李淑娜， 祿 昊， 劉文達(dá)， 李鴻劍， 馬宏明， 張秦康， 閆景皓

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)是全球各行業(yè)的發(fā)展主題， 隨著傳統(tǒng)能源的大量消耗，以及環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，環(huán)境友好式的電力系統(tǒng)是電力行業(yè)發(fā)展的必然方向[1]。 可再生能源的分布式發(fā)電(DG)與電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)電在節(jié)約資源、降低能耗的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)可靠運(yùn)行和靈活控制，為21世紀(jì)電力工業(yè)的發(fā)展提供了新的發(fā)展方向[2]。

然而由于DG 機(jī)組的隨機(jī)性、不可控制性，其大規(guī)模接入在改變電網(wǎng)潮流和短路電流分布的同時(shí)， 給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、 保護(hù)配置及能量管理等方面帶來了新的挑戰(zhàn)[3-4]。 所以在進(jìn)行實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐之前需要進(jìn)行相關(guān)的建模分析，光伏發(fā)電系統(tǒng)由PV 陣列、控制器、逆變器和一些其他部件組成，為提高其并網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性，還需要連接并網(wǎng)控制[5]。 同時(shí)兼顧到發(fā)電機(jī)模塊，考慮到一些特殊情況，比如與同步發(fā)電機(jī)相比，逆變型DG 的故障響應(yīng)速度特別快， 其提供的短路電流受限與開關(guān)器件的極限電流[6-7]。 隨著含可再生能源的配電網(wǎng)系統(tǒng)中短路電流問題的日益突出， 迫切需要研究在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中加入可再生能源后的短路電流特性。

本文針對含光伏的配電網(wǎng)系統(tǒng)， 基于MATLAB/Simulink 建立IEEE 33 配電系統(tǒng)。

最后得到相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析， 針對輻射狀的配電網(wǎng)[8]，在前推回推潮流算法基礎(chǔ)上采用疊加原理計(jì)算故障電流。 所搭建的仿真模型進(jìn)行仿真圖形分析時(shí)，也參考了文獻(xiàn)[9-11]。

1 三相短路電流計(jì)算

三相短路發(fā)生時(shí)，電力系統(tǒng)的三相電路仍然對稱，故稱之為對稱短路。 此類型短路在所有短路故障中形成的短路電流是最大的，造成的危害是最嚴(yán)重的，故介紹三相短路電流計(jì)算。 三相短路計(jì)算主要是短路電流周期 （基頻）分量的計(jì)算，在給定電源電勢時(shí)，實(shí)際上就是穩(wěn)態(tài)交流電路的求解。

1.1 短路的沖擊電流

短路電流瞬間達(dá)到的最高值稱沖擊電流iim。 是為校驗(yàn)所選擇電氣設(shè)備的機(jī)械強(qiáng)度[12]。 當(dāng)沖擊系數(shù)kim取1.8時(shí)，沖擊電流為：

1.2 短路電流的最大有效值

在校驗(yàn)斷路器的斷流能力以及電氣設(shè)備的熱穩(wěn)定的時(shí)候，需要計(jì)算短路電流最大值Iim。 當(dāng)沖擊系數(shù)kim取1.8時(shí)，短路電流最大有效值為[13]：

1.3 短路功率

短路功率是校驗(yàn)開關(guān)切斷能力。 一方面開關(guān)要能切斷這樣大的電流，另一方面，在開關(guān)斷流時(shí)其觸頭應(yīng)經(jīng)受住工作電壓的作用[14]。 短路功率為：

1.4 三相短路計(jì)算

短路電流計(jì)算要建立電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)方程，利用節(jié)點(diǎn)方程作故障計(jì)算，形成系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納(或阻抗)矩陣。 根據(jù)給定的IEEE33 節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)形成節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣Y。 IEEE33節(jié)點(diǎn)接線圖如圖1 所示。

圖1 IEEE 33 節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)

