韓西坪， 同向前， 盧 志， 羅象強(qiáng)， 吳立忞

(1. 廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉林供電局， 廣西 玉林 537006；2. 西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710048)

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變流器型分布式電源的短路電流響應(yīng)特性

韓西坪1， 同向前2， 盧 志1， 羅象強(qiáng)1， 吳立忞1

(1. 廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉林供電局， 廣西 玉林 537006；2. 西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710048)

分布式電源的短路電流計(jì)算是含分布式電源配電網(wǎng)的故障分析的基礎(chǔ)。針對(duì)變流器并網(wǎng)型分布式電源，在分析電壓源變流器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，仿真研究了幅相控制、矢量解耦控制和電流瞬時(shí)值跟蹤控制策略下變流器的短路電流變化特征，給出了配電網(wǎng)最嚴(yán)重短路情況下變流器型分布式電源輸出電流的統(tǒng)一表達(dá)式。最后通過(guò)示例說(shuō)明了分布式電源出力對(duì)短路電流的影響。

配電系統(tǒng)； 分布式電源； 變流器； 短路電流

1 引言

分布式電源(Distributed Resources，DR)是一種接入到35kV及以下配電網(wǎng)的小型新興電源[1]，包括利用分布式能源和可再生能源發(fā)電的分布式發(fā)電、能量可雙向轉(zhuǎn)換的分布式儲(chǔ)能裝置。作為配電網(wǎng)中的一個(gè)電力電源，在配電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，分布式電源必然會(huì)向短路點(diǎn)提供一定的短路電流，從而影響到配電網(wǎng)繼電保護(hù)、重合閘以及斷路器的遮斷能力等[2,3]。研究分布式電源在配電網(wǎng)短路時(shí)的電流響應(yīng)特性是分布式電源規(guī)?；瘧?yīng)用的基礎(chǔ)。

按照分布式電源的并網(wǎng)方式，分布式電源可分為電機(jī)直接并網(wǎng)型和通過(guò)變流器并網(wǎng)型兩種。電機(jī)直接并網(wǎng)型分布式電源的故障電流特性取決于電機(jī)，這點(diǎn)已有成熟的理論分析和仿真支持。文獻(xiàn)[4]通過(guò)仿真指出，分布式電源將增大配電網(wǎng)的短路電流，且電機(jī)型分布式電源對(duì)短路電流的貢獻(xiàn)要比變流器型分布式電源大；文獻(xiàn)[5]分析了短路電流的變化過(guò)程，分別給出了基于同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)型分布式電源的短路全電流解析表達(dá)式，并通過(guò)仿真說(shuō)明了crowbar電路對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)短路電流的影響；文獻(xiàn)[6]給出了考慮crowbar電阻影響情況下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的短路電流表達(dá)式；文獻(xiàn)[7]分析了配電網(wǎng)短路位置不同和crowbar電路投入與否引起的故障電流的多態(tài)性特征；文獻(xiàn)[8,9]針對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真比較了不同故障類型和不同并網(wǎng)類型的分布式電源的短路電流特征，結(jié)果表明三相短路電流最大，并網(wǎng)類型對(duì)短路電流的貢獻(xiàn)大小依次為同步發(fā)電機(jī)、鼠籠異步發(fā)電機(jī)、雙饋異步發(fā)電機(jī)和全功率變流器。

關(guān)于全功率變流器型分布式電源的電流響應(yīng)特性亦有研究。文獻(xiàn)[8]通過(guò)仿真表明，全功率變流器型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的短路電流可以限制到略高于額定電流的設(shè)定值；文獻(xiàn)[9]指出，即使全功率變流器型風(fēng)力發(fā)電的電路拓?fù)湎嗤搪冯娏鲿?huì)因控制不同而異；文獻(xiàn)[10]采用一種限制瞬時(shí)電流的電流控制策略，將電流變化分為短路前的穩(wěn)態(tài)工作階段、短路后的暫態(tài)上升階段和故障限流后的穩(wěn)態(tài)階段，并給出短路電流的分段表達(dá)式。

本文從并網(wǎng)變流器的電路拓?fù)浜涂刂撇呗猿霭l(fā)，從理論上分析不同控制策略下變流器在配電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)輸出電流的變化特性，借助詳細(xì)的電力電子仿真，總結(jié)歸納出分布式電源在正常出力情況下的短路全電流的變化特征和統(tǒng)一的解析表達(dá)式，為進(jìn)一步研究含分布式電源的配電網(wǎng)的短路特性提供參考。

