配电网故障研究的现状.docx

配电网故障研究的现状.docx

《配电网故障研究的现状.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《配电网故障研究的现状.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

配电网故障研究的现状

1.2配电网故障研究的现状

近年来，随着一次化石能源几近枯竭、环境污染以及土地紧张等一系列问题日趋严重，利用可再生能源的分布式发电技术已成为世界各国重点发展战略之一，为之付出巨大努力，并在一些西方发达国家取得了显著成果：

在欧洲，各国中大力的推广分布式发电技术。

同时也要重视分布式发电对大电网的影响，需要进行并网模式下的联接问题的研究。

因而在2001年12月出台了一个目的是促进包括分布式发电技术的“能源网络通道”的名为“Integration”的计划，进而可以统一的协作调度欧洲各国的分布式发电系统，确保供电可靠性和安全性。

目前对于含有分布式电源的系统分析，主要考虑分布式电源输出的不确定性，并以此为基础对保护的配置与整定做出改进。

不同控制方式下分布式电源的输出特性具有明显的区别，在电网的运行分析中已经考虑了控制模式的影响。

而控制系统对逆变电源输出量（电压、电流）的限制也是其与传统电源（同步发电机）的不同之处，以致对逆变电源在系统故障情况下的输出特性起着决定性的影响。

因此，对含控制系统的分布式电源进行全面的故障分析成为研究的热点。

我国对分布式电源的研究虽然尚处在起步阶段，但已经引起了相当程度的重视。

目前的工作主要是对分布式电源电源系统本身的理论研究。

在全国很多地方已经兴建了利用新型清洁能源的分布式电源，如光伏发电和风电。

同时也有一些热、冷、电联产的分布式发电系统投入运行。

目前分布式电源接入大电网还存在一些问题并对电网运行安全有一定的影响。

因而分布式电源还没有充分发挥出它的作用，在当中有很多问题有待解决。

在传统的类型划分中，根据分布式电源的燃料和发电方式的不同分布式电源可分为以下两种：

第一种是发出直流而需要经过整流逆变才能接入电网的逆变型分布式电源，第二种是发出交流不需经过整流逆变即接入电网的非逆变变型分布式电源，而此类分布式电源按照频率又可以划分为高频交流电源和工频交流电源。

在实际生产应用中，由于现阶段即使是非逆变类分布式电源也要经过诸如调频逆变器之类的电力电子器件，使得传统的根据逆变和非逆变的划分方法显得很不准确。

按照较新的分布式电源类型划分原则将分布式电源划分为：

（1）交直交电源，如微型燃气轮机等，其发出的是高频的交流电，需要将其整流后再逆变。

（2）直流电源，如光伏发电、燃料电池、及储能装置，其发出的是直流电，需要逆变后并网。

3）工频交流电源，如风力发电机和传统的小功率发电机等。

现阶段的研究实验，一般将分布式电源简化为不计衰减的恒定电流源或含内阻抗的恒定情况存在较大不同，难以满足保护特电势源，这些简化的分析结果与实际性分析的应用要求。

因而现阶段对逆变型分布式电源接入后的配电网故障特性分析和继电保护动作特性的研究工作通常分为以下几个方面：

（1）短路电流特性方面：

目前的交直交电源、直流电源和工频交流电源三类分布式电源之中，逆变型分布式电源占有相当大的比重，而逆变型分布式电源不同于传统的同步电机，其内部的电力电子器件的短路电流承受能力有一定的约束条件，其内部保护是否动作决定着短路电流特性。

因而在逆变型分布式电源接入电网前，需要对其短路电流特性进行分析。

（2）电源短路计算等值模型建立方面：

在传统的配电网短路电流计算中，将同步电机等效为一个电压源和阻抗，而逆变型分布式电源是否同样能够等效为一个电压源和输出阻抗需要进行研究分析。

而短路计算可以说是继电保护整定的基础，因此对逆变型分布式电源短路计算等值模型需要进一步研究分析。

（3）原先配电网保护整定影响方面：

分布式电源的接入对原先配电网保护整定带来一些问题，如改变了传统配电网的网架结构，使得原先的短路电流和电压分布发生了变化。

另外含有分布式电源的配电网故障特性与传统同步电机电源特性存在较大差异，因而需要对逆变型分布式电源接入后的配电网的故障特性进一步研究。

（4）原配电网保护调整方面：

由于传统配电网为单电源辐射状网络，并且配电网上80%的故障是瞬时的，所以传统重合闸装置，但是这种保护不具有方配电网的保护配置一般为在变电站处装设过电流保护，主馈线上配置自动向性。

