含高密度分布式電源的配電網(wǎng)故障分析關(guān)鍵問題

彭 克, 張 聰, 徐丙垠, 陳 羽, 陳佳佳, 趙學(xué)深

(山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 山東省淄博市 255000)

含高密度分布式電源的配電網(wǎng)故障分析關(guān)鍵問題

彭 克, 張 聰, 徐丙垠, 陳 羽, 陳佳佳, 趙學(xué)深

(山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 山東省淄博市 255000)

未來配電網(wǎng)的架構(gòu)將具備分布式電源高密度接入、交直流混聯(lián)等顯著特點(diǎn),配電網(wǎng)故障分析將面臨新的挑戰(zhàn),高密度分布式電源及大量電力電子設(shè)備的接入,使得故障響應(yīng)呈現(xiàn)非線性時(shí)空關(guān)聯(lián)特性,交直流系統(tǒng)故障響應(yīng)交互影響進(jìn)一步加大了故障分析的難度。文中對配電網(wǎng)故障分析的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié),進(jìn)一步指出高密度分布式電源的時(shí)空關(guān)聯(lián)特性解析與解耦建模、交直流配電系統(tǒng)的等效建模以及高效收斂的計(jì)算方法是未來配電網(wǎng)故障分析亟待探索的關(guān)鍵問題。

分布式電源; 電力電子; 交直流配電網(wǎng); 故障分析

0 引言

石油、煤炭等傳統(tǒng)能源的日漸枯竭以及環(huán)境污染的日益加劇,使得開發(fā)利用新能源和可再生能源成為中國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。中國在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》中明確提出了“可再生能源低成本規(guī)?；_發(fā)利用”的要求,近日國家能源局發(fā)布的《可再生能源“十三五”發(fā)展規(guī)劃》指出,到2020年和2030年實(shí)現(xiàn)非化石能源占一次能源消費(fèi)比重15%和20%的目標(biāo),加快建立清潔低碳的現(xiàn)代能源體系,促進(jìn)可再生能源產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展,到2020年底,全國太陽能發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)確保實(shí)現(xiàn)1.1億kW以上,風(fēng)力發(fā)電達(dá)到2.1億kW以上。作為節(jié)能減排、解決全球氣候變暖以及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)措施,分布式發(fā)電(DG)技術(shù)在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展,越來越多的分布式電源通過電力電子設(shè)備接入配電網(wǎng),正給電力技術(shù)帶來一場深刻的變革,配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與屬性發(fā)生了重大變化,未來新能源和可再生能源的利用將更多的通過分布式發(fā)電的方式,以多點(diǎn)、分散、密集的高密度形式接入配電網(wǎng),并在配用電領(lǐng)域中扮演越來越重要的角色。分布式電源在不斷滿足電網(wǎng)能量需求的同時(shí),也將帶動(dòng)電力電子技術(shù)和產(chǎn)品在配電網(wǎng)中的大量配置和使用。

此外,隨著交流電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大以及電壓等級的提高,交流互聯(lián)電網(wǎng)的短路容量不斷增大,其運(yùn)行控制愈發(fā)復(fù)雜,系統(tǒng)的安全穩(wěn)定問題越來越嚴(yán)重。同時(shí),面對電動(dòng)汽車、分布式電源(如光伏)和LED照明等直流設(shè)備的大規(guī)模接入,交流電網(wǎng)較多的電能變換環(huán)節(jié)導(dǎo)致供配電的效率受到影響。近年來的研究成果表明,基于柔性直流技術(shù)的交直流混合配電網(wǎng)更適合現(xiàn)代城市配電網(wǎng)的發(fā)展,交直流混合配電網(wǎng)可以更好地接納直流分布式電源和負(fù)荷,緩解城市電網(wǎng)站點(diǎn)走廊有限與負(fù)荷密度高的矛盾,提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平并降低損耗。因此,交直流混合配電網(wǎng)是未來配電網(wǎng)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢,可以有效提升城市配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量、可靠性與運(yùn)行效率[1-2]。

可以預(yù)見,配電網(wǎng)的故障特征將出現(xiàn)本質(zhì)上的變化,而配電網(wǎng)的故障規(guī)律與特征是研究配電網(wǎng)繼電保護(hù)與配電網(wǎng)自動(dòng)化故障處理技術(shù)的基礎(chǔ),不僅可以為故障診斷、快速定位和繼電保護(hù)等技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù),也可以為配電網(wǎng)的設(shè)備選型、安全運(yùn)行評估以及規(guī)劃設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持,因此在配電網(wǎng)故障分析的關(guān)鍵理論與技術(shù)方面亟待開展更為深入的研究與探索。

1 配電網(wǎng)典型特征與挑戰(zhàn)

