分布式光伏电源对配电网短路电流影响的仿真分析

第37卷第8期电网技术Vol.37No.82013年8月PowerSystemTechnologyAug.2013文章编号：1000-3673（2013）08-2080-06中图分类号：TM721文献标志码：A学科代码：470·4051分布式光伏电源对配电网短路电流影响的仿真分析刘健1，林涛2，同向前3，李龙2，张志华1（1．陕西电力科学研究院，陕西省西安市710054；2．国家电网公司，北京市西城区100031;3．西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西省西安市710048）SimulationAnalysisonInfluencesofDistributedPhotovoltaicGenerationonShort-CircuitCurrentinDistributionNetworkLIUJian1,LINTao2,TONGXiangqian3,LILong2,ZHANGZhihua1(1.ShaanxiElectricPowerResearchInstitute,Xi'an710054,ShaanxiProvince,China;2.StateGridCorporationofChina,XichengDistrict,Beijing100031,China;3.SchoolofAutomationandInformationEngineering,Xi'anUniversityofTechnology,Xi'an710048,ShaanxiProvince,China)ABSTRACT：Toaddressthechallengeduetoconnectingdistributedphotovoltaic(PV)generationtodistributionnetwork,basedonthecircuittopologyofgrid-connectinginverterofPVgenerationanditscontrolstrategythesimulationanalysisonvariationofoutputcurrentcharacteristicsofgrid-connectinginverterunderthree-phaseshort-circuitfaultandinterphaseshort-circuitfaultoccurredindistributionnetworkaswellasthatunderdifferentoutputofdistributedPVgenerationareperformed;meanwhile,thesimulationanalysisonvariationofoutputcurrentcharacteristicsofgrid-connectinginverterunderopen-circuitofinsulatedgatebipolartransistor(IGBT)deviceoftheinverterandsingle-phasedisconnectionfaultoccurredinACsidearecarriedout.Allsimulationresultsshowthatwhetherthree-phasefaultorinterphasefaultoccursindistributionnetwork,theshort-circuitcurrentoutputbygrid-connectinginverterdoesnotexceed1.5timesofitsratedcurrent,andtheapproachestocopewithfaultoccurredintheinverteritselfareputforward.KEYWORDS:distributionnetwork;distributionautomation;photovoltaicgeneration;short-circuitcurrent摘要：为应对分布式光伏电源接入配电网的挑战，从分布式光伏并网逆变器的电路拓扑和控制策略出发，仿真分析了并网逆变器在配电网发生三相相间短路故障、两相相间短路故障以及分布式光伏电源不同出力时输出电流的变化特性，同时仿真分析了逆变器自身绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor，IGBT)器件开路、交流侧单相断线故障时输出电流的变化特性，得出无论配电网发生三相或两相短路，由光伏供出的短路电流都不超过其额定电流的1.5倍的结论，并对逆变器自身故障的保护提出了要求。关键词：配电网；配电自动化；光伏电源；短路电流基金项目：国家电网公司科学技术项目(5226KY11003800)。ProjectSupportedbyScienceandTechnologyFoundationoftheStateGridCorporationofChina(5226KY11003800).0引言分布式光伏(photovoltaic，PV)电源接入配电网，必然会向短路点提供一定的短路电流，从而可能对配电自动化故障定位产生影响。文献[1]论述了分布式电源(distributedgenerator，DG)对配电网的影响，文献[2-3]对DG的并网特性提出了基本要求。电机类型DG的短路电流特性取决于发电机的种类和参数，变流器类型DG的短路电流特性主要取决于变流器的控制策略和控制参数。文献[4-5]分析了鼠笼异步发电机和双馈异步发电机的短路电流特性。分布式光伏电源属于变流器类型DG，文献[6-8]讨论了光伏电池及光伏发电系统的动态模型和仿真模型，文献[9-11]分析了光伏发电系统的并网逆变器结构及其控制策略，文献[12]研究了多台光伏逆变器的并联控制，文献[13]研究了单级光伏逆变器的一种柔性并网方法，文献[14]研究了光伏逆变器附加电能质量控制的方法，文献[15]给出了变流器型分布式电源的短路电流特性。