电流补偿型故障限流器对电力系统暂态稳定性的影响研究

张慧，邢玉林

(1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司宜昌设计院，湖北 宜昌 443000;2.湖北宜化集团化工机械设备制造安装有限公司，湖北 宜昌 443000)

1 引言

随着国民经济的快速发展，电网容量极剧增长，短路电流值也有大幅度的升高，短路故障引起的电压和频率不稳定性将对用户产生严重的后果;巨大的短路电流产生的短路热动效应，亦会直接威胁到电力设备的安全运行，某些情况下甚至导致电力系统的崩溃［1］。

在短路故障相关联的若干技术问题中，关于电力系统暂态稳定性的分析无疑需给予足够的重视。暂态稳定研究可为电力系统规划、运行及制定故障恢复方案提供依据［2］，其反映了故障扰动对系统暂态特性的影响，而分析的准确性亦直接关系到系统动态安全评估的有效性。

当前针对于如何强化电力系统暂态稳定性，国内外专家学者开展了较深入的研究工作，其涉及的技术手段亦从不同层面及应用角度带来了积极效应［3－6］。其中，故障限流器作为可直接作用于短路故障的一种技术措施，其在抑制短路电流、避免电压跌落及提升电网暂态性能上有着极强的适用性和扩展性。事实上，关于研究限流器对电力系统暂态稳定性，特别是功角特性的影响中，大多都是将限流器装设于单机无穷大系统双回输电线路的进线端［7－8］，其分析结果表明:限流阻抗的插入降低了系统的转移阻抗，导致故障过程中转子加速面积减小，对于提高系统暂态稳定性起着正面作用。而当限流器安装在发电机的机端位置时，其对系统功角特性的影响研究还有待进一步深化。

此外，纵观目前故障限流器的应用形式可划分为电阻型、电抗型及混向型，相比较单一的电感/电感式限流，混合型在某些技术层面上有望获得更好的作用效果，而电流补偿型故障限流器作为混合型的代表之一［9］，融合了电力电子及现代控制技术，同时具备较强的灵活性和实用性。

本文即以该电流补偿型故障限流器为对象，研究其对电力系统暂态稳定性的影响。在概述该型限流设备拓扑结构及工作原理的基础上，计及不同的故障工况探讨了其对系统暂态稳定性的强化机制。进而，利用MATLAB/SIMULINK电磁暂态仿真程序，构建了涵盖故障限流器的单机无穷大系统详细模型，通过模拟多种场景下的系统运行特性，检验了理论研究的有效性。

2 电流补偿型故障限流器的结构及原理

电流补偿型故障限流器的结构图如图1所示。该型限流器由直流源、电流型变流器、限流电阻及常规耦合变压器组成，其具体工作机理可描述为:在系统正常运行时，调节变流器交流侧的输出电流Ip，使其同变压器二次侧电流I2保持一致，此时限流电阻R上无电流通过，相当于变压器二次侧线圈被旁路，装置对系统影响较小。

在发生故障后(负载Z2被短路)，系统主电流I1迅速增加，而I2也要相应上升，此时控制Ip=0，相当于变流器设备推出运行。继而，限流电阻连同耦合变压器接入主回路对故障电流加以抑制。假设耦合变压器的一、二次侧线圈电感可表示为L1、L2，耦合互感为M，则限流器在故障状态下的等效回路如图2所示。

由图2推导出，限流器呈现的等效限流阻抗ZFCL表示为下式:

图1 电流补偿型故障限流器的结构示意图

图2 电流补偿型故障限流器的等效电路图

图3 含故障限流器的单机无穷大系统示意图

3 电流补偿型故障限流器对电力系统暂态稳定性的影响

含电流补偿型故障限流器的单机无穷大系统如图3所示，同步发电机通过限流器、升压变压器T－1、双回输电线路及降压变压器T－2接到无限大容量母线。假设X'd为发电机的等效暂态电抗，XT1、XT2分别为升压变压器及降压变压器的电抗，XL为输电线路电抗，ZV为短路时的附加阻抗。

