含有分布式電源電網的故障特性 影響因素分析

楊 帥 王雙杰

（1.內蒙古工業大學電力學院，呼和浩特 010080 ；2.內蒙古超高壓供電局，呼和浩特 010080）

分布式電源接入電網后，網絡拓撲及供電方式發生了變化。特別是使傳統單電源輻射狀電網轉變為多端供電的復雜網絡。這些變化會直接影響電網中原有潮流的分布，使得配電系統故障后的故障特征與之前有很大的不同[1]。傳統的故障檢測方法、保護配置模式和整定值已經不能保證保護的正確動作，上述原因嚴重制約了分布式電源的大規模并網。現階段并入電網的分布式電源種類很多，可大致分為逆變型和非逆變型兩大類。逆變型分布式電源通常要通過電力電子逆變器并網。電力電子逆變器的加入使得分布式電源的特性發生了相應的變化。含Inverter Interfaced Distributed Generator（以下簡稱IIDG）發電機系統的故障特性很大程度上受到逆變器接口控制系統的影響，它的故障特性與傳統意義上電源故障的特性不同，這些不同給含有分布式電源的電網的保護配置和保護參數整定帶來了直接的影響。

1 逆變型分布式電源（IIDG）

多數分布式電源的拓撲結構如圖1所示[3]，它包括帶有發電機的分布式電源、直流側的電容器、逆變器和與電網連接的交流端口電路。

圖1 分布式電源拓撲結構圖

分布式電源的電力接口設備的功能是實現分布式電源與電網連接。IIDG 多采用電力電子逆變器等作為并網接口[4]。

逆變器接口輸出電流的頻率是由其控制策略決定，輸出電壓的幅值除了與接口逆變器的控制策略有關外，還和直流側電容的電壓值密切相關。進而可以得出：分布式電源的輸出由接口逆變器的控制策略決定，而與原動機不存在直接關聯，這是采用逆變器接口并網的分布式電源和傳統同步發電機直接并網的不同之處。合理的控制策略對于這類分布式電源的正常運行至關重要。

傳統電力系統通常將電網里的大容量發電機分為調頻機組和非調頻機組，調頻機組通過調速器參與系統頻率調節，而非調頻機組常采用同步器與電網進行頻率平衡。與之類似，接入電網的分布式電源也可按照是否具有頻率調節功能將它們分類控制[2]。其中的一部分為了盡可能多的輸出功率或保持設定的功率輸出，常采用功率控制方式（PQ控制方式）來實現，另一部分是在孤島運行狀態下擔當頻率參考點和穩定器作用的分布式電源通常采用電壓頻率控制方式（V/f），另外還有下垂控制方式等。

2 IIDG 并網建模

本文仿真對象如圖2（a）所示，系統采用IEEE34節點標準模型。其中節點846 接有如圖2（b）所示的集團式風力發電系統，節點840 接有一個微電網系統。

3 故障特性的影響因素及仿真分析

對故障特性有較大影響的因素主有包括：電源自帶的故障電流限制器、發電機種類、中性點接地方式、各序阻抗值大小和逆變器的控制方式等因素。限于篇幅，本文只研究前三種因素的影響。

圖2 系統示意圖

3.1 故障電流限制器件的影響

現階段對逆變器的應用來說，絕緣門極雙極型晶體管（IGBT）以絕對優勢占有很大的比重。因而在研究逆變型分布式電源的短路電路特性就需要考慮IGBT 的承受短路電流的能力。根據故障電流的大小，可以將IGBT 模塊的過流保護分為兩類：第一類為過載保護，此時故障電流較小，一般為額定工作電流的1.2～1.5 倍；第二類為短路保護，故障電流較大，一般大于額定工作電流的2 倍。逆變型分布式電源的短路故障電流不能超過2 倍額定值。當逆變型分布式電源的輸出電流達到2 倍額定電流后，對其的處理方法目前有兩種：一種是利用電力電子器件自身的保護使分布式電源的故障電流消失，另一種做法就是在控制模塊中增設飽和模塊將輸出電流限制在2 倍額定電流之內。

3s 時840 節點發生不對稱故障時的仿真波形如圖3所示。

在故障時電流和電壓會發生突變，電力電子逆變器接口為了保護自身不被過電壓和大電流損壞，都裝設有故障電流限制器件，這些器件在硬件上或軟件上對短路電流的幅值起到了限制作用[5]，會使分布式電源在短路故障期間提供短路電流的能力在很大程度上受到限制，如圖3所示，系統運行在3s后的故障期間，IIDG 分布式電源所提供的正、負、零序電流分量均很小。常規的過電流保護將失去選擇性或存在靈敏不滿足要求的現象。所以，在對此類IIDG 的電網進行保護配置和整定時要考慮到分布式電源和電力電子接口器件自身的保護作用。

圖3 840 節點故障時的正負零序電流

3.2 發電機類型的影響

現有分布式電源的發電機類型大致分為同步電機和異步電機兩大類，由于這兩種類型的電機的特性差異，必然會對外特性產生影響。由于現階段大規模并網的分布式電源中分布式電源以風力發電為主，風力發電機中的雙饋電機是帶有同步機特性的特殊類型異步電機。這里把它劃歸同步電機來考慮[6]。