未來配電網(wǎng)的架構(gòu)將具備交直流混聯(lián)、分布式電源高密度接入等顯著特點(diǎn),圖1給出了一個(gè)基本架構(gòu)示意[3]。

1)大量具有隨機(jī)性和間歇性的分布式電源高密度接入,尤其以分布式光伏等逆變型分布式電源居多,在中高壓配電網(wǎng)絡(luò)中低電壓穿越的要求使得并網(wǎng)運(yùn)行特性尤為復(fù)雜。同時(shí)交直流微電網(wǎng)[4]、虛擬電廠[5]等新型網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的出現(xiàn),使得配電網(wǎng)由單一的受端網(wǎng)絡(luò)成為具備自治能力的單元控制區(qū)域。

圖1 未來配電網(wǎng)典型構(gòu)架Fig.1 Typical framework of the future distribution system

2)交直流系統(tǒng)多端互聯(lián),網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式更加靈活多變。直流系統(tǒng)通過DC/DC變換裝置等可實(shí)現(xiàn)不同電壓等級之間的互聯(lián),DC/AC換流器靈活的控制方式可以實(shí)現(xiàn)交直流潮流的相互轉(zhuǎn)供,有利于系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行,未來的智能配電網(wǎng)將會是一個(gè)交直流全面混聯(lián)的復(fù)雜系統(tǒng),一方面可與上層交直流混合輸電體系相協(xié)調(diào),另一方面可就地接入直流分布式電源與負(fù)荷,滿足配電網(wǎng)的直流源荷接入需求。

3)智能軟開關(guān)裝置(SNOP)、DFACTS(distribution flexible AC transmission systems)等大量電力電子器件接入。電力電子技術(shù)的發(fā)展涌現(xiàn)出許多新型配電裝備,其中較為受關(guān)注的是SNOP和DFACTS裝置。SNOP可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行,解決了傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的合環(huán)沖擊電流問題,同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)一側(cè)系統(tǒng)故障時(shí)的可靠供電[6]。DFACTS技術(shù)是柔性交流輸電(FACTS)技術(shù)在配電系統(tǒng)中的延伸應(yīng)用,通常與分布式電源或者負(fù)荷連接解決電壓質(zhì)量問題[7],以其快速的響應(yīng)特性和靈活的控制手段受到了國內(nèi)外學(xué)者的高度重視。

配電網(wǎng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu),尤其是大量逆變型分布式電源以及電力電子設(shè)備的接入,使得配電網(wǎng)的故障時(shí)空關(guān)聯(lián)特性呈現(xiàn)典型非線性受控特點(diǎn),對傳統(tǒng)的故障分析方法提出了新的挑戰(zhàn)。

1)分布式電源等值模型難以定性建模,尤其高密度逆變型分布式電源接入后,其故障特性取決于控制策略,在低電壓穿越控制下故障電流特性更為復(fù)雜,要求電壓跌落超過10%時(shí),每1%的電壓跌落,逆變器至少要提供2%的無功電流,且響應(yīng)速度應(yīng)在20 ms之內(nèi)[8]。因此根據(jù)電壓跌落的不同,分布式電源具有恒功率、故障穿越以及脫網(wǎng)等不同的輸出模式,一方面分布式電源不同的輸出模式對電壓具有不同的支撐作用,另一方面不同的故障點(diǎn)使得分布式電源接入點(diǎn)的電壓跌落程度不同,尤其高密度接入時(shí)彼此之間相互影響,逆變型分布式電源在不同時(shí)間段的出力特性、不同故障點(diǎn)電壓跌落程度以及低電壓穿越控制下的不同輸出模式,使得故障響應(yīng)以及電氣量分布呈現(xiàn)高維度非線性時(shí)空關(guān)聯(lián)特性,故障電流難以定性分析與建模,故障計(jì)算等值模型已無法用簡單的電壓源或者電流源描述[9]。

2)交直流混聯(lián)網(wǎng)絡(luò)故障響應(yīng)交互影響,故障特性難以量化分析。直流配電系統(tǒng)根據(jù)直流側(cè)的極性布置情況可分為單極系統(tǒng)與雙極系統(tǒng),以雙極運(yùn)行較為常見,其極間故障是最為嚴(yán)重的故障,不僅造成直流側(cè)電壓急劇下降,也會與交流側(cè)形成故障回路,影響交流側(cè)的響應(yīng)特性[10]。同時(shí)考慮到中低壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地的運(yùn)行方式,若直流側(cè)電容中性點(diǎn)直接或間接接地,任一換流器交流出口處發(fā)生單相接地故障時(shí),會在交直流兩側(cè)構(gòu)成零序回路,引起直流正負(fù)極電壓工頻共模振動(dòng),交流側(cè)故障也會引起直流側(cè)電氣量的變化[11]。因此,交直流之間的故障交互影響加大了故障分析的難度,故障分量難以量化表達(dá)。

