電網(wǎng)中故障受分布式電源影響的分析

王雙杰，楊炳元，高焱

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 電力學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010080)

0 引言

分布式電源的并網(wǎng)規(guī)模逐年擴大，分布式電源接入配電網(wǎng)改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)單向放射狀的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，對配電網(wǎng)繼電保護的靈敏性、選擇性及重合閘均造成不同程度的影響［1－6］。

據(jù)統(tǒng)計，電網(wǎng)中發(fā)生的故障中電弧故障發(fā)生率超過80%［7］，所以在短路電流研究中有必要考慮電弧電阻的影響。故障電流的大小取決于電弧電阻值，而電弧電阻本身是故障電流的一個非線性函數(shù)，要精確計算出故障電流，首先要計算出電弧電阻值。傳統(tǒng)故障電弧值計算方法有兩種:一種是將電弧視作集中參數(shù)的電阻，在短路研究時用純電阻來代替，故障電阻全憑經(jīng)驗來估算;另一種方法是進行簡化，忽略故障電弧的存在，直接用求解短路問題的常規(guī)方法來解決問題［8］。顯然，第二種方法中計算結(jié)果的正確性無法保證。

短路特性是保護配置的前提和依據(jù)，而影響配電網(wǎng)的故障特性的因素也隨著分布式電源的接入而變得多樣，因而有必要對這些因素進一步研究。

1 計算原理分析

本文采用了基于混合補償法的配電網(wǎng)短路分析法。此方法把三相分布潮流的計結(jié)果作為故障前的狀態(tài)［9］，更新混合電流注入值之后的結(jié)果作為故障后的狀態(tài)。該方法需要創(chuàng)建一個故障戴維南等效阻抗矩陣，并結(jié)合循環(huán)斷點補償、分布式電源補償和應(yīng)用于協(xié)調(diào)相位的故障補償三種補償方法進行分析。

設(shè)單位長度的電弧電壓為Ea，Ea表達式如下［10］:

由數(shù)據(jù)記錄分析得出電弧電阻的公式如下［11］:

式中Ra是電弧電阻，單位是Ω;L是電弧長度，單位是m;If是電弧電流，單位是A;Ea單位長度電弧電壓的單位是V/m。

將(1)式代入(2)式可得電弧電阻:

據(jù)(3)式可知電弧電阻是其電流的一個非線性函數(shù)，與電弧的長度成正比。在故障點構(gòu)建電弧模型［12］，采用基于迭代混合補償短路算法來構(gòu)建非線性電弧電阻，通過迭代計算出短路電流和電弧電阻。迭代法求解步驟如下(k是迭代指數(shù)):

第一步:設(shè)電弧電阻的起始值為零，Ra(k=1)=0。

第二步:使用短路補償法及在上面第k步中的電弧值，計算故障電流If(k=1)。

第三步:k=k+1。

第四步:利用(3)式和If(k)來計算電弧電阻Ra(k)。

第五步:更新的戴維南等效阻抗矩陣Zt，計算故障電流If。

圖1 迭代流程圖

上述的方法適用于現(xiàn)行的大多數(shù)的三線制、四線制中性點有效接地或不接地系統(tǒng)中壓配電網(wǎng)。因為實際應(yīng)用時變壓器的不同配置和負載模型也影響短路電流值，所以要根據(jù)具體情況分析。

2 算例分析

在PSCAD/EMTDC中建立IEEE34節(jié)點網(wǎng)絡(luò)仿真模型(如圖2所示)。測試網(wǎng)絡(luò)總消耗功率是1770 kW，負載集中在距供電網(wǎng)56 km處的連接點上。最遠的節(jié)點距供電網(wǎng)59 km。網(wǎng)絡(luò)在一個單一的電壓水平下進行模擬。變電站69 kV/24.9 kV(Δ/Y)，低壓側(cè)接地，系統(tǒng)的等效系統(tǒng)阻抗為(5+j5)Ω/相。繞線轉(zhuǎn)子異步風(fēng)力發(fā)電機連接在節(jié)點23上，額定輸出有功功率為300 kW，計算輸入無功為134.5 kVar，輸出電壓25.1 kV，內(nèi)阻Zw=(0.6+j1.5)Ω/相。設(shè)電弧長度 L=0.15 m。

圖2 Ieee34節(jié)點示意圖和PSCAD下的仿真模型

為了評估分布式電源對故障的影響、說明考慮電弧的必要性，本文主要做了兩個仿真研究，考慮了位于配電網(wǎng)不同地點的幾種常見故障類型。在第一個仿真中，沒有分布式電源接入。在第二個仿真中，分布式電源由節(jié)點23并入電網(wǎng)。仿真中忽略了接地電阻，對于相間故障和兩相接地故障，分別測量兩個故障相的故障電流值并利用(3)式計算電弧電阻值，對于三相接地故障，測量三相電流值并利用(3)式計算三個電弧電阻值，將最后結(jié)果導(dǎo)出，作圖比較，如圖3所示。

