侯 旭，曲雪瑩，王 鶴

(1.國網長春供電公司 變電運維室，吉林 長春 130000；2.杭州國電機械設計研究院有限公司，浙江 杭州 31000；3.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

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主動配電網中微網并網系統(tǒng)故障穿越研究

侯 旭1，曲雪瑩2，王 鶴3

(1.國網長春供電公司 變電運維室，吉林 長春 130000；2.杭州國電機械設計研究院有限公司，浙江 杭州 31000；3.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

主動配電網是智能電網中配電網發(fā)展的高級技術階段，是具備組合控制各種分布式能源(分布式電源、儲能、可控負荷、需求側響應)能力的配電網絡，是一種可以兼容微電網及其他新能源集成技術的開放體系結構核心。本文正是在這一結構核心的基礎上，通過對光伏及風電并網系統(tǒng)的故障穿越方式進行研究，確定主動配電網瞬時故障期間微網的動作情況及其影響，并以此為依據嘗試確定微網的故障穿越模式。同時對含微網的主動配電網進行了建模分析。

主動配電網；微網；分布式能源；故障穿越

隨著新型可再生能源技術的不斷提高，分布式可再生能源在電力網絡中的滲透率必將越來越高。這一現(xiàn)狀會使得電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運行方式變得越來越復雜多變，最終將會導致傳統(tǒng)電網結構模式無法適應現(xiàn)今高滲透率分布式能源的接入。為應對高滲透率分布式能源的接入這一必然發(fā)展趨勢，專家們提出了微網的概念，同時在微網的基礎之上開始進一步探索智能電網框架下的主動配電網技術模式，旨在解決大規(guī)模間歇式可再生能源接入配電側，提升綠色能源利用率。這一配電網模式已經成為現(xiàn)今配電系統(tǒng)領域的熱點研究問題，并且被認為是未來配電網的必然發(fā)展方向[1-2]。

1 主動配電網

主動配電網是智能電網中配電網發(fā)展的高級技術階段，其具備組合控制各種分布式能源的能力。主動配電網可以通過對并網協(xié)議及管理措施的調整，使得分布式能源可以承擔一定對系統(tǒng)起到一定程度上的支撐作用。在這一基礎上，調度人員可以通過對網絡拓撲結構的高邊來操控系統(tǒng)的運行狀態(tài)，以實現(xiàn)對電能分配與控制的主動性。這一配電模式可以極大的增加配電網對間歇式可再生能源的接納能力，可以有效提電網中能源利用[3-5]。

主動配電網中的微網與常規(guī)狀態(tài)運行下的微網的概念與運行方式也是有區(qū)別的。常規(guī)運行的微網并網運行時，一般僅可以實現(xiàn)局部的區(qū)域自治，對于內部分布式電源所發(fā)出的功率僅能在網內進行消納，若所發(fā)電力過剩，只能降低電源出力，而無法將多余電能上傳至所連接的電力系統(tǒng)中。而由于主動配電網對于間歇式能源可以有效的吸納，所以當微網內部所發(fā)電力過剩時，可以將多余的電能上傳至所連接的主動配電網。常規(guī)運行狀態(tài)下的微網當遇到所接入的電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，微網的控制策略一般是快速而無選擇性地斷開與電力系統(tǒng)的連接以保障自身的安全運行。而主動配電網則要求所連接的微網根據故障的實際情況實時的做出判斷以決定所要執(zhí)行的動作。而這一情況，正是主動配電網與微網的矛盾所在[6-7]。

但是，由于主動配電網可以根據不同故障及電網內部的不同特點，通過合理配置解列點，可以使得在局部范圍內的分布式電源與相鄰負荷以非常態(tài)方式孤島運行，是一種可以兼容新能源集成技術的開放體系結構核心。這使得這一矛盾的解決有了一定的突破口。

本文正是在這一突破口的基礎上，將光伏電站及風電場的故障穿越方式擴展到分布電源當中，并以此為基礎推導主動配電網瞬時故障期間，主動配電網中高滲透率微網的動作情況及其影響，并以此來確定微網的故障穿越模式。