3)傳統(tǒng)故障計(jì)算方法難以適用。傳統(tǒng)故障計(jì)算方法一般基于線性網(wǎng)絡(luò)原理提出,而大量逆變型分布式電源與電力電子設(shè)備高密度接入的特性,使得配電網(wǎng)成為一個(gè)高維非線性有源網(wǎng)絡(luò),對算法的時(shí)間復(fù)雜度、空間復(fù)雜度以及收斂性都帶來了新的挑戰(zhàn)[12],傳統(tǒng)的故障計(jì)算方法難以直接應(yīng)用于配電網(wǎng)。

因此,面向高密度分布式電源接入后交直流配電系統(tǒng)呈現(xiàn)出的故障特征,傳統(tǒng)故障分析方法顯然已經(jīng)無法適用。

2 故障分析研究現(xiàn)狀

隨著智能配電網(wǎng)與分布式發(fā)電技術(shù)的日益發(fā)展,含分布式電源的交直流配電系統(tǒng)故障分析逐漸引起了各個(gè)科研機(jī)構(gòu)及眾多學(xué)者的重視。

2.1 分布式電源故障電流特征與建模

分布式電源的接入導(dǎo)致配電網(wǎng)的故障電流大小以及分布規(guī)律發(fā)生變化,其影響與分布式電源的類型有關(guān),目前研究通常考慮同步發(fā)電機(jī)、異步發(fā)電機(jī)、雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)與逆變器并網(wǎng)型4種,采用同步發(fā)電機(jī)以及異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的分布式電源研究相對成熟。雙饋發(fā)電機(jī)的故障電流特性與Crowbar電路(轉(zhuǎn)子側(cè)保護(hù)電路)工作方式有關(guān),如果Crowbar電路在轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)過流后將其長期短路直至系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行,雙饋發(fā)電機(jī)的故障電流輸出特性與異步發(fā)電機(jī)類似,若采用主動(dòng)式Crowbar電路實(shí)現(xiàn)低電壓穿越,則需要在轉(zhuǎn)子過流時(shí)啟動(dòng)Crowbar電路對轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器進(jìn)行短路,而當(dāng)轉(zhuǎn)子電流下降到一定程度時(shí)斷開Crowbar,轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器恢復(fù)工作,此時(shí)雙饋發(fā)電機(jī)可以向電網(wǎng)注入電流,提供有功和無功支持。在主動(dòng)Crowbar模式下雙饋發(fā)電機(jī)短路電流的初始值仍然比較大,大約2～3個(gè)周期后短路電流降至1～1.5倍的額定電流值,因此雙饋發(fā)電機(jī)與常規(guī)異步電機(jī)的區(qū)別在于轉(zhuǎn)子側(cè)經(jīng)變頻器并網(wǎng)的故障響應(yīng)部分。經(jīng)逆變器并網(wǎng)的分布式電源故障特性較為復(fù)雜,但由于逆變器具有限流功能,輸出的短路電流有限,根據(jù)荷蘭KEMA公司發(fā)布的研究報(bào)告[13],表1總結(jié)了不同類型分布式電源在不同并網(wǎng)方式以及不同時(shí)間階段(次暫態(tài)、暫態(tài)與穩(wěn)態(tài))的短路電流變化特點(diǎn)[14],表中的數(shù)值是短路電流值與額定電流之比(標(biāo)幺值),據(jù)此可以估算分布式電源所提供的短路電流。

表1 分布式電源短路電流變化特點(diǎn)Table 1 Short-circuit current variations of distributed generations

