含有分布式电源电网的故障特性 影响因素分析

杨 帅 王双杰

（1.内蒙古工业大学电力学院，呼和浩特 010080 ；2.内蒙古超高压供电局，呼和浩特 010080）

分布式电源接入电网后，网络拓扑及供电方式发生了变化。特别是使传统单电源辐射状电网转变为多端供电的复杂网络。这些变化会直接影响电网中原有潮流的分布，使得配电系统故障后的故障特征与之前有很大的不同[1]。传统的故障检测方法、保护配置模式和整定值已经不能保证保护的正确动作，上述原因严重制约了分布式电源的大规模并网。现阶段并入电网的分布式电源种类很多，可大致分为逆变型和非逆变型两大类。逆变型分布式电源通常要通过电力电子逆变器并网。电力电子逆变器的加入使得分布式电源的特性发生了相应的变化。含Inverter Interfaced Distributed Generator（以下简称IIDG）发电机系统的故障特性很大程度上受到逆变器接口控制系统的影响，它的故障特性与传统意义上电源故障的特性不同，这些不同给含有分布式电源的电网的保护配置和保护参数整定带来了直接的影响。

1 逆变型分布式电源（IIDG）

多数分布式电源的拓扑结构如图1所示[3]，它包括带有发电机的分布式电源、直流侧的电容器、逆变器和与电网连接的交流端口电路。

图1 分布式电源拓扑结构图

分布式电源的电力接口设备的功能是实现分布式电源与电网连接。IIDG 多采用电力电子逆变器等作为并网接口[4]。

逆变器接口输出电流的频率是由其控制策略决定，输出电压的幅值除了与接口逆变器的控制策略有关外，还和直流侧电容的电压值密切相关。进而可以得出：分布式电源的输出由接口逆变器的控制策略决定，而与原动机不存在直接关联，这是采用逆变器接口并网的分布式电源和传统同步发电机直接并网的不同之处。合理的控制策略对于这类分布式电源的正常运行至关重要。

传统电力系统通常将电网里的大容量发电机分为调频机组和非调频机组，调频机组通过调速器参与系统频率调节，而非调频机组常采用同步器与电网进行频率平衡。与之类似，接入电网的分布式电源也可按照是否具有频率调节功能将它们分类控制[2]。其中的一部分为了尽可能多的输出功率或保持设定的功率输出，常采用功率控制方式（PQ控制方式）来实现，另一部分是在孤岛运行状态下担当频率参考点和稳定器作用的分布式电源通常采用电压频率控制方式（V/f），另外还有下垂控制方式等。

2 IIDG 并网建模

本文仿真对象如图2（a）所示，系统采用IEEE34节点标准模型。其中节点846 接有如图2（b）所示的集团式风力发电系统，节点840 接有一个微电网系统。

3 故障特性的影响因素及仿真分析

对故障特性有较大影响的因素主有包括：电源自带的故障电流限制器、发电机种类、中性点接地方式、各序阻抗值大小和逆变器的控制方式等因素。限于篇幅，本文只研究前三种因素的影响。

图2 系统示意图

3.1 故障电流限制器件的影响

现阶段对逆变器的应用来说，绝缘门极双极型晶体管（IGBT）以绝对优势占有很大的比重。因而在研究逆变型分布式电源的短路电路特性就需要考虑IGBT 的承受短路电流的能力。根据故障电流的大小，可以将IGBT 模块的过流保护分为两类：第一类为过载保护，此时故障电流较小，一般为额定工作电流的1.2～1.5 倍；第二类为短路保护，故障电流较大，一般大于额定工作电流的2 倍。逆变型分布式电源的短路故障电流不能超过2 倍额定值。当逆变型分布式电源的输出电流达到2 倍额定电流后，对其的处理方法目前有两种：一种是利用电力电子器件自身的保护使分布式电源的故障电流消失，另一种做法就是在控制模块中增设饱和模块将输出电流限制在2 倍额定电流之内。

3s 时840 节点发生不对称故障时的仿真波形如图3所示。

在故障时电流和电压会发生突变，电力电子逆变器接口为了保护自身不被过电压和大电流损坏，都装设有故障电流限制器件，这些器件在硬件上或软件上对短路电流的幅值起到了限制作用[5]，会使分布式电源在短路故障期间提供短路电流的能力在很大程度上受到限制，如图3所示，系统运行在3s后的故障期间，IIDG 分布式电源所提供的正、负、零序电流分量均很小。常规的过电流保护将失去选择性或存在灵敏不满足要求的现象。所以，在对此类IIDG 的电网进行保护配置和整定时要考虑到分布式电源和电力电子接口器件自身的保护作用。

图3 840 节点故障时的正负零序电流

3.2 发电机类型的影响

现有分布式电源的发电机类型大致分为同步电机和异步电机两大类，由于这两种类型的电机的特性差异，必然会对外特性产生影响。由于现阶段大规模并网的分布式电源中分布式电源以风力发电为主，风力发电机中的双馈电机是带有同步机特性的特殊类型异步电机。这里把它划归同步电机来考虑[6]。