本文将分析分布式光伏并网逆变器的电路拓扑和控制策略，仿真分析并网逆变器在配电网发生短路故障以及逆变器自身故障时输出电流的变化特性，以期为进一步研究分布式光伏电源对配电自动化的影响提供参考。1分布式光伏电源的组成和控制分布式光伏电源一般由光伏发电环节、DC-DC变换环节、逆变器环节和滤波环节4部分组成，如图1所示。发电环节将太阳光照能源通过光伏电池第37卷第8期电网技术2081发电直流变换逆变器滤波环节配电系统PVDC-DC变换oPWM驱动测量与控制系统L电流测量变换电压测量变换∼∼∼图1分布式光伏电源系统Fig.1Systemofthedistributedphotovolta转化为直流电能；DC-DC变换环节将发电环节输出的直流电转化为后级逆变器环节所需的幅值相对稳定的直流电；逆变器环节则将直流电逆变为频率与电网电压同步、幅值与电网电压相适应的交流电；滤波环节主要滤除逆变输出电流中的高频分量，保障分布式光伏电源的电能质量。为最大限度地利用光照资源和光伏并网逆变器的型式容量，也为避免分布式光伏电源发出的无功功率对电网电压的影响，通常情况下，分布式光伏电源工作于最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking，MPPT)的有功功率控制方式和单位功率因数的无功控制方式。当电网发生短路故障时，并网逆变器的安全运行将受到威胁。一方面，配电网短路期间光伏电源输出的电流可能剧增，主电路元件出现严重过电流；另一方面，受短路有功功率下降的影响，分布式光伏电源中各个环节之间的功率传输平衡受到破坏，可能导致直流电压失控骤升。为此，分布式光伏电源的并网逆变器必须设计有相应的限压和限流措施。直流电压限制功能通常是由直流变换环节来实现的，而交流电流限制功能则由逆变器环节的控制来完成。因此，分布式光伏电源对配电网短路的电流响应特性完全取决于逆变器的控制策略。分布式光伏并网逆变器的主电路普遍采用基于PWM控制技术的电压源逆变器(voltagesourceinverter，VSI)结构，如图1所示。根据VSI交流侧逆变输出相电压的开关电平数目，VSI常有2电平、3电平和多电平电路拓扑，但从基波的角度来看，均等效为一个频率上与电网电压同步、幅值上连续可控的电压源，此电压源经过滤波电抗器可以等效为一个幅值和相位连续可调的电流源。控制等效电流源的幅值和相位，可以调节光伏并网逆变器与电网交换的有功功率和无功功率。光伏并网逆变器的控制包括外环目标控制和内环电流控制2个层次。目标控制完成分布式光伏电源的有功功率(或直流电压)和无功功率控制，电流控制完成分布式光伏并网逆变器的限电流运行，在配网故障情况下尽量通过电流控制将分布式光伏电源的输出电流限制在允许值之内。根据国标GB/T19939—2005《光伏系统并网技术要求》，在配电网发生短路时由PV电源供出的短路电流最大不超过PV额定电流的1.5倍。PV通常采用基于d-q坐标或abc坐标的直接电流控制的方式，如图2所示。图2(a)为基于d-q坐标的矢量解耦电流控制方式，首先根据有功功率/直流电压和无功功率的设定值(Pref,Udc.ref,Qref)与实际值(P,Udc,Q)的偏差，由目标控制调节器生成VSI交流并网电流的有功分量和无功分量参考值(id.ref,iq.ref)；然后由电流调节器根据电流跟踪控制情况生成VSI输出参考电压的d-q分量(ud,uq)；最后根据输出电压参考信号按照某种PWM调制策略产生绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor，IGBT)驱动信号。usd和usq分别为电源电压的d-q轴ΣΣΣΣP/UdcPref/Udc⋅refQref=0++−−PIPIid⋅ref++−−iq⋅refPIPI矢量解耦usduduqusqωtQiqidPWM控制(a)d-q矢量解耦控制Pref/Udc⋅refQref=0++−−P/UdcQPIPIid⋅refiq⋅ref矢量合成ΣΣΣ+−iaciac⋅refωt(b)电流瞬时值滞环比较控制图2光伏并网逆变器的控制Fig.2ControlofPVgrid-connectedinverters2082刘健等：分布式光伏电源对配电网短路电流影响的仿真分析Vol.37No.8分量，ω为角频率。图2(b)为基于abc坐标的三相电流瞬时值比较控制方式，首先将控制目标(如直流电压、有功功率、无功功率等)由目标调节器转化为交流电流参考信号iac.ref，然后根据实际反馈电流iac与参考电流瞬时值之差直接产生PWM信号。2分布式光伏电源接入对配电网短路电流的影响在配电网短路情况下，DG对馈线和开关中流过的短路电流的影响可用图3来说明。当2号馈线开关B与C之间发生短路时：1）主电源和各个分布式光伏电源均向短路点注入短路电流，短路电流增大。S1S2ABPV1PV3PV2PV4S3∼C图3DGs对配电网短路电流的影响Fig.3InfluenceofDGsontheshort-circuitcurrentindistributionnetwork2）短路点上游开关S2和开关B流过来自主电源、本馈线上游接入的光伏电源(PV2)和其他馈线上光伏电源(PV1和PV4)的短路电流，其中来自分布式光伏电源的短路电流使得故障段馈线电压上升，从而导致主电源供出的短路电流与没有光伏时有所降低。短路点下游开关C也流过其后光伏(如PV3)发出的短路电流，当此电流较大时，可能引起基于电流的传统故障定位策略判断失误。3仿真分析3.1仿真系统试验参数图4为PSCAD仿真环境下分布式光伏电源并网故障仿真模型，其中，以分布式光伏电源接入电网的并网点为考察点，考察点之前的系统(包括系统电源、线路等)等效为一个无穷大电源与内阻抗的串联，考察点接有一定的负荷，在考察点进行三相短路和两相相间短路故障仿真，并进行相应的故障电流分析。图4仿真模型Fig.4Simulationmodel仿真系统试验参数如下：1）系统电源。额定电压为10kV，频率为50Hz，短路容量为10