因此，对分布式电源接入配电网后的配电网保护动作特性进一步研究，以达到以最小的调整来适应分布式电源接入的目的。

现有的文献所提出的保护方案，一般将分布式电源简化为不计衰减的恒定电流源或含内阻抗的恒定电势源，没有考虑不同分布式电源所提供的短路电流的特性差异，也没有考虑分布式电源自身的保护动作对于短路电流的影响，这些简化的分析结果与实际情况存在较大不同，难以满足保护特性分析和整定计算的应用要求。

1.3内容及章节安排

现阶段的分布式电源只要有以下几种类型：

以光伏发电为供能形式的直流发电电源，以微型燃气轮机为代表的高频交流电源和主要向电网提供工频交流电的风力发电电源。

文章中所研究的分布式电源也要按以上几种类型分类，并进一步研这几种分布式电源并入配电网后对配电网故障的影响，最后仿真验证结论的正确性。

文章具体研究以下几点内容：

1、根据各类分布式电源的数学模型建立仿真模型。

所研究的分布式电源有：

交直交电源，如微型燃气轮机；直流电源，如光伏发电；工频交流电源，以双馈风力发电机和传统小功率发电机为例。

2、对各种类型分布式电源电流特性仿真分析。

首先，主要是对各种类型分布式故障时，短路电流的多态性进行分析。

其次，对各种类型分布式电源接入配电网后，配电网在各种故障下的故障电流特征进一步研究，并与未接分布式电源的配电网故障电流特性比较，得出分布式电源接入配电网后的主要影响，为进一步研究含分布式电源的配电网保护的动作特性做基础。

3、简要介绍各种类型的分布式电源接入配电网后的保护动作特性以及如何以最小的调整来实现分布式电源接入的目的。

本文以后章节的安排如下：

1、第二章讲述了分布式电源及其分类。

2、第三章主要论述了分布式电源的并网的制约因素，引入了并网的控制类型。

3、第四章详细分析了分布式电源的介入对配电网各种故障的影响，并分析了故障电流的多态性，得出了相关的结论。

4、第五章利用仿真算例进一步验证第四章所得出结论的正确性。

5、第六章简要介绍了各种类型的分布式电源接入配电网后对保护动作特性的影响。

第二章分布式电源建模

分布式发电电源主要包括光伏发电、风力发电、燃机轮机/内燃机/微型燃气轮机、燃料电池、生物质能发电等，通常接入低压配电网（380V或10KV配电网，一般低于66KV电压等级[1]）。

大部分分布式电源的拓扑结构如图1所示，他只要包括带有发电机的分布式电源、直流侧的电容器、逆变器和与电网连接的交流端口电路。

图1分布式电源拓扑结构图

不同种类的分布式电源的拓扑结构之间不尽相同。

本章要介绍了文章中涉及到的典型分布式电源，包括风力发电机、光伏发电、燃料电池和微型燃气轮机。

主要介绍了上述分布式电源的运行原理及特性，并列举了常用的数学模型，并做出了各个分布式电源在仿真环境下的模型，验证了所得到的模型的正确性，为下一章分布式电源与配电网的并网分析做基础。

2.1风力发电

风流过面积为的流面时，风中所蕴含的功率为：

由上式可知，如果要增大风功率，需要增大风流过的面积。

风机（WingdTurbine）吸收的功率PWT为：

式（2-2）中为风轮吸收的风功率，单位为W；为空气密度，单位为kg/m3；为风轮半径，单位为m；为风速，单位为m/s；为风能利用系数，最大值约为0.59；为桨距角；为叶尖速比。

在PSCAD中的模型搭建如图1：

在上述模型中加入启动调节模块，并将风机模型、风机初始角和功率参考模块加入即成为下面的模型：

相应的风机转矩方程为：

目前，风力发电机广泛采用同步发电机和异步发电机两种类型的发电机。

异步发电机和同步发电机分别应用于不同类型的风力发电系统中。

风机的控制方式对发电机的选型也有影响。

当采用定桨距风力发电机恒速恒频控制方式时，常选用感应发电机；采用变桨距风力机时，采用笼型感应发电机；采用变速恒频控制时，常采用双馈（绕线转子）发电机或同步发电机。

