俞曉峰，袁 嶺，崔藝林，鐘永城，藍(lán)偉軍，曾 丁

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司河源供電局，廣東 河源 517000；2.聞澈顧問(深圳)有限公司，廣東 深圳 518000)

新能源產(chǎn)業(yè)主要以光伏發(fā)電裝機(jī)作為代表，大量分布式光伏接入配電網(wǎng)，在一定程度上改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，造成傳統(tǒng)配電網(wǎng)內(nèi)部繼電無法適應(yīng)分布式光伏電源的接入，最終影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。為保證配電網(wǎng)更快的適應(yīng)分布式光伏電源的接入，本研究在含分布式光伏電源的基礎(chǔ)上，對配電網(wǎng)故障特征進(jìn)行分析，完成配電網(wǎng)對分布式能源的最大化利用，對于電網(wǎng)的穩(wěn)定運行具有重要意義。

1 含分布式光伏電源的配電網(wǎng)故障特征計算模型

本研究對含分布式光伏電源的配電網(wǎng)故障特征計算進(jìn)行深入研究，并在此基礎(chǔ)上建立計算模型[1-2]。

光伏電源在輸出特征方面與傳統(tǒng)的機(jī)組類電源存在較大差異，為實現(xiàn)對光伏電源的整體控制，采用建立光伏電源的配電網(wǎng)故障模型的方式，利用PQ控制策略對并網(wǎng)型光伏電源進(jìn)行控制。光伏電源可在電力系統(tǒng)正常運行的情況下輸出有功功率，即可完成配電網(wǎng)對分布式能源的最大化利用，若電力系統(tǒng)在實際運行過程中出現(xiàn)配電網(wǎng)故障現(xiàn)象，光伏電源可輸出無功功率，通過動態(tài)的方式支撐電力系統(tǒng)的電壓，光伏電源無功電流注入公式為：

ΔIq=α(UN-UDG)

(1)

式中：UN代表的含義為基準(zhǔn)電壓；UDG代表的含義為光伏電源并網(wǎng)點電壓；α代表的含義為光伏電源電壓跌落系數(shù)，該系數(shù)可根據(jù)不同地區(qū)逆變型分布式電源的并網(wǎng)規(guī)定，最終取值為1.5～2.0[3-4]。

并網(wǎng)運行的光伏電源具備一定低電壓穿越能力，在配電網(wǎng)處于故障狀態(tài)時，使配電網(wǎng)維持一斷時間的穩(wěn)定運行。光伏發(fā)電低電壓穿越曲線如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電低電壓穿越曲線Fig.1 Low voltage crossing curve of photovoltaic power generation

從圖1可以看出，該曲線表示配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，光伏電源持續(xù)運行的時間和并網(wǎng)點電壓之間的關(guān)系，從曲線的變化情況可知，并網(wǎng)點電壓的跌落幅值與光伏電源的持續(xù)運行時間之間呈反比變化，跌落幅值越大，光伏電源的持續(xù)運行時間越短。對配電網(wǎng)故障特征的等值計算模型進(jìn)行建立時，應(yīng)充分結(jié)合PQ控制策略以及光伏電源低電壓穿越能力，并在故障分析過程中，將并網(wǎng)型光伏電源看作壓控電流源，等值計算模型的公式：

(2)

光伏電源的輸出電源與接入點電壓之間存在非線性耦合，通常情況下主要采用分段線性等值的方法對故障計算模型進(jìn)行建立。光伏電源輸出的無功電流公式為：

(3)

2 含分布式光伏電源的配電網(wǎng)故障特征計算方法

2.1 配電網(wǎng)故障特征常規(guī)計算方法

(4)

式中Zf表示的含義為故障點的過渡電阻。從配電網(wǎng)的故障端口進(jìn)入的正序故障電流公式為：

(5)

(6)