2 光伏及風電的故障穿越

2.1 光伏系統(tǒng)的故障穿越

圖1 光伏系統(tǒng)故障穿越曲線

圖2 光伏系統(tǒng)故障穿越系統(tǒng)結構圖

圖3 風電系統(tǒng)故障穿越曲線

圖4 風電系統(tǒng)故障穿越系統(tǒng)結構圖

在電力系統(tǒng)發(fā)生故障而導致電網電壓跌落時，光伏并網發(fā)電系統(tǒng)不立即離網，而是繼續(xù)保持與電網的連接并提供支撐，有利于電力系統(tǒng)故障的恢復。而一般情況下，在電網發(fā)生故障時，光伏并網系統(tǒng)為保障自身安全而立即解列，這種情況在光伏發(fā)電的穿透率較低時是可以接受的，此時光伏并網系統(tǒng)對電力系統(tǒng)影響很小；當光伏發(fā)電穿透率較高時，光伏并網系統(tǒng)在電力系統(tǒng)故障期間仍然采取被動式自我保護而解列，則會極大的增加電力系統(tǒng)中故障恢復的困難程度，甚至會使電力系統(tǒng)中的故障變得更為嚴重。因此光伏并網系統(tǒng)接人規(guī)則要求光伏電站應具備故障穿越能力，即在電網故障期間保持光伏電站不間斷并網運行。故障穿越要求如圖1所示，曲線1為低電壓穿越曲線，曲線2為零電壓穿越曲線。目前，采用的控制策略有基于控制算法和給予增加硬件這兩種方法[8-9]。

2.2 風電機組的故障穿越

風電機組的故障穿越，指在風機并網點電壓跌落的時候，風機能夠保持持續(xù)并網，甚至向電網提供一定的無功功率，支持電網恢復，直到電網恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間。

一般來講，僅當電網電壓在時間或數(shù)值上處于圖3所示曲線下方時，風機才允許解列；而在曲線以上區(qū)域，風機應保持并網，等待電網恢復。且當電壓位于圖中陰影區(qū)域時，還要求風機向電網提供無功功率支撐，幫助電網恢復。目前常用的風電機組故障穿越方式有：添加靜態(tài)同步補償器或靜態(tài)無功補償器，以及采用額外電路單元儲存或消耗多余能量等幾種[10-11]。

風電機組常采用雙饋風機基于撬棒電阻的故障穿越控制策略。撬棒電阻并聯(lián)連接在轉子變流器和轉子繞組之間，當檢測到流過轉子變流器的電流超過某一值后，撬棒電阻開關閉合，撬棒電阻接入系統(tǒng)，經過一個固定的時間后或轉子變流器的電流下降為某一值后，撬棒電阻開關打開，撬棒電阻切出系統(tǒng)。撬棒電阻保護轉子變流器的機理是將轉子繞組的電流引向自身，從而減少流向轉子變流器的電流[12-13]。同時，在變流器直流電容兩端安裝一個限制電阻，限制電阻的作用是限制電容的電壓值。

3 微網的故障穿越

3.1 微網故障穿越簡介

主動配電網中分布式電源的存在一方面在電網故障時，為用戶提供了新的電源，是提高用戶側供電可靠性、提高配電網自愈能力的重要手段；另一方面，部分間歇式分布電源包括風能、太陽能、水能及由分布式電源及負荷形成的微網等，則需要有效的控制手段對其進行合理調控，否則將會對電網的電能質量帶來負面影響。

電力網絡中發(fā)生的故障會使分布式電源產生一系列異常的暫態(tài)過程，如電壓、電流 或電機轉速的改變。這些非正常現(xiàn)象對分布式電源本身及其控制系統(tǒng)運行產生了異常惡劣的影響。因此為了給分布式發(fā)電設備提供最大限度的保護，絕大多數(shù)的分布式發(fā)電設備并網規(guī)程不要求分布式電源參與系統(tǒng)調節(jié)。當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時分布式電源必須立即離網。這種處理方式在分布式電源滲透率較低時是可行的；然而當分布式電源的滲透率提高到一定成度后，若分布式電源還是采取在故障時離網的控制措施，會使整個電力系統(tǒng)故障恢復難度大幅度增加，甚至可能會使電力系統(tǒng)中故障變得更加嚴重，最終導致電網訓列[14]。

對于主動配電網中微網的故障穿越能力要從以下幾個方面進行研究。①微網內部的微電源的故障穿越能力；②微網內部的敏感負荷的補償能力。

也就是說微網的故障穿越研究需要分以下2個部分來進行：①將針對光伏電站及風電場的故障穿越原理應用到微網的分布式電源中；然后通過對微網內部分布式電源的故障穿越能力及微網內部的電壓暫降補償能力的研究推導微網對外的故障穿越能力；②根據微網的故障穿越情況確定微網內部敏感負荷的補償方式及補償容量。總的來說就是分為對外穿越和對內補償這兩部分進行研究[15-16]。本文主要研究內容正是第一部分，即微網的對外穿越。

