多饋入直流系統(tǒng)廣義短路比：定義與理論分析

王舒

吉林省電力有限公司通化供電公司 吉林通化 134001

繼電保護(hù)對于電力系統(tǒng)的正常運行起重要作用，但傳統(tǒng)的繼電保護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)不適應(yīng)越來越復(fù)雜的電網(wǎng)環(huán)境，鑒于此，要通過改進(jìn)、優(yōu)化現(xiàn)有繼電保護(hù)，或是重新設(shè)計等措施來保證出現(xiàn)不對稱斷線故障時，繼電保護(hù)系統(tǒng)能夠及時反應(yīng)，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性。

1 廣義運行短路比指標(biāo)

在多饋入系統(tǒng)中，所需要的邊界短路比和臨界短路比本質(zhì)是希望用于反映電壓穩(wěn)定的指標(biāo)，區(qū)別僅在于直流運行的條件不同?？紤]了直流系統(tǒng)的雅克比矩陣與運行點的相關(guān)性，理論上矩陣也和運行點相關(guān)，但可和單饋入分析一樣忽略它的變化，當(dāng)多饋入短路比之間的差別較小(接近對稱多饋入系統(tǒng))時，多饋入短路比和廣義短路比之間的誤差較小。一般情況下，后備設(shè)備的繼電保護(hù)裝置切除故障線路時，會導(dǎo)致大規(guī)模斷電事故發(fā)生。近年來我國的電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，在后備設(shè)備保護(hù)方面出現(xiàn)越來越多的問題，因此要利用專門的裝置對其進(jìn)行保護(hù)。變壓器繼電保護(hù)裝置會隨著短路故障的發(fā)生而出現(xiàn)拒動，此時對變壓器的后備保護(hù)就是通過備用保護(hù)裝置來實現(xiàn)。同時，類似于直流系統(tǒng)短路比，運行廣義短路比廣義運行短路比存在臨界值，對應(yīng)著多饋入系統(tǒng)一對共軛特征根到達(dá)虛軸的運行條件，而廣義運行短路比之間的差可以被看作是多饋入系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定裕度的大小。

2 多饋入系統(tǒng)的廣義短路比

（1）多饋入系統(tǒng)決定其短路保護(hù)不同于常規(guī)變流器，需多種保護(hù)功能共同作用，才能很好實現(xiàn)保護(hù)功能。一是退飽和保護(hù)。退飽和是指電流過大，退出飽和區(qū)，一旦退出飽和區(qū)，會承受全部外部電壓，此時壓降顯著增大，同時電流也很大，IGBT的損耗非常大。要在如此短的時間內(nèi)完成動作，較好的方法是通過硬件實現(xiàn)，利用驅(qū)動電路識別退飽和工況。二是關(guān)斷過壓保護(hù)。當(dāng)關(guān)斷電阻選定后，關(guān)斷過電壓與關(guān)斷電流有關(guān)，電流愈大，關(guān)斷過電壓愈大。三是軟件過流保護(hù)。電流變化率不高，電流又處于過流狀態(tài)，斷開雙饋變流器的網(wǎng)側(cè)接觸器，斷開雙饋發(fā)電機定子接觸器，向主控系統(tǒng)報過流故障。四是硬件過流保護(hù)。軟件過流保護(hù)雖然有諸多優(yōu)點，但控制系統(tǒng)不可能將全部資源用于盯著傳感器的電流值，進(jìn)而判別其是否過流。電流采樣總會有時間間隔，如果這個空白區(qū)中出現(xiàn)了過流，而前一個電流檢測時刻電流已處于過流邊緣，電流傳感器信號送入積分器積分，在軟件讀取電流值的同時對積分器清零。積分器在軟件過流保護(hù)的空白時間內(nèi)對電流積分，當(dāng)累計值超過某設(shè)定值時，觸發(fā)硬件過流保護(hù)，封鎖IGBT脈沖，斷開雙饋變流器網(wǎng)側(cè)接觸器，斷開雙饋發(fā)電機定子接觸器，并報硬件過流信號。五是熔斷器保護(hù)。熔斷器是短路保護(hù)的最后屏障，當(dāng)上述幾種短路保護(hù)全部失效后，熔斷器要保證仍能將故障支路從電路中切除，從而保證故障造成的損失不持續(xù)擴大[1]。熔斷器的工作原理是當(dāng)過流時熔體發(fā)熱而熔斷，形成開路。熔斷器是傳統(tǒng)的過流保護(hù)元件，用于電力電子系統(tǒng)的過流保護(hù)，要求熔斷器至少具有快速保護(hù)的特性。熔斷器要求在滿足雙饋變流器的額定電壓和額定電流的前提下，其分?jǐn)嗄芰Σ坏陀谧兞髌鞫搪泛蟮淖畲箅娏鳎蹟鄷r的弧電壓不高于IGBT的耐受電壓；弧前焦耳積分和總焦耳積分盡量低，弧前時間盡量短。為了選擇最合適的熔斷器，需要考慮變流器主電路短路運行的諸多要素，選型時需要協(xié)調(diào)各要素之間的相互關(guān)系，通過該關(guān)系對熔斷器進(jìn)行校核。變流器發(fā)生短路時，在短路保護(hù)失效后，熔斷器能熔斷而IGBT完好。

