摘要：为了定性研究接入分布式电源的智能配电网与传统电网的区别，本文在分析不同分布式电源特点的基础上，针对风力发电和光伏发电数学模型进行研究，从理论上对分布式能源接入下配电网故障时的电流进行了推导和分析。
关键词：智能配电网；分布式电源；故障分析
Abstract：To make qualitative research for the differences between the traditional distribution grid and grid smart distribution grid with different distributed powers accessed. Based on the analysis for the characteristics of different distributed powers，this paper do research for wind generation and photovoltaic on mathematical model，make theoretical analysis of fault current occurred in distribution grid with distributed energy accessed.
Keyword：Smart distribution grid；Distributed Generation；Fault analy
1.引言
由于历史上电力工业发展的各种原因，我国配电网的发展相对滞后于发电、输电。目前用户停电95%以上是由配电系统原因引起的，电网有一半的损耗发生在配电网。[1]因此本文将从配电网的智能化入手分析，由于篇幅有限，主要选取风力发电和光伏发电形式进行研究，利用专业电力系统软件，进行仿真建模研究，得出分布式电源在电网不同运行状态下的运行特性，为实际应用作指导。
2. 分布式发电技术
2.1 分布式发电技术
分布式发电（Distributed Generation），又称分布式电源（下文简写为DG），是指直接连接到电网或分布在用户现场附近的小型（容量一般小于50MW）电源装置，按使用的一次能源类型将其分为化石能源发电和可再生能源发电两种形式。
2.1.1 风力发电机模型介绍
风力发电机的能量转换过程是：风能→机械能→电能。最普遍的风机是恒速恒频风力发电机（定桨距风机），它的模型如图2.1所示。其基本环节包括：风能吸收和转换装置——风力机，其连接和传动作用的装置——轮毂、齿轮和传动轴，能量转换装置——异步发电机，在变桨距风机中还应包括浆角控制环节。
2.1.2 光伏电池模型介绍
根据电子学理论，光伏电池单体的等效电路可以用一个恒电流源并联一个二级管电路表示，如图2-3所示。其中Is为光伏阵列电流，与光照强度成正比例关系，受电池温度影响；Id为反向饱和电流，用二级管电流表示，受温度影响；Rs为串联电阻，一般小于1欧姆，Rsh为旁路电阻，一般为几千欧姆，这两个电阻是光伏电池的本身固有电阻。一个理想的光伏电池由于Rs很小、Rsh很大，因此在理想电路计算时可以将Rs短路，将Rsh支路断开。
2.2 分布式电源并网技术
为保证配电网的安全运行和供电质量，分布式电源并网要满足如下几个基本要求：
1.保证配电网电压正常，电压偏移仍不超出允许的范围；
2.配电设备正常运行电流不超过额定值，动热稳定值不超过允许值；
3.短路容量不超过原有开关、电缆等配电设备允许值；
4.电能质量合格，所引起的电压骤升、骤降、闪变、谐波不超过规定值。
根据以上基本要求，考虑分布式电源对配电网的影响，对不同容量和不同配电网规模、电压等级，对分布式电源有不同的要求。
表2-1 根据分布式电源容量选择配电网电压等级
分布式电源容量配电网电压等级
<250kVA380V/400V[低压]
1～8MVA10kV[中压]
>8MVA更高电压
与传统同步发电机不同，分布式电源基于其发电模式的特点，大多数经过逆变器接口并入并网。事实上，经过逆变器接口并入电网的分布式电源，输出电压电流的频率由接口逆变器控制方式决定，电压幅值由接口逆变器控制方式和直流侧电容电压决定。电网波动或故障时，分布式电源不受其影响。因此在很多情况下，风力发电机组经AC/DC—DC/AC实现交流—直流—交流，再送入电网。而对光伏发电系统，如图2-6所示，输出的是直流电能。必须通过调压、逆变后送入电网。逆变器作为分布式电源与电网接口设备，其控制技术关系到并网的成败。常用的逆变器接口控制方法有恒功率控制（PQ控制）、下垂控制（Droop控制）、恒压恒频控制（V/f控制）。
当分布式发电与配电网并网运行时，以下三个问题需要我们关注：
一是电能质量影响。根据国家标准，对电能质量的要求有五个方面；电网高次谐波、电压闪变与电压波动三相电压极电流不平衡、电压偏差、频率偏差。例如风力发电机组对电网产生影响的主要是高次谐波和电压闪变与电压波动；而光伏发电系统因为本身就是个谐波源，通过逆变器并网后主要体现在谐波和电压闪烁问题。
二是原继电保护的适应、配合。配电网中早已存在大量以辐射状网络为架构的继电保护装置，考虑经济性，不可能大量的改动原保护装置来适应新增的分布式电源，而应该是其与原保护适应配合。传统配电网的潮流分布模式基本上是单向流动，且随变电站的距离增加，有功潮流单调减少。随着分布式电源的接入，必然改变了原有配电网的潮流分布，潮流方向变得极不确定性；短路电流随着分布式电源接入而改变，影响原保护装置保护范围，影响供电可靠性。
三是电网稳定性。电网稳定性包括功角稳定、频率稳定和电压稳定。分布式电源主要是在电压稳定性产生影响，但是利弊要视具体情况而论。
3.故障运行仿真分析
