零磁通补偿式短路电流限制器研究

王海鸿

（中国矿业大学徐海学院，江苏 徐州 221000）

0 引言

随着电力系统装机容量的扩增和电网互联水平的升级，电网在发生短路故障时往往会伴随短路电流的急剧增加。此时采用合理的方法控制短路电流显得尤为重要。

然而通过增大断路器的遮断容量限制短路电流并不合理，一方面，无法从技术上实现遮断器容量的大幅提高，而容量越大，需要的投资也就越多，经济性得不到满足。另一方面，即使能够提高遮断容量，其可靠性也不足以支撑电网的运行。

短路电流限制器（Fault Current Limiter）的概念在20世纪70年代被提出，它的核心原理是：当系统处于正常运行的状态时，装置呈现低阻抗状态；当短路故障突然发生时，装置迅速转化为高阻抗状态从而有效的限制短路电流。本文在借鉴各种传统的短路电流限制器的基础上，提出一种新型的基于零磁通的短路电流限制器，意在通过该装置改善大电网发生故障时伴随的电流剧增，根据其工作原理利用仿真软件进行设计，验证其可行性。

1 零磁通电流限制器分析

1.1 工作原理

零磁通的短路电流限制器是利用变压器的磁通效应，将变压器原边侧串接于系统之中，然后将变压器副边侧注入跟踪电流。想要达到短路电流限制的目的，就必须使得原副边电流反向且成比例。变压器的等效模型如图1所示。

图1 变压器的T型等效电路

图1 Z和Z为分别为变压器原边漏阻抗和励磁阻抗（铁芯始终工作在不饱和状态下），二者不受副边侧电流的影响。设变比k=N/N，由图1可得以下关系式：

在式（1）中：

Z=r+jx为变压器原边漏阻抗；

Z=r+jx为变压器励磁阻抗；

I˙=I˙/k为变压器副边侧电流折算到原边侧电流；

I˙=I˙+I˙为变压器励磁电流。

当系统处于正常运行状态时时，若控制副边侧电流满足：

即使得副边侧注入电流，这样副边侧电流折算到原边侧的电流为：

可得变压器铁芯内磁通为二者叠加：

此时，忽略谐波，原边侧感应电动势为：

由原边侧看其阻抗为：

串联接入系统的原边侧阻抗很小，因此在系统中产生很小的电压降，不会影响系统的正常运行，在此可以忽略不计。

当系统发生短路故障时，通过控制使得副边侧注入电流变为0，即使变压器的副边侧开路，此时，铁芯内的磁动势仅受原边侧电流影响，感应电动势为：

在忽略谐波的情况下，此时磁通仅由变压器原边侧电流产生。

这样，原边侧绕组AX的阻抗为：

通过计算可知，此时原边侧呈现高阻抗性，接近于励磁阻抗，从而有效的限制短路电流的增长。

1.2 工作电路结构

基于对其工作原理的介绍，设计了如图2所示的短路故障限制器结构：

图2 短路电流限制器电路拓扑

短路电流限制器原边侧串联接入电网高压电路，副边侧接入可控电源，通过CT测流装置检测变压器原边侧电流大小，进而由逆变器产生与原边侧方向相反的电流注入副边侧，形成一个闭环的电流。当电力系统处于正常运行状态时，注入副边电流能够使得铁芯内主磁通为零，此时线路阻抗呈现低阻抗性，不影响系统正常运行；当系统发生短路故障时，想要达到抑制短路电流必须使得短路电流限制器原边侧呈高阻性，此时只需要将副边电流切断，即可起到保护电力线路的作用。

2 零磁通短路电流限制器控制策略研究

传统的限制器控制策略有滞环PWM控制方法、三角波比较PWM电流滞环控制方式和无源控制策略等。本文选择的控制策略为基于SVPWM的闭环PI控制。

三相逆变器输出侧所连接的负载用来当作FCL的变压器的副边侧，由磁通补偿等效电路可得，在进行磁通补偿时，逆变器输出侧所连接的负载即为变压器的副边侧等效电阻，但其阻值极小，可以忽略不计，因此可得：

图3 未投入短路故障限流器系统三相电流图

图4 投入短路故障限流器系统三相电流图

3 仿真分析

本章以MALAB/Simulink作为仿真实验平台，搭建了零磁通短路电流限制器仿真模型，并仿真了三相短路故障情况。通过分析得到的仿真波形来验证本文提出的零磁通短路电流限制器的效果。

3.1 实验仿真图及波形

在Simulink中，使系统发生三相短路故障，投入短路故障限流器与未投入短路故障限流器波形对比。

4 结语

本文以MALAB/Simulink作为仿真实验平台，搭建零磁通短路电流限制器仿真模型，并仿真了三相短路故障情况，仿真结果表明，零磁通短路电流限制器具有较好的短路电流限制的效果。