包含逆變型電源和風(fēng)電機(jī)組的微網(wǎng)故障分析

蕭 威，王 林，葉 子

（1.國華能源投資有限公司，北京 100007；2.國華（江蘇）風(fēng)電有限公司，江蘇 東臺 224200；3.國網(wǎng)通用航空有限公司，北京 102209）

1 微網(wǎng)和分布能源特點(diǎn)

1.1 微網(wǎng)

微電網(wǎng)是一種小規(guī)模發(fā)配電系統(tǒng)，包含分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置、變流器以及監(jiān)控保護(hù)裝置等，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電、分配和調(diào)節(jié)從本地分布式能源到本地負(fù)載間的功率流動(dòng)。憑借微電網(wǎng)的運(yùn)行控制和能量管理等關(guān)鍵技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)或孤島運(yùn)行。

1.2 光伏電站

光伏電站是微網(wǎng)經(jīng)常配置的電源，其輸出具有非線性特點(diǎn)，且會(huì)出現(xiàn)衰減現(xiàn)象。光伏電站發(fā)電的出力，通過并網(wǎng)逆變器接入電網(wǎng)。作為電力電子裝置的逆變器會(huì)產(chǎn)生一定諧波，同時(shí)功率波動(dòng)會(huì)造成配網(wǎng)電壓的波動(dòng)和閃變。

1.3 風(fēng)電機(jī)組

風(fēng)力發(fā)電是目前技術(shù)最成熟、最適宜大規(guī)模開發(fā)的新能源利用形式，也是微電網(wǎng)中分布式電源的重要類型。風(fēng)電機(jī)組的輸出功率與風(fēng)速的立方成正比，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率通常會(huì)隨著風(fēng)速大幅快速變化。并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電對于電網(wǎng)穩(wěn)定性主要有兩個(gè)威脅。第一，風(fēng)速的波動(dòng)性和隨機(jī)性引起風(fēng)電出力隨時(shí)間變化，且難以準(zhǔn)確預(yù)測，導(dǎo)致其接入電力系統(tǒng)時(shí)存在安全隱患；第二，弱電網(wǎng)中風(fēng)電注入功率過高引起電壓穩(wěn)定性降低，具體表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)電壓波動(dòng)、電壓閃變、諧波、電壓不平衡、瞬態(tài)電壓跌落或凹陷等。

2 含有分布式電源的微網(wǎng)故障特性分析

2.1 逆變型電源故障行為特性分析

并網(wǎng)型逆變型電源一般帶有兩類保護(hù)：第一類是針對過載的保護(hù)；第二類為針對短路的保護(hù)[1-3]。逆變器通態(tài)阻抗很小，不能長時(shí)間過流。當(dāng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，逆變器會(huì)被立即切除。因此，一般認(rèn)為逆變型電源的短路電流不能超過額定值的2倍。

當(dāng)逆變型電源的輸出電流超過限幅值時(shí)，一般有兩種處理方法。第一種，利用逆變器自身的保護(hù)措施消除故障電流，如封鎖觸發(fā)脈沖，強(qiáng)行切除電源等。第二種，在逆變器控制模塊中加設(shè)飽和模塊，將逆變型電源輸出電流限制在2倍額定電流。考慮到分布式電源的低電壓穿越能力，本文在分析逆變型電源故障特征時(shí)，將考慮逆變器內(nèi)部的限流環(huán)節(jié)。

2.1.1 對稱性短路（三相短路）

短路電流在控制器作用下迅速上升，電路進(jìn)入短路穩(wěn)態(tài)，出口電壓瞬間跌落至0。在微電網(wǎng)中，線路較短，線路阻抗遠(yuǎn)小于負(fù)荷阻抗，一般較小，逆變器輸˙出功率此時(shí)，恒功率控制策略使得IL大幅度上升，但由于逆變器內(nèi)部限流的影響，其短路電流一般不超過額定電流的2倍。此時(shí)，逆變電源將不能維持功率的恒定，退化為恒流源。

