彭 克, 張 聰, 徐丙垠, 陳 羽, 陳佳佳, 趙學深

(山東理工大學電氣與電子工程學院, 山東省淄博市 255000)

含高密度分布式電源的配電網(wǎng)故障分析關(guān)鍵問題

彭 克, 張 聰, 徐丙垠, 陳 羽, 陳佳佳, 趙學深

(山東理工大學電氣與電子工程學院, 山東省淄博市 255000)

未來配電網(wǎng)的架構(gòu)將具備分布式電源高密度接入、交直流混聯(lián)等顯著特點,配電網(wǎng)故障分析將面臨新的挑戰(zhàn),高密度分布式電源及大量電力電子設(shè)備的接入,使得故障響應(yīng)呈現(xiàn)非線性時空關(guān)聯(lián)特性,交直流系統(tǒng)故障響應(yīng)交互影響進一步加大了故障分析的難度。文中對配電網(wǎng)故障分析的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié),進一步指出高密度分布式電源的時空關(guān)聯(lián)特性解析與解耦建模、交直流配電系統(tǒng)的等效建模以及高效收斂的計算方法是未來配電網(wǎng)故障分析亟待探索的關(guān)鍵問題。

分布式電源; 電力電子; 交直流配電網(wǎng); 故障分析

0 引言

石油、煤炭等傳統(tǒng)能源的日漸枯竭以及環(huán)境污染的日益加劇,使得開發(fā)利用新能源和可再生能源成為中國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。中國在《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》中明確提出了“可再生能源低成本規(guī)模化開發(fā)利用”的要求,近日國家能源局發(fā)布的《可再生能源“十三五”發(fā)展規(guī)劃》指出,到2020年和2030年實現(xiàn)非化石能源占一次能源消費比重15%和20%的目標,加快建立清潔低碳的現(xiàn)代能源體系,促進可再生能源產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展,到2020年底,全國太陽能發(fā)電并網(wǎng)裝機確保實現(xiàn)1.1億kW以上,風力發(fā)電達到2.1億kW以上。作為節(jié)能減排、解決全球氣候變暖以及實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)措施,分布式發(fā)電(DG)技術(shù)在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展,越來越多的分布式電源通過電力電子設(shè)備接入配電網(wǎng),正給電力技術(shù)帶來一場深刻的變革,配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與屬性發(fā)生了重大變化,未來新能源和可再生能源的利用將更多的通過分布式發(fā)電的方式,以多點、分散、密集的高密度形式接入配電網(wǎng),并在配用電領(lǐng)域中扮演越來越重要的角色。分布式電源在不斷滿足電網(wǎng)能量需求的同時,也將帶動電力電子技術(shù)和產(chǎn)品在配電網(wǎng)中的大量配置和使用。

此外,隨著交流電網(wǎng)規(guī)模的擴大以及電壓等級的提高,交流互聯(lián)電網(wǎng)的短路容量不斷增大,其運行控制愈發(fā)復(fù)雜,系統(tǒng)的安全穩(wěn)定問題越來越嚴重。同時,面對電動汽車、分布式電源(如光伏)和LED照明等直流設(shè)備的大規(guī)模接入,交流電網(wǎng)較多的電能變換環(huán)節(jié)導致供配電的效率受到影響。近年來的研究成果表明,基于柔性直流技術(shù)的交直流混合配電網(wǎng)更適合現(xiàn)代城市配電網(wǎng)的發(fā)展,交直流混合配電網(wǎng)可以更好地接納直流分布式電源和負荷,緩解城市電網(wǎng)站點走廊有限與負荷密度高的矛盾,提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平并降低損耗。因此,交直流混合配電網(wǎng)是未來配電網(wǎng)的一個重要發(fā)展趨勢,可以有效提升城市配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量、可靠性與運行效率[1-2]。

可以預(yù)見,配電網(wǎng)的故障特征將出現(xiàn)本質(zhì)上的變化,而配電網(wǎng)的故障規(guī)律與特征是研究配電網(wǎng)繼電保護與配電網(wǎng)自動化故障處理技術(shù)的基礎(chǔ),不僅可以為故障診斷、快速定位和繼電保護等技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù),也可以為配電網(wǎng)的設(shè)備選型、安全運行評估以及規(guī)劃設(shè)計提供技術(shù)支持,因此在配電網(wǎng)故障分析的關(guān)鍵理論與技術(shù)方面亟待開展更為深入的研究與探索。

