侯 旭，曲雪瑩，王 鶴

(1.國網(wǎng)長春供電公司 變電運維室，吉林 長春 130000；2.杭州國電機械設計研究院有限公司，浙江 杭州 31000；3.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

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主動配電網(wǎng)中微網(wǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)故障穿越研究

侯 旭1，曲雪瑩2，王 鶴3

(1.國網(wǎng)長春供電公司 變電運維室，吉林 長春 130000；2.杭州國電機械設計研究院有限公司，浙江 杭州 31000；3.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

主動配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)中配電網(wǎng)發(fā)展的高級技術(shù)階段，是具備組合控制各種分布式能源(分布式電源、儲能、可控負荷、需求側(cè)響應)能力的配電網(wǎng)絡，是一種可以兼容微電網(wǎng)及其他新能源集成技術(shù)的開放體系結(jié)構(gòu)核心。本文正是在這一結(jié)構(gòu)核心的基礎上，通過對光伏及風電并網(wǎng)系統(tǒng)的故障穿越方式進行研究，確定主動配電網(wǎng)瞬時故障期間微網(wǎng)的動作情況及其影響，并以此為依據(jù)嘗試確定微網(wǎng)的故障穿越模式。同時對含微網(wǎng)的主動配電網(wǎng)進行了建模分析。

主動配電網(wǎng)；微網(wǎng)；分布式能源；故障穿越

隨著新型可再生能源技術(shù)的不斷提高，分布式可再生能源在電力網(wǎng)絡中的滲透率必將越來越高。這一現(xiàn)狀會使得電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運行方式變得越來越復雜多變，最終將會導致傳統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式無法適應現(xiàn)今高滲透率分布式能源的接入。為應對高滲透率分布式能源的接入這一必然發(fā)展趨勢，專家們提出了微網(wǎng)的概念，同時在微網(wǎng)的基礎之上開始進一步探索智能電網(wǎng)框架下的主動配電網(wǎng)技術(shù)模式，旨在解決大規(guī)模間歇式可再生能源接入配電側(cè)，提升綠色能源利用率。這一配電網(wǎng)模式已經(jīng)成為現(xiàn)今配電系統(tǒng)領域的熱點研究問題，并且被認為是未來配電網(wǎng)的必然發(fā)展方向[1-2]。

1 主動配電網(wǎng)

主動配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)中配電網(wǎng)發(fā)展的高級技術(shù)階段，其具備組合控制各種分布式能源的能力。主動配電網(wǎng)可以通過對并網(wǎng)協(xié)議及管理措施的調(diào)整，使得分布式能源可以承擔一定對系統(tǒng)起到一定程度上的支撐作用。在這一基礎上，調(diào)度人員可以通過對網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的高邊來操控系統(tǒng)的運行狀態(tài)，以實現(xiàn)對電能分配與控制的主動性。這一配電模式可以極大的增加配電網(wǎng)對間歇式可再生能源的接納能力，可以有效提電網(wǎng)中能源利用[3-5]。

主動配電網(wǎng)中的微網(wǎng)與常規(guī)狀態(tài)運行下的微網(wǎng)的概念與運行方式也是有區(qū)別的。常規(guī)運行的微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，一般僅可以實現(xiàn)局部的區(qū)域自治，對于內(nèi)部分布式電源所發(fā)出的功率僅能在網(wǎng)內(nèi)進行消納，若所發(fā)電力過剩，只能降低電源出力，而無法將多余電能上傳至所連接的電力系統(tǒng)中。而由于主動配電網(wǎng)對于間歇式能源可以有效的吸納，所以當微網(wǎng)內(nèi)部所發(fā)電力過剩時，可以將多余的電能上傳至所連接的主動配電網(wǎng)。常規(guī)運行狀態(tài)下的微網(wǎng)當遇到所接入的電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，微網(wǎng)的控制策略一般是快速而無選擇性地斷開與電力系統(tǒng)的連接以保障自身的安全運行。而主動配電網(wǎng)則要求所連接的微網(wǎng)根據(jù)故障的實際情況實時的做出判斷以決定所要執(zhí)行的動作。而這一情況，正是主動配電網(wǎng)與微網(wǎng)的矛盾所在[6-7]。

