīng)用故障電流限制器( Fault Current Limiter, FCL ) 。因受可靠性、電壓質(zhì)量、損耗等因素的限制, 系統(tǒng)級(jí)限流措施發(fā)揮的作用有限, 必須配合使用FCL, 才能把短路電流降到一個(gè)較低的水平。

FCL 是一種串接在線路中的電氣設(shè)備, 未來的智能配電網(wǎng), FCL 將獲得普遍應(yīng)用, 短路電流甚至可限制至2 倍額定電流以下, 使配電系統(tǒng)擺脫短路電流的危害, 傳統(tǒng)的遮斷大電流的斷路器或許從系統(tǒng)中消失, 配電網(wǎng)面貌、性能與保護(hù)控制方式將發(fā)生根本性的變化。

4 故障電流限制器( FCL) 及其應(yīng)用

FCL 分為被動(dòng)型與主動(dòng)型兩種。被動(dòng)型FCL 在正常運(yùn)行與故障狀態(tài)下, 均增加系統(tǒng)阻抗, 構(gòu)成簡(jiǎn)單, 易于實(shí)現(xiàn), 但在正常運(yùn)行狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生電壓降, 增加系統(tǒng)損耗。目前在系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用的FCL 是串聯(lián)電抗器, 是一種傳統(tǒng)的被動(dòng)型FCL。

主動(dòng)型FCL 只是在故障狀態(tài)下快速增加系統(tǒng)阻抗, 既限制了故障電流, 又不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行, 是理想的故障電流限制設(shè)備。目前應(yīng)用或正在研發(fā)的主動(dòng)型FCL 有高壓限流熔絲、可控串補(bǔ)裝置、超導(dǎo)型故障電流限制器等。因其原理、造價(jià)或其他一些因素的影響, 主動(dòng)型FCL 的應(yīng)用受到了限制。隨著電力電子技術(shù)與新材料技術(shù)的發(fā)展, 主動(dòng)型FCL 技術(shù)會(huì)更加成熟, 其性能將進(jìn)一步改進(jìn), 成本也會(huì)逐漸降低, 將成為主流的FCL。

以下介紹已應(yīng)用于配電網(wǎng)中的幾種主要的FCL( 均為主動(dòng)型) 及其在配電網(wǎng)中的應(yīng)用情況。

4. 1 諧振FCL

諧振FCL 分串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振兩種類型。

1) 串聯(lián)諧振FCL 利用電力電子器件, 使正常工作時(shí)處于串聯(lián)諧振( 阻抗接近零) 狀態(tài)下的電路在出現(xiàn)短路故障時(shí)脫諧, 使阻抗增大而達(dá)到限制短路電流的目的。圖7 為串聯(lián)諧振FCL 構(gòu)成原理圖, 正常運(yùn)行時(shí)晶閘管( SCR) 不導(dǎo)通, 電感L 與電容C 發(fā)生串聯(lián)諧振, 裝置阻抗為零。在系統(tǒng)出現(xiàn)短路時(shí), SCR導(dǎo)通, 電抗器串入電路起到限流作用。串聯(lián)諧振FCL 簡(jiǎn)單、可靠, 已在中壓配電網(wǎng)中獲得應(yīng)用。

2) 并聯(lián)諧振FCL 在電力電子器件控制下正常工作時(shí)處于非諧振狀態(tài), 阻抗較小, 而在系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)進(jìn)入并聯(lián)諧振( 阻抗) 狀態(tài), 使線路阻抗增大而限制短路電流。這種FCL 容量有限,實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用較少。

4. 2 超導(dǎo)FCL

超導(dǎo)FCL 簡(jiǎn)稱SFCL( Superconductor FCL) ,是利用超導(dǎo)體在由超導(dǎo)轉(zhuǎn)換為正常狀態(tài)后阻抗增大來限制故障電流。它有多種實(shí)現(xiàn)方式。

1) 電阻型SFCL 由高溫超導(dǎo)(High T emper2ature Superconductor, HT S) 線圈與并聯(lián)的普通線圈構(gòu)成。正常運(yùn)行時(shí), 線路電流全部通過處于超導(dǎo)狀態(tài)的HT S。在出現(xiàn)短路故障時(shí), HT S 線圈因流過它的電流超過臨界值而呈現(xiàn)高電阻, 電流被轉(zhuǎn)移到普通線圈上去, 達(dá)到限流目的。

2) 橋路型SFCL 構(gòu)成原理如圖8 所示, 它由二極管V1~ V4、HT S 線圈和直流偏壓源Gb 組成。調(diào)節(jié)Gb的值, 使流過HTS 線圈的電流大于線路額定電流峰值。正常運(yùn)行時(shí), 橋路始終導(dǎo)通,HT S 線圈兩端電壓為零。一旦發(fā)生短路故障,HT S 線圈失超轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦锠顟B(tài)串入線路中限流。