1 配電網(wǎng)典型特征與挑戰(zhàn)

未來配電網(wǎng)的架構(gòu)將具備交直流混聯(lián)、分布式電源高密度接入等顯著特點,圖1給出了一個基本架構(gòu)示意[3]。

1)大量具有隨機性和間歇性的分布式電源高密度接入,尤其以分布式光伏等逆變型分布式電源居多,在中高壓配電網(wǎng)絡(luò)中低電壓穿越的要求使得并網(wǎng)運行特性尤為復(fù)雜。同時交直流微電網(wǎng)[4]、虛擬電廠[5]等新型網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的出現(xiàn),使得配電網(wǎng)由單一的受端網(wǎng)絡(luò)成為具備自治能力的單元控制區(qū)域。

圖1 未來配電網(wǎng)典型構(gòu)架Fig.1 Typical framework of the future distribution system

2)交直流系統(tǒng)多端互聯(lián),網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和運行方式更加靈活多變。直流系統(tǒng)通過DC/DC變換裝置等可實現(xiàn)不同電壓等級之間的互聯(lián),DC/AC換流器靈活的控制方式可以實現(xiàn)交直流潮流的相互轉(zhuǎn)供,有利于系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運行,未來的智能配電網(wǎng)將會是一個交直流全面混聯(lián)的復(fù)雜系統(tǒng),一方面可與上層交直流混合輸電體系相協(xié)調(diào),另一方面可就地接入直流分布式電源與負荷,滿足配電網(wǎng)的直流源荷接入需求。

3)智能軟開關(guān)裝置(SNOP)、DFACTS(distribution flexible AC transmission systems)等大量電力電子器件接入。電力電子技術(shù)的發(fā)展涌現(xiàn)出許多新型配電裝備,其中較為受關(guān)注的是SNOP和DFACTS裝置。SNOP可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)實現(xiàn)閉環(huán)運行,解決了傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的合環(huán)沖擊電流問題,同時還可實現(xiàn)一側(cè)系統(tǒng)故障時的可靠供電[6]。DFACTS技術(shù)是柔性交流輸電(FACTS)技術(shù)在配電系統(tǒng)中的延伸應(yīng)用,通常與分布式電源或者負荷連接解決電壓質(zhì)量問題[7],以其快速的響應(yīng)特性和靈活的控制手段受到了國內(nèi)外學者的高度重視。

配電網(wǎng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu),尤其是大量逆變型分布式電源以及電力電子設(shè)備的接入,使得配電網(wǎng)的故障時空關(guān)聯(lián)特性呈現(xiàn)典型非線性受控特點,對傳統(tǒng)的故障分析方法提出了新的挑戰(zhàn)。

1)分布式電源等值模型難以定性建模,尤其高密度逆變型分布式電源接入后,其故障特性取決于控制策略,在低電壓穿越控制下故障電流特性更為復(fù)雜,要求電壓跌落超過10%時,每1%的電壓跌落,逆變器至少要提供2%的無功電流,且響應(yīng)速度應(yīng)在20 ms之內(nèi)[8]。因此根據(jù)電壓跌落的不同,分布式電源具有恒功率、故障穿越以及脫網(wǎng)等不同的輸出模式,一方面分布式電源不同的輸出模式對電壓具有不同的支撐作用,另一方面不同的故障點使得分布式電源接入點的電壓跌落程度不同,尤其高密度接入時彼此之間相互影響,逆變型分布式電源在不同時間段的出力特性、不同故障點電壓跌落程度以及低電壓穿越控制下的不同輸出模式,使得故障響應(yīng)以及電氣量分布呈現(xiàn)高維度非線性時空關(guān)聯(lián)特性,故障電流難以定性分析與建模,故障計算等值模型已無法用簡單的電壓源或者電流源描述[9]。