2 變流器型分布式電源的結(jié)構(gòu)與控制

變流器型分布式電源的種類雖然很多，有分布式發(fā)電與分布式儲(chǔ)能之分，分布式發(fā)電又有風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等，但是它們通常具有相同或相近的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖1為變流器型分布式電源的通用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其一般由發(fā)電/電能儲(chǔ)存環(huán)節(jié)、直流變換(AC-DC或DC-DC)環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)和濾波環(huán)節(jié)四部分組成。發(fā)電環(huán)節(jié)將其他形式的能源通過(guò)發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)化為交流電能或直流電能；直流變換環(huán)節(jié)將發(fā)電環(huán)節(jié)輸出的幅頻可變的交流或直流電轉(zhuǎn)化為后級(jí)逆變環(huán)節(jié)所需的幅值相對(duì)穩(wěn)定的直流電；逆變環(huán)節(jié)則將直流電逆變?yōu)轭l率與電網(wǎng)電壓同步、幅值與電網(wǎng)電壓相適應(yīng)的交流電；濾波環(huán)節(jié)主要濾除逆變輸出電流中的高頻分量，保障分布式電源的電能質(zhì)量。

圖1 變流器型分布式電源的通用原理結(jié)構(gòu)Fig.1 General scheme of inverter-based DG

從分布式電源的有功潮流控制的角度來(lái)看，分布式電源的控制方式主要有最大功率點(diǎn)跟蹤控制、恒功率控制和下垂特性控制等。下垂特性控制主要應(yīng)用于微電網(wǎng)中的分布式電源。

在最大功率點(diǎn)跟蹤控制方式下，并網(wǎng)功率跟隨風(fēng)光等可再生能源的最大可用功率而變。為實(shí)現(xiàn)這一目的，發(fā)電環(huán)節(jié)和直流變換環(huán)節(jié)根據(jù)當(dāng)前分布式能源情況實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，盡可能多地將自然能源轉(zhuǎn)化為直流電能，而逆變環(huán)節(jié)通過(guò)直流電壓穩(wěn)定控制實(shí)現(xiàn)功率平衡，把發(fā)出的電能隨時(shí)全部輸送到電網(wǎng)中。

在恒功率控制方式下，并網(wǎng)功率在一段時(shí)間內(nèi)是恒定不變的，但并網(wǎng)功率的設(shè)定值受到分布式能源最大可用功率的限制。此時(shí)，逆變環(huán)節(jié)采用恒功率控制，而發(fā)電環(huán)節(jié)和直流變換環(huán)節(jié)通過(guò)直流電壓穩(wěn)定控制實(shí)現(xiàn)功率平衡，僅發(fā)出逆變環(huán)節(jié)所需要的電能。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，變流器輸出的電流可能劇增，主電路元件出現(xiàn)嚴(yán)重過(guò)電流；另外，受短路期間有功功率下降的影響，分布式電源中各個(gè)環(huán)節(jié)之間的功率傳輸平衡可能受到破壞，導(dǎo)致直流電壓驟升。為此，分布式電源的并網(wǎng)變流器必須設(shè)計(jì)有相應(yīng)的限壓和限流措施[11]。直流電壓限制功能通常是由發(fā)電環(huán)節(jié)和直流變換環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而交流電流限制功能則由逆變環(huán)節(jié)來(lái)完成。因此，變流器型分布式電源對(duì)配電網(wǎng)短路的電流響應(yīng)特性主要取決于逆變器的控制特性。

3 分布式電源并網(wǎng)變流器的短路電流

分布式電源的短路電流特性取決于并網(wǎng)逆變器的電路拓?fù)浼捌淇刂撇呗?。分布式電源并網(wǎng)逆變器的主電路普遍采用基于PWM控制技術(shù)的電壓源換流器(Voltage Source Converter，VSC)結(jié)構(gòu)。不管VSC采用何種電路拓?fù)?，從基波的角度?lái)看都等效為一個(gè)與電網(wǎng)電壓同相位、幅值連續(xù)可控的交流電壓源。VSC必須通過(guò)串聯(lián)濾波電抗器與電網(wǎng)相連，這樣才能通過(guò)控制逆變電壓相對(duì)于電源電壓的幅值和相位來(lái)分別調(diào)節(jié)并網(wǎng)逆變器輸出電流的有功分量和無(wú)功分量，進(jìn)而控制分布式電源與電網(wǎng)交換的有功功率和無(wú)功功率。