同步发电机一般选用永磁同步发电机。

鉴于现阶段变速恒频控制方式较为普遍，本文主要对双馈（绕线转子）发电机和同步发电机两种风力发电机进行讨论。

2.1.1鼠笼型风机组

笼型感应发电机结构上主要由定子和转子两部分构成，定子与转子由气隙，但不大。

目前风力发电所用的感应电机多为双速型，由单绕组双速型和单绕组双速型两种。

如图2所示，感应发电机的等效电路与感应电动机的等效电路基本相同，只是定子转子电流的正方向改变了，即采用发电机惯例。

通常会感应发电机出口处设置补偿电容来减少感应发电机对电网的感性无功负担。

感应发电机的输出功率与转差率之间的关系如图4所示。

所以发电机的正常运行范围基本上是范围内，在点附近达到最大值，随着转差率的增大，输出功率比明显下降，这是因为发电机的无功电流和内部损耗增加的更快，输出功率不增反降。

双速感应发电机的应用范围较广，性能也较为优良。

如图5所示双速感应发电机的输出功率随风速变化的关系曲线。

实时的切换特性曲线可以提高风能利用效率。

如图6所示为PSCAD中建立的鼠笼风力电机模型。

2.1.2双馈恒频型风机组

为了使机组转矩能够跟踪风速的变化，必须对发电机组的转矩进行控制，为此，只需在发电机与电网之间接入变流器，经过这一解耦过程发电机就可以跟踪最大风功率实现变速运行。

当变速恒频风电机组不需要大范围的变速运行，而只需在较窄的范围内实现变速控制时，可选双馈（绕线转子）发电机，发电机的定子绕组直接与电网连接，用于变速恒频控制的变流器街道发电机转子绕组与电网之间。

这时，需要对双馈感应发电机实行转速和转矩的Ⅳ象限控制。

采用双馈感应发电机的变速恒频风电机组的原理图如下图所示。

采用双馈发电机时，需要控制的只是转差功率sP，而转差功率一般不超过发电机额定功率的1/3，这就使得发电机的控制成本大为减低，这种特点是这种类型的发电机广泛使用的原因。

双馈发电机的控制目标为：

控制风力发电机的有功输出和无功交换、使发电机始终最终最优运行点。

图2.2是双馈发电机的综合控制系统，他主要包括发电机控制和风力机控制两个子系统。

为了进一步研究双馈风力发机的控制结构，图1和2分别为转子侧和定子侧的变频器控制示意图。

图1和2分别与之对应的PSCAD中的模块实现。

2.1.2.1双馈发电机的数学模型

在分析双馈发电机模型时先作如下几点假设：

忽略谐波分量，只考虑基波分量；只考虑定转子空间磁势基波分量；不考虑铁损、涡流和磁滞等损耗的影响；不计变换器的阻抗和损耗。

双馈发电机的等值电路（可由异步电机模型对转子电路修改得到）如下图所示：

根据磁势和电势平衡的原则，把转子侧和定子侧丝的物理量转化到一侧，如都转化到定子侧，式（2-31）为双馈电机基本方程。

式中为定子电压,为定子电阻，为定子电流，定子电抗；折算后的转子电压，为折算后的转子电流，是折算后的转子电阻，是折算后的转子电抗；为励磁电流，为励磁电抗；、感应电动势；为转差率。

这里忽略的影响。

分析双馈发电机的动态模型通常在同步旋转的坐标系下进行,通常用定子磁链或电压定向,由于双馈电机通过滑环接入外部电路,不同于一般异步电机,其转子电压与其他异步电机不同和一般不为零。

