故障限流器对带有光伏电源的配电网低电压穿越能力的影响

王双杰 杨炳元 田翀

（内蒙古工业大学，呼和浩特 010080）

光伏电源作为分布式电源应用越来越广泛，由于光伏电源发出的是直流电，所以并网前应先通过电力电子接口器件。电力电子接口器件在极端电压扰动条件下的操作会损坏电力电子变换器。

电压跌落是最常见的极端情况，一般由系统内故障造成。DG在电压跌落时的的动作情况以前没有收到重视，主要因为电压跌落时为防止扰动控制中心要求DG立即与电网断开，以保证供电可靠性。然而,随着DG功率的逐渐增加，这种强行切除 DG的行为可能导致功率不平衡,进而影响到电网的稳定。所以,电压跌落时保证DG与电网的可靠连接是非常重要的。基于DG技术，一些文献提出了容量控制策略[1]。

本文在PSCAD/EMTDC中建立了光伏、DC-DC升压转换器和逆变器的小信号模型，并将上述器件并入模拟配电网中仿真。为了充分利用光伏系统功率，系统采用直流电压控制方法，利用PI控制器逆变器可以始终跟踪最大功率点，将光伏系统发出的功率完全输入电网。设直流侧电压为1000V，电网线电压为380V。光伏系统经由变压器的连接到一个20kV配电线路中。最后通过仿真结果说明故障电流限流器能够在电压跌落时保护电力电子开关器件、提高低电压穿越能力。

1 光伏发电系统接入电网

由于光伏电源发出的是直流电，所以并网前应先通过电力电子接口器件。光伏系统首先通过升压变流器，升压变流器使光伏电池发出的低幅值电压升为适合光伏电池功率输出的电压大小。然后，电流控制逆变器将直流侧的功率送入交流侧。RLC滤波器用于减少由于 PWM操作而造成的电压波纹。如图1所示。

本文使用了文献[2]中的一个更实际的光伏电池模型，结构如图2所示。

图1 光伏系统接入电网示意图

图2 光伏模型

最大功率点跟踪电路(MPPT)用于控制升压变换器如图3所示。

图3 MTTP算法控制的升压电路

如图1三相电压源逆变器有6个IGBT组成，用来将直流侧功率输送到交流电网侧。IGBT触发电路将电网侧的电压和电流转换成旋转坐标下的方程如下：

式中，ω角速度。网络参考电流表示在 d-q坐标系下，如式(2)[3]。P和Q是有功无功基准值。vd和vq是d-q坐标系下的电网电压。

这种控制方式能够使光伏系统产生的直流功率全部转化为交流电网侧的功率。

2 电抗器型超导故障限流器

电抗器型故障限流器基本上是一个可变电抗，在线路中与断路器串联。故障时电抗值增大，使故障电流减小，保证断路器不动作。故障电流限流器随着电力电子技术、电磁技术和超导材料的进步而产生很大变化。本文使用文献[4]中电抗型超导故障限流器模型。

设故障限流器个绕组电感和互感分别为L和M，绕组两端电压降分别为VA、VB、VC，电源的角频率是ω，则

把式（3）化为矩阵形式有

将上式变换为序分量形式，有

由上式可知，正序阻抗为jω(L-M)，零序阻抗为jω(L+2M)。

则可得故障限流器的等值电路如图4所示。

图4 三相电抗型超导故障限流器的等值结构

3 仿真结果

为了在电压跌落时保护与配电网连接的光伏发电系统，建立了以下仿真模型，如图5所示，配电网电压为20kV，接入配电网的光伏发电系统容量为315kW，光伏发电系统经由电力电子开关并入电网。

光伏电源详细参数见表1。

图5 仿真电路图

表1 光伏系统参数

开始时系统正常运行，光伏系统将功率送入配电网。假设系统发生单相接地故障（以A相接地为例），A相电压减小，发生电压跌落，并持续10个周期，由于直流侧电压不变，光伏系统向电网输送的功率基本上保持不变，通过逆变器的电流值显著增加，为了保护电力电子开关，保护动作使光伏系统与电网断开。

图6 未接入故障限流器故障时流过逆变器的电流和电压

图7 接入故障限流器后故障时流过逆变器的电流和电压

由图6和图7可以看出接入故障电流限流器以保持连接，但此时电网和通过电力电子开关的电流后，当发生电压跌落时，虽然光伏电源与电网保持和电压维持在正常范围内。说明故障限流器可以提高光伏并网的低电压穿越能力，能极大地提高分布式电源的效率。

4 结论

本文仿真了带有分布式光伏发电系统的配电网故障情况。为了分布式电源与电网保持连接并保护电力电子开关，本文使用了故障电流限流器。结果表明在电压跌落时故障电流限流器能有效提高光伏电源的低电压穿越能力，对带有光伏分布式电源的配电网电压跌落时保护电力电子器件、提高分布式电源的效率具有重要意义。

[1]郑飞,张军军,丁明昌.基于RTDS的光伏发电系统低电压穿越建模与控制策略[J].电力系统自动化.2012(22): 19-24.

[2]RIVERA O,EDUARDOI,PENGFZ.Analytical model for a photovoltaic module using the electrical characteristics provided by the manufacturer sheet,PESC'05.IEE3611vol.Page(s):2087-2091,11-14.

[3]HAMROUNI N, JRAIDI M, A. Cherif and A. Dhouib“Modeling,simulation and control of PV pumping system”,fu EIEctrMACS OS,Hannnemet,Tunisia,2005.

[4]张绪红.超导故障限流器的研究[D].湖南大学,2004.