通過IEEE 33 節(jié)點(diǎn)測試系統(tǒng)參數(shù)，可以最終形成包括光伏和負(fù)荷支路的節(jié)點(diǎn)方程如下：

由已知IEEE33 節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)圖搭建MATLAB/SIMULINK 仿真模型圖如圖2 所示。

圖2 IEEE 33 節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)仿真模型

2 仿真分析

電網(wǎng)故障發(fā)生的隨機(jī)因素導(dǎo)致光伏發(fā)電并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落具有隨機(jī)性， 使得光伏發(fā)電故障期間的短路電流表現(xiàn)出不確定性， 為此評估含分布式光伏發(fā)電電力系統(tǒng)的短路電流隨機(jī)變化范圍和分布情況具有重要意義。 通過以上仿真搭建，再加上光伏模塊和短路故障點(diǎn)的設(shè)置，可以進(jìn)一步由仿真圖形更直觀看到光伏和短路故障點(diǎn)位置對三相短路電流的影響。

2.1 增大光伏容量

在原有IEEE33 節(jié)點(diǎn)仿真圖的基礎(chǔ)上增加光伏模塊和三相短路故障點(diǎn)的設(shè)立， 所得故障點(diǎn)三相短路電流波形圖如圖3、圖4、圖5 所示。

圖3 沒有光伏

圖4 光伏容量增大

圖5 光伏容量進(jìn)一步增大

仿真運(yùn)行時(shí)間為1s，從0.2s 開始短路。 圖3 到圖5 逐步增大光伏容量， 由仿真圖形可以看出隨著光伏容量的增大，三相短路電流也在持續(xù)增大。 從圖3 沒有光伏時(shí)短路電流幅值為1 000 安培，當(dāng)光伏容量變大，三相短路電流也在逐漸增加，實(shí)現(xiàn)從幅值1 000 安培到1 500 安培的上升。

2.2 改變短路點(diǎn)位置

在母線1 到2 之間設(shè)立三相短路故障點(diǎn)且無光伏。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

有光伏的情況如圖7 所示。

在母線7 到母線8 之間設(shè)立三相短路故障點(diǎn)沒有光伏的情況下如圖8 所示。

有光伏的情況下如圖9 所示。

在母線31 到母線32 設(shè)立三相短路故障點(diǎn)沒有光伏的情況下如圖10 所示：

圖6 無光伏的情況

圖7 有光伏的情況

有光伏的情況如圖11 所示。

由以上仿真圖形可以看出，短路點(diǎn)離電源越近，三相短路電流越大。反之，越靠近線路末端，短路電流越小。將短路故障設(shè)置在離電源較近的位置時(shí)，三相短路電流幅值達(dá)到5×104安培以上， 隨著短路故障點(diǎn)離線路末端越近時(shí)，三相短路電流幅值已經(jīng)降到1 000 安培以下了。 與此同時(shí)，也可以看出短路電流在有無光伏情況下幅值也不一樣。 在有光伏的情況下，三相短路電流比沒有光伏時(shí)幅值略微增大一點(diǎn)，且波形圖更雜亂。

圖8 沒有光伏的情況

圖9 有光伏的情況

3 結(jié)論

本文主要探討了含可再生能源的配電網(wǎng)系統(tǒng)三相短路電流的計(jì)算分析， 用IEEE 33 節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，并加入了相關(guān)的光伏模塊和三相短路故障點(diǎn)的設(shè)立。

首先根據(jù)目標(biāo)要求選配好了參數(shù)， 之后記錄了在改變光伏模塊參數(shù)， 還有改變短路點(diǎn)情況下的三相短路電流波形圖。

通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)， 在含可再生能源的配電網(wǎng)系統(tǒng)三相短路電流的計(jì)算分析中， 隨著光伏容量的逐漸增大，三相短路電流也在逐步增大。 其次，短路接入點(diǎn)的改變對配電網(wǎng)系統(tǒng)的輸出作用明顯，短路故障點(diǎn)離電源越近，三相短路電流越大，與此同時(shí)，有光伏的條件下，短路電流會比沒光伏時(shí)略微大一些。

圖10 沒有光伏的情況

圖11 有光伏的情況