僅就基波而言，分布式電源的并網(wǎng)點(diǎn)電網(wǎng)電壓uGrid和VSC逆變輸出電壓uVSC可表示為：

(1)

分布式電源通過(guò)VSC輸出到電網(wǎng)的有功功率PDR和無(wú)功功率QDR分別為：

(2)

式中，X為串聯(lián)濾波電抗器的基波電抗；δ為VSC逆變輸出電壓與電網(wǎng)電壓之間的相角差。

逆變器的控制通常包括外環(huán)目標(biāo)控制和內(nèi)環(huán)電流控制，外環(huán)控制實(shí)現(xiàn)分布式電源的潮流控制或交直流電壓控制，內(nèi)環(huán)控制實(shí)現(xiàn)電流控制或限流運(yùn)行。限流運(yùn)行是在電網(wǎng)故障情況下盡量通過(guò)控制將分布式電源的輸出電流限制在允許值之內(nèi)。顯然，分布式電源的故障電流響應(yīng)特性與其電流控制策略密切相關(guān)。

3.1 幅相控制策略下分布式電源的短路電流

幅相控制[12]是VSC的一種簡(jiǎn)單而直接的控制策略，如圖2(a)所示。由有功控制目標(biāo)直接調(diào)節(jié)參考電壓的相角δ，由無(wú)功控制目標(biāo)直接調(diào)節(jié)參考電壓的幅值λ，通過(guò)參考電壓與三角載波的比較直接生成PWM信號(hào)。幅相控制的主要缺點(diǎn)是沒(méi)有限流能力，一旦配電網(wǎng)發(fā)生短路故障，VSC的交流側(cè)仍然可能維持額定值左右的逆變電壓輸出，從而使分布式電源輸出較大的短路電流，此后依靠保護(hù)裝置退出運(yùn)行。圖2(b)為幅相控制方式下分布式電源在配電網(wǎng)短路時(shí)的輸出電流仿真波形，其中串聯(lián)電抗器的電抗率為X*=0.2。

圖2 并網(wǎng)逆變器的幅相控制Fig.2 Phase-amplitude control of grid-connected inverter

設(shè)分布式電源并網(wǎng)點(diǎn)近端發(fā)生三相短路，即UGrid=0，由式(2)可知VSC提供的最大短路容量SSC.max為：

(3)

式中，UVSC.max為VSC逆變輸出的最高電壓。若以分布式電源的額定容量SN.DR和并網(wǎng)額定電壓UN.DR為基準(zhǔn)，則式(3)可以改寫為：

(4)

式中，ISC.max為分布式電源輸出的最大穩(wěn)態(tài)短路電流；IN.DR為分布式電源的額定電流。根據(jù)VSC的工作原理，正常情況下VSC逆變輸出電壓與輸出無(wú)功功率具有如下關(guān)系[12]：

(5)

(6)

在并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)中，串聯(lián)電抗器的電抗率通常為X*=0.2左右。因此，分布式電源可能輸出的最大短路電流可達(dá)額定電流的5～7倍。實(shí)際上，并網(wǎng)逆變器不能在此電流下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，通常都設(shè)計(jì)有過(guò)電流保護(hù)功能。

短路發(fā)生后，分布式電源輸出的短路電流存在一個(gè)暫態(tài)變化過(guò)程。若忽略短路過(guò)程中變流器直流側(cè)電壓的波動(dòng)，即將分布式電源視為一個(gè)無(wú)窮大容量電源，此時(shí)最嚴(yán)重的短路全電流可表示為：

式中，τ為短路回路的時(shí)間常數(shù)。

3.2 矢量解耦控制策略下分布式電源的短路電流

為了實(shí)現(xiàn)限流功能，常在外環(huán)目標(biāo)控制的基礎(chǔ)上引入電流內(nèi)環(huán)控制。矢量解耦控制就是電流內(nèi)環(huán)控制的一種，其原理如圖3(a)所示。首先，根據(jù)有功功率/直流電壓和無(wú)功功率/交流電壓的設(shè)定值與實(shí)際值的偏差，經(jīng)過(guò)目標(biāo)控制調(diào)節(jié)器生成VSC交流電流的有功分量和無(wú)功分量參考值，然后由電流調(diào)節(jié)器根據(jù)電流跟蹤控制要求生成VSC輸出電壓參考信號(hào)在d-q軸上的分量，最后按照PWM調(diào)制策略產(chǎn)生IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖3 并網(wǎng)逆變器的矢量解耦控制Fig.3 Vector decoupled control of grid-connected inverter