3.2 微網的對外穿越

風電廠及光伏電站的故障穿越標準，是風電及光伏的大型生產企業(yè)根據自身生產的設備參數(shù)及電網需求或國家根據本國的設備生產水平及電網標準制定的，既符合設備生產的經濟性要求又符合電網安全運行的可靠性要求的一條相對最優(yōu)曲線。隨著科技的發(fā)展進步，其穿越成本必將越來越低，因此本文將風電廠及光伏電站的故障穿越技術應用。

圖5 微網線路兩節(jié)點模型

同時由于微網的離網保護與主動配電網對于分布式電源的并網支撐要求產生了一定的矛盾。所以，在微網進行故障穿越前需對其內部進行分析。如若微網內部含有如醫(yī)院等重要敏感負荷，則無條件離網轉入孤島運行。反之，如無重要敏感負荷，則還需通過對其內部進行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，在系統(tǒng)失穩(wěn)前要轉入孤島運行。

對于微網電壓穩(wěn)定性的判別，本文采用基于潮流解存在的電壓穩(wěn)定性判別方法，以輸電線路的電壓方程解存在與否作為衡量電壓穩(wěn)定性的指標。為了方便說明，本文將微網化簡為等效兩節(jié)點模型，如圖5。

i為潮流送端，j為潮流受端。由此得線路方程如下：

Vi=Vj+I(R+jX) ，

(1)

(2)

(3)

經過最終變形得到：

(4)

將公式(4)改寫成模值形式，得到：

(5)

進一步改寫，得到：

(6)

根據方程解存在得到判據：

(7)

隨著線路潮流的增大，公式(7)趨于零，系統(tǒng)達到傳輸功率極限，超過這一極限時系統(tǒng)失穩(wěn)。因此可以通過公式(7)的臨界情況推導系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性指標。

電壓穩(wěn)定的臨界條件為

(8)

引入指數(shù)VSI(Voltage Stability Index)，即在公式(8)中分別以VSI·Pj、VSI·Qj代替Pj和Qj得到：

(9)

(10)

通過推導可得以下結論：當VSI大于1時，系統(tǒng)穩(wěn)定；當VSI等于1時系統(tǒng)達到臨界狀態(tài)；當VSI小于1時，系統(tǒng)失穩(wěn)。根據這一判定條件就可確定微網是否穩(wěn)定[17]。

關于對外穿越，在微網穩(wěn)定性允許的情況下，根據風電的低電壓穿越標準、光伏的零電壓穿越標準、微網內部的電壓暫降補償方法及微網的穩(wěn)定性分析，本文嘗試性的對主動配電網中微網系統(tǒng)的故障穿越能力提出了基本要求并對其進行了仿真實驗。

如圖6所示，當主動配電網發(fā)生故障時，針對電壓跌落幅度提出以下要求：當電壓跌落幅度不超過75%，則微網繼續(xù)保持并網運行；當電壓跌落幅度在30%～75%這一區(qū)間，則微網不僅保持并網運行同時還要對主動配電網提供一定的功率支持；當電壓跌落幅度超過75%時，則微網轉入孤島運行狀態(tài)。針對所穿越的故障的時間提出以下要求：如果主動配電網故障超過500 ms還沒開始恢復，則微網脫離主動配電網轉入孤島運行。如圖7所示，根據這一穿越規(guī)則確定了微網的故障穿越流程。

圖7 微網故障穿越基本流程圖

圖8 含微網的主動配電網結構圖

4 算例仿真

4.1 仿真模型

如圖8所示，在PSCAD中建立含分布式電源及高滲透率微網的主動配電網模型。其中主動配電網采用，改進的IEEE 14節(jié)點含風電的配電網模型[18]；微網采用風光儲聯(lián)合供電的簡單微網模型，微網通過變壓器及并網開關與主動配電網相連，微網的容量占配電網總容量的40%。

在仿真時間處于第4秒時，整個系統(tǒng)處于一種穩(wěn)定的運行狀態(tài)。于此時在14節(jié)點產生不同的電壓跌落故障，同時測量5節(jié)點的數(shù)據變化情況。為驗證微網故障穿越與否對于主動配電網的影響，仿真實驗將采用微網對于故障的不同處理方式進行對比仿真實驗。

(1)針對同一故障深度不同故障時間進行對比。

(2)針對同一故障時間不同故障深度進行對比。

4.2 仿真結果

實驗1：在14節(jié)點產生跌落幅度為68%的電壓跌落，故障時間分別為0.15 s、0.3 s、0.6 s，同時測量5節(jié)點在不同控制模式下的電壓跌落情況。其仿真結果如表1所示。