但是，由于主動配電網(wǎng)可以根據(jù)不同故障及電網(wǎng)內(nèi)部的不同特點，通過合理配置解列點，可以使得在局部范圍內(nèi)的分布式電源與相鄰負荷以非常態(tài)方式孤島運行，是一種可以兼容新能源集成技術(shù)的開放體系結(jié)構(gòu)核心。這使得這一矛盾的解決有了一定的突破口。

本文正是在這一突破口的基礎上，將光伏電站及風電場的故障穿越方式擴展到分布電源當中，并以此為基礎推導主動配電網(wǎng)瞬時故障期間，主動配電網(wǎng)中高滲透率微網(wǎng)的動作情況及其影響，并以此來確定微網(wǎng)的故障穿越模式。

2 光伏及風電的故障穿越

2.1 光伏系統(tǒng)的故障穿越

圖1 光伏系統(tǒng)故障穿越曲線

圖2 光伏系統(tǒng)故障穿越系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 風電系統(tǒng)故障穿越曲線

圖4 風電系統(tǒng)故障穿越系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在電力系統(tǒng)發(fā)生故障而導致電網(wǎng)電壓跌落時，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不立即離網(wǎng)，而是繼續(xù)保持與電網(wǎng)的連接并提供支撐，有利于電力系統(tǒng)故障的恢復。而一般情況下，在電網(wǎng)發(fā)生故障時，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)為保障自身安全而立即解列，這種情況在光伏發(fā)電的穿透率較低時是可以接受的，此時光伏并網(wǎng)系統(tǒng)對電力系統(tǒng)影響很??；當光伏發(fā)電穿透率較高時，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在電力系統(tǒng)故障期間仍然采取被動式自我保護而解列，則會極大的增加電力系統(tǒng)中故障恢復的困難程度，甚至會使電力系統(tǒng)中的故障變得更為嚴重。因此光伏并網(wǎng)系統(tǒng)接人規(guī)則要求光伏電站應具備故障穿越能力，即在電網(wǎng)故障期間保持光伏電站不間斷并網(wǎng)運行。故障穿越要求如圖1所示，曲線1為低電壓穿越曲線，曲線2為零電壓穿越曲線。目前，采用的控制策略有基于控制算法和給予增加硬件這兩種方法[8-9]。

2.2 風電機組的故障穿越

風電機組的故障穿越，指在風機并網(wǎng)點電壓跌落的時候，風機能夠保持持續(xù)并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無功功率，支持電網(wǎng)恢復，直到電網(wǎng)恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間。

一般來講，僅當電網(wǎng)電壓在時間或數(shù)值上處于圖3所示曲線下方時，風機才允許解列；而在曲線以上區(qū)域，風機應保持并網(wǎng)，等待電網(wǎng)恢復。且當電壓位于圖中陰影區(qū)域時，還要求風機向電網(wǎng)提供無功功率支撐，幫助電網(wǎng)恢復。目前常用的風電機組故障穿越方式有：添加靜態(tài)同步補償器或靜態(tài)無功補償器，以及采用額外電路單元儲存或消耗多余能量等幾種[10-11]。

風電機組常采用雙饋風機基于撬棒電阻的故障穿越控制策略。撬棒電阻并聯(lián)連接在轉(zhuǎn)子變流器和轉(zhuǎn)子繞組之間，當檢測到流過轉(zhuǎn)子變流器的電流超過某一值后，撬棒電阻開關(guān)閉合，撬棒電阻接入系統(tǒng)，經(jīng)過一個固定的時間后或轉(zhuǎn)子變流器的電流下降為某一值后，撬棒電阻開關(guān)打開，撬棒電阻切出系統(tǒng)。撬棒電阻保護轉(zhuǎn)子變流器的機理是將轉(zhuǎn)子繞組的電流引向自身，從而減少流向轉(zhuǎn)子變流器的電流[12-13]。同時，在變流器直流電容兩端安裝一個限制電阻，限制電阻的作用是限制電容的電壓值。

3 微網(wǎng)的故障穿越

3.1 微網(wǎng)故障穿越簡介

主動配電網(wǎng)中分布式電源的存在一方面在電網(wǎng)故障時，為用戶提供了新的電源，是提高用戶側(cè)供電可靠性、提高配電網(wǎng)自愈能力的重要手段；另一方面，部分間歇式分布電源包括風能、太陽能、水能及由分布式電源及負荷形成的微網(wǎng)等，則需要有效的控制手段對其進行合理調(diào)控，否則將會對電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來負面影響。