2.1.2 不對稱性短路

不對稱性短路主要是指單相接地、兩相相間、兩相接地等短路形式。發(fā)生不對稱短路時(shí)，逆變器也會(huì)出現(xiàn)不對稱運(yùn)行特性。在發(fā)生不對稱短路時(shí)，各種類型的逆變器表現(xiàn)出基本一致的不對稱運(yùn)行特性。逆變器輸出大量的負(fù)序、零序電壓電流，正序電壓跌落的同時(shí)，逆變器輸出無功。在故障過程中，逆變器輸出的頻率經(jīng)過波動(dòng)維持了恒定。當(dāng)電壓跌落比重較大時(shí)，故障相的電流未超過額定的2倍，逆變器表現(xiàn)出恒流源特性，直到故障恢復(fù)或者逆變型電源被切除。

2.2 風(fēng)電機(jī)組故障特征分析

與逆變型電源相比，風(fēng)電機(jī)組的輸出特性是典型的旋轉(zhuǎn)型機(jī)型接口分布式電源，故障特性與逆變型電源有較大區(qū)別。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)和雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前主要應(yīng)用的兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)，是典型的異步機(jī)型接口的分布式電源。當(dāng)端口發(fā)生三相短路時(shí)，短路電流經(jīng)過暫態(tài)峰值電流后迅速衰減。由于缺乏外部勵(lì)磁電源的支撐，異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的短路電流最終會(huì)衰減至0。

雙饋型風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子通過變頻器并網(wǎng)，定子直接與電網(wǎng)相連。當(dāng)端口電壓突然跌落時(shí)，為了保護(hù)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，通常會(huì)短接轉(zhuǎn)子側(cè)繞組將變流器切除，短路電流為0。

當(dāng)變流器不切除時(shí)，雙饋型風(fēng)電機(jī)組的故障輸出特性和直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組不同。根據(jù)雙饋型風(fēng)電機(jī)組等效模型，將轉(zhuǎn)子側(cè)折算到定子側(cè)。Rs為定子等效電阻，Ls為定子等效漏感，Lm為互感；Lr為轉(zhuǎn)子等效漏感，Rr為轉(zhuǎn)子等效電阻；ψs、ψr為等效磁勢，is、ir為定、轉(zhuǎn)子等效電流， 為定、轉(zhuǎn)子等效端電壓。根據(jù)發(fā)生短路故障前后磁鏈平衡，可以得出雙饋型風(fēng)電機(jī)組短路輸出電流為：

可以看出，第一項(xiàng)是沖擊電流，會(huì)衰減至0；第二項(xiàng)與電壓跌落比重有關(guān)，如果發(fā)生金屬性短路，也將為0；第三項(xiàng)與轉(zhuǎn)子電流有關(guān)，若變頻器不切除，那么短路穩(wěn)態(tài)時(shí)，雙饋型風(fēng)電機(jī)組也將貢獻(xiàn)短路電流[4]。

2.3 微網(wǎng)的故障特性分析

微電網(wǎng)有并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行模式，在不同的運(yùn)行模式下微電網(wǎng)的故障特性有很大不同[5-6]。

圖1為微電網(wǎng)模型，通過PCC的開斷，微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)與孤島兩種運(yùn)行狀態(tài)的切換。F1～F3為故障點(diǎn)，F(xiàn)1代表外電網(wǎng)故障，F(xiàn)2～F3表示微電網(wǎng)內(nèi)部相應(yīng)的線路故障。

圖1 低壓微電網(wǎng)模型

2.3.1 并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)故障仿真與特征分析

（1）當(dāng)外電網(wǎng)F1處發(fā)生三相短路時(shí)，PCC處電壓電流以及CB1～CB4處電流如圖2～圖7所示。

圖2 PCC處電壓

圖3 PCC處電流

圖4 CB1處電流

圖5 CB2處電流

圖6 CB3處電流

圖7 CB4處電流

外部電網(wǎng)短路時(shí)，微電網(wǎng)通過PCC向外電網(wǎng)提供短路電流。需要說明的是，外電網(wǎng)處感受到的短路電流為各個(gè)分布式電源短路貢獻(xiàn)電流的之和。