1）具有同步發電機特性的分布式電源模型

這里的同步電機以常見的雙饋風力發電機為例，圖4（a）和（b）分別表示了PSCAD 中的雙饋風力發電機模型和變流器的內部結構圖。

圖4 風力發電機示意圖

2）具有異步電機特性的分布式電源模型

異步風力發電機以鼠籠異步機作為例子，在PSCAD 中模型如圖5所示。

圖5 異步發電機模型

3）仿真結果分析

這里的分布式電源以66 臺、每臺風機功率為0.75MW 的風電場為例討論。風電機組的出口電壓為 0.69kV，集電變壓器將電壓由 0.69kV 升至10.5kV，然后通過風電場變壓器接入電網,如圖6（a）所示接入846 節點。假設故障發生時間為3.0s。不同類型風機的故障電流仿真波形如圖6所示。

圖6所示為異步與雙饋風電機在有功出力相同、發生三相接地故障時短路電流。由圖6（a）可知在異步風電機組近距離發生短路時異步風力發電機的故障電流瞬時增大,最大值約為額定值的7 倍。隨著故障時間的推移，故障短路電流持續衰減且衰減迅速，0.6s 后短路電流逐漸衰減為零，即異步電機不能提供持續的故障電流；這是因為異步機組沒有獨立的勵磁結構,短路故障時勵磁結構與系統斷開,風電機組的勵磁機構沒有了系統的支持，不能為電機勵磁,所以向電網提供的短路電流不能維持。

由圖6（b）可知同步發電機則有很大不同，在故障時故障電流瞬時增大，隨著故障時間的推移，故障短路電流無變化。這是因為雙饋風電機組短路時短路電流也會增大，由于轉子側可以通過轉子側逆變器向電網提供持續短路電流，故障電流不會持續衰減。

故而，當發生故障時異步風電機組的保護裝置應快速有效地檢測有限的故障電流以使保護裝置準確而快速地動作。

圖6 不同類型風電機組的短路電流

3.3 接地方式和故障位置的影響

我國現階段風力發電多以集團式風電場接入電力系統,風電場高壓主變高壓側中性點通常經間隙接地運行，系統故障時中性點被擊穿，造成系統側中性點直接接地運行。因此，系統故障時中性點接地方式屬直接接地方式，仿真系統如圖2（b）所示。

仿真時采用鼠籠風力發電機，故障設在系統側距主變0.5km 處，故障為3s 后發生a 相接地故障。故障電流波形如圖7所示。此時，非故障相電流在幅值和相位上都近似和故障相電流相同。這是由于風機出口電壓一般較低，故障時，從高壓側看，低壓側相當于接入了一個大限流電抗，主變高壓側中性點擊穿，其中有一繞組接成三角形，則零序阻抗為主變阻抗，此時正負序阻抗遠遠大于零序阻抗，故障量零序分量占絕對優勢。在某種情況下非故障相電流可能比故障相電流還大，使保護的正確動作受到很大影響[7]。

對仿真波形分析可以得出：當帶有分布式電源的電網中發生故障后，故障相電流在故障時會發生突變并隨著故障時間的推移而持續衰減，最終趨于穩定。隨著非故障相的正序阻抗減小非故障相電流逐漸增大，最終會達到一個恒定值。在一定情況下非故障相電流和與故障相電流幅值大小相當，這種現象會使利用幅值來判斷故障的保護失去選擇性，甚至出現誤動的情況。故障發生的位置，即故障發生的變壓器端側不同，故障響應也會不同，在保護配置和整定時應該注意。

圖7 不對稱短路電流

4 結論

本文首先在PSCAD/EMTDC 中建立并入電網的分布式電源仿真模型，隨后，針對電源自帶的故障電流限制器、發電機種類、中性點接地方式等各種影響因素進行了詳實的仿真。由于分布式電源帶有故障電流限制器件或限流保護，會使分布式電源在短路故障時提供短路電流的能力在很大程度上受到限制，針對帶有這類IIDG 的電網進行保護配置和整定時，要考慮到分布式電源和電力電子接口器件自身的保護作用。異步發電機作為分布式電源常用發電機類型，其在系統發生故障時，故障特性會與同步電機有很大不同，在保護配置時應該采取相應的措施。分布式電源并網后，系統發生故障時的故障特性與系統的中性點接地方式有關，特別是在異步風力發電機作為分布式電源的情況下，故障時在分布式電源側檢測到的故障電流幾乎全部為零序故障電流，非故障相電流與故障相電流近乎相同，使保護的正確動作受到很大影響，甚至會使保護誤動作。綜上所述，在含有分布式電源的電網發生故障時，保護的配置與整定應該綜合考慮多方面的因素而做出適當的調整，以確保繼電保護裝置能夠正確動作。

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[5] 王雙杰,楊炳元,高焱.電網中故障受分布式電源影響的分析[J].電氣自動化,2014(3): 71-73.

[6] 陳祎亮.分布式電源的故障特性及其微電網保護原理的研究[D].天津: 天津大學,2010.

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