電力網(wǎng)絡中發(fā)生的故障會使分布式電源產(chǎn)生一系列異常的暫態(tài)過程，如電壓、電流 或電機轉(zhuǎn)速的改變。這些非正常現(xiàn)象對分布式電源本身及其控制系統(tǒng)運行產(chǎn)生了異常惡劣的影響。因此為了給分布式發(fā)電設備提供最大限度的保護，絕大多數(shù)的分布式發(fā)電設備并網(wǎng)規(guī)程不要求分布式電源參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)。當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時分布式電源必須立即離網(wǎng)。這種處理方式在分布式電源滲透率較低時是可行的；然而當分布式電源的滲透率提高到一定成度后，若分布式電源還是采取在故障時離網(wǎng)的控制措施，會使整個電力系統(tǒng)故障恢復難度大幅度增加，甚至可能會使電力系統(tǒng)中故障變得更加嚴重，最終導致電網(wǎng)訓列[14]。

對于主動配電網(wǎng)中微網(wǎng)的故障穿越能力要從以下幾個方面進行研究。①微網(wǎng)內(nèi)部的微電源的故障穿越能力；②微網(wǎng)內(nèi)部的敏感負荷的補償能力。

也就是說微網(wǎng)的故障穿越研究需要分以下2個部分來進行：①將針對光伏電站及風電場的故障穿越原理應用到微網(wǎng)的分布式電源中；然后通過對微網(wǎng)內(nèi)部分布式電源的故障穿越能力及微網(wǎng)內(nèi)部的電壓暫降補償能力的研究推導微網(wǎng)對外的故障穿越能力；②根據(jù)微網(wǎng)的故障穿越情況確定微網(wǎng)內(nèi)部敏感負荷的補償方式及補償容量。總的來說就是分為對外穿越和對內(nèi)補償這兩部分進行研究[15-16]。本文主要研究內(nèi)容正是第一部分，即微網(wǎng)的對外穿越。

3.2 微網(wǎng)的對外穿越

風電廠及光伏電站的故障穿越標準，是風電及光伏的大型生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)自身生產(chǎn)的設備參數(shù)及電網(wǎng)需求或國家根據(jù)本國的設備生產(chǎn)水平及電網(wǎng)標準制定的，既符合設備生產(chǎn)的經(jīng)濟性要求又符合電網(wǎng)安全運行的可靠性要求的一條相對最優(yōu)曲線。隨著科技的發(fā)展進步，其穿越成本必將越來越低，因此本文將風電廠及光伏電站的故障穿越技術(shù)應用。

圖5 微網(wǎng)線路兩節(jié)點模型

同時由于微網(wǎng)的離網(wǎng)保護與主動配電網(wǎng)對于分布式電源的并網(wǎng)支撐要求產(chǎn)生了一定的矛盾。所以，在微網(wǎng)進行故障穿越前需對其內(nèi)部進行分析。如若微網(wǎng)內(nèi)部含有如醫(yī)院等重要敏感負荷，則無條件離網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤島運行。反之，如無重要敏感負荷，則還需通過對其內(nèi)部進行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，在系統(tǒng)失穩(wěn)前要轉(zhuǎn)入孤島運行。

對于微網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的判別，本文采用基于潮流解存在的電壓穩(wěn)定性判別方法，以輸電線路的電壓方程解存在與否作為衡量電壓穩(wěn)定性的指標。為了方便說明，本文將微網(wǎng)化簡為等效兩節(jié)點模型，如圖5。

i為潮流送端，j為潮流受端。由此得線路方程如下：

Vi=Vj+I(R+jX) ，

(1)

(2)

(3)

經(jīng)過最終變形得到：

(4)

將公式(4)改寫成模值形式，得到：

(5)

進一步改寫，得到：

(6)

根據(jù)方程解存在得到判據(jù)：

(7)

隨著線路潮流的增大，公式(7)趨于零，系統(tǒng)達到傳輸功率極限，超過這一極限時系統(tǒng)失穩(wěn)。因此可以通過公式(7)的臨界情況推導系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性指標。

電壓穩(wěn)定的臨界條件為

(8)

引入指數(shù)VSI(Voltage Stability Index)，即在公式(8)中分別以VSI·Pj、VSI·Qj代替Pj和Qj得到：

(9)

