CN105162099A - 一种确定分布式发电接入电网不对称短路电流的运算曲面法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种确定分布式发电接入电网不对称短路电流的运算曲面法，该方法包括：电网中接入多台DG和常规发电机时，通过网络化简得到3节点简化网络及不同节点间的转移阻抗；针对不同类型不对称短路故障，忽略DG零序电流注入影响，根据故障点边界条件得到短路计算复合序网及正负序增广网络，计算增广网络中的附加电压和附加阻抗；将正、负序网中DG接入点以外系统分别进行戴维南等值，推导DG注入电流为零时对应短路阻抗和开路电压计算式；制定DG短路电流负序分量与计算阻抗、正负序开路电压的运算曲面，得到DG短路电流负序分量；根据DG接入后正序增广网络接入点等值开路电压计算方法，结合三相短路运算曲面，计算DG不对称短路电流正序分量。

Description

一种确定分布式发电接入电网不对称短路电流的运算曲面法

技术领域

本发明涉及分布式发电系统技术领域，尤其涉及一种确定分布式发电接入电网不对称短路电流的运算曲面法。

背景技术

随着环境污染加剧和能源日益短缺，各国开始大规模开发风能、太阳能等可再生能源，与之相适应的分布式发电(DG)得到高度重视和大力发展。然而，DG的接入改变了电网潮流和短路电流分布，DG提供的故障电流将对线路原有的保护和重合闸装置协调动作产生影响。为保证DG接入电网的安全稳定运行，2010年国家电网公司出台的《分布式电源接入电网技术规定》对DG并网点的电能质量、故障响应、DG的功率控制和电压调节等做出了相应规定。DG短路电流的工程实用计算对于实现DG故障的快速诊断和可靠隔离至关重要，因此，有必要研究DG短路电流的实用计算方法。

随着风电、光伏并网服务的逐步开放，其运行规模不断扩大，然而大量DG接入给电网安全稳定运行带来诸多不利影响。首先，DG接入电网将导致系统结构发生较大变化，改变电网潮流和短路电流分布，故障时其提供的短路电流因其参数和运行及控制方式的多样性出现多态性。其次，大量DG注入的短路电流使故障点电流增大，将导致电气设备面临更高的动、热稳定要求，甚至超过开关设备的遮断容量，迫使大规模的设备升级。此外，由于DG出力的不确定性和运行组合的多样性，将使短路电流的变化范围增大，加大保护和重合闸的配合难度。这些不仅会干扰电网电能质量，还会影响继电保护装置的准确动作，影响电网安全稳定运行。

目前已有大量文献对含DG电网短路计算模型及算法进行研究，主要是利用DG短路计算模型与网络方程交互迭代，该方法能够得到较准确的短路计算结果，但两者的耦合变量多且迭代计算量大，不能满足工程计算要求。现有工程实用算法国内是运算曲线法、国外是计算系数法，主要针对同步发电机和感应电动机，尚未给出风电、光伏发电机组的短路实用计算处理方法。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种确定分布式发电接入电网不对称短路电流的运算曲面法，该方法仅需得到DG接入点以外的计算电抗和开路电压，方法原理简单且计算量小，适用于短路电流工程计算。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种确定分布式发电接入电网不对称短路电流的运算曲面法，具体包括如下步骤：

(1)、DG短路计算等值电路简化：多台DG和常规电机接入电网时，通过合并常规发电机节点，消去中间节点得到3节点简化网络，结合不同类型不对称短路故障序分量法得到短路计算复合序网及其正负序增广网络；

(2)、等值电路参数推导：计算增广网络中附加电压、阻抗以及简化网络中不同节点间的转移阻抗，将正负序网中DG接入点以外系统分别进行戴维南等值，推导DG注入电流为零时短路阻抗和开路电压计算式；

(3)、负序电流运算曲面制定：制定短路电流负序分量与计算阻抗Z_js、正负序开路电压和的关系曲面，进而根据不同故障条件查表得到DG负序短路电流；

(4)、DG正序电流计算：推导DG接入后正序增广网络接入点等值开路电压计算式，结合三相短路运算曲面，计算不同时刻DG不对称短路电流正序分量，进而得到DG相电流以及常规发电机的其他短路电流。