（2）短路保護(hù)試驗。主要包括相間短路，相對地短路，橋臂間短路等。短路電流通過機側(cè)電抗器、電纜、箱式變壓器的次邊繞組、網(wǎng)側(cè)電抗器，再回到變流器，其短路阻抗較大，過流保護(hù)啟動時間較長通過接觸器串聯(lián)熔斷器模擬短路，當(dāng)接觸器閉合時短路發(fā)生，變流器過流保護(hù)均正常及時動作，期間功率器件均完好，變流器向主控系統(tǒng)正常報錯。結(jié)合變流器的短路保護(hù)設(shè)定參數(shù)，判斷為硬件過流保護(hù)動作結(jié)果，驅(qū)動電路的退飽和保護(hù)動作，從關(guān)斷過程的明顯延遲可以判斷關(guān)斷過壓保護(hù)正常動作。

（3）對靈敏性的影響。在一定程度上靈敏度對繼電保護(hù)裝置的可靠性與安全性也造成了影響，靈敏度需要控制在合理的范圍內(nèi)，不能過低也不能過高，適當(dāng)?shù)撵`敏度才能夠保證繼電保護(hù)裝置穩(wěn)定運行，只有準(zhǔn)確的判斷出異常電流，才能夠及時的做出保護(hù)動作。在規(guī)定范圍之內(nèi)出現(xiàn)故障時，只要是符合要求的繼電保護(hù)裝置，無論短路出現(xiàn)的位置和短路的性質(zhì)，也不管短路處有無過渡電阻，繼電保護(hù)裝置都能做出動作。無論是在系統(tǒng)最大運行方式下經(jīng)過三相短路，又或者是在系統(tǒng)最小運行方式下經(jīng)過較大的電阻過渡，還是經(jīng)過較大的單相短路，繼電保護(hù)裝置都能準(zhǔn)確的做出保護(hù)動作[2]。被保護(hù)線路末端發(fā)生短路故障時，電力系統(tǒng)等效阻抗最大，繼電保護(hù)裝置中的短路電流即為系統(tǒng)最小運行方式；被保護(hù)線路末端出現(xiàn)短路故障時，電力系統(tǒng)等效阻抗最小，繼電保護(hù)裝置中的短路電流即為系統(tǒng)最大運行方式。在計算電壓、阻抗、電流等故障參數(shù)時，應(yīng)依據(jù)實際可能的最不利的運行方式及故障類型來進(jìn)行。增加裝置的靈敏性，即增加了保護(hù)動作的依賴性，但有時與安全性矛盾。針對不同作用的保護(hù)以及被保護(hù)的設(shè)備和線路，所要求靈敏度系數(shù)也不同。

多饋入短路比能夠同時反映系統(tǒng)的強弱以及直流間的相互作用。廣義短路比和單饋入短路比無論是數(shù)學(xué)上還是物理意義上都是統(tǒng)一的，它適用風(fēng)、光新能源和輕型直流等系統(tǒng)，為接入同構(gòu)新能源的多變流器穩(wěn)定性分析提供了理論基礎(chǔ)，也可以為新能源基地的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)劃、控制器選址和設(shè)計等問題提供一定的理論支撐。