雖然通過表中數(shù)據(jù)可以得到分布式電源故障電流的初步規(guī)律,但是在進(jìn)行繼電保護(hù)以及配電自動(dòng)化的相關(guān)研究時(shí),需要獲取更為準(zhǔn)確的故障電流特征,如暫態(tài)分量的變化特征以及衰減規(guī)律等,以便尋求保護(hù)動(dòng)作判據(jù)以及故障定位方法等,尤其采用逆變器并網(wǎng)的分布式電源其故障暫態(tài)過程較為復(fù)雜,與故障前分布式電源的輸出功率、端電壓、控制策略以及負(fù)荷等諸多因素相關(guān),目前研究大多基于數(shù)字仿真技術(shù)開展,如文獻(xiàn)[15]基于RTDS仿真平臺揭示了分布式電源在故障發(fā)生、切除全過程中的暫態(tài)特性,并討論了故障位置、電源輸入功率及接入臺數(shù)、無功功率注入量以及所接電網(wǎng)短路容量等因素對逆變電源故障暫態(tài)特性的影響規(guī)律;文獻(xiàn)[16]基于PSCAD/EMTDC仿真平臺研究了分布式電源的對稱故障和不對稱故障響應(yīng)特性;文獻(xiàn)[17]基于Simulink仿真平臺詳細(xì)分析了控制器控制參數(shù)對逆變電源暫態(tài)響應(yīng)的影響,并分析了不對稱故障下不同控制策略對故障電流特性的影響。然而,受制于模型準(zhǔn)確度的限制,仿真結(jié)果并不能全面反映故障電流的特征。理論解析方法可以深入地分析故障電流的分量特征、變化規(guī)律以及參數(shù)靈敏度等,相比于仿真分析具有明顯的優(yōu)勢,但目前故障電流的理論解析研究較少,文獻(xiàn)[18-19]針對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障電流特性進(jìn)行了推導(dǎo),為理論解析逆變型分布式電源的故障特性提供了思路。因此,通過對逆變器控制機(jī)理以及輸出特性的分析,研究逆變器不同控制策略及系統(tǒng)參數(shù)下故障特征的時(shí)域解析是獲取故障電流特征的關(guān)鍵所在。

在故障電流的量化計(jì)算方面,同步發(fā)電機(jī)以及異步發(fā)電機(jī)的計(jì)算模型較為完善,目前研究主要針對經(jīng)逆變器并網(wǎng)的分布式電源展開,如文獻(xiàn)[20]提出了時(shí)變電壓源與恒定阻抗的等值模型,將控制系統(tǒng)的微分方程引入到模型中,通過將微分方程差分化對不同時(shí)刻的暫態(tài)分量進(jìn)行了求解,但其計(jì)算過程非常復(fù)雜,工程實(shí)用計(jì)算中不必進(jìn)行如此復(fù)雜的分析,一般基于電力電子設(shè)備的快速響應(yīng)特性取故障后的穩(wěn)態(tài)模型,早期開展的相關(guān)研究由于沒有低電壓穿越要求,一般將逆變型分布式電源等效為PQ靜態(tài)節(jié)點(diǎn)[21-22],文獻(xiàn)[23]將逆變型分布式電源進(jìn)行了簡化處理,等效為過流系數(shù)控制的正序受控電流源。隨著各個(gè)國家針對分布式電源入網(wǎng)的低電壓穿越運(yùn)行技術(shù)規(guī)范出臺,低電壓穿越控制下故障電流特性又呈現(xiàn)出了新的特點(diǎn),根據(jù)電壓跌落程度分為3個(gè)階段:Ⅰ階段,電壓在0.9(標(biāo)幺值)以上時(shí),分布式電源維持恒功率輸出;Ⅱ階段,電壓在(0.2,0.9)區(qū)間時(shí),保持不脫網(wǎng)運(yùn)行并向系統(tǒng)提供無功支持;Ⅲ階段,電壓跌落至0.2以下脫網(wǎng)運(yùn)行,其中Ⅱ階段故障穿越時(shí)會對最大輸出電流進(jìn)行限制(1.2～1.5倍的額定電流)?，F(xiàn)有Ⅰ階段恒功率模型的研究已經(jīng)較為明確,基于正序分量控制策略建立正序受控電流源模型;Ⅱ階段在穿越不對稱故障時(shí),負(fù)序分量的存在對故障穿越的控制策略又提出了新的要求[24-25],文獻(xiàn)[26]以及文獻(xiàn)[27]針對負(fù)序電流注入的控制策略,將逆變型分布式電源等效為正負(fù)與負(fù)序同時(shí)受控的電流源。實(shí)際上,穿越不對稱故障時(shí)針對分布式電源輸出功率的不同需求存在不同的控制策略,文獻(xiàn)[27]針對故障穿越時(shí)的不同控制策略建立了統(tǒng)一的電流受控表達(dá)形式,但需考慮脫網(wǎng)時(shí)序不斷更新不脫網(wǎng)機(jī)組集合。上述研究一般針對一個(gè)或者幾個(gè)分布式電源展開研究,尚未從故障電流分布的時(shí)空關(guān)聯(lián)特性深入探索,等值模型難以適用于高密度接入的場景。

