分布式光伏電源的配電網故障特征計算模型分析

俞曉峰，袁 嶺，崔藝林，鐘永城，藍偉軍，曾 丁

(1.廣東電網有限責任公司河源供電局，廣東 河源 517000；2.聞澈顧問(深圳)有限公司，廣東 深圳 518000)

新能源產業主要以光伏發電裝機作為代表，大量分布式光伏接入配電網，在一定程度上改變了傳統配電網的網絡結構，造成傳統配電網內部繼電無法適應分布式光伏電源的接入，最終影響電網的穩定運行。為保證配電網更快的適應分布式光伏電源的接入，本研究在含分布式光伏電源的基礎上，對配電網故障特征進行分析，完成配電網對分布式能源的最大化利用，對于電網的穩定運行具有重要意義。

1 含分布式光伏電源的配電網故障特征計算模型

本研究對含分布式光伏電源的配電網故障特征計算進行深入研究，并在此基礎上建立計算模型[1-2]。

光伏電源在輸出特征方面與傳統的機組類電源存在較大差異，為實現對光伏電源的整體控制，采用建立光伏電源的配電網故障模型的方式，利用PQ控制策略對并網型光伏電源進行控制。光伏電源可在電力系統正常運行的情況下輸出有功功率，即可完成配電網對分布式能源的最大化利用，若電力系統在實際運行過程中出現配電網故障現象，光伏電源可輸出無功功率，通過動態的方式支撐電力系統的電壓，光伏電源無功電流注入公式為：

ΔIq=α(UN-UDG)

(1)

式中：UN代表的含義為基準電壓；UDG代表的含義為光伏電源并網點電壓；α代表的含義為光伏電源電壓跌落系數，該系數可根據不同地區逆變型分布式電源的并網規定，最終取值為1.5～2.0[3-4]。

并網運行的光伏電源具備一定低電壓穿越能力，在配電網處于故障狀態時，使配電網維持一斷時間的穩定運行。光伏發電低電壓穿越曲線如圖1所示。

圖1 光伏發電低電壓穿越曲線Fig.1 Low voltage crossing curve of photovoltaic power generation

從圖1可以看出，該曲線表示配電網出現故障時，光伏電源持續運行的時間和并網點電壓之間的關系，從曲線的變化情況可知，并網點電壓的跌落幅值與光伏電源的持續運行時間之間呈反比變化，跌落幅值越大，光伏電源的持續運行時間越短。對配電網故障特征的等值計算模型進行建立時，應充分結合PQ控制策略以及光伏電源低電壓穿越能力，并在故障分析過程中，將并網型光伏電源看作壓控電流源，等值計算模型的公式：

(2)

光伏電源的輸出電源與接入點電壓之間存在非線性耦合，通常情況下主要采用分段線性等值的方法對故障計算模型進行建立。光伏電源輸出的無功電流公式為：

(3)

2 含分布式光伏電源的配電網故障特征計算方法

2.1 配電網故障特征常規計算方法

(4)

式中Zf表示的含義為故障點的過渡電阻。從配電網的故障端口進入的正序故障電流公式為：

(5)

(6)

2.2 配電網故障特征問題分析

通過上述分析可知，配電網處于故障狀態時，光伏電源的輸出電源與接入點電壓之間存在非線性耦合。為此本研究對配電網的短路數值進行計算時，需要利用迭代算法進行求解。但是大量的光伏電源接入配電網內部時，采用常規的短路電流計算方法對短路數值進行計算，存在效率較低以及計算步驟較多等問題。其中效率較低指的是：通過該算法可使配電網內部節點數目較多，從而引發節點阻抗矩陣維度高于正常值，最終降低常規算法的整體計算效率[11-12]。計算步驟較多指的是：配電網在實際運行過程中，若出現運行方式和網絡結構方面的變化，采用常規的短路電流計算方法對短路數值進行計算時，需要對節點阻抗矩陣進行修改，該方式對于數值計算的時間和步驟均可出現增加現象。為保證對配電網故障特征進行精準分析，本研究考慮前推回代法運算過程中不需要生成節點阻抗矩陣，并且該算法可在計算速度超高的情況下保證自身穩定性，將該算法經過改進后用于含分布式光伏電源的配電網故障特征計算[13-14]。

3 基于改進前推回代法的配電網故障特征計算

3.1 改進前推回代法的基本原理

前推回代法對配電網故障特征進行分析時，主要包括三個步驟：首先對配電網內部各節點的輸入電流進行計算，并通過該計算結果完成各支路電流的回推，最后對各節點電壓進行前推計算，全部計算步驟均執行完畢后，對當前節點的電壓與上一次節點電壓之間的絕對誤差進行計算，直至絕對誤差小于收斂精度時，即可終止迭代流程[15-16]。