步骤(1)所述正负序增广网络具体简化步骤为：①忽略DG零序电流注入影响，根据不同类型故障下故障点的序电压和电流边界条件得到短路计算复合序网；②根据根据正序等效定则，将不同类型故障下复合序网的负序或正序和零序网络合并，可得正序或负序增广网络。

在正负序增广网络中，由于DG正序、负序电流注入使得负序、正序增广网络中除了附加阻抗外，还包含新增的附加电压，其大小由网络阻抗及DG正负序短路电流其同决定，正、负序附加电压分别由负、正序电流引起。

步骤(2)中DG注入电流为零时，将正、负序网中DG接入点以外系统分别进行戴维南等值，即可得到对应短路阻抗(相等均为Zjs)和开路电压：

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_{js}=\frac{Z_{sk}^{\′}{Z}_{kf}^{\′}}{Z_{sk}^{\′}+Z_{kf}^{\′}}=\frac{\[Z_{sf}{Z}_{kf}+Z_{sf}{Z}_{\mathrm{\Δ}}+Z_{kf}{Z}_{\mathrm{\Δ}}\]Z_{sk}}{\left(Z_{sf}+Z_{\mathrm{\Δ}}\right)\left(Z_{sk}+Z_{kf}\right)+Z_{sf}{Z}_{\mathrm{\Δ}}}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{oc}^{+}=\frac{Z_{kf}^{\′}{\stackrel{\·}{E}}_s}{Z_{sk}^{\′}+Z_{kf}^{\′}}=\frac{Z_{sf}{Z}_{kf}{\stackrel{\·}{I}}_f^{+}}{Z_{sf}+Z_{sk}+Z_{kf}}+Z_{\mathrm{\Δ}}{\stackrel{\·}{I}}_f^{+}=\frac{\[Z_{sf}{Z}_{kf}+(Z_{sf}+X_{sk}+Z_{kf})Z_{\mathrm{\Δ}}\]{\stackrel{\·}{E}}_s}{Z_{sf}\left(Z_{sk}+Z_{kf}\right)+\left(Z_{sf}+Z_{sk}+Z_{kf}\right)Z_{\mathrm{\Δ}}}\\ U_{oc}^{-}=\frac{-Z_{sf}{Z}_{sj}{\stackrel{\·}{I}}_f^{-}}{Z_{sf}+Z_{sk}+Z_{kf}}=\frac{{\mathrm{\δZ}}_{sf}{Z}_{kf}{\stackrel{\·}{I}}_f^{+}}{Z_{sf}+Z_{sk}+Z_{kf}}=\frac{{\mathrm{\δZ}}_{sf}{Z}_{kf}{\stackrel{\·}{E}}_s}{Z_{sf}\left(Z_{sk}+Z_{kf}\right)+\left(Z_{sf}+Z_{sj}+Z_{kf}\right)Z_{\mathrm{\Δ}}}=\frac{{\mathrm{\ΔZ}}_{sk}^{\′}{\stackrel{\·}{E}}_s}{Z_{sk}^{\′}+Z_{kf}^{\′}}\end{array}\right.$

式中，Zkf、Zsf、Zsk为常规电机至故障点、DG接入点的转移阻抗，ZΔ为附加阻抗，为常规发电机等值电压，(为序电流相关系数(即故障点负序与正序电流比值)。

步骤(4)中短路电流正序分量计算时，认为电网不对称短路后DG在不同时刻的短路电流正序分量与正序增广网络中DG接入点的戴维南等值电压和阻抗的关系，近似等于不同时刻DG三相短路电流与Zjs、的运算曲面关系。

