光伏發(fā)電系統(tǒng)的短路電流計算研究

林根義 彭銘東 黃穎

摘 要：在光伏系統(tǒng)接入報告中，短路電流計算只是給出簡單的結(jié)果，并未對光伏系統(tǒng)進(jìn)行具體分析。為此，本文提出了有關(guān)短路電流的計算方法，研究其在光伏系統(tǒng)接入報告中的應(yīng)用。在光伏系統(tǒng)中，短路電流計算可以采用標(biāo)幺值與有名值相結(jié)合的計算方法。通過這兩種方法與具體案例，來進(jìn)一步完善光伏系統(tǒng)接入報告中關(guān)于短路電流計算的內(nèi)容。與普通的光伏系統(tǒng)接入報告對比，加入具體的、準(zhǔn)確的短路電流計算，會使一整份光伏系統(tǒng)接入報告顯得更加專業(yè)且具有競爭性。

關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng)；短路電流；接入報告；標(biāo)幺值

中圖分類號：TM713 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）23-0126-04

Research on Short Circuit Current Calculation of PV System

LIN Genyi PENG Mingdong HUANG Ying

（JZ Energy Co.， Ltd.，Guangzhou Guangdong 510000）

Abstract： In the photovoltaic system access report， the short-circuit current calculation only gives a simple result， but does not carry on the concrete analysis to the photovoltaic system. Therefore， a calculation method of short circuit current was proposed to study the application of the short circuit current in photovoltaic system access report. In photovoltaic system， the calculation of short circuit current could be done by combining the per unit with the actual value. Through these two methods and concrete cases， the contents of short circuit current calculation in PV system access report were further improved. Compared with the common PV system access report， adding specific and accurate short-circuit current calculation will make the whole PV system access report more professional and competitive.

Keywords： photovoltaic system；short-circuit current；access report；per unit

短路電流計算常應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，主要是為了選取適當(dāng)?shù)碾姎庠O(shè)備，配置合理的繼電保護(hù)裝置，使系統(tǒng)在發(fā)生短路時，能把危害降到最小，保證系統(tǒng)正常運行。而把電力系統(tǒng)的短路電流計算應(yīng)用在光伏系統(tǒng)中，同樣具有深刻的意義。筆者以三個大點來詳細(xì)說明短路電流計算在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 三相短路電流計算

1.1 短路電流

在電力系統(tǒng)中，由于相與相之間、相與地之間的非正常連接，導(dǎo)致電力系統(tǒng)非正常運行，而此時系統(tǒng)中通過的電流稱為短路電流[1]。

1.2 短路的種類

電力系統(tǒng)中，常見的短路類型有：三相短路、兩相短路、兩相不同接地點短路、單相接地短路[2]。短路類型的示意圖及故障概率見表1。

表1 短路類型的示意圖及故障概率表

[短路類型 示意圖 符號 故障概率/% 三相短路k（3） 5 兩相短路

電流標(biāo)幺值：

[I*=I÷Ib] （1）

電壓標(biāo)幺值：

[U*=U÷Ub] （2）

功率標(biāo)幺值：

[S*=S÷Sb] （3）

阻抗標(biāo)幺值：

[X*=X÷Xb] （4）

電抗標(biāo)幺值：

[X*=Eg÷Ik] （5）

短路電流有效值：

[Id=Ib×Ik] （6）

全電流：

[Ich=1.52×Id] （7）

沖擊電流：

[Ich=2.55×Id] （8）

在上式中，[I*]為電流標(biāo)幺值，[I]為實際電流，[Ib]為基準(zhǔn)電流；[U*]為電壓標(biāo)幺值，U為實際電壓，[Ub]為基準(zhǔn)電流；[S*]為功率標(biāo)幺值，[S]為實際功率，[Sb]為基準(zhǔn)功率；[X*]為阻抗標(biāo)幺值，[X]為實際阻抗，[Xb]為基準(zhǔn)阻抗；[EG]為電動勢標(biāo)幺值，[Ik]短路電流標(biāo)幺值；[Id]為短路電流有效值，[Ich]為全電流，[ich]為沖擊電流。

