分布式电源接入对于配电网短路电流影响的分析

1、分布式电源接入对于配电网短路电流影响的分析摘要：随着配电网中分布式电源的渗透率不断提高，对于继电保护装置的正确动作产生了 影响，因此对于不同分布式电源产生短路电流的分析显得十分必要。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。目前分布式电源应用较多的是双馈风电机组发电和光伏发电，本文总结了三类分布式电源短路电流通用计算，并对双馈风电机组和光伏发 电进行了详细的分析。20节点算例验证了三种分布式电源通用短路电流计算方法可行性。 关键词：双馈风电机组；光伏发电；同步发电机；异步发电机；逆变器；短路电流计算0

2、引言近年来，风力发电和光伏发电在得到快速开展的同时，也遇到了并网平安问题的挑战。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。文献1提出了一种含分布式电源配电网短路计算的改良方法，依据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类分布式电源在故障时的不同运行特性，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。文献 2分别分析

3、了基于同步发电机和换流器的分布式电源对于配电 网短路电流的影响，并得出基于同步发电机的分布式电源相对于基于换流器的分布式电源产 生较大短路电流的结论。文献3推导出不同定子电压跌落程度下双馈风电机组定子短路电流的表达式，提出可 有效减小短路电流计算误差的定子电压跌落系数修正方法。文献4仿真分析了光伏并网逆变器配电网短路故障，得出无论配电网发生三相或两相短路，由光伏供出的短路电流都不超过其额定电流的1.5倍的结论，并对逆变器自身故障的保护提出了要求。1分布式电源处理方法1.1基于PWM逆变器的分布式电源文献1提出，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

4、， 故障后维持恒功率运行。 假设PWM逆变器本身三相对称， 即图1中Ea,Eb, Ec为三相对称电压，逆变器的负序电势和零序电势均为零；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；|a,|b, |c为逆变器的三相输出电流。等效电路如图 1所示。/?+>¥F 1 IU/图1逆变器主电路等效图图1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有关。根据电压降落和功率损耗的关系可以求得短路故障时逆变器内 部正序电势E，如

5、式i-式 所示。U(1)U(2)PR QXUPX QRUE U U j U(3)从而可以得到逆变器出口三相电压 Ea，Eb，Ec分别为:Ea EEbej240 E 4Ecej120 E再由电网三相电压即可求得逆变器输出三相电流值分别:i' R 十 jXI Eh 丄人b w TjX；-£二及一 R I jX文献2提出基于换流器分布式电源的控制模型，如图 2所示。仿真结果说明由基于同步发电机分布式电源引起的短路电流增量大于基于换流器的分布式电源。JAW.堇3瓷dn clazFW M SignalJ tf J2474J气 rnp|il|j<J<_ lei1 roller

6、 wl lii|i:lklJ'MwiliiiifrrerIKj图2基于换流器分布式电源的控制模型文献4给出分布式光伏电源的组成和控制如图 3所示，并得出如下结论：配电网发生三相或两相短 路，由光伏电源供岀的短路电流都不超过其额定电流的 1.5倍；光照强度较低时光伏电源供岀的短路电流 更小；光伏并网点下游远处发生短路将会导致主电源供岀的短路电流有所减小。图3分布式光伏电源系统1.2基于同步发电机的分布式电源文献1提出对于同步发电机，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''=Xq,计及阻尼绕组时的电压方程为：訂=U, /iR.式中：E为次暂态电动势；R

7、a为同步发电机定子等值电阻；U为同步发电机端电压；Ii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4所示。图4同步发电机的次暂态等值电路由于次暂态电动势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，量来求得。竄=叽十*凡" K I ,式中：U10为同步发电机短路前的端电压；10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, , 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:段一L© 叽E.-认kTTC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Uio和10，由式 得到同步发电

8、机次暂态电动势E。，再根据式8求得同步发电机的输出电流。1.3基于异步发电机的分布式电源文献1提出，分布式电源中的风力发电机一般采用异步发电机。异步发电机可以用一个与转子绕组交链的磁链成正比的电动势，即次暂态电动势E''以及相应的次暂态电抗X''和定子等值电阻Ra作为定子暂态过程的等值电动势和阻抗。其次暂态等值电路图与同步发电机相似，如图3所示。其中，次暂态电抗X''的表达式为：r = x, + A i A:式中：X为定子漏抗；X "为转子漏抗；X ad为直轴电枢反响电抗，物理意义等同于励 磁电抗。次暂态电动势E也具有短路前后瞬间维持不

9、变的特性。E0可由故障前稳态潮流计算的状态量来求得：Er =氏,I比打 10式中：U 2 0为异步发电机短路前的端电压；I2 0为异步发电机短路前的输出电流。综上所述，基于异步发电机的分布式电源短路计算处理方法与同步发电机相同。文献3提出，提出了含双馈风电机组的电力系统发生对称短路故障时的短路电流实用计算方法。以故障点为分界，将电力系统简化等值为含发电机支路和系统支路的二支路网络， 如图5所示。推导出不同定子电压跌落程度下的双馈风电机组定子短路电流表达式，并提出可有效减小短路电流计算误差的定子电压跌落系数的修正方法。/XXXDFfGk_x_720 kV 'l 1U kV电网图5短路电流

10、实用计算方法的二支路等效网络2短路冲击电流和短路容量值文献1提出，三相短路冲击电流是指在最恶劣短路情况下，三相短路电流中最严重相电流的最大瞬时值。冲击电流主要用于检验电气设备和载流导体的动稳定度，可用下式近似:-.-、，一 . J 11式中：Im为三相短路冲击电流；If为最严重相的短路电流有效值；KM为短路电流冲击系数，其值为12,这里取最严重情况，KM=2；Ta为短路电流非周期分量衰减的时间常数。为了校验断路器的断流能力，定义短路容量S为：Si =12式中：UN为故障前该点的额定相电压有效值。由于在配电网中三相短路电流不相等，只需要计算三相短路电流最严重相的短路容量。3算例分析本文采用文献1

11、中算例，如图6所示。具体参数参考文献1。*7尸AIK 口 2£?abc=01凤力 坡电IPabc 0-2 Pabc 01QabuQI尸小严曜fs-0.2Qaim oi Qr°i电机1加日2 Gaik °】12尸定Pac-15-o.io 0啊16=0.075-0,0 IQ1J屉=0 2|17F<-0.3GcK>.1 C?a1«2U朮伏14宀 fl *Pn 0J Pn-0.2&-C4 iF】Qa fill.4 h孤电2/锁皿2=0.2<?abc-0直=0£?c 0 1尸MP?:Iit伏9710邱列1图6 20节点配电网结构

12、图在图5所示的算例中进行短路计算，在节点10处依次发生三相短路和单相接地短路故障，将采用改良方法得到的结果与采用常规方法得到的结果进行了比照。2种方法的结果存在较大差异。改良方法将潮流计算与短路计算相结合，考虑了分布式电源的暂态过程，在此根底上进行短路计算，可以提高短路计算的有效性和精确性。4结语本文分别对三种分布式电源短路电流计算进行了分析计算，并对双馈式风力发电和光伏风力发电进行了详细的介绍，总结了目前计算分布式电源短路电流的实用计算方法。目前对各种分布式电源短路电流计算方法的适用场合和精确性比照的研究较少，同时通过短路电流的计算如何与继电保护装置配合这方面的文献较少，有待于更深入的研究。参考文献1 王成山，孙晓倩.含分布式电源配电网短路计算的改良方法J.电力系统自动化，2021,3623：54-58.2 NatthaphobNimpitiwan,GeraldT