通过控制转子电压值就可以控制双馈发电机的输出电压和功率。

双馈发电机在同步旋转坐标系下的方程如下：

电机电压方程：

（2-2）中为旋转坐标系的角速度，即同步转速。

磁链方程：

式中为钉子电感，为转子电感，定子转子间的互感。

定子瞬时电功率：

其中第一项为定子铜耗，第二项为电磁功率，第三项为暂态中的功率项。

按照双馈发电机的原理，定子传入转子的电磁功率有两个去向：

一部分拖动转子旋转，另一部分是转子电路的电磁功率。

忽略定子铜耗和电磁暂态过程的双馈发电机的近似电磁转矩为：

2.1.2.2双馈发电机的建模

2.1.3直驱型风机组

直驱式风力发电机组越来越受到关注，这种机组采用低速永磁同步发电机，省去了中间变速机构，采用变桨距技术使桨叶和风电机组的受力情况大为改善。

然而由于变桨距的响应速度和风速变化很难同步，如何提高风能利用利用效率就成为提高风能转化效率的重点。

图2.5所示为变速恒频控制的直驱式永磁同步发电机组原理图，图2.6、2.7所示为变速恒频控制的永磁直驱型风电机组控制结构图。

直驱型风机电气部分采用永磁发电机，永磁同步发电机组的运行原理与电励磁同步发电机组类似，只不过永磁同步发电机组利用永磁体代替电励磁同步发电机组的励磁绕组励磁，结构更简单，省去了集电环和电刷等易损坏部件、提高了可靠性，由于不需要励磁电流，没有励磁损耗，提高了发电机的效率和功率密度。

2.1.3.1永磁同步发电机的数学模型

同步发电机的等效电路图和对应的向量图如下所示：

图中为同步电机的励磁电动势，对于永磁电机也称为永磁电动势，是由转子的主磁场在电枢绕组中感应得到的感应电动势，为发电机相电压，为同步发电机的输出相电流，为同步电抗，为电枢绕组的单相电阻。

其中=+。

如果假设定子绕组端电压的极性和相电流的正方向按如下定义：

正电流ia从端电压ua的正极性流出发电机，b相和c相相同；在d-q坐标系中，d轴与之磁场的方向一致。

与双馈发电机类似，永磁同步发电机在d-q坐标系中的方程如下：

电压方程：

磁链方程：

其中，定子输出电压电流的d、q轴分量分别为：

、、、，、、定子的电阻和电感，角速度为，为磁链。

永磁发电机的电功率瞬时值表达式为：

与感应电动机类似，上式第一项为暂态功率，第二项为绕组损耗，第三项为电磁功率。

定子吸收或发出的无功为：

永磁同步发电机的同步转矩为：

上式中为机械转速，极对数，。

由此可知，通过对定子电流的q轴分量的控制可实现对电磁转矩的控制。

其中，为转子转动惯量，单位为,为风机加于电机轴的机械力矩，单位，，是转子机械角位移。

2.2光伏发电

在这一节，首先介绍了光伏发电的基本原理，然后列举了用于科学研究的常用光伏电源的数学模型，最后介绍了表征光伏电源特性的两种特性曲线：

I-V曲线和P-V曲线。

2.2.1光伏发电的原理

太阳能光伏发电的能量装换器是太阳能电池，太阳能电池是一种类似于晶体二极管的半导体器件，是太阳能发电系统的主要组成部分。

太阳能发电就利用太阳能电池的光伏打效应直接将太阳光的辐射能直接装换为电能，再经过一定的变换，装换为具有一定电能质量的交流电能（也有少部分直接利用直流电能），向系统输送。

太阳能电池有P、N两种同质半导体材料构成，半导体内部存在大量被束缚的高能级电子。

照射到光伏电池上的太阳光辐射能有三种去向：

一部分被光伏电池表面反射回大气，一部分透过太阳能电池，另一部分被太阳能电池吸收。

被吸收的高能级电子吸收太阳光的辐射能后被激发，产生“电子-空穴”对，在PN结的内建电场作用下，被激发的电子和空穴相互运动，P、N两区的空穴向P区表面运动，电子向N区表面运动，如图1。