DG接入后正序增广网络中接入点的等值开路电压为：

${\stackrel{\·}{U}}_{oc}={\stackrel{\·}{U}}_{oc}^{+}+\frac{Z_{sk}^{\′}{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{\Δ}}}{Z_{sk}^{\′}+Z_{kf}^{\′}}=\frac{\[Z_{sf}{Z}_{kf}+\left(Z_{sf}+Z_{sk}+Z_{kf}\right)Z_{\mathrm{\Δ}}\]{\stackrel{\·}{E}}_s+Z_{sf}{Z}_{sk}{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{\Δ}}}{Z_{sf}\left(Z_{sk}+Z_{kf}\right)+\left(Z_{sf}+Z_{sk}+Z_{kf}\right)Z_{\mathrm{\Δ}}}$

式中，为附加电压(由DG负序短路电流引起)。

本发明提出的确定分布式发电接入电网不对称短路电流运算曲面法，利用戴维南等值、正序等效等则，结合不同类型短路故障下的复合序网得出正负序增广网络，制定分布式发电机短路电流负序分量与计算阻抗Zjs、开路电压和的运算曲面，得到DG短路电流负序分量，而后计算DG正序增广网络接入点的开路电压，并按三相短路电流运算曲面查得DG短路电流正序分量，该方法充分利用已有研究，原理简单且计算量小，适用于短路电流工程计算。

附图说明

图1为分布式发电机短路计算的三节点简化网络示意图。

图2为含分布式发电(DG)电网单相短路接地的复合序网。

图3为含分布式发电(DG)电网单相短路接地的正序增广网络。

图4为分布式发电短路运算曲面等值电路。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明能够实现分布式发电(DG)短路电流的工程实用计算。在复杂电力系统中通过网络简化得到附图1所示的3节点等值网络，其中Zsk、Zsf和Zkf为常规电机至故障点、DG接入点的转移阻抗，结合不同类型不对称短路故障得到附图2及附图3所示的短路计算复合序网、正序增广网络；根据戴维南等值推导DG注入电流为零时短路阻抗Zjs和开路电压和计算式，进而得到DG负序电流与Zjs、和的关系曲面；推导DG接入后正序增广网络接入点等值开路电压计算式，结合三相短路运算曲面，计算不同时刻DG不对称短路电流正序分量。具体实施步骤如下：

S1：DG短路计算等值电路简化：

(1)、设电网中节点1至m₁接入常规发电机，节点m₁+1至m₁+m₂接入DG，节点f为故障点。将故障点和不同类型发电机接入点保留，消去其他中间节点得到转移阻抗网络，并利用节点阻抗矩阵求得转移阻抗；

(2)、计算第k台分布式发电(DG)短路电流，将常规发电机节点1至m₁合并，得到附图1所示的短路计算等值网络，图中Z_kf、Z_sf、Z_sk为常规电机至故障点、DG接入点的转移阻抗；

(3)、考虑不对称故障过程中DG不向电网注入零序电流，仅以动态电流源形式将正负序短路电流注入正负序网，当节点f发生单相接地短路时，根据故障点的序电压和电流的边界条件得到附图2所示的复合序网。图中为常规发电机等值电压，为DG短路电流的正序、负序分量，和为故障点的正负零序电流，Z_∑0为零序网络等值阻抗(与DG升压变接线相关)；

(4)、根据正序等效等则，将不同类型故障下复合序网的负序和零序网络合并，可得附图3所示的正序增广网络。由于DG负序电流的注入使得正序增广网络中除了附加阻抗Z_Δ外，还有新增的附加电压这两个附加参数均与故障类型、网络阻抗相关。负序增广网络同理可得。

S2：等值电路参数推导：

计算增广网络中附加电压、阻抗以及简化网络中不同节点间的转移阻抗，将正、负序网中DG接入点以外系统分别进行戴维南等值，推导DG注入电流为零时短路阻抗和开路电压计算式；

