含逆變型分布式電源的小電阻接地方式配電網單相接地故障分析*

徐玉琴，楊浩，李鵬

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定071003)

0 引 言

隨著新能源發電技術的發展和國家政策的支持，越來越多的分布式電源(Distributed Generator，DG)接入到了配電網中，在盡可能利用可再生能源的同時，也為配電網帶來了諸多新的問題，其中分布式電源對配電網故障特征的影響便是近年來研究的熱點問題。由于我國配電網大都為小電流接地方式，DG接入前后配電網發生單相接地時故障特性變化不大[1-2]，所以目前對于有源配電網故障特性的研究主要集中在三相短路[3-7]和相間短路[8-11]，但是隨著城區配電網電纜覆蓋率的提高，網架結構的增強，部分地區配電網選擇了小電阻接地方式，DG接入后，DG側變壓器中性點不同的接地方式會使單相接地故障特性產生較大差異[12]，將會對接地保護產生影響。

文獻[12]對含分布式電源的小電阻接地方式配電網的單相接地故障進行了深入的分析，但是其研究的DG類型為旋轉型，而目前使用較多的為逆變型分布式電源(Inverter Interfaced Distribution Generator, IIDG)，其故障輸出特性取決于逆變器的控制策略，較旋轉型DG有很大差異，因此有必要對含逆變型分布式電源的小電阻接地方式配電網的單相接地故障特性進行研究。

為此，根據IIDG的控制策略將其故障輸出特性等效為只含有正序分量的恒流源模型，結合對稱分量法，針對小電阻接地方式配電網，建立IIDG并網后，其上游側和下游側的單相接地故障分析模型，對 IIDG側并網變壓器在不同接地方式下的故障點電流，主網側和IIDG側的各序和各相電流分別進行了分析，最后利用PSCAD/EMTDC搭建了故障仿真模型，驗證了分析的正確性，為并網變壓器接地方式的選擇和繼電保護配置提供依據。

1 IIDG的控制策略及其故障輸出模型

1.1 PQ控制策略及其輸出特性

IIDG并網時，其電壓和頻率可由大電網支撐，所以大多使用PQ控制策略對IIDG進行控制，保證DG輸出功率的恒定。PQ控制策略需要將ABC三相靜止坐標系下的各電氣量轉換到同步旋轉d-q坐標系下對有功功率和無功功率進行解耦控制，之后經過功率外環控制和電流內環控制得到dq軸參考電壓Ed和Eq，再經過Park反變換，得到PWM控制調制波，最后與載波比較后產生觸發脈沖，即可控制逆變器IGBT(或GTO)的導通與關斷，從而實現控制目標，其控制原理如圖1所示。

圖1 PQ控制原理圖

圖1中Pref、Qref、Pout、Qout分別為有功功率和無功功率的參考值和實際輸出值，Idref、Iqref、Id、Iq分別為d軸和q軸的參考電流和實際電流，Ud、Uq分別為電網d軸和q軸電壓，L為濾波電感。

當電網正常運行時，PQ控制策略下的IIDG，其輸出特性為功率控制的電流源模型，而當發生故障后，其輸出特性變為恒流源[1,5-6]，且其輸出電流仍為故障前的輸出電流。

1.2 正序分量控制策略

當配電網發生不對稱故障時，IIDG會產生負序分量，不僅會加劇電網的不對稱度，而且將在正序旋轉d-q坐標系下變換為2倍頻分量，產生諧波電流，會嚴重影響電網的電能質量。另外，逆變器輸出負序電流會影響逆變器的工作性能，增加損耗。因此，在電網發生不對稱故障時，若能消除IIDG的負序分量，便能改善電能質量，減小故障對逆變器性能的影響。為此IIDG在不對稱故障情況下，通常采用正序分量控制策略，即將負序分量控制為0，僅以正序分量作為反饋量進行調節，從而改善逆變器的輸出特性。