3) 變壓器型SFCL 由通過線路電流的原邊常規(guī)繞組、副邊短接的高溫超導(dǎo)線圈和鐵芯組成。正常運(yùn)行時(shí), 超導(dǎo)線圈阻抗為零, 變壓器因副邊被短接而呈現(xiàn)低阻抗。故障時(shí), 超導(dǎo)線圈因變壓器副邊電流很快超過臨界值而失超, 副邊電阻瞬間變大, 導(dǎo)致變壓器原邊的等效阻抗很快增大,從而限制故障電流的增加。

4) 飽和型SFCL 是一種非失超型的限流器,由鐵芯、一次交流繞組、二次直流HTS 繞組及直流偏置電源等構(gòu)成( 見圖9) 。當(dāng)額定交流電流通過一次繞組時(shí), 選擇合適的直流偏置電源使兩個(gè)鐵芯均處于深度飽和狀態(tài)。而當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí), 瞬間增大的電流使交流線圈在鐵芯中產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)接近于直流磁動(dòng)勢(shì), 使兩個(gè)鐵芯分別在正負(fù)半波退出飽和, 系統(tǒng)呈現(xiàn)高阻抗而起到限流的作用。

5) 磁屏蔽型SFCL 由外層的銅線圈、中間的HTS 線圈和內(nèi)側(cè)的鐵芯或空心電抗器組成, 銅線圈接入線路。正常運(yùn)行時(shí), HTS 線圈感應(yīng)磁通可抵消( 屏蔽) 銅線圈產(chǎn)生的磁通, 整個(gè)裝置呈現(xiàn)很小的電抗值。當(dāng)電流超過一定值后, HTS 線圈失超,磁屏蔽作用消失, SFCL 呈現(xiàn)較大阻抗而限流。

總之, SFCL 能在較高電壓下運(yùn)行, 可在極短時(shí)間( 百微秒級(jí)) 內(nèi)有效地限制故障電流, 是FCL發(fā)展的重要方向。目前SFCL 技術(shù)尚不夠成熟,還需要解決電流整定困難、失超后的散熱維護(hù)等問題。由于SFCL 失超后恢復(fù)時(shí)間過長(zhǎng), 不適于需要快速重合閘的場(chǎng)合。

4. 3 熱敏電阻FCL

熱敏電阻( PTC) 是一種非線性電阻, 室溫時(shí)電阻值非常低, 當(dāng)故障電流流過時(shí), 材料發(fā)熱升溫, 在溫度升高到一定值時(shí), 電阻值在微秒時(shí)間內(nèi)提高8~ 10 個(gè)數(shù)量級(jí), 從而起到限制故障電流的作用。熱敏電阻FCL 已在低壓( 380V) 系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。由于單個(gè)PTC 元件的電壓與電流額定值不高, 且存在電阻受外界因素影響大、電阻恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)等缺陷, 限制了其在高壓系統(tǒng)中的應(yīng)用。

4. 4 固態(tài)FCL

固態(tài)FCL 由半導(dǎo)體器件構(gòu)成, 能夠在達(dá)到峰值電流之前的電流上升階段就中斷故障電流。圖10 給出了一種固態(tài)FCL 的結(jié)構(gòu), 正常工作時(shí), 半導(dǎo)體開關(guān)(GTO1 與GTO2) 導(dǎo)通流過負(fù)荷電流,對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行無影響。當(dāng)檢測(cè)到故障電流后, 半導(dǎo)體開關(guān)被關(guān)斷, 電流轉(zhuǎn)移到電抗器上, 從而限制了故障電流。

圖10 固態(tài)限流器原理圖

固態(tài)FCL 也是一種DFACTS 設(shè)備。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展, 固態(tài)FCL 技術(shù)愈來愈成熟,目前已在中低壓配電設(shè)備中獲得應(yīng)用。

5 講座總結(jié)語

智能配電網(wǎng)是人們對(duì)未來配電網(wǎng)的愿景, 具有更高安全性、更高的供電質(zhì)量、更高資產(chǎn)利用效率, 可大量接入可再生能源發(fā)電, 能夠與用戶互動(dòng), 適應(yīng)電動(dòng)汽車的發(fā)展等。本系列講座共分5講。介紹了智能配電網(wǎng)的定義、提出的背景、智能配電網(wǎng)的功能特征與主要技術(shù)內(nèi)容, 著重分專題介紹了智能配電網(wǎng)的幾項(xiàng)核心技術(shù)內(nèi)容, 即分布式電源并網(wǎng)技術(shù)、高級(jí)配電自動(dòng)化技術(shù)、互動(dòng)功能與高級(jí)量側(cè)體系(AMI) 、柔性交流配電與故障電流限制技術(shù)。講座力求使讀者對(duì)智能配電網(wǎng)有一較全面的認(rèn)識(shí), 共同推進(jìn)我國(guó)智能配電網(wǎng)的研究與建設(shè)。

