分布式电源接入对于配电网短路电流影响的分析

分布式电源接入对于配电网短路电流影响的分析

摘要：随着配电网中分布式电源的渗透率不断提高，对于继电保护装置的正确动作产生了影响，因此对于不同分布式电源产生短路电流的分析显得十分必要。接入配电网的分布式电源按照其接口可以分为基于同步发电机的分布式电源、基于异步发电机的分布式电源及基于脉宽调制逆变器的分布式电源3类。目前分布式电源应用较多的是双馈风电机组发电和光伏发电，本文总结了三类分布式电源短路电流通用计算，并对双馈风电机组和光伏发电进行了详细的分析。20节点算例验证了三种分布式电源通用短路电流计算方法可行性。 关键词：双馈风电机组；光伏发电；同步发电机；异步发电机；逆变器；短路电流计算 0引言

近年来，风力发电和光伏发电在得到快速发展的同时，也遇到了并网安全问题的挑战。大量分布式电源接入配电网中，有必要重新对各种电力设备进行评估，调整继电保护装置的动作值，以及考虑是否加装其他的保护装置等，而进行这些工作至关重要的依据就是短路电流值。由于各种不同类型分布式电源的引入，对含分布式电源的配电网短路电流计算提出了新的要求。

文献[1]提出了一种含分布式电源配电网短路计算的改进方法，依据基于同步发电机的分布式电源、基于异步发电机的分布式电源及基于脉宽调制逆变器的分布式电源3类分布式电源在故障时的不同运行特性，采用相分量法和序分量法相结合的方法，计算各节点的电压及故障点的短路电流。文献[2]分别分析了基于同步发电机和换流器的分布式电源对于配电网短路电流的影响，并得出基于同步发电机的分布式电源相对于基于换流器的分布式电源产生较大短路电流的结论。

文献[3]推导出不同定子电压跌落程度下双馈风电机组定子短路电流的表达式，提出可有效减小短路电流计算误差的定子电压跌落系数修正方法。 文献[4]仿真分析了光伏并网逆变器配电网短路故障，得出无论配电网发生三相或两相短路，由光伏供出的短路电流都不超过其额定电流的1.5倍的结论，并对逆变器自身故障的保护提出了要求。

1分布式电源处理方法

1.1基于PWM 逆变器的分布式电源

文献[1]提出，基于PWM 逆变器的分布式电源短路处理方法为：由稳态潮流计算得到故障前逆变器的输出功率，故障后维持恒功率运行。假设PWM 逆变器本身三相对称，即图１中

,,a b c

E E E 为三相对称电压，逆变器的负序电势和零序电势均为零；,,a b c U U U 为电网三相电压；Ｐ和Ｑ分别为短路故障前逆变器输出的有功功率和无功功率；,,a b c I I I 为逆变器的三

相输出电流。等效电路如图1所示。

图1逆变器主电路等效图

图1中，Ｘ为逆变器输出滤波器的电抗，Ｒ为逆变器输出滤波器的等效电阻。电网三相

电压通过相序变换关系可以得到正序电势，用U

表示。逆变器内电势只存在正序电势，有功功率也只与正序电势有关。根据电压降落和功率损耗的关系可以求得短路故障时逆变器内

部正序电势E

，如式(1)-式(3)所示。 (1)(2)(3)PR QX U U

PX QR U U

E

U U j U δδ+=∆-==+∆+ 从而可以得到逆变器出口三相电压,,a b c

E E E 分别为： 240120a j b j c E E E e

E E e E

︒︒⎧=⎪=⎨⎪=⎩ （4） 再由电网三相电压即可求得逆变器输出三相电流值分别：

文献[2]提出基于换流器分布式电源的控制模型，如图2所示。仿真结果表明由基于同步发电机分布式电源引起的短路电流增量大于基于换流器的分布式电源。

图2基于换流器分布式电源的控制模型

文献[4]给出分布式光伏电源的组成和控制如图3所示，并得出如下结论：配电网发生三相或两相短路，由光伏电源供出的短路电流都不超过其额定电流的1.5倍；光照强度较低时光伏电源供出的短路电流更小；光伏并网点下游远处发生短路将会导致主电源供出的短路电流有所减小。

图3分布式光伏电源系统

1.2基于同步发电机的分布式电源

文献[1]提出对于同步发电机，为简化分析，假定ｄ轴次暂态电抗与ｑ轴次暂态电抗相等，即Ｘｄ″＝Ｘｑ″,计及阻尼绕组时的电压方程为：

式中：Ｅ″为次暂态电动势；Ra 为同步发电机定子等值电阻；U 1为同步发电机端电压；I 1为同步发电机输出电流。同步发电机的次暂态等效电路如图4所示。

图4同步发电机的次暂态等值电路

由于次暂态电动势Ｅ″具有短路前后瞬间维持不变的特性，所以可由故障前稳态潮流计

算的状态，量来求得。

式中：10U 为同步发电机短路前的端电压；10

I 为同步发电机短路前的输出电流。 根据式(4)得到同步发电机的内电势,,a b c

E E E 。再由同步发电机出口电压即可得到同步发电机输出的三相电流值为：

综上所述，基于同步发电机的分布式电源短路计算处理方法为：由稳态潮流计算得到

10U 和10

I ，由式(7)得到同步发电机次暂态电动势Ｅ０″，再根据式(8)求得同步发电机的输出电流。

1.3基于异步发电机的分布式电源

文献[1]提出，分布式电源中的风力发电机一般采用异步发电机。异步发电机可以用一个与转子绕组交链的磁链成正比的电动势，即次暂态电动势Ｅ″以及相应的次暂态电抗Ｘ″和定子等值电阻Ｒａ作为定子暂态过程的等值电动势和阻抗。其次暂态等值电路图与同步发电机相似，如图３所示。其中，次暂态电抗Ｘ″的表达式为：

式中：Ｘａσ为定子漏抗；Ｘｒσ为转子漏抗；Ｘａｄ为直轴电枢反应电抗，物理意义等同于励磁电抗。

次暂态电动势Ｅ″也具有短路前后瞬间维持不变的特性。Ｅ０″可由故障前稳态潮流计算的状态量来求得：

式中：Ｕ２０为异步发电机短路前的端电压；Ｉ２０为异步发电机短路前的输出电流。综上所述，基于异步发电机的分布式电源短路计算处理方法与同步发电机相同。

文献[3]提出，提出了含双馈风电机组的电力系统发生对称短路故障时的短路电流实用计算方法。以故障点为分界，将电力系统简化等值为含发电机支路和系统支路的二支路网络，如图5所示。推导出不同定子电压跌落程度下的双馈风电机组定子短路电流表达式，并提出可有效减小短路电流计算误差的定子电压跌落系数的修正方法。

图5短路电流实用计算方法的二支路等效网络

2短路冲击电流和短路容量值

文献[1]提出，三相短路冲击电流是指在最恶劣短路情况下，三相短路电流中最严重相电流的最大瞬时值。冲击电流主要用于检验电气设备和载流导体的动稳定度，可用下式近似：

（11）

式中：ＩＭ为三相短路冲击电流；Ｉｆ为最严重相的短路电流有效值；ＫＭ为短路电流冲击系数，其值为１～２，这里取最严重情况，ＫＭ＝２；Ｔａ为短路电流非周期分量衰减的时间常数。

为了校验断路器的断流能力，定义短路容量Ｓ为：

式中：UN 为故障前该点的额定相电压有效值。由于在配电网中三相短路电流不相等，只需