2.2 交直流配電系統(tǒng)故障特征分析與建模

基于全控型電力電子晶體管(IGBT)的柔性直流系統(tǒng)具有潮流控制靈活、無換相失敗等優(yōu)點(diǎn),成為目前研究的主要趨勢。其中基于兩電平電壓源型換流器(VSC)在實(shí)際工程中應(yīng)用較為廣泛,文獻(xiàn)[28]分析了直流電纜故障暫態(tài)特征,據(jù)此提出了接地故障的定位方法;文獻(xiàn)[29]分析了直流配電網(wǎng)兩極短路故障的暫態(tài)過程,提出用電阻型超導(dǎo)限流器來限制故障電流的上升,從而保障現(xiàn)有保護(hù)技術(shù)的可靠性;文獻(xiàn)[30]建立了直流配電網(wǎng)單極接地故障的模型,分析了故障電流的特征,并提出了單極接地的故障定位方法。由于兩電平VSC存在輸出電能質(zhì)量差、開斷頻率高、開關(guān)損耗大等缺點(diǎn),因此模塊化多電平換流器(MMC)通過采用階梯波調(diào)制的方式改善了上述缺點(diǎn),相關(guān)學(xué)者開展了基于MMC的研究,如文獻(xiàn)[31]分析了MMC型直流系統(tǒng)的故障特征,并指出了直流系統(tǒng)繼電保護(hù)面臨的難題;文獻(xiàn)[32]結(jié)合深圳多端柔性直流配電示范工程,通過分析MMC換流器及直流配電網(wǎng)的故障特性,提出了相應(yīng)的保護(hù)配置方案。上述研究對直流側(cè)極間故障的分析做了較為深入的探討,將故障暫態(tài)過程分為儲能元件放電以及交流電流注入2個(gè)階段,各階段通過微分方程描述直流電壓以及電流的響應(yīng)特性,其故障特性理論上分析相對較為清晰。

在交直流配電系統(tǒng)中還需要分析交流故障對直流側(cè)的影響,以便能全面分析故障特征。高壓輸電系統(tǒng)中普遍遵循IEC 60909和ANSI短路計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),交流側(cè)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)忽略直流系統(tǒng)的短路電流影響,一是考慮直流輸送容量相對交流較小,忽略其短路電流不會引起太大誤差,二是故障后逆變器發(fā)生換相失敗形成短路通路,從而隔離交直流系統(tǒng)[33]。但在直流配電系統(tǒng)中采用IGBT不存在換相失敗的問題,而且直流配電系統(tǒng)中會接入大量的分布式電源,并非單一的受端系統(tǒng),因此交流側(cè)配電系統(tǒng)故障時(shí),交直流兩側(cè)的交互影響仍需進(jìn)一步探索。文獻(xiàn)[34]針對交流側(cè)故障、中壓直流側(cè)故障、低壓直流側(cè)故障以及功率開關(guān)元件故障等進(jìn)行了仿真分析;文獻(xiàn)[35]對交流及直流故障分別進(jìn)行了仿真分析,并提出了相應(yīng)的保護(hù)措施;文獻(xiàn)[36]基于PSCAD/EMTDC平臺,研究了不同故障隔離及恢復(fù)策略下交直流系統(tǒng)的故障響應(yīng)特性。但目前在故障理論推導(dǎo)和機(jī)理分析方面研究較少,尤其在交流側(cè)發(fā)生三相短路以及單相短路等不同故障類型,以及換流器采用不同控制策略時(shí),交直流系統(tǒng)之間呈現(xiàn)不同的故障響應(yīng)特性,尚需從理論上進(jìn)一步進(jìn)行分析與探索。

在故障計(jì)算建模方面,交流配電網(wǎng)絡(luò)的故障模型相對完善,直流配電系統(tǒng)研究相對較少,文獻(xiàn)[37-38]指出在交流電流注入階段的交直流側(cè)短路電流水平,對電網(wǎng)規(guī)劃、交直流系統(tǒng)保護(hù)配置、設(shè)備選型等更具有工程意義,并基于MMC推導(dǎo)了極間故障時(shí)交流側(cè)和直流側(cè)穩(wěn)態(tài)短路電流的實(shí)用工程計(jì)算方法。上述研究更適用于背靠背的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),而在中低壓直流網(wǎng)絡(luò)中存在直流饋線、分布式電源、直流負(fù)荷以及DC/AC和DC/DC等電力電子裝置[39-40],需要進(jìn)行系統(tǒng)級建模,文獻(xiàn)[41]建立了基于DC/DC變換器的多端口直流配電系統(tǒng)故障電流穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型,但其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更類似直流變電站。面向直流配電網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)等多方面需求,亟須建立包含多元化設(shè)備的源—網(wǎng)—荷系統(tǒng)級故障計(jì)算模型。

此外,交直流系統(tǒng)之間的等值建模目前研究較少,文獻(xiàn)[34,42]分析了交流側(cè)三相短路以及單相短路時(shí)直流側(cè)饋入短路電流的機(jī)理,并根據(jù)不同的暫態(tài)過程給出了短路電流的計(jì)算公式；文獻(xiàn)[43]考慮交流系統(tǒng)不對稱條件下?lián)Q流閥非等間隔導(dǎo)通和三相換相角不相等對開關(guān)函數(shù)的影響,提出了改進(jìn)的換流器動(dòng)態(tài)相量模型；文獻(xiàn)[44]基于交流系統(tǒng)不對稱故障下?lián)Q流器的特性,提出了直流系統(tǒng)的等值模型,但上述研究主要針對高壓直流輸電系統(tǒng)展開,對于采用IGBT的直流配電系統(tǒng),其故障機(jī)理已經(jīng)完全不同,交直流系統(tǒng)之間的等值建模也需重新探討。