3.1 含DG的智能配电网建模仿真
我国配电网结构主要是两种形式，一种是辐射状结构，一种是环网结构。鉴于辐射状接线简单、实用和经济性等优点，在我国的传统中低压配电网中占据主导地位，就算是环网形式，在正常情况下也都是开环运行。因此本文在选择配电网形式时采用辐射状结构，在电压等级的选择上，根据表2-1，本文采用的DG模型容量S<8MVA，故搭建的配电网为10kV辐射状单端电源供电形式，结合实际，在馈线上接入各式负荷，并将不同分布式电源接入。具体如图3-1所示，其中External Grid 为单端电源，在母线WT_MV_Bus和母线PV_MV_Bus分别接入风力发电站和光伏发电站。
其中为DG模型的视在功率，为DG的出口电压。以此为基础，推导三相短路故障下，含PQ控制的分布式电源接入后短路电流的公式。
3.2.1 理论推导短路电流
图3-4（A）给出接入DG的配电网结构图，图3-4（B）为电路等值图，其中E为单端电源，为其等效阻抗，为线路阻抗，ZL为相邻负荷等效阻抗，为DG到故障点的阻抗。为了简化计算，发生三相故障时，忽略相邻负荷电流，简化后等值电路图如图3-4（C）所示，其中。根据戴维南定理，得到DG的等效电流源的受控量表达式[3]如下：
若分布式电源接入配电网后，发生三相故障时，因为总有P>0，容易推得：
由推导过程可知，上述关系与P的大小、Zf的大小（即故障点相对DG的位置）无关，因此得到以下结论：与传统电网不同，智能配电网由于接入分布式电源之后，当在DG下游任一点发生短路故障时，不管分布式电源输出功率如何改变，在其上游流过的短路电流比未接入分布式电源之前总是相对减小，在其下游短路电流比未接入分布式电源之前总是相对增大。
3.2.2 计算验证
利用已经建立的10kV配电网模型，进行三相故障RMS和EMT仿真，t=0.3s之前，配电网正常运行，t=0.3s时，在图3-1红色箭头标注处，DG下游的输电线Line4末端经过渡电阻Zt=（0.08+j0.25）Ω发生三相故障。仿真参数设置时，考虑上一节理论假设，仿真结果如图3-3所示，未接入DG模型之前，Line2和Line4故障电流大小相等；DG模型接入配电网后，故障瞬间在DG模型下游短路电流幅值相对增大，而上游短路电流幅值相对减小，计算过程如下。
图3-3 DG上、下游三相故障电流幅值变化
3.2.3 短路电流的定性分析
在3.2.1节中，含DG的配电网在DG下游故障时，已经推导出DG上下游的短路电流表达式，根据短路电流表达式（3-1）（3-2），容易得到如下结论：
1）DG下游故障电流相比DG未接入总是增大，其大小与DG发出有功P的开方近似成正相关。下游线路电流保护灵敏性提高；由于短路电流的增大，下游线路的电流速断保护的保护范围相应增大，当P值过大，容易导致本线路电流I段保护失去选择性，造成区外故障时出现超越，引起误动，使得下游线路供电可靠性下降。因此接入DG的下游线路电流保护必须检查是否满足选择性。
2）DG上游故障电流相比DG未接入总是减小，其大小与DG发出有功P的开方近似成负相关。上游线路电流保护灵敏性下降；由于短路电流的减小，上游线路的电流速断保护的保护范围相应缩小，P值越大，下游短路电流越大，流过DG上游线路的短路电流就越小。当P增大到使得I上游<0时，即故障后DG反向对单端电源送电时，若原上游线路装有方向保护，则完全无法适应。|I上游|大于上游支路电流I段整定值时，也会造成上游支路保护失去选择性，停电面积加大，影响电源向相邻健康支路供电。
为了提高配电网的供电可靠性，弥补DG接入后的不足，用输电线路L连接DG侧母线和大电网母线，将辐射状配电网结构变为环网结构，如图3-4所示。
仿真结果如图3-5所示。以风力发电模型为例，由于线路L的接入，在t=1s之后，大电网仍能为配电网供电。由图3-5（A）（B）可知，DG有功输出在t=1s瞬间出现小振荡，并快速衰减，恢复额定输出。因此，该结构的供电可靠性高。输电线路潮流如图3-5（C）所示，可以看到因为配电网结构从环网变为辐射状，部分线路潮流发生改变，包括潮流方向和幅值大小，原继电保护难以适应。为了适应传统配电网的继电保护，考虑到环网结构下保护整定复杂，故正常运行时，线路L作为备用馈线，只有当Switch1故障断开时投入运行。
图3-5 含DG的环网仿真
4. 结束语
本文主要介绍风力发电机和光伏电池相关模型和等效电路图，通过仿真建模，对故障运行下短路电流进行推导分析。分布式电源的接入配电网后，当分布式电源下游处发生短路故障时，与分布式电源容量和故障点位置无关，下游短路电流总是相对增大，从而电流保护灵敏性提高，但本区保护范围增大，容易使开关误动，失去选择性；上游流过的短路电流总是相对减小，电流保护灵敏性下降，并且分布式电源输出功率存在某一值使得电流反向，当短路电流继续减小至反向时，会导致上游线路装有方向保护不能正常工作。
本文的分布式电源模型采用PQ控制方式，当大电网断电时停止营运，因此分布式电源没有起到提高配电网供电可靠性的作用。为了弥补这种不利情况，PQ控制的分布式电源应该接入具有环网结构的配电网。正常运行时开环运行，在发生故障时变为环网运行。
参考文献：
[1]史卫江等，智能电网综述[J]. 华北电力技术，2010（5）.
[2]Vladislav Akhmatov，风力发电用感应发电机[M].中国电力出版社，2009.
[3]孙景钌，分布式发电条件下配电系统保护原理研究[A]，2010.
论文作者:许映春
论文发表刊物:《云南电业》2019年7期
论文发表时间:2019/12/13
标签：分布式论文; 电流论文; 电源论文; 配电网论文; 电网论文; 故障论文; 电压论文; 《云南电业》2019年7期论文;