CN110336327A - 考虑分布式光伏低电压穿越的配电网短路电流获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑分布式光伏低电压穿越的配电网短路电流获取方法，1)将配电网中的系统电源和光伏电源等效为电流源的形式；2)构建改进的分布式光伏电源故障等效模型及其等值电路；3)基于叠加原理建立含分布式电源光伏电源配电网的等效电路，分别获取非突变网络中产生的短路电流贡献量和突变网络中产生的短路电流增量，计算得到短路电流。与现有技术相比，本发明具有时效性高、便于求解、实用性强、时效性高，便于求解等优点。

Description

考虑分布式光伏低电压穿越的配电网短路电流获取方法

技术领域

本发明涉及，尤其是涉及一种考虑分布式光伏低电压穿越的配电网短路电流获取方法。

背景技术

目前常用的含分布式光伏电源电网故障计算方法是联立节点电压方程和故障边界条件方程不断地迭代求解。该方法虽具有较高的计算精度，但在短路电流的实际工程计算中，许多实际问题的解决并不需要特别精确的结果，反而对计算速度有一定要求。随着分布式电源并网率日益提高，网架结构不断扩大，实际配网结构变得更为复杂，多次的迭代过程将严重影响短路电流的计算速度，因此该方法难以适用于实际工程计算。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑分布式光伏低电压穿越的配电网短路电流获取方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种考虑分布式光伏低电压穿越的配电网短路电流获取方法，包括以下步骤：

1)将配电网中的系统电源和光伏电源等效为电流源的形式；

2)构建改进的分布式光伏电源故障等效模型及其等值电路；

3)基于叠加原理建立含分布式电源光伏电源配电网的等效电路，分别获取非突变网络中产生的短路电流贡献量和突变网络中产生的短路电流增量，计算得到短路电流。

所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)构建计及低电压穿越策略的分布式光伏电源的故障等效模型；

22)简化分布式光伏电源的故障等效模型；

23)将简化后的分布式光伏电源的故障等效模型等效为一个压控电流源。

所述的步骤21)中，分布式光伏电源的故障等效模型中分布式光伏电源的输出电流I_PV的表达式为：

其中，I_PV为光伏逆变器的输出电流，其大小不大于逆变器允许的过流能力最大值1.2I_N.PV，I_N.PV为分布式光伏电源的额定电流，i_d和i_q分别为分布式光伏电源的有功输出电流和无功输出电流。

所述的分布式光伏电源的有功输出电流i_d和无功输出电流i_q的大小根据分布式光伏电源并网点电压V_pcc的不同分为以下三种情况：

当V_pcc＞0.9时：

当0.3≤V_pcc≤0.9时：

i_q＝2I_N.PV(0.9-V_pcc/V_N)；

当分布式光伏电源出口换流器未达到限流状态，即有功输出电流i_d的计算式为：

当分布式光伏电源出口换流器达到限流状态时，即有功输出电流i_d的计算式为：

其中，P₀为短路前分布式光伏电源输出的有功功率，正常运行时，P₀为分布式光伏电源的额定容量，V_N为系统额定电压；

当V_pcc＜0.3时：

将V_pcc＜0.3和0.3≤V_pcc≤0.9的情况进行合并，则有：

当V_pcc＞0.9时：

当V_pcc≤0.9时：

所述的步骤3)中，短路电流由不突变网络所产生的短路电流和突变网络所产生的短路电流增量相加得到，则有：

所述的不突变网络所产生的短路电流的计算式为：

其中，为短路前瞬间配电网正常运行状态下的节点电压，Z_ff为短路故障节点f的输入阻抗，z_f为过渡阻抗。

所述的突变网络所产生的短路电流增量的计算式为：

其中，为节点f的电压增量，即短路故障点的开路电压。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本专利首先对含低电压穿越控制策略分布式光伏电源并网点电压跌落程度与其故障时的输出电流特性进行定量分析，然后提出了一种更适用于实际工程短路电流计算的分布式光伏电源故障等效模型，将非线性问题转换成线性问题进行求解，在该模型的基础上，基于叠加定理将配电网短路故障等效电路分解为电源不突变网络和电源突变网络，提出了改进的含分布式光伏电源配电网短路电流计算方法，与基于迭代原理求解短路电流的方法相比，该方法有利于评估考虑光伏特性时的短路电流计算结果和没有考虑光伏特性时的计算结果，时效性高，便于求解，且更适用于实际工程计算。

