变流器型分布式电源的短路电流响应特性

韩西坪， 同向前， 卢 志， 罗象强， 吴立忞

(1. 广西电网有限责任公司玉林供电局， 广西 玉林 537006；2. 西安理工大学自动化与信息工程学院， 陕西 西安 710048)



变流器型分布式电源的短路电流响应特性

韩西坪1， 同向前2， 卢 志1， 罗象强1， 吴立忞1

(1. 广西电网有限责任公司玉林供电局， 广西 玉林 537006；2. 西安理工大学自动化与信息工程学院， 陕西 西安 710048)

分布式电源的短路电流计算是含分布式电源配电网的故障分析的基础。针对变流器并网型分布式电源，在分析电压源变流器控制系统结构的基础上，仿真研究了幅相控制、矢量解耦控制和电流瞬时值跟踪控制策略下变流器的短路电流变化特征，给出了配电网最严重短路情况下变流器型分布式电源输出电流的统一表达式。最后通过示例说明了分布式电源出力对短路电流的影响。

配电系统； 分布式电源； 变流器； 短路电流

1 引言

分布式电源(Distributed Resources，DR)是一种接入到35kV及以下配电网的小型新兴电源[1]，包括利用分布式能源和可再生能源发电的分布式发电、能量可双向转换的分布式储能装置。作为配电网中的一个电力电源，在配电网发生短路故障时，分布式电源必然会向短路点提供一定的短路电流，从而影响到配电网继电保护、重合闸以及断路器的遮断能力等[2,3]。研究分布式电源在配电网短路时的电流响应特性是分布式电源规模化应用的基础。

按照分布式电源的并网方式，分布式电源可分为电机直接并网型和通过变流器并网型两种。电机直接并网型分布式电源的故障电流特性取决于电机，这点已有成熟的理论分析和仿真支持。文献[4]通过仿真指出，分布式电源将增大配电网的短路电流，且电机型分布式电源对短路电流的贡献要比变流器型分布式电源大；文献[5]分析了短路电流的变化过程，分别给出了基于同步发电机和异步发电机直接并网型分布式电源的短路全电流解析表达式，并通过仿真说明了crowbar电路对双馈异步风力发电机短路电流的影响；文献[6]给出了考虑crowbar电阻影响情况下双馈风力发电机的短路电流表达式；文献[7]分析了配电网短路位置不同和crowbar电路投入与否引起的故障电流的多态性特征；文献[8,9]针对风力发电系统仿真比较了不同故障类型和不同并网类型的分布式电源的短路电流特征，结果表明三相短路电流最大，并网类型对短路电流的贡献大小依次为同步发电机、鼠笼异步发电机、双馈异步发电机和全功率变流器。

关于全功率变流器型分布式电源的电流响应特性亦有研究。文献[8]通过仿真表明，全功率变流器型风力发电系统的短路电流可以限制到略高于额定电流的设定值；文献[9]指出，即使全功率变流器型风力发电的电路拓扑相同，但短路电流会因控制不同而异；文献[10]采用一种限制瞬时电流的电流控制策略，将电流变化分为短路前的稳态工作阶段、短路后的暂态上升阶段和故障限流后的稳态阶段，并给出短路电流的分段表达式。

本文从并网变流器的电路拓扑和控制策略出发，从理论上分析不同控制策略下变流器在配电网发生短路故障时输出电流的变化特性，借助详细的电力电子仿真，总结归纳出分布式电源在正常出力情况下的短路全电流的变化特征和统一的解析表达式，为进一步研究含分布式电源的配电网的短路特性提供参考。

2 变流器型分布式电源的结构与控制

变流器型分布式电源的种类虽然很多，有分布式发电与分布式储能之分，分布式发电又有风力发电、光伏发电等，但是它们通常具有相同或相近的系统结构。图1为变流器型分布式电源的通用系统结构。其一般由发电/电能储存环节、直流变换(AC-DC或DC-DC)环节、逆变环节和滤波环节四部分组成。发电环节将其他形式的能源通过发电设备转化为交流电能或直流电能；直流变换环节将发电环节输出的幅频可变的交流或直流电转化为后级逆变环节所需的幅值相对稳定的直流电；逆变环节则将直流电逆变为频率与电网电压同步、幅值与电网电压相适应的交流电；滤波环节主要滤除逆变输出电流中的高频分量，保障分布式电源的电能质量。

图1 变流器型分布式电源的通用原理结构Fig.1 General scheme of inverter-based DG

从分布式电源的有功潮流控制的角度来看，分布式电源的控制方式主要有最大功率点跟踪控制、恒功率控制和下垂特性控制等。下垂特性控制主要应用于微电网中的分布式电源。

在最大功率点跟踪控制方式下，并网功率跟随风光等可再生能源的最大可用功率而变。为实现这一目的，发电环节和直流变换环节根据当前分布式能源情况实现最大功率跟踪，尽可能多地将自然能源转化为直流电能，而逆变环节通过直流电压稳定控制实现功率平衡，把发出的电能随时全部输送到电网中。