（2）當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部線路F2處發(fā)生短路時(shí)，設(shè)置的短路形式有三相接地短路、兩相接地短路、兩相相間短路以及單相接地短路。CB1和M1處電流如圖8～圖15所示。

圖8 三相短路時(shí)CB1處電流

圖9 三相短路時(shí)M1處電流

圖10 兩相接地短路時(shí)CB1處電流

圖11 兩相接地短路時(shí)M1處電流

圖12 兩相相間短路CB1處電流

圖13 兩相相間M1處電流

圖14 單相接地短路CB1處電流

圖15 單相接地短路M1處電流

可以看出，靠近大電網(wǎng)線路端的故障電流CB1明顯比靠近分布式電源的端口M1大。由于微電網(wǎng)內(nèi)部線路較短，F(xiàn)2短路時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電壓都會(huì)降低，且越靠近故障點(diǎn)，電壓跌落比重越大，但是相鄰故障點(diǎn)的電壓差不會(huì)太大。同時(shí)，故障時(shí)，各分布式電源功率輸出變化較大。因此，為避免對微電網(wǎng)內(nèi)部各負(fù)荷的供電產(chǎn)生過大影響，故障時(shí)應(yīng)及時(shí)切除故障線路。

2.3.2 孤島運(yùn)行時(shí)故障仿真與特征分析

PCC斷開，微電網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)，F(xiàn)3點(diǎn)發(fā)生三相短路時(shí)，CB4處的短路電流如圖16所示。圖17為并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)3點(diǎn)三相短路時(shí)CB4處的短路電流。

圖16 孤島時(shí)CB4處短路電流

可以看出，孤島運(yùn)行時(shí)，故障后CB4的電流與正常運(yùn)行時(shí)負(fù)荷電流幅值差異不大；并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，CB4處的短路電流幅值較大，與負(fù)荷電流差異明顯。對比圖16和圖17，可以看到微電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，微電網(wǎng)內(nèi)部短路時(shí)短路電流主要由外部大電網(wǎng)提供；而孤島運(yùn)行時(shí)，短路電流主要由內(nèi)部的分布式電源提供，兩者在數(shù)值上差距較大。

圖17 并網(wǎng)時(shí)CB4處短路電流

3 結(jié) 論

對通過逆變器并網(wǎng)的逆變型電源和風(fēng)電機(jī)組的故障暫態(tài)及穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行分析與仿真，根據(jù)微電網(wǎng)模型，仿真分析了并網(wǎng)和孤島兩種狀態(tài)下微電網(wǎng)的故障特性，得到如下結(jié)論：

（1）并網(wǎng)型逆變電源在故障時(shí)會(huì)蛻化為恒流源，輸出限幅電流直到退出運(yùn)行。

（2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障特性與逆變型分布式電源有較大不同。直驅(qū)永磁型風(fēng)電機(jī)組端口短路時(shí)會(huì)輸出較大的暫態(tài)尖峰電流，隨后短路電流迅速衰減至0；雙饋型風(fēng)電機(jī)組故障時(shí)若轉(zhuǎn)子變流器退出運(yùn)行，雙饋機(jī)組的故障電流輸出特性與直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組類似；若轉(zhuǎn)子變流器故障時(shí)依然并網(wǎng)運(yùn)行，那么此時(shí)雙饋機(jī)組在短路時(shí)輸出尖峰電流后短路電流不會(huì)衰減至0，其大小取決于電壓跌落比重和轉(zhuǎn)子電流。

（3）微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，外部故障時(shí)，微電網(wǎng)內(nèi)部分布式電源通過與大電網(wǎng)的連接點(diǎn)向故障點(diǎn)貢獻(xiàn)短路電流；內(nèi)部故障時(shí)，大電網(wǎng)是短路點(diǎn)短路電流的主要貢獻(xiàn)者；孤島運(yùn)行時(shí)，短路點(diǎn)短路電流由各分布式電源提供。