常用計算公式二：

發(fā)電機(jī)標(biāo)幺值：

[XG=XG%÷100×Sb÷SG] （9）

變壓器標(biāo)幺值：

[XT=Uk%÷100×Sb÷ST] （10）

電抗器標(biāo)幺值：

[XI=Xi%÷100×Un÷In×Ib÷Ub] （11）

電路標(biāo)幺值：

[XL=XL×L×Sb÷U2b] （12）

短路功率標(biāo)幺值：

[Sd=Ik=E÷X∑] （13）

上式中，[XG]為發(fā)電機(jī)阻抗標(biāo)幺值，[XG%]為發(fā)電機(jī)阻抗值，[Sb]為基準(zhǔn)功率，[SG]為發(fā)電機(jī)功率；[XT]為變壓器阻抗標(biāo)幺值，[Uk%]為變壓器阻抗電壓，[ST]為變壓器功率；[XI]為電抗器標(biāo)幺值，[Xi%]為電抗器阻抗值，[Un]為實際電壓，[In]為實際電流，[Ib]為基準(zhǔn)電流，[Ub]為基準(zhǔn)電壓；[XL]為線路阻抗標(biāo)幺值，[XL]為線路單位阻抗，L為線路長度；[Sd]為短路功率，[Ik]為短路電流標(biāo)幺值，E為電動勢，[X∑]為各元器件阻抗標(biāo)幺值總和。

2 案例分析

2.1 標(biāo)幺值計算案例

求出各元器件的電抗標(biāo)幺值及K點的三相短路電流，系統(tǒng)接線已在圖1中標(biāo)出。

解：假設(shè)基準(zhǔn)容量Sb=100MVA，三段不同電壓的基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)電流分別為：

第一段：Ub1=10.5kV

[Ib1=Sb/3×Ub1=100/3×10.5=5.5kA] （14）

第二段：Ub2=37kV

[Ib2=Sb/3×Ub2=100/3×37=1.56kA] （15）

第三段：Ub3=6.3kV

[Ib3=Sb/3×Ub3=100/3×6.3=9.2kA] （16）

各元器件的電抗標(biāo)幺值如下：

發(fā)電機(jī)：

[XG=XG×Sb/SG=0.26×100/50=0.52] （17）

變壓器T1：

[XT1=Uk%/100×Sb/ST1=0.105×100/50=0.21] （18）

輸電線路：

[XL1=XL×L1×Sb/U2b=0.4×60×100/372=1.75] （19）

變壓器T2：

[XT2=Uk%/100×Sb/ST2=0.105×100/10=1.05]（20）

電抗器：

[XI=Xi%/100×Un/In×Ib/Ub=0.05×6/0.3×9.2/6.3=1.46] （21）

輸電線路：

[XL2=XL×L2×Sb/U2b=0.4×3×100/6.32=3.02] （22）

總的電抗標(biāo)幺值為：

[X*∑=XG+XT1+XL1+XT2+XI+XL2=0.52+0.21+1.75+1.05+1.46+3.02=8.01] （23）

發(fā)電機(jī)電動勢標(biāo)幺值：

[E*G=EG/Ub1=11/10.5=1.05] （24）

短路電流的標(biāo)幺值：

[I*k=E*G/X*∑=1.05/8.01=0.131] （25）

K點的三相短路電流為：

[Ik=I*k/Ib3=0.131×9.2=1.205kA] （26）

2.2 等值電路及短路容量計算案例

畫出圖2中的等值電路圖并求出圖2中對應(yīng)K點的短路電流有效值及全電流、沖擊電流、短路功率。系統(tǒng)接線圖已在圖2中標(biāo)出。

解：假設(shè)[Sb]=100MVA，計算各元件的標(biāo)幺值。

電壓器1：

[X1=Ud%/100Sb/S1=10.5/100100/30=0.35]（27）

線路2：

[X2=XLLSb/U2b=0.4×6100/372=0.175] （28）

電壓器2：

[X3=Ud%/100Sb/S2=7/100100/4=1.75] （29）

變壓器3：

[X3=X4=1.75] （30）

根據(jù)上述條件計算出的標(biāo)幺值，化簡成如圖3所示的等值電路圖。

[E*=1][E*=1][E*=1][6][1.4][0.35][1][0.175][2][0.875][5][1.75][4][3][1.75][0.175][2][1][0.35][K][K][K]