(10)

通過推導可得以下結(jié)論：當VSI大于1時，系統(tǒng)穩(wěn)定；當VSI等于1時系統(tǒng)達到臨界狀態(tài)；當VSI小于1時，系統(tǒng)失穩(wěn)。根據(jù)這一判定條件就可確定微網(wǎng)是否穩(wěn)定[17]。

關(guān)于對外穿越，在微網(wǎng)穩(wěn)定性允許的情況下，根據(jù)風電的低電壓穿越標準、光伏的零電壓穿越標準、微網(wǎng)內(nèi)部的電壓暫降補償方法及微網(wǎng)的穩(wěn)定性分析，本文嘗試性的對主動配電網(wǎng)中微網(wǎng)系統(tǒng)的故障穿越能力提出了基本要求并對其進行了仿真實驗。

如圖6所示，當主動配電網(wǎng)發(fā)生故障時，針對電壓跌落幅度提出以下要求：當電壓跌落幅度不超過75%，則微網(wǎng)繼續(xù)保持并網(wǎng)運行；當電壓跌落幅度在30%～75%這一區(qū)間，則微網(wǎng)不僅保持并網(wǎng)運行同時還要對主動配電網(wǎng)提供一定的功率支持；當電壓跌落幅度超過75%時，則微網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤島運行狀態(tài)。針對所穿越的故障的時間提出以下要求：如果主動配電網(wǎng)故障超過500 ms還沒開始恢復，則微網(wǎng)脫離主動配電網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤島運行。如圖7所示，根據(jù)這一穿越規(guī)則確定了微網(wǎng)的故障穿越流程。

圖7 微網(wǎng)故障穿越基本流程圖

圖8 含微網(wǎng)的主動配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

4 算例仿真

4.1 仿真模型

如圖8所示，在PSCAD中建立含分布式電源及高滲透率微網(wǎng)的主動配電網(wǎng)模型。其中主動配電網(wǎng)采用，改進的IEEE 14節(jié)點含風電的配電網(wǎng)模型[18]；微網(wǎng)采用風光儲聯(lián)合供電的簡單微網(wǎng)模型，微網(wǎng)通過變壓器及并網(wǎng)開關(guān)與主動配電網(wǎng)相連，微網(wǎng)的容量占配電網(wǎng)總?cè)萘康?0%。

在仿真時間處于第4秒時，整個系統(tǒng)處于一種穩(wěn)定的運行狀態(tài)。于此時在14節(jié)點產(chǎn)生不同的電壓跌落故障，同時測量5節(jié)點的數(shù)據(jù)變化情況。為驗證微網(wǎng)故障穿越與否對于主動配電網(wǎng)的影響，仿真實驗將采用微網(wǎng)對于故障的不同處理方式進行對比仿真實驗。

(1)針對同一故障深度不同故障時間進行對比。

(2)針對同一故障時間不同故障深度進行對比。

4.2 仿真結(jié)果

實驗1：在14節(jié)點產(chǎn)生跌落幅度為68%的電壓跌落，故障時間分別為0.15 s、0.3 s、0.6 s，同時測量5節(jié)點在不同控制模式下的電壓跌落情況。其仿真結(jié)果如表1所示。

表1 實驗仿真運行結(jié)果

可見微網(wǎng)的故障穿越有利于減小主動配電網(wǎng)故障時電壓的跌落幅度。同時故障穿越期間微網(wǎng)對于主動配電網(wǎng)的支撐，可以有效的減小主動配電網(wǎng)的電壓跌落幅度。如圖9到圖11所示，故障持續(xù)時間為0.15 s，采用的控制方式為故障時微網(wǎng)保持并網(wǎng)運行同時對主動配電網(wǎng)提供一定功率支撐。

圖9 故障時負荷電壓圖10 故障時微網(wǎng)并網(wǎng)點(PCC)的功率

圖11 系統(tǒng)頻率變化曲線

圖12 故障時負荷電壓

從實驗1可以看出，隨著故障時間的增加，微網(wǎng)對于主動配電網(wǎng)的支撐能力逐漸減弱，同時在故障結(jié)束時對主動配電網(wǎng)穩(wěn)定性的干擾逐漸增強，在故障時間為0.6 s時，在故障后期微網(wǎng)支撐能力明顯不足。所以將微網(wǎng)的故障穿越時間設定為如果主動配電網(wǎng)故障超過500 ms還沒開始恢復，則微網(wǎng)脫離主動配電網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤島運行。