附图说明

图1为传统电源的诺顿等值电路。

图2为分布式光伏电源的等效电路。

图3为配电网故障时的电源不突变网络和电源突变网络示意图。

图4为实施例1的系统结构图。

图5为实施例2中IEEE33节点配电系统结构图。

图6为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

如图6所示，本发明提供一种考虑分布式光伏低电压穿越的配电网短路电流获取方法，具体包括以下步骤：

首先对含低电压穿越控制策略分布式光伏电源并网点电压跌落程度与其故障时的输出电流特性进行定量分析，提出一种更适用于实际工程短路电流计算的分布式光伏电源故障等效模型，并在该模型的基础上，将配电网短路故障等效电路分解为非突变网络和突变网络的叠加，提出了改进的含分布式光伏电源配电网短路电流计算方法，具体内容如下：

一、建立配电网中传统电源的等值电路。

在进行含分布式光伏电源配电网短路电流计算时，由于配电网中含有系统电源和光伏电源这两种类型的电源，为方便计算，需将这两类电源统一等效为电流源的形式。

传统电源可以根据诺顿原理将其等效为电流源的形式，如图1所示。

二、改进分布式电源的故障等效模型，建立其等值电路。

1)分布式光伏电源的故障等效模型

根据：

①分布式电源并网运行指南要求：当并网点电压跌落超过10％情况下，电压每跌落1％，分布式电源至少需要提供2％的无功电流，响应速度应在20ms以内；

②国家电网公司关于光伏电站接入电网的技术规范要求光伏电站在1.2倍额定电流下连续可靠运行时间不小于60s；

③在能维持配电网有功平衡和保证光伏逆变器的安全稳定运行的前提下，分布式光伏电源出口逆变器应尽可能多的发出有功功率。

建立计及低电压穿越策略的分布式光伏电源故障等效模型。

分布式光伏电源的输出电流如式(1)所示：

其中I_PV为光伏逆变器的输出电流，考虑到逆变器的限流措施，其电流应不大于逆变器允许的过流能力最大值1.2I_N.PV，其中I_N.PV为分布式光伏电源的额定电流。i_d和i_q分别为分布式光伏电源的有功输出电流和无功输出电流，其大小根据分布式光伏电源并网点电压V_pcc的不同可分为以下三种情况：

1)V_pcc＞0.9

2)0.3≤V_pcc≤0.9

i_q＝2I_N.PV(0.9-V_pcc/V_N) (3)

针对分布式光伏电源出口换流器未达到限流状态，即 时，d轴电流大小计算如下：

针对分布式光伏电源出口换流器达到限流状态时，即 时，d轴电流大小计算如下：

式中P₀为短路前分布式光伏电源输出的有功功率，正常运行时P₀为分布式光伏电源的额定容量，V_N为系统额定电压。

3)V_pcc＜0.3

2)改进分布式光伏电源的故障等效模型

由式(3)～式(5)可得，当分布式光伏电源并网点电压落在0.3～0.9区间内时，由于其输出有功电流i_d与V_pcc呈非线性关系，在进行短路电流计算时，无法避免存在多次的迭代过程，大大增加了计算时间，不利于配网的实际工程计算。本专利通过定量分析分布式光伏电源限流状态与其并网点电压的关系，简化0.3≤V_pcc≤0.9区间内的低电压穿越模型。

联立式(7)中方程，求解得到分布式光伏电源出口逆变器由未限流状态进入限流状态时的并网点电压临界值，基于临界值大小，简化得到更适用于实际工程计算的故障等效模型。

由式(7)可解得V_pcc.max＝0.836_N，即当并网点电压为0.836p.u时，分布式光伏电源即从非限流状态进入限流状态，并网点电压在此电压值及以下时，分布式光伏电源所提供的输出电流值保持在1.2I_N.PV不变。在并网点电压从0.9p.u降至0.836p.u的过程中，分布式光伏电源的输出电流值由1I_N.PV逐渐增加至1.2I_N.PV，电流值增量为0.2I_N.PV。并网点电压在0.836p.u至0.3p.u区间时，分布式光伏电源换流器始终处于限流状态，此时输出电流值维持在1.2I_N.PV内。

为满足实际工程中对计算精度的要求，又能有效减少计算时间，本文提出将V_pcc＜0.3和0.3≤V_pcc≤0.9的故障等效模型进行合并，可得到更适用于实际工程短路电流计算的改进分布式电源故障等效模型如下：

1)V_pcc＞0.9

2)V_pcc≤0.9

3)建立分布式光伏电源的等效电路

结合式(1)，式(9)，式(10)可以看出分布式光伏电源的故障等效模型可以等效为一个压控电流源，等效电路如图2所示。

三、在系统电源和改进分布式光伏电源故障等效模型的基础上，基于叠加原理建立含分布式电源光伏电源配电网的等效电路。

本专利基于叠加定理将配电网故障等效电路分解为短路前后电源状态量不突变网络(b)和突变网络(c)这两个网络的叠加。需要说明的是，图中节点f为三相短路故障点，若节点f经过渡阻抗z_f短路，只需在f点处增加一条包含z_f(z_f不参与形成网络的节点导纳矩阵)的接地支路即可，金属性短路时z_f＝0。