圖3 等值電路圖

總電抗標(biāo)幺值：

[X*∑=X1+X2+X3+X4=0.35+0.175+1.75/2=1.4]（31）

[Id=IbE/X*∑=100/3×10.51/1.4=3.927kA] （32）

全電流：

[Ich=1.52Id=1.52×3.927=5.969kA] （33）

沖擊電流：

[Ich=2.55Id=2.55×3.927=10.013kA] （34）

短路容量：

[Sd=SbE/X*∑=1001/1.4=71.42MVA] （35）

3 在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 接入報告中短路電流的計算

目前，在光伏系統(tǒng)的接入報告中，往往都是直接體現(xiàn)35kV或者10kV接入點側(cè)的短路電流結(jié)果，并未對短路電流的計算過程進(jìn)行描述。部分接入報告中指出，并網(wǎng)逆變器具備檢測短路故障自動跳開的功能，因此可以不用考慮光伏電站對電網(wǎng)的影響。真正掌握了短路電流的計算，把短路電流的計算引入到光伏系統(tǒng)中的接入報告中，會增加接入報告的專業(yè)性。

在光伏系統(tǒng)中，短路電流的計算涉及的元器件要比常規(guī)的電力系統(tǒng)少得多，主要包括線路及變壓器。至于發(fā)電機(jī)及電抗器，是不用考慮的。假設(shè)有一個1MW的光伏電站，10kV架空線路1.5km到工廠高壓配電房，變壓器容量是8 000kVA，變壓器阻抗Uk=9%試求出光伏接入點的短路電流是多少？根據(jù)前面的公式，很容易列出下面幾條公式：

假設(shè)[Sb]=100MVA，線路阻抗標(biāo)幺值：

[X1=XLLSb/U2b=0.4×1.5×100/10.52=0.544]（36）

變壓器阻抗標(biāo)幺值：

[X2=Ud/100Sb/S1=9/100100/8=1.125] （37）

總的阻抗標(biāo)幺值：

[X*∑=0.544+1.125=1.669] （38）

電動勢標(biāo)幺值：

[E*=10.5/10=1.05] （39）

短路電流標(biāo)幺值：

[I*k=E*/X*∑=1.05/1.669=0.629] （40）

短路電流有效值：

[Id=I*k×Ib=0.629×5.5=3.459kA] （41）

全電流：

[Ich=1.52Id=1.52×3.459=5.257kA] （42）

沖擊電流：

[ich=2.55Id=2.55×3.459=8.820kA] （43）

短路容量：

[Sd=SbE/X*∑=1001/1.699=58.85MVA]（44）

根據(jù)上述公式，得出如表3所示的數(shù)據(jù)，這樣比單列出來更加具有說服力。在具體的工程計算中，光伏電站提供的短路電流可按額定電流的1.5倍估算[3]。

表3 短路電流計算表

[短路點 有效值Id/kA 全電流Ich/kA 沖擊電流ich/kA 短路容量Sd /MVA K（10kV側(cè)） 3.459 5.257 8.820 58.85 ]

3.2 高壓開關(guān)柜中斷路器的開斷能力核實

根據(jù)上面案例列出來的數(shù)據(jù)，就可以來核實相關(guān)的高壓開關(guān)柜中的斷路器開斷能力。市場上，10kV高壓開關(guān)柜斷路器的開斷電流分為20、25、31.5kA。因此，根據(jù)上面案例計算出來的短路電流來核實20kA的開斷電流，是沒什么問題的。假設(shè)上面算出來的短路電流是22kA，這時候斷路器開斷電流就不能選20kA了，而應(yīng)該選擇往上一級的25kA。

4 結(jié)論

把電力系統(tǒng)中的短路電流計算引入到光伏接入系統(tǒng)報告中，具有深遠(yuǎn)的意義。不僅對系統(tǒng)的穩(wěn)定起到關(guān)鍵的作用，同樣對于確定設(shè)備的選型方面也至關(guān)重要。短路電流在光伏系統(tǒng)中的研究結(jié)果，也是電網(wǎng)對于光伏電站接入的穩(wěn)定性、安全性的考核參數(shù)之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司組編.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊[M].4版.北京：中國電力出版社，2016.

[2]李瑞榮.短路電流實用計算[M].北京：中國電力出版社，2003.

[3]傅旭，李想，王笑飛.新能源發(fā)電接入對電網(wǎng)短路電流的影響研究[J].分布式能源，2018（1）：58-63.