2.3 故障計(jì)算方法研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有交流配電系統(tǒng)故障計(jì)算方法基本沿用了傳統(tǒng)輸電網(wǎng)的方法,通常分為序分量法和相分量法兩類。序分量法實(shí)現(xiàn)了三相對稱元件的三序解耦,計(jì)算效率較高,在輸電系統(tǒng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用,部分學(xué)者將其應(yīng)用到了配電系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[45-46]基于Fortescue理論將對稱分量法擴(kuò)展應(yīng)用到單相、兩相及三相元件并存的多態(tài)相量配電網(wǎng),通過降低矩陣維數(shù)提高了潮流及故障計(jì)算的效率,但未考慮分布式電源的非線性特征。將序分量法應(yīng)用到配電系統(tǒng)中仍然存在較多的問題,當(dāng)同時(shí)計(jì)及配電線路以及負(fù)荷的不對稱特性,序分量法無法實(shí)現(xiàn)各序網(wǎng)絡(luò)的解耦,且故障的模擬需在復(fù)合序網(wǎng)下建立故障邊界條件,故障模擬較為復(fù)雜。

相分量法對三相元件直接建模,由Laughton于1968年首次提出,其物理概念清晰,易處理不對稱元件,對于故障的模擬較為簡單[47]?；谙喾至康亩丝谘a(bǔ)償法利用了配電網(wǎng)純輻射狀或者含有少量閉環(huán)回路的特點(diǎn),計(jì)算效率較高,因而被應(yīng)用于配電網(wǎng)故障計(jì)算中[48-49]。上述研究雖然取得了部分成果,但針對逆變型分布式電源接入所形成的非線性網(wǎng)絡(luò)求解方法,一般采用不動(dòng)點(diǎn)迭代,該算法對初值選擇要求較高,初值給定不合適將導(dǎo)致計(jì)算不收斂,而且在算法求解與數(shù)據(jù)存儲效率等方面涉及較少,有學(xué)者提出了基于二階變系數(shù)差分方程的快速計(jì)算方法[12],但其分布式電源模型以電壓源與阻抗串聯(lián)的線性化模型描述,沒有考慮低電壓穿越控制下的時(shí)空關(guān)聯(lián)影響,方法的適用性有限。

在交直流故障混合求解算法方面,針對直流輸電系統(tǒng)已有相關(guān)研究,如文獻(xiàn)[44]采用開關(guān)函數(shù)法和序分量法建立了換流器的等值模型,提出了交直流互聯(lián)系統(tǒng)交替迭代的故障計(jì)算方法；文獻(xiàn)[50]提出了基于弦截法的交直流統(tǒng)一迭代求解方法,但面向交直流配電系統(tǒng)尚缺乏相關(guān)研究,可以借鑒直流輸電系統(tǒng)的思路進(jìn)行探索。

因此面向未來配電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)模與需求,尚需在故障計(jì)算方法方面展開深入研究,尤其在算法的收斂性、時(shí)間復(fù)雜度、空間復(fù)雜度以及交直流的混合求解方法方面亟待探索。

3 關(guān)鍵問題研究展望

上述研究雖然取得了一定程度的進(jìn)展,但面向高密度分布式電源接入的交直流配電網(wǎng)故障分析,尚有諸多關(guān)鍵問題需要進(jìn)一步研究，如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)故障分析的關(guān)鍵問題Fig.2 Key issues of distribution system fault analysis

3.1 分布式電源故障特性理論解析與解耦建模

如前所述,在交流配電系統(tǒng)中計(jì)及低電壓穿越控制時(shí),依據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的跌落程度,分布式電源存在恒功率輸出、故障穿越以及脫網(wǎng)運(yùn)行3種不同的輸出模式,尤其高密度接入時(shí)彼此之間相互影響,逆變型分布式電源在不同時(shí)間段的出力特性、不同故障點(diǎn)電壓跌落程度以及低電壓穿越控制下的不同輸出模式,使得故障響應(yīng)以及電氣量的分布呈現(xiàn)非線性時(shí)空關(guān)聯(lián)特性,因此在進(jìn)行理論解析時(shí)可進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕惦A簡化,建立計(jì)及控制參數(shù)與系統(tǒng)阻抗的故障電流與電壓復(fù)頻域函數(shù)[51],通過拉普拉斯反變換獲取時(shí)域解析表達(dá),實(shí)現(xiàn)超調(diào)量、過渡時(shí)間等動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)以及不同參數(shù)靈敏度的定性分析。