1）具有同步发电机特性的分布式电源模型

这里的同步电机以常见的双馈风力发电机为例，图4（a）和（b）分别表示了PSCAD 中的双馈风力发电机模型和变流器的内部结构图。

图4 风力发电机示意图

2）具有异步电机特性的分布式电源模型

异步风力发电机以鼠笼异步机作为例子，在PSCAD 中模型如图5所示。

图5 异步发电机模型

3）仿真结果分析

这里的分布式电源以66 台、每台风机功率为0.75MW 的风电场为例讨论。风电机组的出口电压为 0.69kV，集电变压器将电压由 0.69kV 升至10.5kV，然后通过风电场变压器接入电网,如图6（a）所示接入846 节点。假设故障发生时间为3.0s。不同类型风机的故障电流仿真波形如图6所示。

图6所示为异步与双馈风电机在有功出力相同、发生三相接地故障时短路电流。由图6（a）可知在异步风电机组近距离发生短路时异步风力发电机的故障电流瞬时增大,最大值约为额定值的7 倍。随着故障时间的推移，故障短路电流持续衰减且衰减迅速，0.6s 后短路电流逐渐衰减为零，即异步电机不能提供持续的故障电流；这是因为异步机组没有独立的励磁结构,短路故障时励磁结构与系统断开,风电机组的励磁机构没有了系统的支持，不能为电机励磁,所以向电网提供的短路电流不能维持。

由图6（b）可知同步发电机则有很大不同，在故障时故障电流瞬时增大，随着故障时间的推移，故障短路电流无变化。这是因为双馈风电机组短路时短路电流也会增大，由于转子侧可以通过转子侧逆变器向电网提供持续短路电流，故障电流不会持续衰减。

故而，当发生故障时异步风电机组的保护装置应快速有效地检测有限的故障电流以使保护装置准确而快速地动作。

图6 不同类型风电机组的短路电流

3.3 接地方式和故障位置的影响

我国现阶段风力发电多以集团式风电场接入电力系统,风电场高压主变高压侧中性点通常经间隙接地运行，系统故障时中性点被击穿，造成系统侧中性点直接接地运行。因此，系统故障时中性点接地方式属直接接地方式，仿真系统如图2（b）所示。

仿真时采用鼠笼风力发电机，故障设在系统侧距主变0.5km 处，故障为3s 后发生a 相接地故障。故障电流波形如图7所示。此时，非故障相电流在幅值和相位上都近似和故障相电流相同。这是由于风机出口电压一般较低，故障时，从高压侧看，低压侧相当于接入了一个大限流电抗，主变高压侧中性点击穿，其中有一绕组接成三角形，则零序阻抗为主变阻抗，此时正负序阻抗远远大于零序阻抗，故障量零序分量占绝对优势。在某种情况下非故障相电流可能比故障相电流还大，使保护的正确动作受到很大影响[7]。

对仿真波形分析可以得出：当带有分布式电源的电网中发生故障后，故障相电流在故障时会发生突变并随着故障时间的推移而持续衰减，最终趋于稳定。随着非故障相的正序阻抗减小非故障相电流逐渐增大，最终会达到一个恒定值。在一定情况下非故障相电流和与故障相电流幅值大小相当，这种现象会使利用幅值来判断故障的保护失去选择性，甚至出现误动的情况。故障发生的位置，即故障发生的变压器端侧不同，故障响应也会不同，在保护配置和整定时应该注意。

图7 不对称短路电流

4 结论

本文首先在PSCAD/EMTDC 中建立并入电网的分布式电源仿真模型，随后，针对电源自带的故障电流限制器、发电机种类、中性点接地方式等各种影响因素进行了详实的仿真。由于分布式电源带有故障电流限制器件或限流保护，会使分布式电源在短路故障时提供短路电流的能力在很大程度上受到限制，针对带有这类IIDG 的电网进行保护配置和整定时，要考虑到分布式电源和电力电子接口器件自身的保护作用。异步发电机作为分布式电源常用发电机类型，其在系统发生故障时，故障特性会与同步电机有很大不同，在保护配置时应该采取相应的措施。分布式电源并网后，系统发生故障时的故障特性与系统的中性点接地方式有关，特别是在异步风力发电机作为分布式电源的情况下，故障时在分布式电源侧检测到的故障电流几乎全部为零序故障电流，非故障相电流与故障相电流近乎相同，使保护的正确动作受到很大影响，甚至会使保护误动作。综上所述，在含有分布式电源的电网发生故障时，保护的配置与整定应该综合考虑多方面的因素而做出适当的调整，以确保继电保护装置能够正确动作。

[1] 刘观起,曹扬.分布式发电并联接入微网的控制技术研究综述[J].电网与清洁能源,2011,27(5): 40-46.

[2] 张健.逆变型分布式电源故障特性分析及配电网保护策略研究[D].武汉: 华中科技大学,2011.

[3] Fang Gao,Iravani M R.Control Strategy for a Distributed generation Unit in Grid-Connected and Autonomous Modes of Operation[J].Power Delivery,IEEE Transactions,April,2008,23(2): 850-859.

[4] Divan D M,Chandorkar M C,Adapa R.Control of parallel connected inverter in stand-alone ac supply systems,in Conf[Z].1991: 1003-1009.

[5] 王双杰,杨炳元,高焱.电网中故障受分布式电源影响的分析[J].电气自动化,2014(3): 71-73.

[6] 陈祎亮.分布式电源的故障特性及其微电网保护原理的研究[D].天津: 天津大学,2010.

[7] 张保会,王进,李光辉,等.风力发电机集团式接入电力系统的故障特征分析[J].电网技术,2012(7): 176-183.