2)交直流混聯(lián)網(wǎng)絡(luò)故障響應(yīng)交互影響,故障特性難以量化分析。直流配電系統(tǒng)根據(jù)直流側(cè)的極性布置情況可分為單極系統(tǒng)與雙極系統(tǒng),以雙極運行較為常見,其極間故障是最為嚴重的故障,不僅造成直流側(cè)電壓急劇下降,也會與交流側(cè)形成故障回路,影響交流側(cè)的響應(yīng)特性[10]。同時考慮到中低壓配電網(wǎng)中性點接地的運行方式,若直流側(cè)電容中性點直接或間接接地,任一換流器交流出口處發(fā)生單相接地故障時,會在交直流兩側(cè)構(gòu)成零序回路,引起直流正負極電壓工頻共模振動,交流側(cè)故障也會引起直流側(cè)電氣量的變化[11]。因此,交直流之間的故障交互影響加大了故障分析的難度,故障分量難以量化表達。

3)傳統(tǒng)故障計算方法難以適用。傳統(tǒng)故障計算方法一般基于線性網(wǎng)絡(luò)原理提出,而大量逆變型分布式電源與電力電子設(shè)備高密度接入的特性,使得配電網(wǎng)成為一個高維非線性有源網(wǎng)絡(luò),對算法的時間復(fù)雜度、空間復(fù)雜度以及收斂性都帶來了新的挑戰(zhàn)[12],傳統(tǒng)的故障計算方法難以直接應(yīng)用于配電網(wǎng)。

因此,面向高密度分布式電源接入后交直流配電系統(tǒng)呈現(xiàn)出的故障特征,傳統(tǒng)故障分析方法顯然已經(jīng)無法適用。

2 故障分析研究現(xiàn)狀

隨著智能配電網(wǎng)與分布式發(fā)電技術(shù)的日益發(fā)展,含分布式電源的交直流配電系統(tǒng)故障分析逐漸引起了各個科研機構(gòu)及眾多學者的重視。

2.1 分布式電源故障電流特征與建模

分布式電源的接入導致配電網(wǎng)的故障電流大小以及分布規(guī)律發(fā)生變化,其影響與分布式電源的類型有關(guān),目前研究通常考慮同步發(fā)電機、異步發(fā)電機、雙饋異步風力發(fā)電機與逆變器并網(wǎng)型4種,采用同步發(fā)電機以及異步發(fā)電機并網(wǎng)的分布式電源研究相對成熟。雙饋發(fā)電機的故障電流特性與Crowbar電路(轉(zhuǎn)子側(cè)保護電路)工作方式有關(guān),如果Crowbar電路在轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)過流后將其長期短路直至系統(tǒng)恢復(fù)正常運行,雙饋發(fā)電機的故障電流輸出特性與異步發(fā)電機類似,若采用主動式Crowbar電路實現(xiàn)低電壓穿越,則需要在轉(zhuǎn)子過流時啟動Crowbar電路對轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器進行短路,而當轉(zhuǎn)子電流下降到一定程度時斷開Crowbar,轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器恢復(fù)工作,此時雙饋發(fā)電機可以向電網(wǎng)注入電流,提供有功和無功支持。在主動Crowbar模式下雙饋發(fā)電機短路電流的初始值仍然比較大,大約2～3個周期后短路電流降至1～1.5倍的額定電流值,因此雙饋發(fā)電機與常規(guī)異步電機的區(qū)別在于轉(zhuǎn)子側(cè)經(jīng)變頻器并網(wǎng)的故障響應(yīng)部分。經(jīng)逆變器并網(wǎng)的分布式電源故障特性較為復(fù)雜,但由于逆變器具有限流功能,輸出的短路電流有限,根據(jù)荷蘭KEMA公司發(fā)布的研究報告[13],表1總結(jié)了不同類型分布式電源在不同并網(wǎng)方式以及不同時間階段(次暫態(tài)、暫態(tài)與穩(wěn)態(tài))的短路電流變化特點[14],表中的數(shù)值是短路電流值與額定電流之比(標幺值),據(jù)此可以估算分布式電源所提供的短路電流。

表1 分布式電源短路電流變化特點Table 1 Short-circuit current variations of distributed generations