圖3 分布式電源接入前后30節(jié)點三相接地故障電流值

圖3所示為分布式電源接入前后30節(jié)點三相接地故障電流值。分布式電源的接入節(jié)點23后，顯著提高了故障電流水平。如圖4所示，在分布式電源接入前后的測試網(wǎng)絡(luò)發(fā)生單相接地故障和三相接地故障時的電弧電阻。結(jié)果顯示，分布式電源加劇了配電網(wǎng)的故障水平，電弧電阻值比之前變小了。相間故障和兩相接地故障情況與上述情況類似。當(dāng)故障發(fā)生在分布式電源接入點和鄰近的節(jié)點上時，故障電流水平的提高非常顯著，使得電弧電阻降低。改變分布式電源的接入位置，故障電流也將隨之改變，同時影響電弧電阻值。

圖4 單相接地和三相接地故障時的電弧電阻值

在測試網(wǎng)絡(luò)的分析中，當(dāng)分布式電源接點遠離變電站時，三相和單相短路的故障電流水平顯著增加。電弧電阻計算值在0.4～2.5Ω之間。遠離變電所發(fā)生單相接地故障，電弧電阻達到最大值。

設(shè)沒有分布式電源接入的配電網(wǎng)電弧電阻Ra和有分布式電源接入時的配電網(wǎng)電弧電阻Rag之間的差異為ΔRa的值代表了分布式電源對不同節(jié)點相接地故障的電弧電阻的影響，如圖5所示。在饋線的末端ΔRa達到最大值，即在饋線的末端發(fā)生故障時，分布式電源對電弧故障的影響最大。

圖5 單相接地故障時分布式電源對電弧電阻的影響

由于忽略了電弧，而造成故障電流計算的誤差表達式如下:

其中If0是忽略電弧的情況下，饋電網(wǎng)頂端的故障電流。Ifarc是考慮電弧的情況下電網(wǎng)頂端的故障電流。

圖6顯示了根據(jù)式(4)計算的誤差值。沒有分布式電源接入時，由于忽略電弧，故障電流的計算誤差范圍為2～12.2%。在饋電線路末端發(fā)生單相接地故障時，誤差最大。

3 線路中電弧故障的影響因素分析

將仿真中的繞線轉(zhuǎn)子異步風(fēng)力發(fā)電機換雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機，額定功率和額定電壓相同時，同樣在30節(jié)點處測得的故障電流如圖7所示。

圖6 單相接地故障時故障電流計算誤差

圖7 30節(jié)點在不同種類分布式電源下三相接地故障電流值(左圖繞線異步風(fēng)機情況下，右圖為雙饋機情況下)

雙饋風(fēng)力發(fā)電機與繞線異步風(fēng)力發(fā)電機不同，繞線異步風(fēng)力發(fā)電機定子直接接入電網(wǎng)，發(fā)電機在輸出有功的同時還要向電網(wǎng)吸收無功，補償期間異步發(fā)電機勵磁電流減小，發(fā)電機輸出故障電流能力下降;雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機定子側(cè)接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)采用三相對稱繞組，經(jīng)背對背PWM(脈寬調(diào)制)雙向變流器接入電網(wǎng)，為轉(zhuǎn)子提供不間斷的交流勵磁電流。

除了風(fēng)力發(fā)電機的類型能夠影響故障處的響應(yīng)特性外，風(fēng)機所處位置的風(fēng)速也會影響故障點電流。如圖8所示，表示在其他條件相同時，不同風(fēng)速下故障電流的比較。

圖8 不同風(fēng)速時30節(jié)點三相接地故障電流值(左圖風(fēng)速為4 m/s時，右圖風(fēng)速為12 m/s)

影響帶有分布式電源的配電網(wǎng)中故障特性的因素還有很多，比如故障類型、故障點位置、并網(wǎng)控制方式等。此外，故障切除后，不同條件下風(fēng)力發(fā)電機的電壓恢復(fù)能力不同，這使得故障特性呈現(xiàn)出多樣性。為了確保分布式電源并網(wǎng)后配電網(wǎng)的安全性，有必要對接入分布式電源后的配電網(wǎng)在發(fā)生故障后的不同故障特性進一步研究。由于篇幅所限，這里不一一分析了。

4 結(jié)束語

分布式電源顯著提升了對所有類型故障的故障電流水平，尤其是在分布式電源接入點或鄰近節(jié)點發(fā)生故障，使電弧電阻減小的情況下。而分布式電源增大了故障電流，降低了電弧電阻，降低了電弧對保護裝置測量阻抗的影響。影響分布式電源故障特性的因素有多種，發(fā)電機種類、發(fā)電機原動機所處狀態(tài)等都是重要因素，在分析帶有分布式電源的配電網(wǎng)故障時有必要根據(jù)具體情況詳細分析。

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