多目标控制电网短路电流限制装置

许晖　尹忠东

【摘 要】随着人们对电量需求的增长和对电能质量要求的提高，大容量远距离的电能输送变得更为重要，电网间的联系程度也愈加密切。而这也导致电力系统的短路电流急剧增大，给系统安全造成极大隐患。本文提供了一种基于串联限流和并联补偿相结合的多目标控制短路电流的限制装置，实现快速限制短路电流的同时，还能有效改善电能质量，提高系统的安全性能。

【关键词】短路电流；容量；多目标控制；限流

0 引言

大容量远距离输电为我国东部沿海等符负荷中心提供了大量的电能，同时也充分利用了西部地区的煤炭等资源。但是随着容量的增长和电网联系度的更为密切，其过大的短路电流如果不能及时处理，很可能造成大面积的电网解列，给社会功能的正常运转造成极大损失和不便[1]。为应对短路电流造成的威胁，目前往往是对现有设备进行升级，但这样不仅成本高，而且有其固有的技术和物理限制。当短路容量超过断路器的遮断容量时，断路器将无法正常工作[2]。而盲目提高断路器的遮断容量，技术难度大，经济性差。此外，断路器的分闸时间长达20-150ms，而短路电流的峰值通常出现在第一半波（25ms）前后。即使断路器有足够的遮断容量，它也无法使设备免受短路电流峰值引起的电动力和热冲击[3]。本文首先分析了短路电流的类型和危害，介绍了传统的限流措施，然后提出了基于串联限流和并联补偿相结合的多目标控制电网短路电流限制装置，为解决过大的短路电流问题提供了新的途径。

1 短路电流的类型和危害

短路就是不正常的相-相之间或相-地之间发生通路的情况。电力系统的故障多半是由短路电流引起的，在一些大型发电站的出口处，短路电流最大值可达100-200kA。在三相系统中，短路类型可分为：单相接地短路、两相短路、两相接地短路和三相短路。根据短路情况的不同，其可能只影响局部区域的正常供电，也可能造成大面积的电网瘫痪。其危害包括：（1）由于电动力效应，短路电流使导体间产生很大的机械应力。如果导体强度不够，设备将会损坏。（2）随着短路电流的增大，必须要对原有的所有相关电气设备进行改造和升级，投资巨大、工期长，造成电网长期工作在不正常工作状态。（3）短路电流使得系统的电压大幅度下降，电动机的电磁转矩随之减小。而系统中比例最大的负荷就是异步电动机，这将大大威胁负荷的安全运行。（4）若不能及时切断短路电流，并列运行的同步发电机会解列，破坏系统稳定，这也是短路电流造成的最严重的后果。（5）不对称短路产生的不平衡电流，会出现零序不平衡磁通，这会对附近的通信线路造成干扰。（6）短路电流引起的电弧可能烧坏电气设备，同时引起设备发热，威胁绝缘、降低使用寿命。

2 短路电流的限制方法

2.1 常规方法

为应对短路电流，可以发展高一级电压水平的电网，并让低压电网按供电区域的不同分片运行，即实现电网分层分区运行，这是最主要最有效的限制短路电流的方式[4]；母线分段运行方式能够通过增加系统阻抗来有效降低短路电流水平，但是这样做会削弱系统间的电气联系，降低安全裕度；采用直流输电，用直流背靠背装置将电网分成几个相对独立的小交流系统，可切断交流系统之间的短路电流联系通道，但此法不适用于小容量短距离输电，且投资较大[5]；加装限流电抗器、高阻变压器、更换相应电气设备，可有效控制下游电网的短路电流，但是这些设备在稳态运行时会消耗大量无功功率，会带来新的问题，并且也增加了成本。

虽然上述方法都可以在一定程度上限制短路电流，但仍有众多不足，在某些方面是以牺牲电网其他质量指标为代价的。因此需要研究一个既能有效限制短路电流，又不会给电网带来附加不良影响的方法。