雖然通過表中數(shù)據(jù)可以得到分布式電源故障電流的初步規(guī)律,但是在進行繼電保護以及配電自動化的相關(guān)研究時,需要獲取更為準確的故障電流特征,如暫態(tài)分量的變化特征以及衰減規(guī)律等,以便尋求保護動作判據(jù)以及故障定位方法等,尤其采用逆變器并網(wǎng)的分布式電源其故障暫態(tài)過程較為復(fù)雜,與故障前分布式電源的輸出功率、端電壓、控制策略以及負荷等諸多因素相關(guān),目前研究大多基于數(shù)字仿真技術(shù)開展,如文獻[15]基于RTDS仿真平臺揭示了分布式電源在故障發(fā)生、切除全過程中的暫態(tài)特性,并討論了故障位置、電源輸入功率及接入臺數(shù)、無功功率注入量以及所接電網(wǎng)短路容量等因素對逆變電源故障暫態(tài)特性的影響規(guī)律;文獻[16]基于PSCAD/EMTDC仿真平臺研究了分布式電源的對稱故障和不對稱故障響應(yīng)特性;文獻[17]基于Simulink仿真平臺詳細分析了控制器控制參數(shù)對逆變電源暫態(tài)響應(yīng)的影響,并分析了不對稱故障下不同控制策略對故障電流特性的影響。然而,受制于模型準確度的限制,仿真結(jié)果并不能全面反映故障電流的特征。理論解析方法可以深入地分析故障電流的分量特征、變化規(guī)律以及參數(shù)靈敏度等,相比于仿真分析具有明顯的優(yōu)勢,但目前故障電流的理論解析研究較少,文獻[18-19]針對風力發(fā)電系統(tǒng)故障電流特性進行了推導,為理論解析逆變型分布式電源的故障特性提供了思路。因此,通過對逆變器控制機理以及輸出特性的分析,研究逆變器不同控制策略及系統(tǒng)參數(shù)下故障特征的時域解析是獲取故障電流特征的關(guān)鍵所在。

在故障電流的量化計算方面,同步發(fā)電機以及異步發(fā)電機的計算模型較為完善,目前研究主要針對經(jīng)逆變器并網(wǎng)的分布式電源展開,如文獻[20]提出了時變電壓源與恒定阻抗的等值模型,將控制系統(tǒng)的微分方程引入到模型中,通過將微分方程差分化對不同時刻的暫態(tài)分量進行了求解,但其計算過程非常復(fù)雜,工程實用計算中不必進行如此復(fù)雜的分析,一般基于電力電子設(shè)備的快速響應(yīng)特性取故障后的穩(wěn)態(tài)模型,早期開展的相關(guān)研究由于沒有低電壓穿越要求,一般將逆變型分布式電源等效為PQ靜態(tài)節(jié)點[21-22],文獻[23]將逆變型分布式電源進行了簡化處理,等效為過流系數(shù)控制的正序受控電流源。隨著各個國家針對分布式電源入網(wǎng)的低電壓穿越運行技術(shù)規(guī)范出臺,低電壓穿越控制下故障電流特性又呈現(xiàn)出了新的特點,根據(jù)電壓跌落程度分為3個階段:Ⅰ階段,電壓在0.9(標幺值)以上時,分布式電源維持恒功率輸出;Ⅱ階段,電壓在(0.2,0.9)區(qū)間時,保持不脫網(wǎng)運行并向系統(tǒng)提供無功支持;Ⅲ階段,電壓跌落至0.2以下脫網(wǎng)運行,其中Ⅱ階段故障穿越時會對最大輸出電流進行限制(1.2～1.5倍的額定電流)。現(xiàn)有Ⅰ階段恒功率模型的研究已經(jīng)較為明確,基于正序分量控制策略建立正序受控電流源模型;Ⅱ階段在穿越不對稱故障時,負序分量的存在對故障穿越的控制策略又提出了新的要求[24-25],文獻[26]以及文獻[27]針對負序電流注入的控制策略,將逆變型分布式電源等效為正負與負序同時受控的電流源。實際上,穿越不對稱故障時針對分布式電源輸出功率的不同需求存在不同的控制策略,文獻[27]針對故障穿越時的不同控制策略建立了統(tǒng)一的電流受控表達形式,但需考慮脫網(wǎng)時序不斷更新不脫網(wǎng)機組集合。上述研究一般針對一個或者幾個分布式電源展開研究,尚未從故障電流分布的時空關(guān)聯(lián)特性深入探索,等值模型難以適用于高密度接入的場景。