建設(shè)智能電網(wǎng)要特別關(guān)注配電網(wǎng)。

1) 建設(shè)智能電網(wǎng), 首先要解決用戶供電可靠性低的問題。供電可靠性是衡量電網(wǎng)性能優(yōu)劣、先進(jìn)與否的根本指標(biāo)。目前, 我國(guó)供電可靠性與國(guó)際先進(jìn)水平還有相當(dāng)?shù)牟罹? 城市地區(qū)每年平均每個(gè)用戶的停電時(shí)間長(zhǎng)達(dá)十幾個(gè)小時(shí), 而美國(guó)是90 min 左右, 歐洲的發(fā)達(dá)國(guó)家用戶年停電時(shí)間平均為1 h 左右, 韓國(guó)與我國(guó)香港地區(qū)僅為十幾分鐘, 新加坡、日本甚至不到10 min。目前我國(guó)用戶的停電時(shí)間( 扣除缺電因素) 95% 以上都是由配電網(wǎng)引起的, 因此, 我們要提高供電可靠性, 必須在配電網(wǎng)上狠下功夫, 切實(shí)把配電網(wǎng)技術(shù)裝備與管理水平搞上去。

2) 智能電網(wǎng)應(yīng)是一個(gè)高效電網(wǎng)。目前, 在我國(guó)電力系統(tǒng)的損耗中, 配電網(wǎng)的損耗占比最大, 其中的中低壓配電網(wǎng)的線損占50%以上。提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平, 配電網(wǎng)顯然是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3) 智能電網(wǎng)能夠引起全社會(huì)的關(guān)注, 甚至上升到國(guó)家戰(zhàn)略, 關(guān)鍵就是要解決可再生能源發(fā)電的并網(wǎng)問題。我國(guó)除了少數(shù)地區(qū)的風(fēng)能、太陽能可大規(guī)模集中開發(fā)外, 大多可再生能源的特點(diǎn)是能量密度低、分布廣, 采用小容量的分布式發(fā)電形式就地接入配電網(wǎng), 向附近用戶供電。這些分布式發(fā)電裝置接入配電網(wǎng), 功率雙向流動(dòng), 對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)是功率單向流動(dòng)的輻射型網(wǎng)絡(luò)是個(gè)很大的挑戰(zhàn)。通過建設(shè)智能配電網(wǎng), 可以從配電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和保護(hù)控制等方面解決分布式電源接入的問題。

4) 建設(shè)智能配電網(wǎng)適應(yīng)了電動(dòng)汽車發(fā)展的需要。通過電價(jià)杠桿, 合理地調(diào)整電動(dòng)汽車充電時(shí)間, 可以顯著地減少電網(wǎng)峰谷負(fù)荷差, 提高電網(wǎng)的容量利用率, 同時(shí)還可以很好地補(bǔ)償可再生能源發(fā)電的間歇性; 此外, 利用電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能逆變后上網(wǎng), 進(jìn)一步減少對(duì)系統(tǒng)備用容量的需求。由此來看, 不管是分布式發(fā)電并網(wǎng)還是電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用, 著眼點(diǎn)都在配電網(wǎng)。

綜上所述, 建設(shè)智能電網(wǎng)必須高度關(guān)注配電網(wǎng)。當(dāng)然, 建設(shè)智能配電網(wǎng)是一個(gè)長(zhǎng)期的過程。我國(guó)配電網(wǎng)的投資長(zhǎng)期相對(duì)不足, 自動(dòng)化水平低,總體運(yùn)行水平相對(duì)不高, 目前停電多、損耗高、低電壓、超負(fù)荷的現(xiàn)象依然存在, 而分布式電源、電動(dòng)汽車應(yīng)用也剛起步, 因此, 智能配電網(wǎng)工作的重點(diǎn)主要還是應(yīng)放在完善配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、提高供電質(zhì)量與資產(chǎn)運(yùn)行效率上。在條件較為成熟的城市,在重點(diǎn)抓好配電自動(dòng)化技術(shù)、智能電表技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上, 可進(jìn)行一些分布式電源并網(wǎng)、柔性配電技術(shù)、電動(dòng)汽車充電站( 樁) 等試點(diǎn)工作, 不斷總結(jié)推廣, 推進(jìn)我國(guó)智能配電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。

本系列講座的撰寫過程中承蒙朱良鐳老師的全程指導(dǎo), 本講的插圖由山東理工大學(xué)碩士生翟紅英幫助繪制, 在此表示感謝!

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