第λ次各節點i的注入電流計算公式：

(7)

結合KCL原理對各支路電流進行回推時，第λ次流過支路ι的電流計算公式為：

(8)

式中：b代表的含義為網絡支路總數；j代表的含義為支路末的端節點號；M代表的含義為下層支路集合。

結合KVL原理對各節點電壓進行回推時，各節點電壓的計算公式為：

(9)

式中：Zι代表的含義為支路ι的阻抗。

3.2 改進前推回代法的故障特征計算方法

經過改進后的前推回代法對正常電壓分量故障電壓分量以及弱環有源配電網的故障進行計算時，將故障分量疊加原理作為主要依據，在此基礎上，結合光伏電源的故障輸出特性，對配電網故障狀態下的系統節點電壓及支路電流進行計算[17-18]。

(1)正常電壓分量計算公式：

(10)

(2)故障電壓分量主要由配電網的故障點作用于無源網絡而引發，為此對該數值進行計算時，首先應對故障點的短路電流進行計算，其兩相短路故障計算公式：

(11)

單相接地故障計算公式：

(12)

兩相接地故障計算公式：

(13)

(14)

(15)

式中：上標2代表的含義為負序分量；上標0代表的含義為零序分量。節點阻抗在數值上等于該節點注入電流后產生的節點電壓值，由此可知在獲取節點自阻抗數值時，只需進行依次前推回代即可。

故障電壓分量的計算公式：

(16)

式中：P代表的含義為故障節點編號。本研究對故障電壓分量進行計算時，將各節點的電壓初值設為0。

(3)對弱環有源配電網的故障進行計算時，主要將端口補償原理作為依據，完成解環、等值以及補償三個步驟。其中解環步驟在合環點實現，解環實際上是弱環網絡轉換為純輻射網絡的過程。等值步驟主要利用多端口諾頓等值法對開環狀態下的端口進行電流注入，多端口系統及等值網絡如圖2所示，通過圖2提供的方法即可獲取開環狀態下的正常電壓分量及故障電壓分量[19-20]。

圖2 多端口系統及等值網絡Fig.2 Multi-port system and equivalent network

以端口α為例，節點注入電流的計算公式：

(17)

注入電流數值獲取成功后，需要利用前推回代算法對節點k、ι之間的電壓進行計算，該電壓等于等值阻抗值，其公式：

Zeq=Zkk+Zιι-2Zkι

(18)

等值阻抗值計算完成后，即可得到諾頓等值注入電流，諾頓等值注入電流公式：

(19)

補償步驟獲取的電流數值即為附加注入電流，其計算公式：

(20)

(21)

3.3 含光伏電源配電網故障計算流程

本研究對配電網的故障部分進行計算時，充分結合上述算法及計算模型，并形成算法程序。將含光伏電源配電網故障計算流程分為6個步驟：首先將系統的參數、故障類型以及節點號等信息輸入至算法程序中，在該程序中完成迭代初值的計算；通過該程序判斷系統是否為含環網系統，并利用上述公式對輻射網及弱環網的電壓正常分量進行計算；結合配電網出現故障的不同類型，計算配電網各個故障點的電流；計算輻射網及弱環網的故障電壓分量；對電壓的正常和故障分量進行疊加，計算配電網故障時系統各節點的電壓及各支路的電流；最后對當前節點的電壓值與上次節點電壓值之間的差值進行計算，直至滿足收斂要求即可停止計算程序。

3.4 改進前推回代算法收斂性與計算速度

由于前推回代法始于一種不動點迭代法，需要對改進前推回代算法的收斂性進行研究。本研究對配電網的故障特征進行計算時，主要將改進前推回代算法作為核心，在此基礎上完成短路電流的計算，計算過程中將全部光伏電源等效為電流源，通過分析可知，負序及零序等值網絡中存在的光伏電源接入點沒有注入電流。因此光伏電源模型對改進前推回代算法的收斂性沒有影響。

對該算法的計算速度進行分析可知，本研究主要采用序分量模型對計算的復雜程度進行降低，并最大限度的縮短計算時長，將該算法與傳統短路計算方法進行比較可知，該算法對配電網故障進行迭代計算時，無需生成系統的節點阻抗矩陣，具有計算效率高、影響較小等優勢。

4 結語

本文主要對含分布式光伏電源的配電網故障現象進行了研究，為實現對光伏電源的整體控制，采用建立光伏電源的配電網故障模型的方式，利用PQ控制策略對并網型光伏電源進行控制。本研究提出一種含分布式光伏電源的配電網故障計算方法，該方法主要以支路角度作為核心，對于電力行業的發展具有重要意義。