2.2 交直流配電系統(tǒng)故障特征分析與建模

基于全控型電力電子晶體管(IGBT)的柔性直流系統(tǒng)具有潮流控制靈活、無換相失敗等優(yōu)點,成為目前研究的主要趨勢。其中基于兩電平電壓源型換流器(VSC)在實際工程中應(yīng)用較為廣泛,文獻[28]分析了直流電纜故障暫態(tài)特征,據(jù)此提出了接地故障的定位方法;文獻[29]分析了直流配電網(wǎng)兩極短路故障的暫態(tài)過程,提出用電阻型超導限流器來限制故障電流的上升,從而保障現(xiàn)有保護技術(shù)的可靠性;文獻[30]建立了直流配電網(wǎng)單極接地故障的模型,分析了故障電流的特征,并提出了單極接地的故障定位方法。由于兩電平VSC存在輸出電能質(zhì)量差、開斷頻率高、開關(guān)損耗大等缺點,因此模塊化多電平換流器(MMC)通過采用階梯波調(diào)制的方式改善了上述缺點,相關(guān)學者開展了基于MMC的研究,如文獻[31]分析了MMC型直流系統(tǒng)的故障特征,并指出了直流系統(tǒng)繼電保護面臨的難題;文獻[32]結(jié)合深圳多端柔性直流配電示范工程,通過分析MMC換流器及直流配電網(wǎng)的故障特性,提出了相應(yīng)的保護配置方案。上述研究對直流側(cè)極間故障的分析做了較為深入的探討,將故障暫態(tài)過程分為儲能元件放電以及交流電流注入2個階段,各階段通過微分方程描述直流電壓以及電流的響應(yīng)特性,其故障特性理論上分析相對較為清晰。

在交直流配電系統(tǒng)中還需要分析交流故障對直流側(cè)的影響,以便能全面分析故障特征。高壓輸電系統(tǒng)中普遍遵循IEC 60909和ANSI短路計算標準,交流側(cè)系統(tǒng)發(fā)生故障時忽略直流系統(tǒng)的短路電流影響,一是考慮直流輸送容量相對交流較小,忽略其短路電流不會引起太大誤差,二是故障后逆變器發(fā)生換相失敗形成短路通路,從而隔離交直流系統(tǒng)[33]。但在直流配電系統(tǒng)中采用IGBT不存在換相失敗的問題,而且直流配電系統(tǒng)中會接入大量的分布式電源,并非單一的受端系統(tǒng),因此交流側(cè)配電系統(tǒng)故障時,交直流兩側(cè)的交互影響仍需進一步探索。文獻[34]針對交流側(cè)故障、中壓直流側(cè)故障、低壓直流側(cè)故障以及功率開關(guān)元件故障等進行了仿真分析;文獻[35]對交流及直流故障分別進行了仿真分析,并提出了相應(yīng)的保護措施;文獻[36]基于PSCAD/EMTDC平臺,研究了不同故障隔離及恢復(fù)策略下交直流系統(tǒng)的故障響應(yīng)特性。但目前在故障理論推導和機理分析方面研究較少,尤其在交流側(cè)發(fā)生三相短路以及單相短路等不同故障類型,以及換流器采用不同控制策略時,交直流系統(tǒng)之間呈現(xiàn)不同的故障響應(yīng)特性,尚需從理論上進一步進行分析與探索。

在故障計算建模方面,交流配電網(wǎng)絡(luò)的故障模型相對完善,直流配電系統(tǒng)研究相對較少,文獻[37-38]指出在交流電流注入階段的交直流側(cè)短路電流水平,對電網(wǎng)規(guī)劃、交直流系統(tǒng)保護配置、設(shè)備選型等更具有工程意義,并基于MMC推導了極間故障時交流側(cè)和直流側(cè)穩(wěn)態(tài)短路電流的實用工程計算方法。上述研究更適用于背靠背的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),而在中低壓直流網(wǎng)絡(luò)中存在直流饋線、分布式電源、直流負荷以及DC/AC和DC/DC等電力電子裝置[39-40],需要進行系統(tǒng)級建模,文獻[41]建立了基于DC/DC變換器的多端口直流配電系統(tǒng)故障電流穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型,但其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更類似直流變電站。面向直流配電網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計等多方面需求,亟須建立包含多元化設(shè)備的源—網(wǎng)—荷系統(tǒng)級故障計算模型。