在恒功率控制方式下，并网功率在一段时间内是恒定不变的，但并网功率的设定值受到分布式能源最大可用功率的限制。此时，逆变环节采用恒功率控制，而发电环节和直流变换环节通过直流电压稳定控制实现功率平衡，仅发出逆变环节所需要的电能。

当电网发生短路故障时，变流器输出的电流可能剧增，主电路元件出现严重过电流；另外，受短路期间有功功率下降的影响，分布式电源中各个环节之间的功率传输平衡可能受到破坏，导致直流电压骤升。为此，分布式电源的并网变流器必须设计有相应的限压和限流措施[11]。直流电压限制功能通常是由发电环节和直流变换环节来实现的，而交流电流限制功能则由逆变环节来完成。因此，变流器型分布式电源对配电网短路的电流响应特性主要取决于逆变器的控制特性。

3 分布式电源并网变流器的短路电流

分布式电源的短路电流特性取决于并网逆变器的电路拓扑及其控制策略。分布式电源并网逆变器的主电路普遍采用基于PWM控制技术的电压源换流器(Voltage Source Converter，VSC)结构。不管VSC采用何种电路拓扑，从基波的角度来看都等效为一个与电网电压同相位、幅值连续可控的交流电压源。VSC必须通过串联滤波电抗器与电网相连，这样才能通过控制逆变电压相对于电源电压的幅值和相位来分别调节并网逆变器输出电流的有功分量和无功分量，进而控制分布式电源与电网交换的有功功率和无功功率。

仅就基波而言，分布式电源的并网点电网电压uGrid和VSC逆变输出电压uVSC可表示为：

(1)

分布式电源通过VSC输出到电网的有功功率PDR和无功功率QDR分别为：

(2)

式中，X为串联滤波电抗器的基波电抗；δ为VSC逆变输出电压与电网电压之间的相角差。

逆变器的控制通常包括外环目标控制和内环电流控制，外环控制实现分布式电源的潮流控制或交直流电压控制，内环控制实现电流控制或限流运行。限流运行是在电网故障情况下尽量通过控制将分布式电源的输出电流限制在允许值之内。显然，分布式电源的故障电流响应特性与其电流控制策略密切相关。

3.1 幅相控制策略下分布式电源的短路电流

幅相控制[12]是VSC的一种简单而直接的控制策略，如图2(a)所示。由有功控制目标直接调节参考电压的相角δ，由无功控制目标直接调节参考电压的幅值λ，通过参考电压与三角载波的比较直接生成PWM信号。幅相控制的主要缺点是没有限流能力，一旦配电网发生短路故障，VSC的交流侧仍然可能维持额定值左右的逆变电压输出，从而使分布式电源输出较大的短路电流，此后依靠保护装置退出运行。图2(b)为幅相控制方式下分布式电源在配电网短路时的输出电流仿真波形，其中串联电抗器的电抗率为X*=0.2。

图2 并网逆变器的幅相控制Fig.2 Phase-amplitude control of grid-connected inverter

设分布式电源并网点近端发生三相短路，即UGrid=0，由式(2)可知VSC提供的最大短路容量SSC.max为：

(3)

式中，UVSC.max为VSC逆变输出的最高电压。若以分布式电源的额定容量SN.DR和并网额定电压UN.DR为基准，则式(3)可以改写为：

(4)

式中，ISC.max为分布式电源输出的最大稳态短路电流；IN.DR为分布式电源的额定电流。根据VSC的工作原理，正常情况下VSC逆变输出电压与输出无功功率具有如下关系[12]：

(5)

(6)

在并网逆变器设计中，串联电抗器的电抗率通常为X*=0.2左右。因此，分布式电源可能输出的最大短路电流可达额定电流的5～7倍。实际上，并网逆变器不能在此电流下长时间运行，通常都设计有过电流保护功能。

短路发生后，分布式电源输出的短路电流存在一个暂态变化过程。若忽略短路过程中变流器直流侧电压的波动，即将分布式电源视为一个无穷大容量电源，此时最严重的短路全电流可表示为：

式中，τ为短路回路的时间常数。

3.2 矢量解耦控制策略下分布式电源的短路电流

为了实现限流功能，常在外环目标控制的基础上引入电流内环控制。矢量解耦控制就是电流内环控制的一种，其原理如图3(a)所示。首先，根据有功功率/直流电压和无功功率/交流电压的设定值与实际值的偏差，经过目标控制调节器生成VSC交流电流的有功分量和无功分量参考值，然后由电流调节器根据电流跟踪控制要求生成VSC输出电压参考信号在d-q轴上的分量，最后按照PWM调制策略产生IGBT驱动信号。

图3 并网逆变器的矢量解耦控制Fig.3 Vector decoupled control of grid-connected inverter

显然，通过目标调节器的输出限幅，实现了分布式电源的输出电流限制，可将稳态短路电流限制在某个设定值之内，此时分布式电源等效为一个电流源，其稳态输出电流ISC.lim为：

ISC.lim=kOCIN.DR

(8)