2.2 多目标短路电流限制方法

针对目前各种短路电流限制方法的不足，本文提出了一种新颖的基于并联型背靠背换流器拓扑的多目标短路电流限制方案，如图1所示。该方案将传统的串联限流电抗器和并联VSC电压源型换流器有机结合，不但能在系统发生短路故障时有效限制故障电流，还能在系统正常运行时，提供无功、谐波、负序电流等电能质量问题的综合补偿。不但显著提高了限流系统的实用性和可靠性，还实现了对电网的多目标控制效果。

图 1 多目标控制电网短路电流限制装置原理图

如图1所示，装置由串联电抗器和背靠背并联VSC换流器构成，串联电抗器串联在线路中，电抗器两端并联有两组VSC换流器，两组换流器的直流母线连接到一起，构成背靠背系统。其工作原理如下：

系统正常运行时，电源侧换流器工作于可控整流状态，维持直流母线电容电压恒定，负载侧换流器工作于逆变状态，对负荷无功、谐波、三相不平衡进行补偿；此外，由于串联限流电抗器的影响，负荷侧要比没有串联限流电抗器时产生更显著的电压降落，因此负荷侧的逆变器还实施负荷电压支撑，补偿串抗引起的电压降落，使得负荷侧电压保持额定电压水平。当负荷侧发生短路故障时，负荷侧逆变器迅速封锁IGBT触发脉冲，退出补偿状态，此时限流电抗器发挥限流作用，将短路电流限制到规定的限值。

通过电气仿真软件可以得出：假定在1.0s时刻负荷侧A相发生接地故障，1.3s时刻短路故障切除。当未接入此装置时，系统短路电流峰值达到11kA；而接入多目标控制电网短路电流限制装置后，同样在1.0s-1.3s时间段A相发生接地故障，装置检测到故障后，迅速封锁逆变器控制脉冲，退出补偿状态，电抗器自动进入限流工作状态限制故障电流，使故障电流明显减小，电流峰值仅为1.5kA。

3 结束语

本文提出的基于并联型背靠背换流器拓扑的多目标短路电流限制方案，能够在不给电网带来负面影响的前提下，有效限制短路电流，投资小，效果好。为系统的安全运行提供了一种可靠的保障。

【参考文献】

[1]袁娟，刘文颖，董明齐，史可琴，范越.西北电网短路电流的限制措施[J].电网技术，2007，31（10）：42-45.

[2]陈怡静.大电网短路电流限制措施研究[D].杭州：浙江大学，2008.

[3]IEEE recommended practice for evaluating electric power system compatibility with electronic process equipment[J]. IEEE Standard， 20 July，1998， pp. 1346-1998.

[4]韩戈，韩柳，吴琳.各种限制电网短路电流措施的应用与发展[J].电力系统保护与控制，2010，38（1）：141-144.

[5]杨冬，刘玉田，牛新生.电网结构对短路电流水平及受电能力的影响分析[J]. 电力系统保护与控制，2009，37（22）：62-67.

[责任编辑：庞修平]

【摘 要】随着人们对电量需求的增长和对电能质量要求的提高，大容量远距离的电能输送变得更为重要，电网间的联系程度也愈加密切。而这也导致电力系统的短路电流急剧增大，给系统安全造成极大隐患。本文提供了一种基于串联限流和并联补偿相结合的多目标控制短路电流的限制装置，实现快速限制短路电流的同时，还能有效改善电能质量，提高系统的安全性能。

【关键词】短路电流；容量；多目标控制；限流

0 引言

大容量远距离输电为我国东部沿海等符负荷中心提供了大量的电能，同时也充分利用了西部地区的煤炭等资源。但是随着容量的增长和电网联系度的更为密切，其过大的短路电流如果不能及时处理，很可能造成大面积的电网解列，给社会功能的正常运转造成极大损失和不便[1]。为应对短路电流造成的威胁，目前往往是对现有设备进行升级，但这样不仅成本高，而且有其固有的技术和物理限制。当短路容量超过断路器的遮断容量时，断路器将无法正常工作[2]。而盲目提高断路器的遮断容量，技术难度大，经济性差。此外，断路器的分闸时间长达20-150ms，而短路电流的峰值通常出现在第一半波（25ms）前后。即使断路器有足够的遮断容量，它也无法使设备免受短路电流峰值引起的电动力和热冲击[3]。本文首先分析了短路电流的类型和危害，介绍了传统的限流措施，然后提出了基于串联限流和并联补偿相结合的多目标控制电网短路电流限制装置，为解决过大的短路电流问题提供了新的途径。

