故障限流器對帶有光伏電源的配電網低電壓穿越能力的影響

王雙杰 楊炳元 田翀

（內蒙古工業大學，呼和浩特 010080）

光伏電源作為分布式電源應用越來越廣泛，由于光伏電源發出的是直流電，所以并網前應先通過電力電子接口器件。電力電子接口器件在極端電壓擾動條件下的操作會損壞電力電子變換器。

電壓跌落是最常見的極端情況，一般由系統內故障造成。DG在電壓跌落時的的動作情況以前沒有收到重視，主要因為電壓跌落時為防止擾動控制中心要求DG立即與電網斷開，以保證供電可靠性。然而,隨著DG功率的逐漸增加，這種強行切除 DG的行為可能導致功率不平衡,進而影響到電網的穩定。所以,電壓跌落時保證DG與電網的可靠連接是非常重要的。基于DG技術，一些文獻提出了容量控制策略[1]。

本文在PSCAD/EMTDC中建立了光伏、DC-DC升壓轉換器和逆變器的小信號模型，并將上述器件并入模擬配電網中仿真。為了充分利用光伏系統功率，系統采用直流電壓控制方法，利用PI控制器逆變器可以始終跟蹤最大功率點，將光伏系統發出的功率完全輸入電網。設直流側電壓為1000V，電網線電壓為380V。光伏系統經由變壓器的連接到一個20kV配電線路中。最后通過仿真結果說明故障電流限流器能夠在電壓跌落時保護電力電子開關器件、提高低電壓穿越能力。

1 光伏發電系統接入電網

由于光伏電源發出的是直流電，所以并網前應先通過電力電子接口器件。光伏系統首先通過升壓變流器，升壓變流器使光伏電池發出的低幅值電壓升為適合光伏電池功率輸出的電壓大小。然后，電流控制逆變器將直流側的功率送入交流側。RLC濾波器用于減少由于 PWM操作而造成的電壓波紋。如圖1所示。

本文使用了文獻[2]中的一個更實際的光伏電池模型，結構如圖2所示。

圖1 光伏系統接入電網示意圖

圖2 光伏模型

最大功率點跟蹤電路(MPPT)用于控制升壓變換器如圖3所示。

圖3 MTTP算法控制的升壓電路

如圖1三相電壓源逆變器有6個IGBT組成，用來將直流側功率輸送到交流電網側。IGBT觸發電路將電網側的電壓和電流轉換成旋轉坐標下的方程如下：

式中，ω角速度。網絡參考電流表示在 d-q坐標系下，如式(2)[3]。P和Q是有功無功基準值。vd和vq是d-q坐標系下的電網電壓。

這種控制方式能夠使光伏系統產生的直流功率全部轉化為交流電網側的功率。

2 電抗器型超導故障限流器

電抗器型故障限流器基本上是一個可變電抗，在線路中與斷路器串聯。故障時電抗值增大，使故障電流減小，保證斷路器不動作。故障電流限流器隨著電力電子技術、電磁技術和超導材料的進步而產生很大變化。本文使用文獻[4]中電抗型超導故障限流器模型。

設故障限流器個繞組電感和互感分別為L和M，繞組兩端電壓降分別為VA、VB、VC，電源的角頻率是ω，則

把式（3）化為矩陣形式有

將上式變換為序分量形式，有

由上式可知，正序阻抗為jω(L-M)，零序阻抗為jω(L+2M)。

則可得故障限流器的等值電路如圖4所示。

圖4 三相電抗型超導故障限流器的等值結構

3 仿真結果

為了在電壓跌落時保護與配電網連接的光伏發電系統，建立了以下仿真模型，如圖5所示，配電網電壓為20kV，接入配電網的光伏發電系統容量為315kW，光伏發電系統經由電力電子開關并入電網。

光伏電源詳細參數見表1。

圖5 仿真電路圖

表1 光伏系統參數

開始時系統正常運行，光伏系統將功率送入配電網。假設系統發生單相接地故障（以A相接地為例），A相電壓減小，發生電壓跌落，并持續10個周期，由于直流側電壓不變，光伏系統向電網輸送的功率基本上保持不變，通過逆變器的電流值顯著增加，為了保護電力電子開關，保護動作使光伏系統與電網斷開。

圖6 未接入故障限流器故障時流過逆變器的電流和電壓

圖7 接入故障限流器后故障時流過逆變器的電流和電壓

由圖6和圖7可以看出接入故障電流限流器以保持連接，但此時電網和通過電力電子開關的電流后，當發生電壓跌落時，雖然光伏電源與電網保持和電壓維持在正常范圍內。說明故障限流器可以提高光伏并網的低電壓穿越能力，能極大地提高分布式電源的效率。

4 結論

本文仿真了帶有分布式光伏發電系統的配電網故障情況。為了分布式電源與電網保持連接并保護電力電子開關，本文使用了故障電流限流器。結果表明在電壓跌落時故障電流限流器能有效提高光伏電源的低電壓穿越能力，對帶有光伏分布式電源的配電網電壓跌落時保護電力電子器件、提高分布式電源的效率具有重要意義。

[1]鄭飛,張軍軍,丁明昌.基于RTDS的光伏發電系統低電壓穿越建模與控制策略[J].電力系統自動化.2012(22): 19-24.

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[4]張緒紅.超導故障限流器的研究[D].湖南大學,2004.