2.2 配電網(wǎng)故障特征問題分析

通過上述分析可知，配電網(wǎng)處于故障狀態(tài)時，光伏電源的輸出電源與接入點電壓之間存在非線性耦合。為此本研究對配電網(wǎng)的短路數(shù)值進(jìn)行計算時，需要利用迭代算法進(jìn)行求解。但是大量的光伏電源接入配電網(wǎng)內(nèi)部時，采用常規(guī)的短路電流計算方法對短路數(shù)值進(jìn)行計算，存在效率較低以及計算步驟較多等問題。其中效率較低指的是：通過該算法可使配電網(wǎng)內(nèi)部節(jié)點數(shù)目較多，從而引發(fā)節(jié)點阻抗矩陣維度高于正常值，最終降低常規(guī)算法的整體計算效率[11-12]。計算步驟較多指的是：配電網(wǎng)在實際運行過程中，若出現(xiàn)運行方式和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面的變化，采用常規(guī)的短路電流計算方法對短路數(shù)值進(jìn)行計算時，需要對節(jié)點阻抗矩陣進(jìn)行修改，該方式對于數(shù)值計算的時間和步驟均可出現(xiàn)增加現(xiàn)象。為保證對配電網(wǎng)故障特征進(jìn)行精準(zhǔn)分析，本研究考慮前推回代法運算過程中不需要生成節(jié)點阻抗矩陣，并且該算法可在計算速度超高的情況下保證自身穩(wěn)定性，將該算法經(jīng)過改進(jìn)后用于含分布式光伏電源的配電網(wǎng)故障特征計算[13-14]。

3 基于改進(jìn)前推回代法的配電網(wǎng)故障特征計算

3.1 改進(jìn)前推回代法的基本原理

前推回代法對配電網(wǎng)故障特征進(jìn)行分析時，主要包括三個步驟：首先對配電網(wǎng)內(nèi)部各節(jié)點的輸入電流進(jìn)行計算，并通過該計算結(jié)果完成各支路電流的回推，最后對各節(jié)點電壓進(jìn)行前推計算，全部計算步驟均執(zhí)行完畢后，對當(dāng)前節(jié)點的電壓與上一次節(jié)點電壓之間的絕對誤差進(jìn)行計算，直至絕對誤差小于收斂精度時，即可終止迭代流程[15-16]。

第λ次各節(jié)點i的注入電流計算公式：

(7)

結(jié)合KCL原理對各支路電流進(jìn)行回推時，第λ次流過支路ι的電流計算公式為：

(8)

式中：b代表的含義為網(wǎng)絡(luò)支路總數(shù)；j代表的含義為支路末的端節(jié)點號；M代表的含義為下層支路集合。

結(jié)合KVL原理對各節(jié)點電壓進(jìn)行回推時，各節(jié)點電壓的計算公式為：

(9)

式中：Zι代表的含義為支路ι的阻抗。

3.2 改進(jìn)前推回代法的故障特征計算方法

經(jīng)過改進(jìn)后的前推回代法對正常電壓分量故障電壓分量以及弱環(huán)有源配電網(wǎng)的故障進(jìn)行計算時，將故障分量疊加原理作為主要依據(jù)，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合光伏電源的故障輸出特性，對配電網(wǎng)故障狀態(tài)下的系統(tǒng)節(jié)點電壓及支路電流進(jìn)行計算[17-18]。

(1)正常電壓分量計算公式：

(10)

(2)故障電壓分量主要由配電網(wǎng)的故障點作用于無源網(wǎng)絡(luò)而引發(fā)，為此對該數(shù)值進(jìn)行計算時，首先應(yīng)對故障點的短路電流進(jìn)行計算，其兩相短路故障計算公式：

(11)

單相接地故障計算公式：

(12)

兩相接地故障計算公式：

(13)

(14)

(15)

式中：上標(biāo)2代表的含義為負(fù)序分量；上標(biāo)0代表的含義為零序分量。節(jié)點阻抗在數(shù)值上等于該節(jié)點注入電流后產(chǎn)生的節(jié)點電壓值，由此可知在獲取節(jié)點自阻抗數(shù)值時，只需進(jìn)行依次前推回代即可。

故障電壓分量的計算公式：

(16)