式中，kOC为允许过电流倍数，取值范围通常为1.2左右。

实际反馈电流的d-q分量采用瞬时功率理论来获取，电流控制的响应速度较快。但是，电流变化仍存在调节过程，在配电网发生短路后的次暂态过程中，分布式电源仍可视作一个电压源，输出的最大短路全电流可表示如下：

(9)

式中，TDR为分布式电源电流解耦控制系统的等效响应时间，反映了电流解耦内环控制对短路电流变化过程的影响。3.1节的幅相控制没有电流内环，可视作TDR=∞的一种极端情况，将TDR=∞代入式(9)可以得到式(7)；下文3.3节所述滞环控制可视作TDR=0的另一种极端情况，将TDR=0代入式(9)可以得到式(10)。

图3(b)为配电网在1.5s发生三相短路时采用矢量控制策略的并网逆变器输出的电流仿真波形。仿真中，变流器串联电抗器的电抗率为0.2，过电流倍数取为1.3。可以看出，当并网点短路时，VSC输出电流具有一定的冲击，然后逐渐衰减到设定的最大允许工作电流。电流的暂态过程和冲击峰值取决于电流内环的响应速度。

3.3 滞环控制策略下分布式电源的短路电流

电流滞环控制是电流瞬时值的一种直接控制策略。首先将控制目标(譬如直流电压、有功功率、无功功率等)转化为交流电流参考信号，然后根据实际反馈电流与参考电流瞬时值之差是否超出误差带直接产生PWM信号。图4为滞环电流控制原理图及其短路电流仿真结果。

图4 并网逆变器的电流瞬时值控制Fig.4 Instantaneous current tracking control of grid-connected inverter

由于滞环控制可以实时控制交流电流的瞬时值，当分布式电源并网点发生短路时，分布式电源向短路点提供的短路电流的变化始终可以控制在设定的允许过电流之内。短路电流变化过程取决于目标控制外环输出参考电流的变化，由于外环调节过程的存在，短路电流由短路前的值逐渐上升到过电流限幅值。稳态短路电流限值如式(8)所示，若略去目标外环调节过程的影响，滞环控制下变流器的短路全电流可表示如下：

(10)

3.4 分布式电源短路电流的统一模型

以上分析发现，在不同的电流控制策略时，分布式电源在配电网发生短路时的输出电流特性明显不同，但是短路全电流可以用式(9)来统一描述，现改写如下：

(11)

式中，ISC.max为分布式电源可能提供的最大稳态短路电流有效值，由式(6)决定；ISC.lim为矢量解耦控制和滞环控制方式下的稳态短路电流限值，由式(8)决定；TDR为分布式电源的电流内环调节时间常数，幅相控制时取TDR=∞，滞环控制时取TDR=0，矢量解耦控制时由系统控制特性决定。

将式(6)和式(8)代入式(11)，并考虑到参数的取值范围，可得以分布式电源额定电流和结构参数表示的短路全电流近似表达式：

(12)

4 分布式电源最大出力对短路电流的影响

受自然条件变化的影响，分布式电源的最大出力是不确定的，在配电网发生短路时，分布式电源输出的短路电流也会随之有所不同。以光伏电源为例，说明分布式电源在不同出力时对三相短路电流的影响，系统构成如图5所示。

图5 光伏电源并网仿真模型Fig.5 Simulation model of distribution system with PV power

仿真系统参数如下：电网额定电压10kV/50Hz，并网点系统短路容量100MV·A；光伏电源额定功率5MW，并网逆变器采用矢量解耦控制方式；并网点发生三相对称短路，短路电阻0.2Ω。

按照上述条件，仿真并测试了不同日照强度下并网点发生短路时的各点短路电流，结果如表1所示。其中光伏功率为短路发生前最大功率点跟踪方式下光伏电源输出的功率。可以看出，在日照强度偏低时，分布式电源输出的短路电流随光伏功率的减小有所下降，这是因为光伏输出功率已不足以维持光伏逆变器正常的直流电压水平，导致逆变输出的交流电压和交流电流减小。

表1 不同日照时光伏电源并网系统的短路电流Tab.1 Short-circuit currents of grid with PV power under different irradiances

5 结论

变流器型分布式电源的短路电流响应特性与并网变流器的控制策略有关。电流滞环控制方式下，分布式电源的短路电流始终不大于预设的限流值，也没有电流冲击过程；矢量解耦控制方式下，短路电流存在冲击过程，冲击电流峰值由并网逆变器的串联电抗率决定，稳态短路电流不大于预设的限流值；幅相控制方式下，短路电流最大，稳态短路电流由逆变器的串联电抗率决定。电网发生短路前分布式电源的输出功率大小对分布式电源的短路电流幅值影响较小。

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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

高等学校博士学科点专项科研基金项目(20126118110009)

韩西坪(1984-)， 男， 重庆籍， 工程师， 主要从事电力系统的运行、 检修与试验； 同向前(1961-)， 男， 陕西籍， 教授， 博士， 主要从事电力电子技术在电力系统中的应用研究。

10.12067/ATEEE1607009

1003-3076(2017)07-0028-06

TM713