由图3可知，系统发生三相短路故障时的短路电流由不突变网络所产生的短路电流和突变网络所产生的短路电流增量相加而得，如式(11)所示：

式中，包含系统电源和短路后仍保持正常工况运行分布式光伏电源所提供的电流分量，由短路后进入限流模式分布式光伏电源所提供的突变电流增量所构成。

四、非突变网络中所产生的短路电流贡献量的计算。

因非突变网络(b)中不存在突变量，网络中所产生的短路电流贡献量仅需根据传统的短路电流计算方法计算便可得出，如式(12)所示：

式中，为短路前瞬间配电网正常运行状态下的节点电压，忽略网络中负荷对短路电流的影响，可将其标幺值取为1；Z_ff为短路故障节点f的输入阻抗。

五、突变网络中所产生的短路电流增量的计算。

由步骤二所建立的改进分布式光伏电源故障等效模型可知，需要先求出分布式光伏电源并网点的电压才可确定分布式光伏电源所提供的突变电流分量 的计算公式如式(13)所示：

式中，Z_if为节点i和节点f之间的互阻抗。

将并网点电压带入低电压穿越模型可得图3(c)中分布式光伏电源的突变量而当并网点电压V_pcc>0.9时，当V_pcc≤0.9时，将分布式光伏电源统一等效为恒电流源模型，如式(14)所示：

因此，图3(c)突变网络中短路电流突变量可由式(15)计算得出：

式中为节点f的电压增量，即短路故障点的开路电压，该电压根据节点电压方程定量求出，含m个分布式光伏电源配电网系统的节点电压方程可表示为：

式中，为第i个分布式光伏电源对节点的注入电流，如果不存在分布式电源的电流突变量，则 为节点i的电压增量，同时也适用于短路故障节点f，如此可得短路故障点的开路电压

六、将非突变网络中产生的短路电流贡献量和突变网络中产生的短路电流增量相加，得到短路电流如式(11)所示。

实施例1：

本专利通过一个4节点系统测试算例，对上述所提短路电流计算方法进行验证，其结构如图4所示。

取系统额定电压为10.5kV，基准容量为100MW，基准电压为10kV。系统电源由节点1接入向该网络供电，系统等值电抗为1Ω。节点2和节点4分别接入一个额定功率为0.5MW的PV，阻抗Z12、阻抗Z23和阻抗Z34分别为：0.264+j0.858Ω，0.264+j0.858Ω，0.66+j2.145Ω。

基于MATLAB/SIMULINK建立仿真模型，并编写了MATLAB程序，以此来验证本文所提考虑分布式光伏电源低电压穿越的短路电流计算方法的正确性。表1、表2分别为节点2和节点3发生三相对称短路故障时的仿真计算结果。

表1三相对称故障发生在节点2

表2三相对称故障发生在节点3

由表1和表2可知，本文所提方法的计算结果与仿真结果误差在可接受范围之内，验证了该方法的正确性。

实施例2：

算例2采用IEEE33节点配电网系统进行仿真试验，其网络结构如图5所示。

网络电压等级取为10kV，设系统三相基准功率SB＝100MVA，基准电压VB＝10kV。取节点1为系统等值电源点，该节点系统等值电抗x″_d＝j0.5773。在节点13、节点17、节点21和节点28处各安装1MW的分布式光伏电源。在节点4、节点9、节点18和节点20分别设置短路故障，可以看出故障点即有位于所有分布式光伏电源上游位置节点，也有位于所有分布式光伏电源下游位置节点；既有位于主线位置节点，也有位于支路位置节点。

通过算例1验证了本文所提短路电流计算方法的正确性。由于配电网网架结构复杂，分布式光伏电源并网规模日益增加，为验证本专利所提方法在达到较高计算精度的前提下，且能使计算时间明显缩短，以满足实际电网实用计算需求。根据本专利所提短路电流计算方法分别计算4个节点三相短路故障下的短路电流值，并与基于迭代法计算短路电流计算方法对比。两种计算方法的计算结果如表3所示。

表3两种方式短路电流计算结果对比

通过本专利所提方法与基于迭代法计算短路电流结果对比，可以看出两种方法计算所得的短路电流值误差在可接受范围内，验证了本专利所提方法的正确性，且适用于大规模配电网短路电流计算。表4给出在各节点短路时，分布式光伏电源所提供的短路电流值幅值。