式中：P代表的含義為故障節(jié)點編號。本研究對故障電壓分量進(jìn)行計算時，將各節(jié)點的電壓初值設(shè)為0。

(3)對弱環(huán)有源配電網(wǎng)的故障進(jìn)行計算時，主要將端口補(bǔ)償原理作為依據(jù)，完成解環(huán)、等值以及補(bǔ)償三個步驟。其中解環(huán)步驟在合環(huán)點實現(xiàn)，解環(huán)實際上是弱環(huán)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為純輻射網(wǎng)絡(luò)的過程。等值步驟主要利用多端口諾頓等值法對開環(huán)狀態(tài)下的端口進(jìn)行電流注入，多端口系統(tǒng)及等值網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，通過圖2提供的方法即可獲取開環(huán)狀態(tài)下的正常電壓分量及故障電壓分量[19-20]。

圖2 多端口系統(tǒng)及等值網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Multi-port system and equivalent network

以端口α為例，節(jié)點注入電流的計算公式：

(17)

注入電流數(shù)值獲取成功后，需要利用前推回代算法對節(jié)點k、ι之間的電壓進(jìn)行計算，該電壓等于等值阻抗值，其公式：

Zeq=Zkk+Zιι-2Zkι

(18)

等值阻抗值計算完成后，即可得到諾頓等值注入電流，諾頓等值注入電流公式：

(19)

補(bǔ)償步驟獲取的電流數(shù)值即為附加注入電流，其計算公式：

(20)

(21)

3.3 含光伏電源配電網(wǎng)故障計算流程

本研究對配電網(wǎng)的故障部分進(jìn)行計算時，充分結(jié)合上述算法及計算模型，并形成算法程序。將含光伏電源配電網(wǎng)故障計算流程分為6個步驟：首先將系統(tǒng)的參數(shù)、故障類型以及節(jié)點號等信息輸入至算法程序中，在該程序中完成迭代初值的計算；通過該程序判斷系統(tǒng)是否為含環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，并利用上述公式對輻射網(wǎng)及弱環(huán)網(wǎng)的電壓正常分量進(jìn)行計算；結(jié)合配電網(wǎng)出現(xiàn)故障的不同類型，計算配電網(wǎng)各個故障點的電流；計算輻射網(wǎng)及弱環(huán)網(wǎng)的故障電壓分量；對電壓的正常和故障分量進(jìn)行疊加，計算配電網(wǎng)故障時系統(tǒng)各節(jié)點的電壓及各支路的電流；最后對當(dāng)前節(jié)點的電壓值與上次節(jié)點電壓值之間的差值進(jìn)行計算，直至滿足收斂要求即可停止計算程序。

3.4 改進(jìn)前推回代算法收斂性與計算速度

由于前推回代法始于一種不動點迭代法，需要對改進(jìn)前推回代算法的收斂性進(jìn)行研究。本研究對配電網(wǎng)的故障特征進(jìn)行計算時，主要將改進(jìn)前推回代算法作為核心，在此基礎(chǔ)上完成短路電流的計算，計算過程中將全部光伏電源等效為電流源，通過分析可知，負(fù)序及零序等值網(wǎng)絡(luò)中存在的光伏電源接入點沒有注入電流。因此光伏電源模型對改進(jìn)前推回代算法的收斂性沒有影響。

對該算法的計算速度進(jìn)行分析可知，本研究主要采用序分量模型對計算的復(fù)雜程度進(jìn)行降低，并最大限度的縮短計算時長，將該算法與傳統(tǒng)短路計算方法進(jìn)行比較可知，該算法對配電網(wǎng)故障進(jìn)行迭代計算時，無需生成系統(tǒng)的節(jié)點阻抗矩陣，具有計算效率高、影響較小等優(yōu)勢。

4 結(jié)語

本文主要對含分布式光伏電源的配電網(wǎng)故障現(xiàn)象進(jìn)行了研究，為實現(xiàn)對光伏電源的整體控制，采用建立光伏電源的配電網(wǎng)故障模型的方式，利用PQ控制策略對并網(wǎng)型光伏電源進(jìn)行控制。本研究提出一種含分布式光伏電源的配電網(wǎng)故障計算方法，該方法主要以支路角度作為核心，對于電力行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。