1 短路电流的类型和危害

短路就是不正常的相-相之间或相-地之间发生通路的情况。电力系统的故障多半是由短路电流引起的，在一些大型发电站的出口处，短路电流最大值可达100-200kA。在三相系统中，短路类型可分为：单相接地短路、两相短路、两相接地短路和三相短路。根据短路情况的不同，其可能只影响局部区域的正常供电，也可能造成大面积的电网瘫痪。其危害包括：（1）由于电动力效应，短路电流使导体间产生很大的机械应力。如果导体强度不够，设备将会损坏。（2）随着短路电流的增大，必须要对原有的所有相关电气设备进行改造和升级，投资巨大、工期长，造成电网长期工作在不正常工作状态。（3）短路电流使得系统的电压大幅度下降，电动机的电磁转矩随之减小。而系统中比例最大的负荷就是异步电动机，这将大大威胁负荷的安全运行。（4）若不能及时切断短路电流，并列运行的同步发电机会解列，破坏系统稳定，这也是短路电流造成的最严重的后果。（5）不对称短路产生的不平衡电流，会出现零序不平衡磁通，这会对附近的通信线路造成干扰。（6）短路电流引起的电弧可能烧坏电气设备，同时引起设备发热，威胁绝缘、降低使用寿命。

2 短路电流的限制方法

2.1 常规方法

为应对短路电流，可以发展高一级电压水平的电网，并让低压电网按供电区域的不同分片运行，即实现电网分层分区运行，这是最主要最有效的限制短路电流的方式[4]；母线分段运行方式能够通过增加系统阻抗来有效降低短路电流水平，但是这样做会削弱系统间的电气联系，降低安全裕度；采用直流输电，用直流背靠背装置将电网分成几个相对独立的小交流系统，可切断交流系统之间的短路电流联系通道，但此法不适用于小容量短距离输电，且投资较大[5]；加装限流电抗器、高阻变压器、更换相应电气设备，可有效控制下游电网的短路电流，但是这些设备在稳态运行时会消耗大量无功功率，会带来新的问题，并且也增加了成本。

虽然上述方法都可以在一定程度上限制短路电流，但仍有众多不足，在某些方面是以牺牲电网其他质量指标为代价的。因此需要研究一个既能有效限制短路电流，又不会给电网带来附加不良影响的方法。

2.2 多目标短路电流限制方法

针对目前各种短路电流限制方法的不足，本文提出了一种新颖的基于并联型背靠背换流器拓扑的多目标短路电流限制方案，如图1所示。该方案将传统的串联限流电抗器和并联VSC电压源型换流器有机结合，不但能在系统发生短路故障时有效限制故障电流，还能在系统正常运行时，提供无功、谐波、负序电流等电能质量问题的综合补偿。不但显著提高了限流系统的实用性和可靠性，还实现了对电网的多目标控制效果。

图 1 多目标控制电网短路电流限制装置原理图

如图1所示，装置由串联电抗器和背靠背并联VSC换流器构成，串联电抗器串联在线路中，电抗器两端并联有两组VSC换流器，两组换流器的直流母线连接到一起，构成背靠背系统。其工作原理如下：

系统正常运行时，电源侧换流器工作于可控整流状态，维持直流母线电容电压恒定，负载侧换流器工作于逆变状态，对负荷无功、谐波、三相不平衡进行补偿；此外，由于串联限流电抗器的影响，负荷侧要比没有串联限流电抗器时产生更显著的电压降落，因此负荷侧的逆变器还实施负荷电压支撑，补偿串抗引起的电压降落，使得负荷侧电压保持额定电压水平。当负荷侧发生短路故障时，负荷侧逆变器迅速封锁IGBT触发脉冲，退出补偿状态，此时限流电抗器发挥限流作用，将短路电流限制到规定的限值。