简化网络参数计算：

由故障分量网络的节点阻抗矩阵，可计算所有电源节点与故障点、常规电源与分布式发电机接入点之间的转移阻抗z'_ij为：

$z_{ij}^{\′}=\frac{Z_{jj}}{Z_{ij}}{z}_i---\left(1\right)$

式中，j为故障节点或分布式发电机接入点，Z_jj和Z_ij为故障分量网络节点阻抗矩阵的自阻抗和互阻抗，z_i为电源至接入点i的等值阻抗。

附图1中的阻抗Z_kf＝z'_kf，其余阻抗为：

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_{sf}=1/\underset{i=1}{\overset{m_1}{\Σ}}1/z_{if}^{\′}\\ Z_{sk}=1/\underset{i=1}{\overset{m_1}{\Σ}}1/z_{ik}^{\′}\end{array}\right.---\left(2\right)$

增广网络参数计算：

由于DG负序电流的注入使得正序增广网络中除了附加阻抗Z_Δ外，还有新增的附加电压这两个附加参数均与故障类型相关，其中，计算式如表1所示：

表1不同故障类型下的附加电压和序电流相关系数

电网故障后常规发电机将对DG起到电压支撑作用，将正、负序网中DG接入点以外系统分别进行戴维南等值，由附图2、附图3得到对应短路阻抗(相等均为Z_js)、开路电压和

$Z_{js}=\frac{Z_{sk}^{\′}{Z}_{kf}^{\′}}{Z_{sk}^{\′}+Z_{kf}^{\′}}=\frac{\[Z_{sf}{Z}_{kf}+Z_{sf}{Z}_{\mathrm{\Δ}}+Z_{kf}Z{\mathrm{\Δ}}_{}\]Z_{sk}}{(Z_{sf}+Z_{\mathrm{\Δ}})(Z_{sk}+Z_{kf})+Z_{sf}{Z}_{\mathrm{\Δ}}}---\left(3\right)$

${\stackrel{\·}{U}}_{oc}^{+}=\frac{Z_{kf}^{\′}{\stackrel{\·}{E}}_s}{Z_{sk}^{\′}+Z_{kf}^{\′}}=\frac{Z_{sf}{Z}_{kf}{\stackrel{\·}{I}}_f^{+}}{Z_{sf}+Z_{sk}+Z_{kf}}+Z_{\mathrm{\Δ}}{\stackrel{\·}{I}}_f^{+}=\frac{\[Z_{sf}{Z}_{kf}+\left(Z_{sf}+Z_{sk}+Z_{kf}\right)Z_{\mathrm{\Δ}}\]{\stackrel{\·}{E}}_s}{Z_{sf}\left(Z_{sk}+Z_{kf}\right)+\left(Z_{sf}+Z_{sk}+Z_{kf}\right)Z_{\mathrm{\Δ}}}---\left(4\right)$

${\stackrel{\·}{U}}_{oc}^{-}=\frac{-Z_{sf}{Z}_{sk}{\stackrel{\·}{I}}_f^{-}}{Z_{sf}+Z_{sk}+Z_{kf}}=\frac{{\mathrm{\δZ}}_{sf}{Z}_{sk}{\stackrel{\·}{I}}_f^{+}}{Z_{sf}+Z_{sk}+Z_{kf}}=\frac{{\mathrm{\δZ}}_{sf}{Z}_{sk}{\stackrel{\·}{E}}_s}{Z_{sf}\left(Z_{sk}+Z_{kf}\right)+\left(Z_{sf}+Z_{sk}+Z_{kf}\right)Z_{\mathrm{\Δ}}}=\frac{{\mathrm{\δZ}}_{sk}^{\′}{\stackrel{\·}{E}}_s}{Z_{sk}^{\′}+Z_{kf}^{\′}}---\left(5\right)$

式中：δ为序电流相关系数(即故障点负序与正序电流比值)，其与故障类型相关。

S3：负序电流运算曲面制定：

由于通常情况下DG与常规发电机电气联系紧密即Z_js较小，故障后戴维南等值的开路电压不为0，DG短路电流由Z_js和开路电压共同决定。已有研究将短路运算曲线法扩展，制定不同时刻DG三相短路电流周期分量与计算阻抗Z_js、开路电压的运算曲面。

据此，将正序和负序网络的戴维南等值合并，得到附图4所示的DG不对称短路电流计算等值电路。电网故障后和相叠加，经过计算阻抗Z_js施加在DG机端，其再按故障后外部的阻抗和序电压条件，向电网注入正序和负序短路电流。