實驗2：在14節(jié)點產(chǎn)生故障時間為0.15 s，跌落幅度分別為25%、35%、55%的電壓跌落，同時測量5節(jié)點在不同控制模式下的電壓跌落情況。仿真結(jié)果如表2所示。

表2 實驗仿真運行結(jié)果

如圖12所示，故障深跌落度為25%，在當電壓跌落超過10%微網(wǎng)離網(wǎng)這一控制模式下，系統(tǒng)的電壓跌落情況。同時，通過故障深度為25%的三組對比試驗可以看出，微網(wǎng)足夠的故障穿越深度可以有效防止電壓的二次跌落，有益于配電網(wǎng)的故障清除。

從實驗2可以看出，當主動配電網(wǎng)電壓跌落時，微網(wǎng)所穿越的故障程度越深、離網(wǎng)時間越晚，則在同一故障下，主動配電網(wǎng)電壓的跌落幅度越小。因此故障時微網(wǎng)的故障穿越可以有效防止故障的加深，有利于主動配電網(wǎng)的自愈。因此當遇到較為嚴重的故障時，微網(wǎng)需要較深的故障穿越能力才可以有效的降低主動配電網(wǎng)的電壓跌落幅度。同時足夠容量的微網(wǎng)對主動配電網(wǎng)的支撐可有效減小電壓的跌幅。同時綜合考慮微網(wǎng)內(nèi)部分布式電源的故障穿越能力，將微網(wǎng)的故障穿越深度擬定為75%。

由上述所有實驗可以得出，微網(wǎng)的故障穿越是有繼續(xù)深入研究的價值的。但在其故障穿越的基礎上，其對微網(wǎng)內(nèi)部分布式電源的控制及對微網(wǎng)內(nèi)部的敏感負荷的補償還需進行更為深入詳細的研究，以確保故障穿越期間微網(wǎng)內(nèi)部的分布式電源和敏感負荷不受影響，因為這是推行微網(wǎng)故障穿越的重要前提。

5 總結(jié)與展望

綜上所述，可見微網(wǎng)對于瞬時故障的穿越，有利于主動配電網(wǎng)瞬時故障的處理。微網(wǎng)的這一故障處理方式可以有效的減小故障時主動配電網(wǎng)的電壓跌落幅度，同時可有效的防止因大規(guī)模分布式電源離網(wǎng)帶來的配電網(wǎng)整體解列的問題。對于高滲透率可再生能源接入主動配電網(wǎng)有著積極意義。

隨著國家對于可持續(xù)發(fā)展這一國策的重視度越來越高，可再生清潔能源的應用必然是未來能源發(fā)展的重要方向。因此以智能電網(wǎng)為基礎的大規(guī)模接入間歇式可再生能源的主動配電網(wǎng)將是未來電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢，也將是我國未來大力發(fā)展的重點。由此可見對于分布式可再生能源接入主動配電網(wǎng)的方式及故障處理方法的研究必將是未來一段時間內(nèi)的重點。

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Microgrid Fault Ride-through of Active Distribution Network

Hou Xu1，Qu Xueying2，Wang He3

(1.Substation Operation and Maintenance Department，State Grid Changchun City Electric Power Supply Company，Changchun Jilin 130000；2.Hangzhou State Power Machinery Recearch & Design Institute Co.，ltd.，Hangzhou Zhejiang 310000；3.Electrical Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

Active distribution network is the high-level technical stage that the intelligent electrical network develops.It is a distribution network，what can controls various distributional energy (distributional power source，stored energy，controllable load and demand side response).And it is an open system structure cores which can compatible other microgrid electrical networks and new energy integration technologies.Finally determined the way for microgrid fault ride-through.This article in this structure core foundation，through Photovoltaic power generation systems and Wind power generation system fault ride-through to study.At the same time，this article has carried on the modeling analysis for Microgrid fault ride-through of active distribution network.

Active distribution network；Micro-grid；Distributed generation；Fault ride-throu

2016-08-09

侯 旭(1989-)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向：微網(wǎng)與主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)運行.

1005-2992(2017)03-0026-07

TM732

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