通过电气仿真软件可以得出：假定在1.0s时刻负荷侧A相发生接地故障，1.3s时刻短路故障切除。当未接入此装置时，系统短路电流峰值达到11kA；而接入多目标控制电网短路电流限制装置后，同样在1.0s-1.3s时间段A相发生接地故障，装置检测到故障后，迅速封锁逆变器控制脉冲，退出补偿状态，电抗器自动进入限流工作状态限制故障电流，使故障电流明显减小，电流峰值仅为1.5kA。

3 结束语

本文提出的基于并联型背靠背换流器拓扑的多目标短路电流限制方案，能够在不给电网带来负面影响的前提下，有效限制短路电流，投资小，效果好。为系统的安全运行提供了一种可靠的保障。

【参考文献】

[1]袁娟，刘文颖，董明齐，史可琴，范越.西北电网短路电流的限制措施[J].电网技术，2007，31（10）：42-45.

[2]陈怡静.大电网短路电流限制措施研究[D].杭州：浙江大学，2008.

[3]IEEE recommended practice for evaluating electric power system compatibility with electronic process equipment[J]. IEEE Standard， 20 July，1998， pp. 1346-1998.

[4]韩戈，韩柳，吴琳.各种限制电网短路电流措施的应用与发展[J].电力系统保护与控制，2010，38（1）：141-144.

[5]杨冬，刘玉田，牛新生.电网结构对短路电流水平及受电能力的影响分析[J]. 电力系统保护与控制，2009，37（22）：62-67.

[责任编辑：庞修平]

【摘 要】随着人们对电量需求的增长和对电能质量要求的提高，大容量远距离的电能输送变得更为重要，电网间的联系程度也愈加密切。而这也导致电力系统的短路电流急剧增大，给系统安全造成极大隐患。本文提供了一种基于串联限流和并联补偿相结合的多目标控制短路电流的限制装置，实现快速限制短路电流的同时，还能有效改善电能质量，提高系统的安全性能。

【关键词】短路电流；容量；多目标控制；限流

0 引言

大容量远距离输电为我国东部沿海等符负荷中心提供了大量的电能，同时也充分利用了西部地区的煤炭等资源。但是随着容量的增长和电网联系度的更为密切，其过大的短路电流如果不能及时处理，很可能造成大面积的电网解列，给社会功能的正常运转造成极大损失和不便[1]。为应对短路电流造成的威胁，目前往往是对现有设备进行升级，但这样不仅成本高，而且有其固有的技术和物理限制。当短路容量超过断路器的遮断容量时，断路器将无法正常工作[2]。而盲目提高断路器的遮断容量，技术难度大，经济性差。此外，断路器的分闸时间长达20-150ms，而短路电流的峰值通常出现在第一半波（25ms）前后。即使断路器有足够的遮断容量，它也无法使设备免受短路电流峰值引起的电动力和热冲击[3]。本文首先分析了短路电流的类型和危害，介绍了传统的限流措施，然后提出了基于串联限流和并联补偿相结合的多目标控制电网短路电流限制装置，为解决过大的短路电流问题提供了新的途径。

1 短路电流的类型和危害

短路就是不正常的相-相之间或相-地之间发生通路的情况。电力系统的故障多半是由短路电流引起的，在一些大型发电站的出口处，短路电流最大值可达100-200kA。在三相系统中，短路类型可分为：单相接地短路、两相短路、两相接地短路和三相短路。根据短路情况的不同，其可能只影响局部区域的正常供电，也可能造成大面积的电网瘫痪。其危害包括：（1）由于电动力效应，短路电流使导体间产生很大的机械应力。如果导体强度不够，设备将会损坏。（2）随着短路电流的增大，必须要对原有的所有相关电气设备进行改造和升级，投资巨大、工期长，造成电网长期工作在不正常工作状态。（3）短路电流使得系统的电压大幅度下降，电动机的电磁转矩随之减小。而系统中比例最大的负荷就是异步电动机，这将大大威胁负荷的安全运行。（4）若不能及时切断短路电流，并列运行的同步发电机会解列，破坏系统稳定，这也是短路电流造成的最严重的后果。（5）不对称短路产生的不平衡电流，会出现零序不平衡磁通，这会对附近的通信线路造成干扰。（6）短路电流引起的电弧可能烧坏电气设备，同时引起设备发热，威胁绝缘、降低使用寿命。

