含分布式电源配电网短路计算的改进方法_王成山

含分布式电源配电网短路计算的改进方法_王成山

第３６卷　第２３期２０１２年１２月１０

日Ｖｏｌ．３６　Ｎｏ．２３

，Ｄｅｃ．１０２０１２

：／．ｉｓｓｎ．１０００ＤＯＩ１０．３９６９１０２６．２０１２．２３．０１０－ｊ

含分布式电源配电网短路计算的改进方法

王成山，孙晓倩

（）智能电网教育部重点实验室，天津大学，天津市３０００７２

摘要：接入配电网的分布式电源按照其接口可以分为基于同步发电机的分布式电源、基于异步发

电机的分布式电源及基于脉宽调制逆变器的分布式电源３类。随着其在配电网中渗透率不断提高，文中提出一种含分布式电源的配电网短路电流计算改进方法。该方法首先利用潮流计算得到正常运行情况下分布式电源的某些状态量，根据分布式电源不同接口类型的特性，短路计算时保持某些状态量不变，由此求得短路时各种分布式电源提供的电流值。在２０节点算例系统中进行验证，结果说明了该方法的可行性和有效性。关键词：分布式电源；配电网；同步发电机；异步发电机；逆变器；短路电流计算

０　引言

分布式电源（是指在配电系统中靠近用户ＤＧ）

１］

。将侧引入的容量不大（一般小于几兆瓦）的电源［降低能大电网与分布式电源相结合能够节省投资、

［］

耗，是２１世纪电力工业发展的方向２。分布式电源其接入配电系统的方式也不同，例如：风类型不同，

力发电系统主要采用同步发电机或异步发电机并入电网，输出工频交流电流；光伏发电系统通常采用最大输出功率控制，输出直流电，通过脉宽调制（逆变器转变成工频交流电并网；微型燃气轮ＰＷＭ）

机发电系统一般采用永磁发电机，输出高频交流电，需要先由整流器转变成直流电，然后通过ＰＷＭ逆变器转变成工频交流电并网；燃料电池发电系统输出直流电，通过ＰＷＭ逆变器转变成工频交流电并网。因此，接入配电网的分布式电源按照其接口类型可以分为基于ＰＷＭ逆变器的分布式电源、基于同步发电机的分布式电源及基于异步发电机的分布式电源３类。

大量分布式电源接入配电网中，有必要重新对各种电力设备进行评估，调整继电保护装置的动作

３］

，值［以及考虑是否加装其他的保护装置等，而进行这些工作至关重要的依据就是短路电流值。由于各

对各种分布式电源采用潮流计算时的稳态模型，法，

但分布式电源在电网发生故障时，将不能维持正常如果仍采用潮流计算时的稳态模型，并的运行模式，

］中，提到在短路计算时不符合实际情况。在文献［６可将接入的分布式电源用一个理想电压源和阻抗的

连接来模拟，根据分布式电源对短路电流注入容量的不同，采用不同的阻抗来区别，这种方法是一种近

必然会造成较大误差。似处理，

为准确计算含分布式电源的配电网短路电流，

本文充分考虑了各种分布式电源的动态特性。在短路故障时，同ＰＷＭ逆变器的输出遵守恒功率原则；步发电机计及阻尼绕组的动态过程，其次暂态电动势保持不变；异步发电机可以看做是同步电机的特例，其励磁电压为零，与同步发电机的处理方法相本文提出了一种含分布式电源配电网短似。综上，

路计算的改进方法。该方法首先利用潮流计算获得故障前ＰＷＭ逆变器输出的功率，以及同步发电机的次暂态电动势和异步发电机的次暂态电动势，其值可直接作为短路计算时所需的部分已知量；然后，依据上述３类分布式电源在故障时的不同运行特性，提出不同的短路处理方法；最后，在２０节点算例中通过接地电路模拟短路故障，采用相分量法和序分量法相结合的方法，计算各节点的电压及故障点的短路电流。

种不同类型分布式电源的引入，对含分布式电源的

配电网短路电流计算提出了新的要求。在文］献［中，提出了含分布式发电系统的短路计算方４５－

１　分布式电源处理方法

１．１　基于ＰＷＭ逆变器的分布式电源

通常光伏发电系统、燃料电池以及蓄电池等都通过逆变器接入电网，逆变器输出的有功功率与发电侧的能量输入特性（如风速变化、光照强度变化及

；修回日期：。收稿日期：２０１２０２２７２０１２０６２７－－－－

国家重点基础研究发展计划（９７３计划）资助项目

（）。２００９ＣＢ２１９７００，２０１０ＣＢ２３４６０８

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·学术研究·　王成山，等　含分布式电源配电网短路计算的改进方法

燃料进料控制特性等）与工作环境（如温度、压力、空

气密度等）有关，由于一般能量输入特性及工作环境所以在的变化相对于故障暂态过程而言变化较慢，

即逆变器分析短路故障时可以假定输入能量恒定，在故障时维持恒功率输出。

综上所述，基于ＰＷＭ逆变器的分布式电源短路处理方法为：由稳态潮流计算得到故障前逆变器的输出功率，故障后维持恒功率运行。

逆变器控制一般可分为电压型逆变器控制和电

８］

。逆变器结构如图１所示，流型逆变器控制［直流侧输入端并联有大电容，电网侧连接有滤波器。

［７］

分别为：

Ｅ＝Ｅ

ａ

··

２４０°ｊ

Ｅｂ＝ｅＥ·

１２０°ｊ

·

··

（）４

Ｅｃ＝ｅＥ再由电网三相电压即可求得逆变器输出三相电流值分别：

ＥａＵａ

ａ＝

Ｒ＋ｊＸ　

·

·

·

ｂｂ

ｂ＝Ｒ＋ｊＸ　

··

·

·

··

（）５

图１　逆变器主电路结构图

Ｆｉ．１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｒａｍｏｆｉｎｖｅｒｔｅｒｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔ　　　　　ｇｇ