此外,交直流系統(tǒng)之間的等值建模目前研究較少,文獻[34,42]分析了交流側(cè)三相短路以及單相短路時直流側(cè)饋入短路電流的機理,并根據(jù)不同的暫態(tài)過程給出了短路電流的計算公式；文獻[43]考慮交流系統(tǒng)不對稱條件下?lián)Q流閥非等間隔導通和三相換相角不相等對開關(guān)函數(shù)的影響,提出了改進的換流器動態(tài)相量模型；文獻[44]基于交流系統(tǒng)不對稱故障下?lián)Q流器的特性,提出了直流系統(tǒng)的等值模型,但上述研究主要針對高壓直流輸電系統(tǒng)展開,對于采用IGBT的直流配電系統(tǒng),其故障機理已經(jīng)完全不同,交直流系統(tǒng)之間的等值建模也需重新探討。

2.3 故障計算方法研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有交流配電系統(tǒng)故障計算方法基本沿用了傳統(tǒng)輸電網(wǎng)的方法,通常分為序分量法和相分量法兩類。序分量法實現(xiàn)了三相對稱元件的三序解耦,計算效率較高,在輸電系統(tǒng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用,部分學者將其應(yīng)用到了配電系統(tǒng)中。文獻[45-46]基于Fortescue理論將對稱分量法擴展應(yīng)用到單相、兩相及三相元件并存的多態(tài)相量配電網(wǎng),通過降低矩陣維數(shù)提高了潮流及故障計算的效率,但未考慮分布式電源的非線性特征。將序分量法應(yīng)用到配電系統(tǒng)中仍然存在較多的問題,當同時計及配電線路以及負荷的不對稱特性,序分量法無法實現(xiàn)各序網(wǎng)絡(luò)的解耦,且故障的模擬需在復(fù)合序網(wǎng)下建立故障邊界條件,故障模擬較為復(fù)雜。

相分量法對三相元件直接建模,由Laughton于1968年首次提出,其物理概念清晰,易處理不對稱元件,對于故障的模擬較為簡單[47]?；谙喾至康亩丝谘a償法利用了配電網(wǎng)純輻射狀或者含有少量閉環(huán)回路的特點,計算效率較高,因而被應(yīng)用于配電網(wǎng)故障計算中[48-49]。上述研究雖然取得了部分成果,但針對逆變型分布式電源接入所形成的非線性網(wǎng)絡(luò)求解方法,一般采用不動點迭代,該算法對初值選擇要求較高,初值給定不合適將導致計算不收斂,而且在算法求解與數(shù)據(jù)存儲效率等方面涉及較少,有學者提出了基于二階變系數(shù)差分方程的快速計算方法[12],但其分布式電源模型以電壓源與阻抗串聯(lián)的線性化模型描述,沒有考慮低電壓穿越控制下的時空關(guān)聯(lián)影響,方法的適用性有限。

在交直流故障混合求解算法方面,針對直流輸電系統(tǒng)已有相關(guān)研究,如文獻[44]采用開關(guān)函數(shù)法和序分量法建立了換流器的等值模型,提出了交直流互聯(lián)系統(tǒng)交替迭代的故障計算方法；文獻[50]提出了基于弦截法的交直流統(tǒng)一迭代求解方法,但面向交直流配電系統(tǒng)尚缺乏相關(guān)研究,可以借鑒直流輸電系統(tǒng)的思路進行探索。

因此面向未來配電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)模與需求,尚需在故障計算方法方面展開深入研究,尤其在算法的收斂性、時間復(fù)雜度、空間復(fù)雜度以及交直流的混合求解方法方面亟待探索。

3 關(guān)鍵問題研究展望

上述研究雖然取得了一定程度的進展,但面向高密度分布式電源接入的交直流配電網(wǎng)故障分析,尚有諸多關(guān)鍵問題需要進一步研究，如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)故障分析的關(guān)鍵問題Fig.2 Key issues of distribution system fault analysis

3.1 分布式電源故障特性理論解析與解耦建模

如前所述,在交流配電系統(tǒng)中計及低電壓穿越控制時,依據(jù)并網(wǎng)點電壓的跌落程度,分布式電源存在恒功率輸出、故障穿越以及脫網(wǎng)運行3種不同的輸出模式,尤其高密度接入時彼此之間相互影響,逆變型分布式電源在不同時間段的出力特性、不同故障點電壓跌落程度以及低電壓穿越控制下的不同輸出模式,使得故障響應(yīng)以及電氣量的分布呈現(xiàn)非線性時空關(guān)聯(lián)特性,因此在進行理論解析時可進行適當?shù)慕惦A簡化,建立計及控制參數(shù)與系統(tǒng)阻抗的故障電流與電壓復(fù)頻域函數(shù)[51],通過拉普拉斯反變換獲取時域解析表達,實現(xiàn)超調(diào)量、過渡時間等動態(tài)響應(yīng)指標以及不同參數(shù)靈敏度的定性分析。