当系统正常运行时，总的转移电抗可计算为:

发电机的电磁功率为 Pe=EVsinδ/Xd∑。由于故障前后总的转移阻抗发生改变，电磁功率的输出将受到相应影响。本文根据不同的故障类型，分别对转移阻抗及电磁功率的变化特性进行讨论。

(1)对称短路故障

系统发生对称短路故障(三相短路)时，附加阻抗Zv=0，在此设定限流阻抗ZFCL表示为ZFCL=RFCL+

jXFCL。计及变换后的转移电路［10］，发电机的输出电磁功率则表示为:

其中:

由式(3)可知，发电机的电磁功率主要将消耗在阻抗Z11上，鉴于限流器的工作阻抗呈现出电阻－电感混合型，则能够一定程度上消耗发电机在故障期间的输出电磁功率，减小转子加速面积，起到提高暂态稳定性的功效。

(2)不对称短路故障

以单相接地短路为例，研究电流补偿型限流器在系统发生不对称故障时对暂态稳定性的作用，附加阻抗 Zv=Z∑(2)+Z∑(0)，Z∑(2)和 Z∑(0)的表达式分别为:

其中XL(2)、XL(0)为输电线路的负序及零序电抗，进而Zv可表示为:

总体而言，限流电阻的引入使得转移阻抗增加，导致发电机输送至无穷大母线的功率会降低，但是限流电阻本身也会消耗掉发电机的输送功率，故发电机总输出电磁功率是否增加与限流电阻的具体取值有关。结合文献［11］中的详细描述，限流电阻取得过小或者过大均不利于暂态稳定，需综合考虑系统参数，合理取值以实现提高系统暂态稳定性的功效。

4 仿真分析

为验证上述理论分析的正确性，并量化探讨电流补偿型故障限流器对系统暂态稳定性的影响，在MATLAB/SIMULINK电磁暂态仿真程序中对图3进行了详细建模，部分仿真参数如表1所示。

(1)不同类型的短路故障仿真

设定在t=2s时如图4所示位置发生三相接地短路，180ms后切除故障。对应于单相接地短路、两相相间短路及三相短路这三种情况，在没有限流器和安装电流补偿型故障限流器的条件下，最大摇摆角的差别分别为6.5°、10.7°、25.2°。由此得出结论:限流器的引入对于单相接地短路时暂态稳定性的提高幅度最弱，而对于三相短路时暂态稳定性的提高幅度最强。

表1 暂态稳定仿真电路参数

(2)不同故障切除时间下的仿真

本文亦仿真研究了系统发生三相短路故障时，不同的故障切除时间对功角摇摆曲线的影响，如图5所示。

图4 不同故障下的功角曲线

图5 Power-angle curves of the system under different fault clearance times

随着故障切除时间的逐渐加大，发电机转子侧在故障期间的动能累计也是越来越多，导致最大摇摆角越来越高，此期间对于暂态稳定性的不利影响也愈加严重。当切除时间增加至240ms时，若未安装限流器或是其他辅助设备，示例系统将会失去同步。相对应地，在电流补偿型故障限流器有效发挥作用的前提下，功角振荡可抑制在可接受的范围内，系统仍然可以维持其稳定性。故而可得出结论:限流器的装设能够增大系统的极限切除角，为继电保护的切除故障动作带来更大时间裕度。

5 结论

本文针对当前普遍关注的系统故障问题，基于一种电流补偿型故障限流器，研究了其对电力系统暂态稳定性的影响。结合理论分析和仿真研究，其结果表明:此型故障限流器的引入可明显抑制发电机功角振荡、延长故障切除时间、提高系统应对短路冲击的强壮性。

事实上，故障限流器对电力系统的作用应是一个相对复杂的过程，其安装位置的优化，限流参数的选取及同继电保护装置的配合等都需要给予系统地探讨。相信随着研究工作的进一步全面展开，更多有效结论的形成会推动其实用化迈向更深的层次。

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