分布式光伏电源的配电网故障特征计算模型分析

2023-02-11俞晓峰崔艺林钟永城蓝伟军

粘接 2023年1期

俞晓峰，袁岭，崔艺林，钟永城，蓝伟军，曾丁

(1.广东电网有限责任公司河源供电局，广东河源 517000；2.闻澈顾问(深圳)有限公司，广东深圳 518000)

新能源产业主要以光伏发电装机作为代表，大量分布式光伏接入配电网，在一定程度上改变了传统配电网的网络结构，造成传统配电网内部继电无法适应分布式光伏电源的接入，最终影响电网的稳定运行。为保证配电网更快的适应分布式光伏电源的接入，本研究在含分布式光伏电源的基础上，对配电网故障特征进行分析，完成配电网对分布式能源的最大化利用，对于电网的稳定运行具有重要意义。

1 含分布式光伏电源的配电网故障特征计算模型

本研究对含分布式光伏电源的配电网故障特征计算进行深入研究，并在此基础上建立计算模型[1-2]。

光伏电源在输出特征方面与传统的机组类电源存在较大差异，为实现对光伏电源的整体控制，采用建立光伏电源的配电网故障模型的方式，利用PQ控制策略对并网型光伏电源进行控制。光伏电源可在电力系统正常运行的情况下输出有功功率，即可完成配电网对分布式能源的最大化利用，若电力系统在实际运行过程中出现配电网故障现象，光伏电源可输出无功功率，通过动态的方式支撑电力系统的电压，光伏电源无功电流注入公式为：

ΔIq=α(UN-UDG)

(1)

式中：UN代表的含义为基准电压；UDG代表的含义为光伏电源并网点电压；α代表的含义为光伏电源电压跌落系数，该系数可根据不同地区逆变型分布式电源的并网规定，最终取值为1.5～2.0[3-4]。

并网运行的光伏电源具备一定低电压穿越能力，在配电网处于故障状态时，使配电网维持一断时间的稳定运行。光伏发电低电压穿越曲线如图1所示。

图1 光伏发电低电压穿越曲线Fig.1 Low voltage crossing curve of photovoltaic power generation

从图1可以看出，该曲线表示配电网出现故障时，光伏电源持续运行的时间和并网点电压之间的关系，从曲线的变化情况可知，并网点电压的跌落幅值与光伏电源的持续运行时间之间呈反比变化，跌落幅值越大，光伏电源的持续运行时间越短。对配电网故障特征的等值计算模型进行建立时，应充分结合PQ控制策略以及光伏电源低电压穿越能力，并在故障分析过程中，将并网型光伏电源看作压控电流源，等值计算模型的公式：

(2)

光伏电源的输出电源与接入点电压之间存在非线性耦合，通常情况下主要采用分段线性等值的方法对故障计算模型进行建立。光伏电源输出的无功电流公式为：

(3)

2 含分布式光伏电源的配电网故障特征计算方法

2.1 配电网故障特征常规计算方法

(4)

式中Zf表示的含义为故障点的过渡电阻。从配电网的故障端口进入的正序故障电流公式为：

(5)

(6)

2.2 配电网故障特征问题分析

通过上述分析可知，配电网处于故障状态时，光伏电源的输出电源与接入点电压之间存在非线性耦合。为此本研究对配电网的短路数值进行计算时，需要利用迭代算法进行求解。但是大量的光伏电源接入配电网内部时，采用常规的短路电流计算方法对短路数值进行计算，存在效率较低以及计算步骤较多等问题。其中效率较低指的是：通过该算法可使配电网内部节点数目较多，从而引发节点阻抗矩阵维度高于正常值，最终降低常规算法的整体计算效率[11-12]。计算步骤较多指的是：配电网在实际运行过程中，若出现运行方式和网络结构方面的变化，采用常规的短路电流计算方法对短路数值进行计算时，需要对节点阻抗矩阵进行修改，该方式对于数值计算的时间和步骤均可出现增加现象。为保证对配电网故障特征进行精准分析，本研究考虑前推回代法运算过程中不需要生成节点阻抗矩阵，并且该算法可在计算速度超高的情况下保证自身稳定性，将该算法经过改进后用于含分布式光伏电源的配电网故障特征计算[13-14]。