一段时间后P、N两区的非接触面电势差会变大，倘若在两区之间接一个负载，则负载上会有电流通过。

太阳能电池的输出受外界条件的限制较大，同一块太阳能光伏电池在不同关照强度、环境温度下的输出的功率也会有很大变化。

标准条件（光照强度和环境温度都达到标准值的条件）下太阳能电池的输出电压为0.5V，一般为了得到稳定的输出电压和较大的输出功率，将许多太阳能电池连到一起。

由一片单晶硅片构成的太阳能电池成为单体（Cell），多个太阳能电池单体构成模块（Module），许多个模块一起组成太阳能电池阵列（Array）。

太阳能电池阵列内的单晶硅片有共同共同输出端，可连接负载。

2.2.2光伏电池的数学模型

常见的太阳能光伏电池的模型有多种，其中一种中等复杂的模型如图2所示：

如图2.2所示，太阳能电池单体的输出电压为0.5-0.6V，电压过高，图中的二极管就会饱和导通。

图中RS为串联电阻，RSH为并联电阻（一般来说质量较好的太阳能电池硅晶片1cm2串联电阻RS的范围为7.7-15.3mΩ，并联电阻范围为200-300Ω），IPH为太阳能电池产生的电流，ID为通过二极管的电流，ISH为旁路电流。

当外电路接入负载时，通过负载的电流I与IPH、ID、ISH的关系为：

V为加载负载上的电压，VD为二极管电压，则V与VD的关系如下式：

2.2.2.1短路电流Isc

Isc可以由下式表示：

式（2-3）中：

为在参考温度（通常取为25℃）时太阳能电池的短路电流；环境温度；为太阳能电池的电流温度系数通常为25℃，为75℃），不同类型的太阳能电池值也不同，对于典型的单晶硅太阳能电池为500μA/℃；为参考日照下太阳能电池短路电流温度系数。

温度一定时，太阳能电池短路电流与光照强度的关系如下式：

（2-4）中为太阳光照强度，单位为W/m2。

由（2-3）和（2-4）可得出太阳能电池在任何光照强度与温度下的的短路电流表达式：

2.2.2.2二极管饱和电流

二级管电流可表示为：

式（2-6）中为电子的电荷量,一般取为；是波尔兹曼常数，；是环境的绝对温度温度；n是二极管的理想因数，通常取值为1.3。

由下式决定：

为太阳能电池的带隙电压，为已知量，图1为用可控电流源模拟光伏电池时的控制电路在PSCAD中的实现。

2.2.2.3开路电压VOC表达式

（2-9）中β为参考光照强度下的太阳能电池开路电压温度系数，对于单晶硅光伏电池典型值为5mV/℃。

综上所述，PV电池I-V曲线的表达式为：

它在PSCAD中的实现形式如下：

2.2.2.3光伏发电功率特性

太阳能电池的电流—电压特性（即I-V特性）表征太阳能电池输出电压和电流之间的关系，如2.3所示。

图中Vpm最大工作电压，最大工作电流Ipm，Voc为开路电压，ISC是短路电流。

对于不同温度下光伏电池的开路电压的分析可知，光伏电池的开路电压会随着温度的升高而减小。

光伏电池的输出电流与光照强度成正比，因为电压受光照强度的影响很小，所以光伏电池的功率也会随着光照强度的增加而增大。

光伏并网系统结构图如图2.4所示。

2.2.3仿真模型

根据上一节的关系式,可以在PSCAD/EMTDC中建立光伏模型:

为了验证模型的准确性，分别在不同光照强度和不同温度下对上面的模型仿真，验证各种温度条件下的I-V和P-V特性。

光伏电池的模型参数如表2.1。

保持温度为25℃，改变光伏电池的光照强度：

分别为1000W/m2、800W/m2、600W/m2、400W/m2、200W/m2，分别观察所建仿真模型的I-V、P-V特性曲线。

2.3微型燃气轮机发电系统

微型燃气轮机发电机组由微型燃气轮机及其直接驱动的内置式高速逆变发电机和数字电力控制器（DPC）等部分组成，其中的核心设备由径流式叶轮机械、燃在数百千瓦以下，通常微型燃气轮机烧室、板翘式回热器构成，功率范围的燃料有天然气、甲烷、汽油或柴油等，采用回热式循环。

一般微型燃气轮机发电机组发电效率在30%左右，如果实施热电联产可进一步提高发电效率，可以达到75%。

微型燃气轮机发电系统结构图如图2.1所示。

微型燃气轮机发电机系统的发电原理为：

离心式压气机将空气加压进入回热器，涡轮通过排气预热高压空气，预热的空气进入燃烧室与燃料混合并燃烧高温燃气被送入向心式涡轮，推动向心式涡轮旋转，带动高速发电机发电，如下图所示。