根据附图4所示等值电路，结合DG不同功率控制策略，即可得到DG短路电流负序分量与计算阻抗Z_js、正、负序开路电压和的关系曲面，进而根据不同故障条件查表得到DG负序短路电流。

S4：DG正序电流计算：

为计算DG不对称短路电流，应用正序等效定则，认为电网不对称短路后DG在不同时刻的短路电流正序分量与正序增广网络如图3中DG接入点的戴维南等值电压和阻抗的关系，近似等于不同时刻DG三相短路电流与Z_js、的运算曲面关系。

由附图3可得，DG接入后正序增广网络中其接入点的等值阻抗，与式(3)中正、负序网的戴维南等值阻抗相同均为Z_js。而机组接入后正序增广网络中接入点的等值开路电压为，

$\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{oc}={\stackrel{\·}{U}}_{oc}^{+}+\frac{Z_{sk}^{\′}{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{\Δ}}}{Z_{sk}^{\′}+Z_{kf}^{\′}}\\ =\frac{\[Z_{sf}{Z}_{kf}+\left(Z_{sf}+Z_{sk}+Z_{kf}\right)Z_{\mathrm{\Δ}}\]{\stackrel{\·}{E}}_s+Z_{sf}{Z}_{sk}{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{\Δ}}}{Z_{sf}\left(Z_{sk}+Z_{kf}\right)+\left(Z_{sf}+Z_{sk}+Z_{kf}\right)Z_{\mathrm{\Δ}}}\end{array}---\left(6\right)$

由此，根据不同故障条件查表得到DG负序短路电流由式(4)和(6)计算正序增广网络将Z_js和代入三相短路运算曲面，计算不同时刻的DG不对称短路电流正序分量，再由序电流之间以及与相电流的关系，得到常规发电机的其他短路电流分量。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种确定分布式发电接入电网不对称短路电流的运算曲面法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、DG短路计算等值电路简化：将多台DG和常规电机接入电网时，通过合并常规发电机节点，消去中间节点得到3节点简化网络，结合不同类型不对称短路故障序分量法得到短路计算复合序网及其正、负序增广网络；

(2)、等值电路参数推导：计算正、负序增广网络中附加电压、阻抗以及简化网络中不同节点间的转移阻抗，将正、负序增广网络中DG接入点以外系统分别进行戴维南等值，推导DG注入电流为零时正、负序增广网络的短路阻抗和开路电压计算式；

(3)、负序电流运算曲面制定：制定短路电流负序分量与计算阻抗Zjs、正负序开路电压和的关系曲面，进而根据不同故障条件查表得到DG负序短路电流；

(4)、DG正序电流计算：推导DG接入后正序增广网络接入点等值开路电压计算式，结合三相短路运算曲面，计算不同时刻DG不对称短路电流正序分量，进而得到DG相电流以及常规发电机的其他短路电流。

2.如权利要求1所述的确定分布式发电接入电网不对称短路电流的运算曲面法，其特征在于，步骤(1)中所述正、负序增广网络具体简化步骤为：

①忽略DG零序电流注入影响，根据不同类型故障下故障点的序电压和电流边界条件得到短路计算复合序网；

②根据根据正序等效定则，将不同类型故障下复合序网的负序或正序和零序网络合并，得出正序或负序增广网络。

3.如权利要求2所述的确定分布式发电接入电网不对称短路电流的运算曲面法，其特征在于，由于DG正序、负序电流注入使得负序、正序增广网络中除了附加阻抗外，还包含新增的附加电压，其大小由网络阻抗及DG正负序短路电流决定，正、负序附加电压分别由负、正序电流引起。

4.如权利要求1所述的确定分布式发电接入电网不对称短路电流的运算曲面法，其特征在于，步骤(2)中DG注入电流为零时，将正、负序网中DG接入点以外系统分别进行戴维南等值，即可得到对应短路阻抗(相等均为Z_js)和开路电压：

