分布式发电接入电网故障穿越控制及短路电流计算方法

分布式发电(DG)接入电网的短路计算是电力系统设备选型和保护整定的基础。电网故障时DG不脱网运行控制和保护决定了机组注入电网的短路电流大小及持续时间,而传统等值电压源模型未计及DG不脱网运行特征,无法准确及精细化地计算DG接入电网的短路电流。本文在国家自然科学基金(51277184)和国家高技术研究发展计划(863计划)(2011AA05A107)的支持下,系统地开展了定速感应发电机、逆变型分布式电源和双馈感应发电机的故障穿越特性、控制方案的研究,建立了计及故障穿越(不脱网运行)特征的DG接入电网短路计算模型,提出了迭代及实用计算方法。论文主要工作如下:①针对电网故障中感应发电机不脱网运行的暂态失稳过程,建立一种确定多台感应发电机临界转速及切除时间的方法;结合电网发生短路故障后感应发电机定、转子绕组的磁链以及转子转速动态过程,推导其电流解析式以形成感应发电机短路电流计算模型。在单台感应发电机稳定判别基础上,定义多感应发电机暂态稳定域和临界切除时间;根据改进的感应发电机静态等效电路,以及故障后电网的网络约束和转速增量的估算,建立确定多台机组接入电网的暂态稳定解析方法;研究不对称故障时发电机定子、转子磁链的关联性,形成由发电机端电压决定的电流源模型以获得感应发电机的短路电流,分析转速变化时和不同并网规模下多机系统的故障特性,探索多感应发电机故障输出电流与电网的交互作用。②分析电网不对称故障下电流控制逆变型分布式电源的瞬时功率特性,提出电流控制逆变型分布式电源不脱网运行的改进功率控制,在此基础上,建立短路计算模型以确定其短路电流。推导电网故障扰动下逆变型分布式电源的电流总谐波畸变率、相电流峰值、直流电压波动与指令电流调节系数的解析式,考虑前述约束提出机组不脱网运行的改进功率控制策略;对比采用无差拍、比例积分和比例谐振电流控制时逆变型分布式电源的短路电流差异,建立无差拍电流控制的逆变型分布式电源短路计算模型;利用闭环传递函数等值,建立比例积分和比例谐振电流控制的逆变型分布式电源短路计算模型。③推导电网不对称故障时电压控制逆变型分布式电源的电压输出特性,设计逆变型分布式电源不脱网运行的电压控制内环改进方案,建立电压控制逆变型分布式电源的短路计算模型。研究电压控制逆变型分布式电源的下垂控制以及考虑线路阻抗不匹配的改进方案,通过引入负序和三次谐波电压控制环节,设计逆变型分布式电源不脱网运行的电压控制内环改进方案;根据电压控制逆变型分布式电源的故障响应特性,分析电网不对称故障时逆变型分布式电源输出功率与正负序网功率的耦合关系,建立电压控制逆变型分布式电源的短路计算模型。④推导电网不对称故障下双馈感应发电机不脱网运行的转子三相电流指令值的通用计算式,设计双馈感应发电机的不脱网运行灵活功率控制策略,针对撬棒投入和未投入时双馈感应发电机的暂态特性差异,建立双馈感应发电机的短路计算模型。以有功和无功功率波动设定值为目标,计及转子电流峰值限制设计双馈感应发电机不脱网运行的灵活功率控制策略;针对撬棒投入和未投入时双馈感应发电机的暂态特性差异,以转子电流峰值为转子撬棒投入的判据,分析撬棒动作与故障后双馈感应发电机端电压的关系;考虑转子励磁调节和撬棒电阻动作延时,分别针对电网三相短路和不对称短路两种故障情况,建立双馈感应发电机的短路计算模型。⑤在前述不同类型DG短路计算模型基础上,建立基于DG短路电流解析的多DG接入电网短路计算统一数学模型,研究采用节点分裂的多DG系统的短路电流迭代求解方法。通过比较不同容量DG系统的故障电流响应特性,揭示DG短路电流与电网以及自身不脱网运行持续时间的关系;针对多DG接入不平衡配电网,提出计及不脱网运行控制和时序的多DG电网短路电流的对称分量迭代算法。通过多感应发电机、逆变型分布式电源系统的算例测试,利用PSCAD/EMTDC软件仿真验证该短路电流迭代算法的正确性。⑥为了获得满足工程应用的短路电流实用算法,将短路电流周期分量的运算曲线法扩展至运算曲面;分析常规电源对DG的电压支撑作用,将DG接入点以外的系统进行戴维南等值,利用DG短路电流周期分量与计算阻抗、开路电压的关系曲面,提出DG接入电网的三相短路电流运算曲面法。利用正序等效定则建立考虑DG负序电流注入的短路计算正序增广网络,进而给出DG接入电网的不对称短路电流运算曲面法。通过多双馈感应发电机系统、鹿西岛微电网的算例测试,利用PSCAD/EMTDC软件仿真验证该短路电流实用算法的正确性。