綜上所述，含PQ控制和正序分量控制IIDG的配電網發生不對稱故障時，故障輸出特性可等效為只含有正序分量的恒定電流源。

2 含IIDG配電網的單相接地故障分析

以圖2所示的簡單配電網為例，對含IIDG配電網的單相接地故障進行分析。

圖2 含IIDG小電阻接地方式配電網

2.1 IIDG上游側單相接地故障分析

2.1.1 IIDG上游側單相接地故障分析模型

圖2所示系統中無旋轉型設備，所以其正負序參數相同。當f1點發生單相接地故障時，根據邊界條件，可得復合序網如圖3所示。

圖3 f1點發生單相接地故障時的復合序網圖

2.1.2 f1點故障電流分析

設故障點f1距變壓器T1低壓側母線的距離為x，線路單位長度的正序、零序阻抗分別為Z(1)和Z(0)，由復合序網圖可得主網側正負零序阻抗ZM(1)、ZM(2)、ZM(0)分別為：

(1)

IIDG在正序網絡中為恒流源輸出特性，其輸出電流與其串聯的阻抗無關，在負序網絡中開路，所以無需考慮IIDG側的正序和負序阻抗。IIDG側的零序阻抗則受并網變壓器T2中性點接地方式的影響，其側零序阻抗ZDG(0)為：

(2)

將復合序網圖簡化之后根據節點電壓法可列出如下方程組：

(3)

式中Z∑(0)為零序網絡等效阻抗其表達式為：

Z∑(0)=ZM(0)//ZDG(0)

(4)

(5)

當T2中性點不接地時：

Z∑(0)=ZM(0)=ZS(0)+xZ(0)+3R1

(6)

當T2中性點也經10 Ω電阻接地時：

(7)

此時故障點電流約為T2中性不接地時的兩倍。隨著故障點f1逐漸靠近PCC，ZM(1)逐漸增大，Z∑(0)基本不變，所以隨著故障點逐漸靠近PCC，故障電流仍然逐漸減小。

當T2中性點直接接地時：

Z∑(0)≈(l-x)ZL(0)+ZT2

(8)

此時較不接地和小電阻接地時的故障點電流急劇增大。另外，隨著故障點f1逐漸靠近PCC，ZM(1)逐漸增大，Z∑(0)逐漸減小，因為Z(0)≈3Z(1)，所以2ZM(1)+Z∑(0)逐漸減小，因此，當T2中性點直接接地時，隨著f1逐漸靠近PCC，故障點電流逐漸增大。

2.1.3 主網側和IIDG側各序電流分析

由圖3可知在正序網絡中：

(9)

在負序網絡中：

(10)

在零序網絡中：

(11)

當T2不接地時，ZDG(0)為無窮大，有:

(12)

當T2經小電阻接地時，ZDG(0)≈ZM(0)，有:

(13)

當T2直接接地時，ZDG(0)遠小于ZM(0)，有:

(14)

2.1.4 主網側和IIDG側相電流分析

主網側和IIDG側ABC三相電流如式(15)、式(16)所示：

(15)

(16)

(17)

由此可知，非故障相B相和C相中也有故障電流流過，大小正好為IIDG的輸出電流，隨著IIDG容量的增大，BC相中的故障電流也會增大。

(18)

(19)

由式(18)、式(19)可知，主網側BC相中的故障電流較中性點不接地時增大，IIDG側中由于零序電流的存在，使得該側的各相電流不再對稱。

(20)

(21)

2.2 IDG下游單相接地故障分析

2.2.1 IIDG下游側單相接地故障分析模型

f2點發生單相接地故障時的復合序網如圖4所示。

圖4 f2點發生單相接地故障時的復合序網圖

2.2.2 f2點故障電流分析

(22)

簡化網絡后根據節點電壓法可列出如下方程組：

(23)

由式(23)解得f2點故障時的故障點電流為：

(24)

