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