2 短路电流的限制方法

2.1 常规方法

为应对短路电流，可以发展高一级电压水平的电网，并让低压电网按供电区域的不同分片运行，即实现电网分层分区运行，这是最主要最有效的限制短路电流的方式[4]；母线分段运行方式能够通过增加系统阻抗来有效降低短路电流水平，但是这样做会削弱系统间的电气联系，降低安全裕度；采用直流输电，用直流背靠背装置将电网分成几个相对独立的小交流系统，可切断交流系统之间的短路电流联系通道，但此法不适用于小容量短距离输电，且投资较大[5]；加装限流电抗器、高阻变压器、更换相应电气设备，可有效控制下游电网的短路电流，但是这些设备在稳态运行时会消耗大量无功功率，会带来新的问题，并且也增加了成本。

虽然上述方法都可以在一定程度上限制短路电流，但仍有众多不足，在某些方面是以牺牲电网其他质量指标为代价的。因此需要研究一个既能有效限制短路电流，又不会给电网带来附加不良影响的方法。

2.2 多目标短路电流限制方法

针对目前各种短路电流限制方法的不足，本文提出了一种新颖的基于并联型背靠背换流器拓扑的多目标短路电流限制方案，如图1所示。该方案将传统的串联限流电抗器和并联VSC电压源型换流器有机结合，不但能在系统发生短路故障时有效限制故障电流，还能在系统正常运行时，提供无功、谐波、负序电流等电能质量问题的综合补偿。不但显著提高了限流系统的实用性和可靠性，还实现了对电网的多目标控制效果。

图 1 多目标控制电网短路电流限制装置原理图

如图1所示，装置由串联电抗器和背靠背并联VSC换流器构成，串联电抗器串联在线路中，电抗器两端并联有两组VSC换流器，两组换流器的直流母线连接到一起，构成背靠背系统。其工作原理如下：

系统正常运行时，电源侧换流器工作于可控整流状态，维持直流母线电容电压恒定，负载侧换流器工作于逆变状态，对负荷无功、谐波、三相不平衡进行补偿；此外，由于串联限流电抗器的影响，负荷侧要比没有串联限流电抗器时产生更显著的电压降落，因此负荷侧的逆变器还实施负荷电压支撑，补偿串抗引起的电压降落，使得负荷侧电压保持额定电压水平。当负荷侧发生短路故障时，负荷侧逆变器迅速封锁IGBT触发脉冲，退出补偿状态，此时限流电抗器发挥限流作用，将短路电流限制到规定的限值。

通过电气仿真软件可以得出：假定在1.0s时刻负荷侧A相发生接地故障，1.3s时刻短路故障切除。当未接入此装置时，系统短路电流峰值达到11kA；而接入多目标控制电网短路电流限制装置后，同样在1.0s-1.3s时间段A相发生接地故障，装置检测到故障后，迅速封锁逆变器控制脉冲，退出补偿状态，电抗器自动进入限流工作状态限制故障电流，使故障电流明显减小，电流峰值仅为1.5kA。

3 结束语

本文提出的基于并联型背靠背换流器拓扑的多目标短路电流限制方案，能够在不给电网带来负面影响的前提下，有效限制短路电流，投资小，效果好。为系统的安全运行提供了一种可靠的保障。

【参考文献】

[1]袁娟，刘文颖，董明齐，史可琴，范越.西北电网短路电流的限制措施[J].电网技术，2007，31（10）：42-45.

[2]陈怡静.大电网短路电流限制措施研究[D].杭州：浙江大学，2008.

[3]IEEE recommended practice for evaluating electric power system compatibility with electronic process equipment[J]. IEEE Standard， 20 July，1998， pp. 1346-1998.

[4]韩戈，韩柳，吴琳.各种限制电网短路电流措施的应用与发展[J].电力系统保护与控制，2010，38（1）：141-144.

[5]杨冬，刘玉田，牛新生.电网结构对短路电流水平及受电能力的影响分析[J]. 电力系统保护与控制，2009，37（22）：62-67.

[责任编辑：庞修平]