表4分布式光伏电源提供的短路电流幅值

从表4结果可以看出，短路故障发生在不同节点时，对并网点分布式光伏电源的输出电流也是有影响的。由于节点4为近端短路，造成各分布式光伏电源并网点电压大幅度下降，所有并网分布式光伏电源都进入限流状态，限流值大小1.2I_N.PV＝0.069 3kA。节点8发生短路故障时，除节点21并网分布式光伏电源仍处于正常工况下运行，其余各点并网分布式光伏电源均已进入限流状态。节点18短路时，节点13和节点17距离短路点较近，且远离系统电源，其均已进入限流状态。节点21并网分布式光伏电源由于距短路点较远且靠近系统电源，因此仍运行在正常工况下。由节点28数据可知，在此处并网点分布式光伏电源已进入低电压穿越模式而未进入限流状态。因此点分布式光伏电源所提供的短路电流值介于I_N.PV～1.2I_N.PV之间。同理，节点20发生短路故障时，节点13和节点17上的分布式光伏电源处于正常运行状态，节点21处分布式光伏电源已进入限流状态，节点28处的分布式光伏电源进入低电压穿越模式却未达到限流状态。本专利所提短路电流计算法，可计算出并网分布式光伏电源所提供的短路电流，也体现了短路后分布式光伏电源并网点电压与其提供短路电流的关系，符合配电网运行时的实际规律，适用于大规模配电网的短路电流计算。

Claims (8)

1.一种考虑分布式光伏低电压穿越的配电网短路电流获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将配电网中的系统电源和光伏电源等效为电流源的形式；

2)构建改进的分布式光伏电源故障等效模型及其等值电路；

3)基于叠加原理建立含分布式电源光伏电源配电网的等效电路，分别获取非突变网络中产生的短路电流贡献量和突变网络中产生的短路电流增量，计算得到短路电流。

2.根据权利要求1所述的一种考虑分布式光伏低电压穿越的配电网短路电流获取方法，其特征在于，所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)构建计及低电压穿越策略的分布式光伏电源的故障等效模型；

22)简化分布式光伏电源的故障等效模型；

23)将简化后的分布式光伏电源的故障等效模型等效为一个压控电流源。

3.根据权利要求1所述的一种考虑分布式光伏低电压穿越的配电网短路电流获取方法，其特征在于，所述的步骤21)中，分布式光伏电源的故障等效模型中分布式光伏电源的输出电流I_PV的表达式为：

其中，I_PV为光伏逆变器的输出电流，其大小不大于逆变器允许的过流能力最大值1.2I_NPV，I_NPV为分布式光伏电源的额定电流，i_d和i_q分别为分布式光伏电源的有功输出电流和无功输出电流。

4.根据权利要求3所述的一种考虑分布式光伏低电压穿越的配电网短路电流获取方法，其特征在于，所述的分布式光伏电源的有功输出电流i_d和无功输出电流i_q的大小根据分布式光伏电源并网点电压V_pcc的不同分为以下三种情况：

当V_pcc＞0.9时：

当0.3≤V_pcc≤0.9时：

i_q＝2I_N.PV(0.9-V_pcc/V_N)；

当分布式光伏电源出口换流器未达到限流状态，即有功输出电流i_d的计算式为：

当分布式光伏电源出口换流器达到限流状态时，即有功输出电流i_d的计算式为：

其中，P₀为短路前分布式光伏电源输出的有功功率，正常运行时，P₀为分布式光伏电源的额定容量，V_N为系统额定电压；

当V_pcc＜0.3时：

5.根据权利要求4所述的一种考虑分布式光伏低电压穿越的配电网短路电流获取方法，其特征在于，将V_pcc＜0.3和0.3≤V_pcc≤0.9的情况进行合并，则有：

当V_pcc＞0.9时：

当V_pcc≤0.9时：

6.根据权利要求2所述的一种考虑分布式光伏低电压穿越的配电网短路电流获取方法，其特征在于，所述的步骤3)中，短路电流由不突变网络所产生的短路电流和突变网络所产生的短路电流增量相加得到，则有：

7.根据权利要求6所述的一种考虑分布式光伏低电压穿越的配电网短路电流获取方法，其特征在于，所述的不突变网络所产生的短路电流的计算式为：

其中，为短路前瞬间配电网正常运行状态下的节点电压，Z_ff为短路故障节点f的输入阻抗，z_f为过渡阻抗。

8.根据权利要求6所述的一种考虑分布式光伏低电压穿越的配电网短路电流获取方法，其特征在于，所述的突变网络所产生的短路电流增量的计算式为：

其中，为节点f的电压增量，即短路故障点的开路电压。