在分布式電源的故障計(jì)算建模方面,目前研究一般以一個(gè)或幾個(gè)分布式電源為研究對象,且網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小,通常采用窮舉的方法先以恒功率模型代入計(jì)算,根據(jù)收斂后的電壓值進(jìn)行判斷,若處于故障穿越階段或者脫網(wǎng)運(yùn)行,需重新選擇模型計(jì)算[27],面向高密度的分布式電源，該方法顯然不可行,可以試想,系統(tǒng)中如果有100個(gè)分布式電源,每個(gè)分布式電源按照3個(gè)模型窮舉,其排列組合的最大計(jì)算量為3100!。模型選擇不正確甚至?xí)?dǎo)致計(jì)算結(jié)果不正確或者不收斂,因而在故障計(jì)算時(shí)如何避免窮舉,實(shí)現(xiàn)與時(shí)空關(guān)聯(lián)參數(shù)的解耦,進(jìn)而建立準(zhǔn)確的等值模型是亟待解決的關(guān)鍵問題。在理論解析的基礎(chǔ)上,可通過研究不同網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、故障位置以及分布式電源出力等時(shí)空參數(shù)對故障電流與電壓的靈敏度,從而提取系統(tǒng)短路容量、網(wǎng)絡(luò)短路阻抗以及分布式電源出力等關(guān)鍵時(shí)空分布參數(shù)[52],利用擬合方法將時(shí)空關(guān)聯(lián)參數(shù)歸一化[53]，建立電壓估計(jì)函數(shù),進(jìn)而通過電壓預(yù)估建立準(zhǔn)確的故障計(jì)算模型,實(shí)現(xiàn)與時(shí)空關(guān)聯(lián)參數(shù)的解耦建模。

3.2 交直流配電系統(tǒng)故障耦合特性建模

交直流配電系統(tǒng)主要通過換流器互聯(lián),因此,交流側(cè)與直流側(cè)故障時(shí),其故障耦合回路通過換流器流通。當(dāng)直流側(cè)發(fā)生雙極故障時(shí),在交流電流注入階段交直流之間會形成故障回路進(jìn)而影響交流側(cè)電流,故障回路如圖3所示。

圖3 直流故障流通回路Fig.3 Flow diagram of DC fault circuit

而換流器交流出口處發(fā)生單相接地故障時(shí),尤其在中低壓交流配電網(wǎng)絡(luò)中性點(diǎn)接地時(shí),由于零序分量的存在會引起直流正負(fù)極電壓工頻共模振動(dòng)[54],其零序回路如圖4所示。

圖4 零序回路流通圖Fig.4 Flow diagram of zero sequence circuit

因此,如何計(jì)及交直流之間的故障耦合特性,建立準(zhǔn)確的交直流配電系統(tǒng)故障分析模型,也是一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問題。針對上述問題可通過研究交直流故障耦合回路的電氣量特征,利用換流器模型進(jìn)行等值,在建立換流器交直流側(cè)電氣量微分方程的基礎(chǔ)上,通過解析的方式得到其穩(wěn)態(tài)解進(jìn)而建立穩(wěn)態(tài)模型[37],分別將換流器的交流量及直流量等值到交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)進(jìn)行故障計(jì)算,利用換流器的邊界條件實(shí)現(xiàn)交直流配電系統(tǒng)的故障耦合特性分析與計(jì)算[44]。

此外,直流配電網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)包含多源多載的系統(tǒng),其內(nèi)部故障時(shí)的計(jì)算模型同交流系統(tǒng)類似,需建立完整的網(wǎng)絡(luò)及元件模型,由于直流分布式電源沒有低電壓穿越的要求，因此建模相對容易,但DC/DC以及DC/AC等電力電子變換環(huán)節(jié)需考慮其不同的控制策略及輸出特性,建立故障電流的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型,以實(shí)現(xiàn)直流網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部故障時(shí)的計(jì)算分析。

3.3 高效收斂的非線性迭代計(jì)算方法

配電網(wǎng)絡(luò)采用三相建模時(shí),矩陣維數(shù)為節(jié)點(diǎn)數(shù)的3倍,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí),如采用端口補(bǔ)償法,故障端口等效電壓的獲取需要對高維的節(jié)點(diǎn)電壓方程組進(jìn)行求解,而端口等效阻抗計(jì)算涉及高維矩陣的求逆,對算法的時(shí)間復(fù)雜度以及空間復(fù)雜度提出了新的挑戰(zhàn),而配電網(wǎng)絡(luò)輻射狀的特點(diǎn)使得三相節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣具有結(jié)構(gòu)上的對稱性以及稀疏性,因此可利用這一特點(diǎn),采用諸如改進(jìn)Cholesky方法等實(shí)現(xiàn)因子分解[55],基于稀疏向量法實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電壓方程的高效求解[56]。