3 基于改进前推回代法的配电网故障特征计算

3.1 改进前推回代法的基本原理

前推回代法对配电网故障特征进行分析时，主要包括三个步骤：首先对配电网内部各节点的输入电流进行计算，并通过该计算结果完成各支路电流的回推，最后对各节点电压进行前推计算，全部计算步骤均执行完毕后，对当前节点的电压与上一次节点电压之间的绝对误差进行计算，直至绝对误差小于收敛精度时，即可终止迭代流程[15-16]。

第λ次各节点i的注入电流计算公式：

(7)

结合KCL原理对各支路电流进行回推时，第λ次流过支路ι的电流计算公式为：

(8)

式中：b代表的含义为网络支路总数；j代表的含义为支路末的端节点号；M代表的含义为下层支路集合。

结合KVL原理对各节点电压进行回推时，各节点电压的计算公式为：

(9)

式中：Zι代表的含义为支路ι的阻抗。

3.2 改进前推回代法的故障特征计算方法

经过改进后的前推回代法对正常电压分量故障电压分量以及弱环有源配电网的故障进行计算时，将故障分量叠加原理作为主要依据，在此基础上，结合光伏电源的故障输出特性，对配电网故障状态下的系统节点电压及支路电流进行计算[17-18]。

(1)正常电压分量计算公式：

(10)

(2)故障电压分量主要由配电网的故障点作用于无源网络而引发，为此对该数值进行计算时，首先应对故障点的短路电流进行计算，其两相短路故障计算公式：

(11)

单相接地故障计算公式：

(12)

两相接地故障计算公式：

(13)

(14)

(15)

式中：上标2代表的含义为负序分量；上标0代表的含义为零序分量。节点阻抗在数值上等于该节点注入电流后产生的节点电压值，由此可知在获取节点自阻抗数值时，只需进行依次前推回代即可。

故障电压分量的计算公式：

(16)

式中：P代表的含义为故障节点编号。本研究对故障电压分量进行计算时，将各节点的电压初值设为0。

(3)对弱环有源配电网的故障进行计算时，主要将端口补偿原理作为依据，完成解环、等值以及补偿三个步骤。其中解环步骤在合环点实现，解环实际上是弱环网络转换为纯辐射网络的过程。等值步骤主要利用多端口诺顿等值法对开环状态下的端口进行电流注入，多端口系统及等值网络如图2所示，通过图2提供的方法即可获取开环状态下的正常电压分量及故障电压分量[19-20]。

图2 多端口系统及等值网络Fig.2 Multi-port system and equivalent network

以端口α为例，节点注入电流的计算公式：

(17)

注入电流数值获取成功后，需要利用前推回代算法对节点k、ι之间的电压进行计算，该电压等于等值阻抗值，其公式：

Zeq=Zkk+Zιι-2Zkι

(18)

等值阻抗值计算完成后，即可得到诺顿等值注入电流，诺顿等值注入电流公式：

(19)

补偿步骤获取的电流数值即为附加注入电流，其计算公式：

(20)

(21)

3.3 含光伏电源配电网故障计算流程

本研究对配电网的故障部分进行计算时，充分结合上述算法及计算模型，并形成算法程序。将含光伏电源配电网故障计算流程分为6个步骤：首先将系统的参数、故障类型以及节点号等信息输入至算法程序中，在该程序中完成迭代初值的计算；通过该程序判断系统是否为含环网系统，并利用上述公式对辐射网及弱环网的电压正常分量进行计算；结合配电网出现故障的不同类型，计算配电网各个故障点的电流；计算辐射网及弱环网的故障电压分量；对电压的正常和故障分量进行叠加，计算配电网故障时系统各节点的电压及各支路的电流；最后对当前节点的电压值与上次节点电压值之间的差值进行计算，直至满足收敛要求即可停止计算程序。

3.4 改进前推回代算法收敛性与计算速度

由于前推回代法始于一种不动点迭代法，需要对改进前推回代算法的收敛性进行研究。本研究对配电网的故障特征进行计算时，主要将改进前推回代算法作为核心，在此基础上完成短路电流的计算，计算过程中将全部光伏电源等效为电流源，通过分析可知，负序及零序等值网络中存在的光伏电源接入点没有注入电流。因此光伏电源模型对改进前推回代算法的收敛性没有影响。

对该算法的计算速度进行分析可知，本研究主要采用序分量模型对计算的复杂程度进行降低，并最大限度的缩短计算时长，将该算法与传统短路计算方法进行比较可知，该算法对配电网故障进行迭代计算时，无需生成系统的节点阻抗矩阵，具有计算效率高、影响较小等优势。