含可再生能源的配電網系統三相短路電流的計算分析

李淑娜， 祿 昊， 劉文達， 李鴻劍， 馬宏明， 張秦康， 閆景皓

（中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院，北京 100083）

0 引言

可持續發展已經是全球各行業的發展主題， 隨著傳統能源的大量消耗，以及環境污染的日益嚴重，環境友好式的電力系統是電力行業發展的必然方向[1]。 可再生能源的分布式發電(DG)與電力系統的協調發電在節約資源、降低能耗的同時，能夠實現電網可靠運行和靈活控制，為21世紀電力工業的發展提供了新的發展方向[2]。

然而由于DG 機組的隨機性、不可控制性，其大規模接入在改變電網潮流和短路電流分布的同時， 給電網安全穩定運行、 保護配置及能量管理等方面帶來了新的挑戰[3-4]。 所以在進行實際的生產實踐之前需要進行相關的建模分析，光伏發電系統由PV 陣列、控制器、逆變器和一些其他部件組成，為提高其并網運行的安全可靠性，還需要連接并網控制[5]。 同時兼顧到發電機模塊，考慮到一些特殊情況，比如與同步發電機相比，逆變型DG 的故障響應速度特別快， 其提供的短路電流受限與開關器件的極限電流[6-7]。 隨著含可再生能源的配電網系統中短路電流問題的日益突出， 迫切需要研究在傳統配電網中加入可再生能源后的短路電流特性。

本文針對含光伏的配電網系統， 基于MATLAB/Simulink 建立IEEE 33 配電系統。

最后得到相關的實驗數據并進行分析， 針對輻射狀的配電網[8]，在前推回推潮流算法基礎上采用疊加原理計算故障電流。 所搭建的仿真模型進行仿真圖形分析時，也參考了文獻[9-11]。

1 三相短路電流計算

三相短路發生時，電力系統的三相電路仍然對稱，故稱之為對稱短路。 此類型短路在所有短路故障中形成的短路電流是最大的，造成的危害是最嚴重的，故介紹三相短路電流計算。 三相短路計算主要是短路電流周期 （基頻）分量的計算，在給定電源電勢時，實際上就是穩態交流電路的求解。

1.1 短路的沖擊電流

短路電流瞬間達到的最高值稱沖擊電流iim。 是為校驗所選擇電氣設備的機械強度[12]。 當沖擊系數kim取1.8時，沖擊電流為：

1.2 短路電流的最大有效值

在校驗斷路器的斷流能力以及電氣設備的熱穩定的時候，需要計算短路電流最大值Iim。 當沖擊系數kim取1.8時，短路電流最大有效值為[13]：

1.3 短路功率

短路功率是校驗開關切斷能力。 一方面開關要能切斷這樣大的電流，另一方面，在開關斷流時其觸頭應經受住工作電壓的作用[14]。 短路功率為：

1.4 三相短路計算

短路電流計算要建立電力系統節點方程，利用節點方程作故障計算，形成系統的節點導納(或阻抗)矩陣。 根據給定的IEEE33 節點配電網形成節點導納矩陣Y。 IEEE33節點接線圖如圖1 所示。

圖1 IEEE 33 節點配電網

通過IEEE 33 節點測試系統參數，可以最終形成包括光伏和負荷支路的節點方程如下：

由已知IEEE33 節點配電網圖搭建MATLAB/SIMULINK 仿真模型圖如圖2 所示。

圖2 IEEE 33 節點配電網仿真模型

2 仿真分析

電網故障發生的隨機因素導致光伏發電并網點電壓跌落具有隨機性， 使得光伏發電故障期間的短路電流表現出不確定性， 為此評估含分布式光伏發電電力系統的短路電流隨機變化范圍和分布情況具有重要意義。 通過以上仿真搭建，再加上光伏模塊和短路故障點的設置，可以進一步由仿真圖形更直觀看到光伏和短路故障點位置對三相短路電流的影響。

2.1 增大光伏容量

在原有IEEE33 節點仿真圖的基礎上增加光伏模塊和三相短路故障點的設立， 所得故障點三相短路電流波形圖如圖3、圖4、圖5 所示。

圖3 沒有光伏

圖4 光伏容量增大

圖5 光伏容量進一步增大

仿真運行時間為1s，從0.2s 開始短路。 圖3 到圖5 逐步增大光伏容量， 由仿真圖形可以看出隨著光伏容量的增大，三相短路電流也在持續增大。 從圖3 沒有光伏時短路電流幅值為1 000 安培，當光伏容量變大，三相短路電流也在逐漸增加，實現從幅值1 000 安培到1 500 安培的上升。

2.2 改變短路點位置

在母線1 到2 之間設立三相短路故障點且無光伏。實驗結果如圖6 所示。

有光伏的情況如圖7 所示。

在母線7 到母線8 之間設立三相短路故障點沒有光伏的情況下如圖8 所示。

有光伏的情況下如圖9 所示。

在母線31 到母線32 設立三相短路故障點沒有光伏的情況下如圖10 所示：

圖6 無光伏的情況

圖7 有光伏的情況

有光伏的情況如圖11 所示。

由以上仿真圖形可以看出，短路點離電源越近，三相短路電流越大。反之，越靠近線路末端，短路電流越小。將短路故障設置在離電源較近的位置時，三相短路電流幅值達到5×104安培以上， 隨著短路故障點離線路末端越近時，三相短路電流幅值已經降到1 000 安培以下了。 與此同時，也可以看出短路電流在有無光伏情況下幅值也不一樣。 在有光伏的情況下，三相短路電流比沒有光伏時幅值略微增大一點，且波形圖更雜亂。

圖8 沒有光伏的情況

圖9 有光伏的情況

3 結論

本文主要探討了含可再生能源的配電網系統三相短路電流的計算分析， 用IEEE 33 節點配電網系統進行模擬，并加入了相關的光伏模塊和三相短路故障點的設立。

首先根據目標要求選配好了參數， 之后記錄了在改變光伏模塊參數， 還有改變短路點情況下的三相短路電流波形圖。

通過對比分析可以發現， 在含可再生能源的配電網系統三相短路電流的計算分析中， 隨著光伏容量的逐漸增大，三相短路電流也在逐步增大。 其次，短路接入點的改變對配電網系統的輸出作用明顯，短路故障點離電源越近，三相短路電流越大，與此同時，有光伏的條件下，短路電流會比沒光伏時略微大一些。

圖10 沒有光伏的情況

圖11 有光伏的情況