顯然，通過(guò)目標(biāo)調(diào)節(jié)器的輸出限幅，實(shí)現(xiàn)了分布式電源的輸出電流限制，可將穩(wěn)態(tài)短路電流限制在某個(gè)設(shè)定值之內(nèi)，此時(shí)分布式電源等效為一個(gè)電流源，其穩(wěn)態(tài)輸出電流ISC.lim為：

ISC.lim=kOCIN.DR

(8)

式中，kOC為允許過(guò)電流倍數(shù)，取值范圍通常為1.2左右。

實(shí)際反饋電流的d-q分量采用瞬時(shí)功率理論來(lái)獲取，電流控制的響應(yīng)速度較快。但是，電流變化仍存在調(diào)節(jié)過(guò)程，在配電網(wǎng)發(fā)生短路后的次暫態(tài)過(guò)程中，分布式電源仍可視作一個(gè)電壓源，輸出的最大短路全電流可表示如下：

(9)

式中，TDR為分布式電源電流解耦控制系統(tǒng)的等效響應(yīng)時(shí)間，反映了電流解耦內(nèi)環(huán)控制對(duì)短路電流變化過(guò)程的影響。3.1節(jié)的幅相控制沒(méi)有電流內(nèi)環(huán)，可視作TDR=∞的一種極端情況，將TDR=∞代入式(9)可以得到式(7)；下文3.3節(jié)所述滯環(huán)控制可視作TDR=0的另一種極端情況，將TDR=0代入式(9)可以得到式(10)。

圖3(b)為配電網(wǎng)在1.5s發(fā)生三相短路時(shí)采用矢量控制策略的并網(wǎng)逆變器輸出的電流仿真波形。仿真中，變流器串聯(lián)電抗器的電抗率為0.2，過(guò)電流倍數(shù)取為1.3?？梢钥闯?，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)短路時(shí)，VSC輸出電流具有一定的沖擊，然后逐漸衰減到設(shè)定的最大允許工作電流。電流的暫態(tài)過(guò)程和沖擊峰值取決于電流內(nèi)環(huán)的響應(yīng)速度。

3.3 滯環(huán)控制策略下分布式電源的短路電流

電流滯環(huán)控制是電流瞬時(shí)值的一種直接控制策略。首先將控制目標(biāo)(譬如直流電壓、有功功率、無(wú)功功率等)轉(zhuǎn)化為交流電流參考信號(hào)，然后根據(jù)實(shí)際反饋電流與參考電流瞬時(shí)值之差是否超出誤差帶直接產(chǎn)生PWM信號(hào)。圖4為滯環(huán)電流控制原理圖及其短路電流仿真結(jié)果。

圖4 并網(wǎng)逆變器的電流瞬時(shí)值控制Fig.4 Instantaneous current tracking control of grid-connected inverter

由于滯環(huán)控制可以實(shí)時(shí)控制交流電流的瞬時(shí)值，當(dāng)分布式電源并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，分布式電源向短路點(diǎn)提供的短路電流的變化始終可以控制在設(shè)定的允許過(guò)電流之內(nèi)。短路電流變化過(guò)程取決于目標(biāo)控制外環(huán)輸出參考電流的變化，由于外環(huán)調(diào)節(jié)過(guò)程的存在，短路電流由短路前的值逐漸上升到過(guò)電流限幅值。穩(wěn)態(tài)短路電流限值如式(8)所示，若略去目標(biāo)外環(huán)調(diào)節(jié)過(guò)程的影響，滯環(huán)控制下變流器的短路全電流可表示如下：

(10)

3.4 分布式電源短路電流的統(tǒng)一模型

以上分析發(fā)現(xiàn)，在不同的電流控制策略時(shí)，分布式電源在配電網(wǎng)發(fā)生短路時(shí)的輸出電流特性明顯不同，但是短路全電流可以用式(9)來(lái)統(tǒng)一描述，現(xiàn)改寫如下：

(11)