在分布式電源的故障計算建模方面,目前研究一般以一個或幾個分布式電源為研究對象,且網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小,通常采用窮舉的方法先以恒功率模型代入計算,根據(jù)收斂后的電壓值進行判斷,若處于故障穿越階段或者脫網(wǎng)運行,需重新選擇模型計算[27],面向高密度的分布式電源，該方法顯然不可行,可以試想,系統(tǒng)中如果有100個分布式電源,每個分布式電源按照3個模型窮舉,其排列組合的最大計算量為3100!。模型選擇不正確甚至會導致計算結(jié)果不正確或者不收斂,因而在故障計算時如何避免窮舉,實現(xiàn)與時空關(guān)聯(lián)參數(shù)的解耦,進而建立準確的等值模型是亟待解決的關(guān)鍵問題。在理論解析的基礎(chǔ)上,可通過研究不同網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、故障位置以及分布式電源出力等時空參數(shù)對故障電流與電壓的靈敏度,從而提取系統(tǒng)短路容量、網(wǎng)絡(luò)短路阻抗以及分布式電源出力等關(guān)鍵時空分布參數(shù)[52],利用擬合方法將時空關(guān)聯(lián)參數(shù)歸一化[53]，建立電壓估計函數(shù),進而通過電壓預(yù)估建立準確的故障計算模型,實現(xiàn)與時空關(guān)聯(lián)參數(shù)的解耦建模。

3.2 交直流配電系統(tǒng)故障耦合特性建模

交直流配電系統(tǒng)主要通過換流器互聯(lián),因此,交流側(cè)與直流側(cè)故障時,其故障耦合回路通過換流器流通。當直流側(cè)發(fā)生雙極故障時,在交流電流注入階段交直流之間會形成故障回路進而影響交流側(cè)電流,故障回路如圖3所示。

圖3 直流故障流通回路Fig.3 Flow diagram of DC fault circuit

而換流器交流出口處發(fā)生單相接地故障時,尤其在中低壓交流配電網(wǎng)絡(luò)中性點接地時,由于零序分量的存在會引起直流正負極電壓工頻共模振動[54],其零序回路如圖4所示。

圖4 零序回路流通圖Fig.4 Flow diagram of zero sequence circuit

因此,如何計及交直流之間的故障耦合特性,建立準確的交直流配電系統(tǒng)故障分析模型,也是一個亟待解決的關(guān)鍵問題。針對上述問題可通過研究交直流故障耦合回路的電氣量特征,利用換流器模型進行等值,在建立換流器交直流側(cè)電氣量微分方程的基礎(chǔ)上,通過解析的方式得到其穩(wěn)態(tài)解進而建立穩(wěn)態(tài)模型[37],分別將換流器的交流量及直流量等值到交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)進行故障計算,利用換流器的邊界條件實現(xiàn)交直流配電系統(tǒng)的故障耦合特性分析與計算[44]。

此外,直流配電網(wǎng)絡(luò)是一個包含多源多載的系統(tǒng),其內(nèi)部故障時的計算模型同交流系統(tǒng)類似,需建立完整的網(wǎng)絡(luò)及元件模型,由于直流分布式電源沒有低電壓穿越的要求，因此建模相對容易,但DC/DC以及DC/AC等電力電子變換環(huán)節(jié)需考慮其不同的控制策略及輸出特性,建立故障電流的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型,以實現(xiàn)直流網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部故障時的計算分析。

3.3 高效收斂的非線性迭代計算方法

配電網(wǎng)絡(luò)采用三相建模時,矩陣維數(shù)為節(jié)點數(shù)的3倍,當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時,如采用端口補償法,故障端口等效電壓的獲取需要對高維的節(jié)點電壓方程組進行求解,而端口等效阻抗計算涉及高維矩陣的求逆,對算法的時間復(fù)雜度以及空間復(fù)雜度提出了新的挑戰(zhàn),而配電網(wǎng)絡(luò)輻射狀的特點使得三相節(jié)點導納矩陣具有結(jié)構(gòu)上的對稱性以及稀疏性,因此可利用這一特點,采用諸如改進Cholesky方法等實現(xiàn)因子分解[55],基于稀疏向量法實現(xiàn)節(jié)點電壓方程的高效求解[56]。