发电机、压气机、透平同轴，所以它们转速相同，通常转速为5000-120000r/min。

发电机首先发出的高频交流电应先通过整流器整流成直流电，再经过逆变器逆变为工频交流电才能并网。

2.3.1微型燃气轮机数学模型

微型燃气轮机作为分不是电源使用时，其数学模型包括器件模型和控制方式模型。

器件模型包括:

燃气透平模型、永磁发电机模型和电力电子变流器（包括整流器和逆变器）等，控制方式模型主要有温度控制模型、速度/负荷控制模型、燃料控制模型。

微型燃气轮机速度/负荷控制模型如下图所示：

速度调节器的输入信号为负荷需求PL及速度偏差，输出为燃料需求信号FD。

通过调节比例系数、积分系数、和常数的大小可以达到调整调节器的有差调节和无差调节的目的。

燃料控制模型和它在PSCAD中的实现形式下图：

图中为温度限制器的积分时间常数；燃料限制器用延迟环节表示，为燃料供给系统的比例系数，为时间常数，为常数；为节积分常数；是反馈系数；与稳态时器械功率对应。

为无负荷额定转速下的燃料流量系数，由重新设置。

信号分别通过透平转矩函数和隔热函数由得到燃料流量信号。

微型燃气轮机的燃料控制信号有来自速度/负荷控制模型中的燃料需求限号FD、透平的排气温度信号以及，输出为燃料流量信号，和的差用来控制温度控制器。

当>时，控制器越限，则信号有FD控制。

2.3.2微型燃气轮机的运行特性

当负载转矩由零逐步达到满载时，微型燃气轮机的转矩、转速和燃料流量的变化特性曲线如下图：

由上图可以看待机械转矩和负载转矩在稳定状态下是平衡的。

当负载为零（即空载）时，转速逐步达到额定值（图中所示标幺值为1），当达到满载时，转速下降到额定的95%附近，转矩继续增大则转速会下降，因为控制环节的调节作用，转速会回到额定值附近。

2.3.3微型燃气轮机的建模

搭建仿真模型时，微型镜像透平发动机的模型普通透平模型即可，差别很小；永磁同步机可以用PSCAD/EMTDC自带的永磁同步机模型；变流器采用三相整流桥模型（逆变器模型在第三章中介绍）。

2.3.3.1微型燃气轮机模型

微型燃气轮机模型主要由转速控制、温度控制、加速控制、燃料系统、压缩机-涡轮机系统等部分组成。

转速控制、加速控制和温度控制分别产生燃料信号，燃料信号通过并网限制阈值开关作用后送入燃料系统，调节燃料的供给量。

PSCAD/EMTDC中的模型如下：

下图是机械转矩和负载转矩及机械转矩变化时转速和燃料调整曲线。

负载从空载增大到额定值，当达到满载时，转速下降，由于控制环节的存在，会调整转矩回到额定值附近。

右下图可知，所建模型能够体现微型燃气轮机的变化规律和对外响应，并满足精确性的要求。

第三章分布式电源的接口与并网控制

对分布式电源的并网及控制问题的研究可归结到对逆变器的研究上来，这是因为并网的分布式电源以你变电源为主，而传统小功率电源技术业已足够成熟。

当前对并网分布式电源的研究热点可分为：

对逆变器控制方面的研究、对逆变电源稳定的研究，对逆变电源并网问题的研究和各逆变电源并网的配合问题的研究几个方面。

嫣然，对逆变型分布式电源的控制研究已经成为逆变型分布式电源的控制和并网问题研究的主要问题。

3.1逆变器接口

3.1.1逆变器接口拓扑

分布式电源的电力接口设备的功能是连接分布式电源与电网连接，将饭不是电源的电能向大电网输送，当输出电能满足并网要求时即可并网发电。

与传统并网接口主要主要采用的同步发电机不同，分布式电源多异步发电机和电力电子变换器等作为并网接口。

通常并网逆变器接口的工作状态有以下三种：

有功传输状态、无功补偿状态和谐波抑制状态，即，通过接口设备，不但可以输送功率，还可以通过传送无功或进行谐波抑制来提高电能质量。

需要注意的是，这三种状态之间并没有明显的转换