表1 實驗仿真運行結果

可見微網的故障穿越有利于減小主動配電網故障時電壓的跌落幅度。同時故障穿越期間微網對于主動配電網的支撐，可以有效的減小主動配電網的電壓跌落幅度。如圖9到圖11所示，故障持續(xù)時間為0.15 s，采用的控制方式為故障時微網保持并網運行同時對主動配電網提供一定功率支撐。

圖9 故障時負荷電壓圖10 故障時微網并網點(PCC)的功率

圖11 系統(tǒng)頻率變化曲線

圖12 故障時負荷電壓

從實驗1可以看出，隨著故障時間的增加，微網對于主動配電網的支撐能力逐漸減弱，同時在故障結束時對主動配電網穩(wěn)定性的干擾逐漸增強，在故障時間為0.6 s時，在故障后期微網支撐能力明顯不足。所以將微網的故障穿越時間設定為如果主動配電網故障超過500 ms還沒開始恢復，則微網脫離主動配電網轉入孤島運行。

實驗2：在14節(jié)點產生故障時間為0.15 s，跌落幅度分別為25%、35%、55%的電壓跌落，同時測量5節(jié)點在不同控制模式下的電壓跌落情況。仿真結果如表2所示。

表2 實驗仿真運行結果

如圖12所示，故障深跌落度為25%，在當電壓跌落超過10%微網離網這一控制模式下，系統(tǒng)的電壓跌落情況。同時，通過故障深度為25%的三組對比試驗可以看出，微網足夠的故障穿越深度可以有效防止電壓的二次跌落，有益于配電網的故障清除。

從實驗2可以看出，當主動配電網電壓跌落時，微網所穿越的故障程度越深、離網時間越晚，則在同一故障下，主動配電網電壓的跌落幅度越小。因此故障時微網的故障穿越可以有效防止故障的加深，有利于主動配電網的自愈。因此當遇到較為嚴重的故障時，微網需要較深的故障穿越能力才可以有效的降低主動配電網的電壓跌落幅度。同時足夠容量的微網對主動配電網的支撐可有效減小電壓的跌幅。同時綜合考慮微網內部分布式電源的故障穿越能力，將微網的故障穿越深度擬定為75%。

由上述所有實驗可以得出，微網的故障穿越是有繼續(xù)深入研究的價值的。但在其故障穿越的基礎上，其對微網內部分布式電源的控制及對微網內部的敏感負荷的補償還需進行更為深入詳細的研究，以確保故障穿越期間微網內部的分布式電源和敏感負荷不受影響，因為這是推行微網故障穿越的重要前提。

5 總結與展望

綜上所述，可見微網對于瞬時故障的穿越，有利于主動配電網瞬時故障的處理。微網的這一故障處理方式可以有效的減小故障時主動配電網的電壓跌落幅度，同時可有效的防止因大規(guī)模分布式電源離網帶來的配電網整體解列的問題。對于高滲透率可再生能源接入主動配電網有著積極意義。

隨著國家對于可持續(xù)發(fā)展這一國策的重視度越來越高，可再生清潔能源的應用必然是未來能源發(fā)展的重要方向。因此以智能電網為基礎的大規(guī)模接入間歇式可再生能源的主動配電網將是未來電網發(fā)展的必然趨勢，也將是我國未來大力發(fā)展的重點。由此可見對于分布式可再生能源接入主動配電網的方式及故障處理方法的研究必將是未來一段時間內的重點。

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Microgrid Fault Ride-through of Active Distribution Network

Hou Xu1，Qu Xueying2，Wang He3

(1.Substation Operation and Maintenance Department，State Grid Changchun City Electric Power Supply Company，Changchun Jilin 130000；2.Hangzhou State Power Machinery Recearch & Design Institute Co.，ltd.，Hangzhou Zhejiang 310000；3.Electrical Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

Active distribution network is the high-level technical stage that the intelligent electrical network develops.It is a distribution network，what can controls various distributional energy (distributional power source，stored energy，controllable load and demand side response).And it is an open system structure cores which can compatible other microgrid electrical networks and new energy integration technologies.Finally determined the way for microgrid fault ride-through.This article in this structure core foundation，through Photovoltaic power generation systems and Wind power generation system fault ride-through to study.At the same time，this article has carried on the modeling analysis for Microgrid fault ride-through of active distribution network.

Active distribution network；Micro-grid；Distributed generation；Fault ride-throu

2016-08-09

侯 旭(1989-)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向：微網與主動配電網協(xié)調運行.

1005-2992(2017)03-0026-07

TM732

A

電子郵箱： 969833597@qq.com(侯旭)；504262275@qq.com(曲雪瑩)；794525714@qq.com(王鶴)