式中，ISC.max為分布式電源可能提供的最大穩(wěn)態(tài)短路電流有效值，由式(6)決定；ISC.lim為矢量解耦控制和滯環(huán)控制方式下的穩(wěn)態(tài)短路電流限值，由式(8)決定；TDR為分布式電源的電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)，幅相控制時(shí)取TDR=∞，滯環(huán)控制時(shí)取TDR=0，矢量解耦控制時(shí)由系統(tǒng)控制特性決定。

將式(6)和式(8)代入式(11)，并考慮到參數(shù)的取值范圍，可得以分布式電源額定電流和結(jié)構(gòu)參數(shù)表示的短路全電流近似表達(dá)式：

(12)

4 分布式電源最大出力對(duì)短路電流的影響

受自然條件變化的影響，分布式電源的最大出力是不確定的，在配電網(wǎng)發(fā)生短路時(shí)，分布式電源輸出的短路電流也會(huì)隨之有所不同。以光伏電源為例，說(shuō)明分布式電源在不同出力時(shí)對(duì)三相短路電流的影響，系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示。

圖5 光伏電源并網(wǎng)仿真模型Fig.5 Simulation model of distribution system with PV power

仿真系統(tǒng)參數(shù)如下：電網(wǎng)額定電壓10kV/50Hz，并網(wǎng)點(diǎn)系統(tǒng)短路容量100MV·A；光伏電源額定功率5MW，并網(wǎng)逆變器采用矢量解耦控制方式；并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生三相對(duì)稱短路，短路電阻0.2Ω。

按照上述條件，仿真并測(cè)試了不同日照強(qiáng)度下并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)的各點(diǎn)短路電流，結(jié)果如表1所示。其中光伏功率為短路發(fā)生前最大功率點(diǎn)跟蹤方式下光伏電源輸出的功率?？梢钥闯觯谌照諒?qiáng)度偏低時(shí)，分布式電源輸出的短路電流隨光伏功率的減小有所下降，這是因?yàn)楣夥敵龉β室巡蛔阋跃S持光伏逆變器正常的直流電壓水平，導(dǎo)致逆變輸出的交流電壓和交流電流減小。

表1 不同日照時(shí)光伏電源并網(wǎng)系統(tǒng)的短路電流Tab.1 Short-circuit currents of grid with PV power under different irradiances

5 結(jié)論

變流器型分布式電源的短路電流響應(yīng)特性與并網(wǎng)變流器的控制策略有關(guān)。電流滯環(huán)控制方式下，分布式電源的短路電流始終不大于預(yù)設(shè)的限流值，也沒(méi)有電流沖擊過(guò)程；矢量解耦控制方式下，短路電流存在沖擊過(guò)程，沖擊電流峰值由并網(wǎng)逆變器的串聯(lián)電抗率決定，穩(wěn)態(tài)短路電流不大于預(yù)設(shè)的限流值；幅相控制方式下，短路電流最大，穩(wěn)態(tài)短路電流由逆變器的串聯(lián)電抗率決定。電網(wǎng)發(fā)生短路前分布式電源的輸出功率大小對(duì)分布式電源的短路電流幅值影響較小。

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Short-circuit current characteristics of inverter based distributed generators

HAN Xi-ping1, TONG Xiang-qian2, LU Zhi1, LUO Xiang-qiang1, WU Li-min1

(1. Yulin Power Supply Bureau, Guangxi Power Grid Co. Ltd., Yulin 537006, China; 2. School of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

The short-circuit current calculation of inverter based distributed generators (DG) is necessary for the fault analysis of grid with DGs. This paper mainly discussed the short-circuit current characteristics of inverter based DG，which is seriously related to the converter topology and control strategy. By analyzing the control strategy of voltage source converter and simulation verification, the current response of the inverter based DG with different control algorithms (such as phase-amplitude control, vector decoupled control and instantaneous current tracking control) was investigated, and the universal analytical equation of current during the most seriously fault was presented. Finally the impact of available maximum power from DG on the fault current was demonstrated by a simulation example.

distribution system; distributed generator; converter; short-circuit current

2016-07-06

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20126118110009)

韓西坪(1984-)， 男， 重慶籍， 工程師， 主要從事電力系統(tǒng)的運(yùn)行、 檢修與試驗(yàn)； 同向前(1961-)， 男， 陜西籍， 教授， 博士， 主要從事電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。

10.12067/ATEEE1607009

1003-3076(2017)07-0028-06

TM713