基于解耦迭代運(yùn)算的主動(dòng)配電網(wǎng)短路計(jì)算方法

汪宇懷，沈 凱，樓華輝，屠永偉

（國(guó)網(wǎng)浙江杭州市余杭區(qū)供電有限公司，浙江 杭州311100）

0 引 言

分布式發(fā)電（DistributedGenerator，DG）接入改變電網(wǎng)潮流和短路電流分布，其提供的短路電流將對(duì)保護(hù)和重合閘產(chǎn)生影響[1]。由于電力電子裝置快速靈活的控制性能，采用變流器接口的逆變型分布式電源（Inverter Interfaced Distributed Generator，IIDG）在電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用[2]，包括光伏發(fā)電、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電和微型燃?xì)廨啓C(jī)等。這種類(lèi)型DG利用變流器能夠獨(dú)立調(diào)節(jié)有功和無(wú)功，按控制內(nèi)環(huán)跟蹤電量的不同分為電壓控制和電流控制。與同步發(fā)電機(jī)相比，IIDG通過(guò)變流器控制提供短路電流，故障響應(yīng)速度為毫秒級(jí)，且短路電流受功率開(kāi)關(guān)熱極限電流限制，具有不同的故障特征[3]。IIDG短路電流主要取決于采用的控制策略，特別是電流控制IIDG的短路電流呈現(xiàn)電流源特性，導(dǎo)致現(xiàn)有的電壓源等值法無(wú)法用于電流控制IIDG接入電網(wǎng)的故障分析。因此，需要深入研究電網(wǎng)短路后電流控制IIDG的動(dòng)態(tài)特性及其短路電流解析計(jì)算方法。

1 IIDG控制策略分析

電網(wǎng)不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)，電網(wǎng)電壓將出現(xiàn)正序、負(fù)序和零序分量。通常，IIDG須采取適當(dāng)控制消除零序電流。圖1為電網(wǎng)非對(duì)稱(chēng)運(yùn)行下的PQ控制模型。

因此，假設(shè)配電網(wǎng)不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)IIDG輸出電流僅含正、負(fù)序分量，采用空間矢量可表示為：

圖1 電網(wǎng)非對(duì)稱(chēng)運(yùn)行下的PQ控制模型

同樣，采用u+(t)=[(t),(t),(t)]T和u-(t)=[(t)]T分別表示其端電壓空間矢量u(t)的正序和負(fù)序分量，則IIDG輸出三相瞬時(shí)有功功率為端電壓和電流矢量的點(diǎn)乘，即：

u0(t)表示IIDG端電壓空間矢量u(t)的零序分量，(t)為有功功率倍頻波動(dòng)分量。其中，U+、U-、分別為正負(fù)序電壓的幅值、相位，為正負(fù)序電流的幅值、相位，w=2πf且f=50 Hz為額定頻率。

IIDG的瞬時(shí)無(wú)功功率為u(t)和i(t)矢量叉乘的模值。為便于計(jì)算構(gòu)造與u(t)正交的電壓矢量：

由此可見(jiàn)，電網(wǎng)不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)，IIDG端電壓和電流正負(fù)序分量的反向交叉，將使其輸出有功、無(wú)功功率出現(xiàn)倍頻波動(dòng)分量(t)和(t)。由式（4）和（8）可知，IIDG輸出功率僅與其端電壓和電流的正負(fù)序分量有關(guān)，且式中u與u⊥正負(fù)序矢量和的模值相等，即。為使電網(wǎng)不對(duì)稱(chēng)故障下IIDG有功和無(wú)功功率維持為P*和Q*恒定，由式（4）和式（8）計(jì)算其電流參考值為：

采用式（10）作為IIDG電流參考值進(jìn)行跟蹤控制時(shí)，能夠消除IIDG輸出功率的倍頻波動(dòng)，使IIDG輸出功率準(zhǔn)確跟蹤參考值P*和Q*。但是，IIDG輸出電流的諧波畸變率和相電流峰值將可能越限，由此導(dǎo)致變流器退出運(yùn)行。因此，在式（10）的基礎(chǔ)上引入α、β和γ調(diào)節(jié)系數(shù)，IIDG輸出電流參考值可修改為：

式中：α和γ∈[-1,1]，β∈[0,1]。對(duì)三個(gè)調(diào)節(jié)系數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐浜线x擇，可在IIDG有功和無(wú)功功率波動(dòng)小幅增加的同時(shí)，盡量減小輸出電流諧波和相電流峰值。由式（11）還可知，含多IIDGs電網(wǎng)短路故障后，可將其短路電流分解成與正負(fù)序網(wǎng)對(duì)應(yīng)的電壓控電流源模型。