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_{js}=\frac{Z_{sk}^{\′}{Z}_{kf}^{\′}}{Z_{sk}^{\′}+Z_{kf}^{\′}}=\frac{\[Z_{sf}{Z}_{kf}+Z_{sf}{Z}_{\mathrm{\Δ}}+Z_{kf}{Z}_{\mathrm{\Δ}}\]Z_{sk}}{(Z_{sf}+Z_{\mathrm{\Δ}})(Z_{sk}+Z_{kf})+Z_{sf}{Z}_{\mathrm{\Δ}}}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{oc}^{+}=\frac{Z_{kf}^{\′}{\stackrel{\·}{E}}_s}{Z_{sk}^{\′}+Z_{kf}^{\′}}=\frac{Z_{sf}{Z}_{kf}{\stackrel{\·}{I}}_f^{+}}{Z_{sf}+Z_{sk}+Z_{kf}}+Z_{\mathrm{\Δ}}{\stackrel{\·}{I}}_f^{+}=\frac{\[Z_{sf}{Z}_{kf}+(Z_{sf}+Z_{sk}+Z_{kf})Z_{\mathrm{\Δ}}\]{\stackrel{\·}{E}}_s}{Z_{sf}(Z_{sk}+Z_{kf})+(Z_{sf}+Z_{sk}+Z_{kf})Z_{\mathrm{\Δ}}}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{oc}^{-}=\frac{-Z_{sf}{Z}_{sk}{\stackrel{\·}{I}}_f^{-}}{Z_{sf}+Z_{sk}+Z_{kf}}=\frac{{\mathrm{\δZ}}_{sf}{Z}_{sk}{\stackrel{\·}{I}}_f^{+}}{Z_{sf}+Z_{sk}+Z_{kf}}=\frac{{\mathrm{\δZ}}_{sf}{Z}_{sk}{\stackrel{\·}{E}}_s}{Z_{sf}\left(Z_{sk}+Z_{kf}\right)+\left(Z_{sf}+Z_{sk}+Z_{kf}\right)Z_{\mathrm{\Δ}}}=\frac{{\mathrm{\δZ}}_{sk}^{\′}{\stackrel{\·}{E}}_s}{Z_{sk}^{\′}+Z_{kf}^{\′}}\end{array}\right.$

式中，Z_kf、Z_sf、Z_sk为常规电机至故障点、分布式发电(DG)接入点的转移阻抗并联，Z_kf'、Z_sf'、Z_sk'则为对应的转移阻抗，Z_Δ为附加阻抗，为常规发电机等值电压，δ为序电流相关系数(即故障点负序与正序电流比值)。

5.如权利要求1所述的确定分布式发电接入电网不对称短路电流的运算曲面法，其特征在于，步骤(4)中短路电流正序分量计算时，认为电网不对称短路后DG在不同时刻的短路电流正序分量与正序增广网络中DG接入点的戴维南等值电压和阻抗的关系，近似等于不同时刻DG三相短路电流与Z_js、的运算曲面关系。

6.如权利要求5所述的确定分布式发电接入电网不对称短路电流的运算曲面法，其特征在于，DG接入后正序增广网络中接入点的等值开路电压为：

${\stackrel{\·}{U}}_{oc}={\stackrel{\·}{U}}_{oc}^{+}+\frac{Z_{sk}^{\′}{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{\Δ}}}{Z_{sk}^{\′}+Z_{kf}^{\′}}=\frac{\[Z_{sf}{Z}_{kf}+(Z_{sf}+Z_{sk}+Z_{kf})Z_{\mathrm{\Δ}}\]{\stackrel{\·}{E}}_s+Z_{sf}{Z}_{sk}{\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{\Δ}}}{Z_{sf}(Z_{sk}+Z_{kf})+(Z_{sf}+Z_{sk}+Z_{kf})Z_{\mathrm{\Δ}}}$

式中，Z_kf、Z_sf、Z_sk为常规电机至故障点、DG接入点的转移阻抗，Z_kf'、Z_sf'、Z_sk'则为对应的转移阻抗，为附加电压(由DG负序短路电流引起)，为常规发电机等值电压。