ＥｃＵｃ

ｃ＝

Ｒ＋ｊＸ上述分析过程中，实际上保证了故障前后逆变器输出功率不变。

另外在逆变器的控制装置中，通常都有一个低电压保护装置，如果逆变器出口电压低于某一值，其自身的低电压保护将迅速动作切除电源。而在本文

将不考虑各种保护装置的动作，以获的短路计算中，

得最严重情况下的短路电流值。

１．２　基于同步发电机的分布式电源

在短路计算时，通常认为当电源容量大于３倍短路容量时，可将其作为无限大容量的电源，从而忽

６］

。由于接入配电网的略电源在短路时的暂态过程［

分布式电源容量一般都不大，同时，为了使配电网短

假设ＰＷＭ逆变器本身三相对称，即图１中逆变器的负序电势和Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃ为三相对称电压，零序电势均为零；Ｕａ，Ｕｂ，Ｕｃ为电网三相电压；Ｐ和

Ｑ分别为短路故障前逆变器输出的有功功率和无功功率；Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ为逆变器的三相输出电流。则图１所示的等效电路如图２所示

。

·

·

·

·

·

·

·

·

·

在进行故障分析路计算的结果更加接近于真实值，

时，必须考虑分布式电源的暂态过程。对于同步发电机，为简化分析，假定ｄ轴次暂态电抗与ｑ轴次暂态电抗相等，即Ｘｄ计及阻尼绕组时的电压″＝Ｘｑ″，

图２　逆变器主电路等效图

Ｆｉ．２　Ｅｕｉｖａｌｅｎｔｄｉａｒａｍｏｆｉｎｖｅｒｔｅｒｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔ　　　　　ｇｑｇ

１０］

方程［为：

Ｅ″＝Ｕ１＋ｊＩＸｄ″＋ＩＲａ１１　

·

·

·

····

（）６

图２中，Ｘ为逆变器输出滤波器的电抗，Ｒ为逆

变器输出滤波器的等效电阻。电网三相电压通过相序变换关系可以得到正序电势，用Ｕ表示。逆变器内电势只存在正序电势，有功功率也只与正序电势

９］

。根据电压降落和功率损耗的关系可以求得有关［

·

式中：Ｅ″为次暂态电动势；Ｒａ为同步发电机定子等值电阻；Ｕ１为同步发电机端电压；Ｉ１为同步发电机

输出电流。

同步发电机的次暂态等效电路如图３所示。

—短路故障时逆变器内部正序电势Ｅ，如式（１））式（所示。３

·

Ｕ＝Δ

ＵＵ＝δ

ＵＥ＝Ｕ＋ΔＵ＋ｊＵδ

·

·

·

（）１（）２（）３

·

图３　同步发电机的次暂态等值电路

Ｆｉ．３　Ｓｕｂｔｒａｎｓｉｅｎｔｅｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｏｆ－　　　ｇｑ

ｅｎｅｒａｔｏｒｓｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｙｇ

从而可以得到逆变器出口三相电压Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃ

由于次暂态电动势Ｅ具有短路前后瞬间维持″

不变的特性，所以可由故障前稳态潮流计算的状态

—５５—

·

（）２０１２，３６２３

　

量来求得。

２　故障模拟

·

·

·

·

Ｅ０″＝Ｕ１ＩＸｄ″＋ＲａＩｊ０＋１０１０　

·

·

（）７

式中：Ｕ１Ｉ１０为同步发电机短路前的端电压；０为同步

发电机短路前的输出电流。

根据式（得到同步发电机的内电势Ｅａ，４）Ｅｂ，

·

·

·

任一节点的短路故障都可用图４所示的电路图

表示，通过对Ｚ可以模拟Ｚｂ，Ｚａ，ｃ和Ｚｇ的不同取值，各种类型的金属短路和非金属短路故障。各种故障

三相短路故障，类型的阻抗取值如下：Ｚａ＝Ｚｂ＝，ＺＺｇ＝０；ＡＢ两相短路故障，ＺＺｃ＝ａ＝Ｚｂ＝０ｃ＝

，Ｚｇ＝∞；ＡＢ两相接地短路故障，Ｚａ＝Ｚｂ＝Ｚｇ＝０

ＺＡ相短路故障，ＺＺｇ＝０，ＺＺｂ＝∞

。ｃ＝∞；ａ＝ｃ＝

Ｅｃ。再由同步发电机出口电压即可得到同步发电

机输出的三相电流值为：

ＥａＵａ

ａ＝

Ｒａ＋ｊＸｄ″　

·

·

·

ＥｂＵｂ

ｂ＝Ｒａ＋ｊＸｄ″　

··

·

·

··

（）８

ｃｃｃ＝

Ｒａ＋ｊＸｄ″　综上所述，基于同步发电机的分布式电源短路计算处理方法为：由稳态潮流计算得到Ｕ１０和Ｉ１０，），由式（得到同步发电机次暂态电动势Ｅ０再根据７″）求得同步发电机的输出电流。式（８１．３　基于异步发电机的分布式电源

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