高密度逆變型分布式電源以及大量電力電子設(shè)備接入后,無論交流系統(tǒng)還是直流系統(tǒng)都存在較強(qiáng)的非線性問題,故障計(jì)算成為一個(gè)高維非線性方程組的求解問題,現(xiàn)有故障計(jì)算方法無論是采用節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣還是導(dǎo)納矩陣進(jìn)行迭代,均屬于不動(dòng)點(diǎn)迭代方法,收斂域較小,對初值選擇的依賴性較高,需要給定接近于真實(shí)解的初值才能保證收斂性,而故障時(shí)電壓偏離初始運(yùn)行點(diǎn)較多,真實(shí)解難以估計(jì),初值給定不合適將導(dǎo)致計(jì)算不收斂。針對該問題可利用同倫迭代等全局收斂的計(jì)算方法[57],通過構(gòu)造不動(dòng)點(diǎn)同倫函數(shù),保證任意初值啟動(dòng)迭代均能計(jì)算收斂。

考慮交直流配電系統(tǒng)的故障耦合特性,可基于換流器的邊界等效方程,利用交直流交替迭代或者統(tǒng)一迭代的方法實(shí)現(xiàn)故障電流求解,但需采取相應(yīng)方法提高算法的收斂性能,如弦截法[50],混合迭代法[58],雙向迭代法[59]等。

4 結(jié)論

配電網(wǎng)的迅速發(fā)展促進(jìn)了各種新能源、儲能裝置、電力電子換流設(shè)備等大量分散接入,給傳統(tǒng)的配電網(wǎng)故障分析理論帶來了極大的挑戰(zhàn),因此探索新的故障分析方法具有重要的理論意義與工程價(jià)值,可以為配電網(wǎng)的繼電保護(hù)整定、安全運(yùn)行評估及規(guī)劃設(shè)計(jì)等提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。面向配電網(wǎng)故障分析面臨的挑戰(zhàn),本文梳理了未來需要關(guān)注的幾個(gè)關(guān)鍵問題。

1)單一分布式電源的故障特性分析與建模研究較為成熟,但高密度接入時(shí)的時(shí)空關(guān)聯(lián)特性及建模方法尚需進(jìn)一步探索。

2)交直流混聯(lián)是未來配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢,基于VSC以及MMC的直流側(cè)極間故障研究較多,其故障特性相對清晰,但交直流系統(tǒng)之間的交互特性與等效建模,尤其含多源多載的直流網(wǎng)絡(luò)分析以及建模尚不成熟。

3)故障計(jì)算方法目前多采用不動(dòng)點(diǎn)迭代,需要綜合考慮算法的時(shí)間復(fù)雜度、空間復(fù)雜度以及收斂性等多方面因素,研究更為可靠高效的方法。

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KeyIssuesofFaultAnalysisonDistributionSystemwithHigh-densityDistributedGenerations

PENGKe,ZHANGCong,XUBingyin,CHENYu,CHENJiajia,ZHAOXueshen

(College of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo255000, China)

The future distribution system will have the significant characteristics such as high density integration of distributed generations, interconnection of AC/DC hybrid system. Therefore, the fault analysis for distribution system will face new challenges. As the integration of high density distributed generation and power electronic equipments, the fault response presents the property of nonlinear temporal-spatial correlation, and the fault response interaction influences between AC/DC system further increase the difficulty of fault analysis. In this paper, the current research status of the distribution system fault analysis is summarized, and the key issues to be studied in the future are proposed including the analysis and decoupling modeling of distributed generations for the temporal-spatial correlation characteristics, the equivalent modeling of AC/DC hybrid distribution system, and the effective convergence algorithm.

This work is supported by National Key R&D Program of China (No.2016YFB0900605) and Natural Science Foundation of Shandong Province (No. ZR2017LEE022).

distributed generation; power electronics; AC/DC distribution system; fault analysis

2017-06-09;

2017-09-18。

上網(wǎng)日期: 2017-11-20。

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB0900605);山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2017LEE022)。

彭 克(1983—),男,通信作者,博士,講師,主要研究方向:分布式發(fā)電系統(tǒng),交直流配電網(wǎng)。E-mail： pkbest@tju.edu.cn

張 聰(1992—),男,碩士研究生,主要研究方向:智能配電網(wǎng)與綜合能源系統(tǒng)。E-mail: choolla@live.com

徐丙垠(1961—),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:智能配電網(wǎng)與配電自動(dòng)化。E-mail: xuby@vip.163.com

(編輯代長振)