高密度逆變型分布式電源以及大量電力電子設(shè)備接入后,無論交流系統(tǒng)還是直流系統(tǒng)都存在較強的非線性問題,故障計算成為一個高維非線性方程組的求解問題,現(xiàn)有故障計算方法無論是采用節(jié)點阻抗矩陣還是導納矩陣進行迭代,均屬于不動點迭代方法,收斂域較小,對初值選擇的依賴性較高,需要給定接近于真實解的初值才能保證收斂性,而故障時電壓偏離初始運行點較多,真實解難以估計,初值給定不合適將導致計算不收斂。針對該問題可利用同倫迭代等全局收斂的計算方法[57],通過構(gòu)造不動點同倫函數(shù),保證任意初值啟動迭代均能計算收斂。

考慮交直流配電系統(tǒng)的故障耦合特性,可基于換流器的邊界等效方程,利用交直流交替迭代或者統(tǒng)一迭代的方法實現(xiàn)故障電流求解,但需采取相應(yīng)方法提高算法的收斂性能,如弦截法[50],混合迭代法[58],雙向迭代法[59]等。

4 結(jié)論

配電網(wǎng)的迅速發(fā)展促進了各種新能源、儲能裝置、電力電子換流設(shè)備等大量分散接入,給傳統(tǒng)的配電網(wǎng)故障分析理論帶來了極大的挑戰(zhàn),因此探索新的故障分析方法具有重要的理論意義與工程價值,可以為配電網(wǎng)的繼電保護整定、安全運行評估及規(guī)劃設(shè)計等提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。面向配電網(wǎng)故障分析面臨的挑戰(zhàn),本文梳理了未來需要關(guān)注的幾個關(guān)鍵問題。

1)單一分布式電源的故障特性分析與建模研究較為成熟,但高密度接入時的時空關(guān)聯(lián)特性及建模方法尚需進一步探索。

2)交直流混聯(lián)是未來配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢,基于VSC以及MMC的直流側(cè)極間故障研究較多,其故障特性相對清晰,但交直流系統(tǒng)之間的交互特性與等效建模,尤其含多源多載的直流網(wǎng)絡(luò)分析以及建模尚不成熟。

3)故障計算方法目前多采用不動點迭代,需要綜合考慮算法的時間復(fù)雜度、空間復(fù)雜度以及收斂性等多方面因素,研究更為可靠高效的方法。

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KeyIssuesofFaultAnalysisonDistributionSystemwithHigh-densityDistributedGenerations

PENGKe,ZHANGCong,XUBingyin,CHENYu,CHENJiajia,ZHAOXueshen

(College of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo255000, China)

The future distribution system will have the significant characteristics such as high density integration of distributed generations, interconnection of AC/DC hybrid system. Therefore, the fault analysis for distribution system will face new challenges. As the integration of high density distributed generation and power electronic equipments, the fault response presents the property of nonlinear temporal-spatial correlation, and the fault response interaction influences between AC/DC system further increase the difficulty of fault analysis. In this paper, the current research status of the distribution system fault analysis is summarized, and the key issues to be studied in the future are proposed including the analysis and decoupling modeling of distributed generations for the temporal-spatial correlation characteristics, the equivalent modeling of AC/DC hybrid distribution system, and the effective convergence algorithm.

This work is supported by National Key R&D Program of China (No.2016YFB0900605) and Natural Science Foundation of Shandong Province (No. ZR2017LEE022).

distributed generation; power electronics; AC/DC distribution system; fault analysis

2017-06-09;

2017-09-18。

上網(wǎng)日期: 2017-11-20。

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFB0900605);山東省自然科學基金資助項目(ZR2017LEE022)。

彭 克(1983—),男,通信作者,博士,講師,主要研究方向:分布式發(fā)電系統(tǒng),交直流配電網(wǎng)。E-mail： pkbest@tju.edu.cn

張 聰(1992—),男,碩士研究生,主要研究方向:智能配電網(wǎng)與綜合能源系統(tǒng)。E-mail: choolla@live.com

徐丙垠(1961—),男,博士,教授,博士生導師,主要研究方向:智能配電網(wǎng)與配電自動化。E-mail: xuby@vip.163.com

(編輯代長振)