2.2.3 主網側和IIDG側各序和各相電流分析

f2點發生單相接地故障時主網側和IIDG側的各序和各相電流分析方法和f1點發生故障時相同，只不過相比于在f1點發生故障時的各序網絡中，加入了故障點到PCC之間的阻抗，所以f2點故障電流比f1點故障時小，其他變化規律和特點均相同，此處不再贅述。

3 仿真驗證

為了驗證上述對含IIDG的小電阻接地方式配電網單相接地故障的理論分析，利用PSCAD/EMTDC搭建了圖2所示的10 kV配電網仿真模型，主網變壓器T1額定容量為100 MV·A，變比為110 kV/10.5 kV，接地變壓器容量為3 MV·A，IIDG并網變壓器T2的額定容量為3 MVA，變比為10.5 kV/1.1 kV，三個變壓器的阻抗電壓百分值均為Uk%=10%，所以，主網電源和變壓器正序阻抗之和Zs(1)=j0.2 Ω；主網電源和變壓器零序阻抗之和為Zs(0)=j4 Ω，ZT2=j3.33 Ω，IIDG的接入容量為2 MW，小電阻接地方式配電網中電纜覆蓋率較大，選擇型號為JYV22-3×300的電纜，線路的單位正序阻抗Z(1)=(0.061+j0.088) Ω/km，單位零序阻抗Z(0)=(0.61+0.37) Ω/km，中性點接地電阻R1=R2=10 Ω，l=5 km。

IIDG并網前及并網后變壓器T2在不同中性點接地方式下，各位置的故障點電流幅值如表1所示。

表1 各種情況下故障點電流幅值|(kA)

故障點電流的變化趨勢如圖5所示。

圖5 故障點電流隨故障點位置的變化曲線

T2中性點不同接地方式下，1.5 s時PCC附近發生單相接地故障的主網側和IIDG側各序電流如圖6～圖11所示。

圖6 不接地時主網側各序電流

在圖6中，由于負序電流和零序電流相等，所以負序和零序電流的波形重合，導致只看到了兩條波形曲線。

圖8 小電阻接地時主網側各序電流

圖9 小電阻接地時IIDG側各序電流

圖10 直接接地時主網側各序和各相電流

由圖6～圖11中IIDG側各序電流可以看出，T2在不同接地方式下，IIDG側的正序電流都沒有發生變化，且負序電流在穩態后始終為零，所以驗證了PQ控制和正序控制下IIDG輸出特性的正確性。而且不同接地方式下主網側和IIDG側的各序電流特性也與第二節的理論分析相一致。

得出各序電流后，運用對稱分量法便可得出各相電流，鑒于文章篇幅，只給出直接接地時IIDG側各相電流波形如圖12所示。

圖11 直接接地時IIDG側各序電流

圖12 直接接地時IIDG側各相電流

由圖12可以看出，直接接地時IIDG側的各相故障電流符合分析結果，另外系統中各相都出現了逐漸衰減的直流分量，其最大值約為1 kA。

4 結束語

利用對稱分量法對含PQ控制IIDG的小電阻接地方式配電網在各種條件下的單相接地故障特征進行了分析，并通過PSCAD/EMTDC仿真驗證，得出了以下結論：

(1)IIDG上游故障時，故障點電流在T2不接地時最小，小電阻接地時約為不接地的兩倍，直接接地時最大。隨著故障點位置逐漸遠離母線，不接地和小電阻接地時故障點電流逐漸減小，直接接地時逐漸增大;

(2)IIDG下游故障時，故障點電流大小的規律與上游故障時相同，但此時T2在三種接地方式下，故障點電流隨著故障點位置逐漸遠離母線均減小;

(3)無論是上游故障還是下游故障，主網側和IIDG側除故障相中有故障電流外，非故障相也存在故障電流，非故障相的電流大小取決于IIDG的容量和T2的接地方式。

綜合分析，IIDG并網時，并網變壓器中性點選擇不接地方式與IIDG并網前的單相接地故障特征相比變化較小，無需對接地保護的整定和配置進行較大的調整，因此選擇不接地方式較為合適。