不脫網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，須確保電流控制IIDG輸出電流諧波和相電流峰值滿(mǎn)足規(guī)定限值，且有功和無(wú)功功率波動(dòng)盡可能小。式（11）中分母倍頻分量將導(dǎo)致輸出電流出現(xiàn)諧波，由諧波限值確定的β系數(shù)可選范圍很小，研究中通常選擇β=0使電流不含諧波分量。故障后，IIDG須優(yōu)先向電網(wǎng)提供無(wú)功功率支持，結(jié)合不脫網(wǎng)運(yùn)行時(shí)國(guó)標(biāo)對(duì)DG動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐的要求和變流器的容量約束，計(jì)算不脫網(wǎng)運(yùn)行時(shí)任一臺(tái)IIDG有功、無(wú)功功率參考值和分別為：

圖2 不同調(diào)節(jié)系數(shù)下變流器不脫網(wǎng)運(yùn)行特性

2 主動(dòng)配電網(wǎng)短路計(jì)算方法

依據(jù)國(guó)標(biāo)光伏發(fā)電系統(tǒng)建模導(dǎo)則GB/T-32826-2016規(guī)定的光伏電源在低電壓穿越過(guò)程注入的d、q軸電流，結(jié)合光伏電源在機(jī)端電壓較高時(shí)主要注入有功、在機(jī)端電壓較低時(shí)主要注入無(wú)功這一特征，給出光伏電源注入正負(fù)序電流的表達(dá)式為：

對(duì)于較短的配網(wǎng)饋線，僅在其首端配置斷路器，設(shè)置I段和III段電流保護(hù)；對(duì)于長(zhǎng)度超過(guò)10 km的配網(wǎng)饋線，需在饋線首端及中段配置斷路器，設(shè)置I段和III段電流保護(hù)。而DG接入配網(wǎng)后，如圖3所示，為防止DG向故障點(diǎn)供電，需在1、2、3、4、5都配置斷路器，有效隔離故障，且每個(gè)保護(hù)安裝處需設(shè)置方向保護(hù)。

圖3 有源配電網(wǎng)示意圖

線路l2發(fā)生兩相短路故障，由邊界條件建立正負(fù)序工頻分量復(fù)合序網(wǎng)圖，如圖4所示。其中，Z為系統(tǒng)等效阻抗，E為系統(tǒng)等值電勢(shì)，Z12、Z34為線路阻抗，ZT為變流器升壓變短路阻抗，α為故障距離占該段線路的比例。復(fù)合序網(wǎng)圖含3個(gè)節(jié)點(diǎn)k1、k2、k3，建立節(jié)點(diǎn)電壓方程如下：

圖4 l2兩相短路復(fù)合序網(wǎng)圖

聯(lián)立方程組式（14）、式（15）、式（16）和式（17），即可得到圖4各節(jié)點(diǎn)電壓和電流源電流。但是，求解方程組的解析表達(dá)式較為復(fù)雜，本項(xiàng)目運(yùn)用迭代方法求解。迭代流程如圖5所示，首先令為0，帶入式（16）得節(jié)點(diǎn)電壓，再帶入式（17）得到機(jī)端電壓，再由式（14）、式（15）計(jì)算得到IIDG注入電流的正負(fù)序分量，然后計(jì)算節(jié)點(diǎn)電壓，將節(jié)點(diǎn)電壓當(dāng)前計(jì)算值與上一次計(jì)算值比較。若差值較大，則由當(dāng)前節(jié)點(diǎn)電壓計(jì)算機(jī)端電壓，進(jìn)一步得到IIDG注入電流，再求得節(jié)點(diǎn)電壓。如此循環(huán)往復(fù)，直到兩次相鄰迭代的節(jié)點(diǎn)電壓差值小于閾值為止，然后依據(jù)獲取的節(jié)點(diǎn)電壓計(jì)算配網(wǎng)故障潮流。

圖5 電流I段保護(hù)整定計(jì)算流程

3 結(jié) 論

依據(jù)低電壓穿越控制策略，低電壓穿越過(guò)程中分布式電源注入的故障電流與其機(jī)端電壓相關(guān)。當(dāng)分布式電源的機(jī)端電壓在某一范圍時(shí)，將注入相應(yīng)的故障電流。因此，分布式電源注入電流與機(jī)端電壓相關(guān)，而其機(jī)端電壓與配網(wǎng)故障潮流相關(guān)，而故障潮流又受到分布式電源注入電流的影響，三者相互關(guān)聯(lián)。本文提出解耦迭代計(jì)算方法，簡(jiǎn)化了求解過(guò)程，能準(zhǔn)確求取短路電流初始值，為主動(dòng)配電網(wǎng)的保護(hù)整定和故障分析奠定了基礎(chǔ)。