分布式电源对配电网电压骤降影响的仿真研究

王强，夏成军，唐智文

（1.中国移动通信集团广东有限公司，广东广州 510623；2.华南理工大学电力学院，广东广州 510640；3.中国移动通信集团广东有限公司河源分公司，广东河源 51700）

国家电网公司2013年2月27日发布了《关于做好分布式电源并网服务工作的意见》，给予符合条件的太阳能、天然气、生物质能、风能、地热能、海洋能、资源综合利用发电等提供并网条件，积极促进分布式能源发展，这意味着中国大力推进分布式电源的发展，进一步优化能源结构，这无疑为企业发展分布式电源提供了良好的契机。

分布式电源（Distributed Generation）通常指功率为数千瓦至几十兆瓦小型模块式、与环境兼容的独立电源，由电力部门、用户或第三方所有，以满足电力系统和用户的特定要求。通常靠近负荷终端，形成微电网能独立运行或与区域电网并网，一般接在380 V和10 kV线路上。与传统远离负荷中心依靠远距离输配的电源相比，分布式电源被直接安装在负荷所在的配电网络中，无需通过电网输送[1-3]。

分布式电源接入配电网将会改变配电系统的结构和运行状态，使配电网从一个辐射式的网络变为一个遍布电源和用户互联的网络，潮流的大小和方向有可能发生巨大改变[4-5]，这种变化必将对配电网电压骤降产生影响。

电压骤降在IEEE标准中被定义为：供电系统中某点的工频电压有效值降至额定值的0.1 ～0.9 pu并在随后的10 ms ～1 min的短暂持续期后恢复正常。当幅值低于0.1 pu、持续时间在10 ms ～3 s短时间的电压变化被称为瞬时供电中断[6-9]。

本文将针对分布式电源接入配电网的特点，运用电磁暂态仿真PSCAD/EMTDC软件建立分布式电源模型，仿真计算比较分布式电源在不同故障类型、并网方式、容量、接入位置等因素下对电压骤降的影响，得到分布式电源缓解电压骤降问题的策略。

1 分布式电源接入对配电网电压骤降的影响

分布式电源的位置一般靠近负荷中心，可假设分布式电源的接入在负荷节点上，对于n节点系统，其潮流方程式如下：

由式（1）和式（2）可得式（3）：

式中：Vi，θi分别为节点i电压的幅值和相角；PGi为接入节点i处的分布式电源的有功出力；PDi为节点i处负荷的有功功率。

由上述公式可以看出，分布式电源接入后，使配电网的潮流发生变化，各节点的电压与分布式电源出力和接入位置等因素密切相关。

因此当区域配电网内或邻近区域发生电压骤降时，分布式电源反馈电力将有效缓解分布式电源周围的电压骤降，但是分布式电源本身的频繁启停、发电量不稳定将对配电网其他用户供电电压产生冲击。

在分析分布式电源对配电网电压骤降的影响前，需要明确分布式电源的并网方式，通常考虑以下2种类型的DG：

1）同步发电机型DG。主要指DG通过同步发电机方式并入电网。

2）逆变器型DG。主要指DG通过换流器形式并入电网。

每种形式DG的典型容量范围及其与电网的并网方式如表1所示[10-14]。

1.1 同步发电机型分布式电源模型

地热能、海洋能发出的是交流电，可通过同步发电机与电网连接[15]。电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中同步发电机模型如图1所示，隐极电机和凸极电极均可采用此模型。接线端含义及相关描述如下：

图1 同步发电机形式DG模型Fig.1 The DG model of the synchronous generator

A、B和C是发电机的三相电气结点，输出三相电压；右端w是速度控制方式下的发电机速度控制输入值，Te和Tm是发电机转子采用多质块模型时的输出端，用于次暂态振荡仿真；Ef0、Ef、If用于连接励磁控制系统；下端w是采用转矩控制方式时发电机转速输出端。Tm是机械转矩输入端，通常与汽轮机或水轮机相连，也可以采用定转矩控制（与Sample and Hold模块相连）。

同步发电机启动分为3个阶段：第一阶段，以理想电源启动，根据电压、相角和其他参数计算潮流，并根据潮流结果计算Ef0和下端的w、Tm0值，分别将Ef0和下端w，Tm0传输给励磁系统和原动机模型；第二阶段，释放励磁系统和原动机的控制，发电机由电压源模型转化为限制发电机模型，此时励磁调速初始化发电机转速不变；第三阶段，释放发电机转子，发电机由限制发电机模型转化为自由发电机模型，此时励磁系统和原动机及调速器就可以根据系统变化调节发电机转速[16-21]。

发电机转子运动方程如下表示：

式中：J为转动惯量；A为角加速度；Ω为机械角速度；Θ为机械角位移；ΔMa为净加速度转矩；MT为原动机的转矩；Me为发电机的电磁转矩。

本文同步发电机详细标幺值参数：同步电抗取2.570、暂态电抗取0.248，次暂态电抗取0.172，时间常数取2.5（这些参数均以各感应电动机自身容量为基准值）。

1.2 逆变器型DG模型

太阳能光伏发电、燃料电池和储能系统发出的是直流电，需要通过逆变器与电网连接，并网接口采用电压源型逆变器，控制器采用简单的PI控制策略[22-23]，逆变器形式DG模型如图2所示。

图2中，dcVltg、dcCur分别为直流端电压和电流；VA、VB、VC分别为交流侧三相电压值；RMS 3 Phase、Power分别为三相电压有效值和有功/无功测量器；Timed Breaker Logic是开关BRK2的控制器，控制开关的开合时间；g1、g2、g3、g4、g5、g6分别为逆变器的触发脉冲。

逆变器形式DG的触发脉冲控制电路如图3所示。

图2 逆变器形式DG模型Fig.2 The DG model of the inverter

图3 逆变器式DG的触发脉冲控制电路Fig.3 Control circuit of trigger pulse for inverter DG

本文根据分布式电源的类型和控制策略，仿真比较分析分布式电源接入对配电网电压骤降的影响。

2 研究算例分析与仿真

某配电系统的单相接线图如图4所示。本文基于电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC对图4建立仿真模型，仿真分析分布式电源并网方式、容量和接入位置对电压骤降的影响。网络采用的参数全部为现场的实际参数，本仿真网络有5条馈线，在PSCAD/EMTDC建模中将220 kV的母线作为恒压源供电，线路考虑采用∏模型，负荷采用恒阻抗负荷等值模型。

图4 供电系统单线图Fig.4 Single line figure of power supply system

在仿真中作以下假设:

1）故障发生后继电保护装置可靠动作。

2）不考虑故障后的重合闸。

3）1.0 s发生故障，故障持续时间取0.3 s。

4）DG不参与系统电压调节。

2.1 分布式电源接入对配电网电压骤降的影响

将节点2接入一个容量为3 MV·A同步发电机型DG，假定在馈线Line3发生三相短路故障，考察DG接入对馈线Line1和Line2电压骤降的影响。

从图5可以看出，在没有分布式电源支撑的情况下，馈线Line3处的短路故障将会造成其附近馈线发生不同程度的电压骤降。相反，当配电网中接有分布式电源时，将明显改善分布式电压周围的电压骤降。对于接有分布式电源的馈线Line2，将有效缓解该馈线电压骤降幅值跌落的深度。对于未接分布式电源的馈线，由于分布式电源将Line2的首端电压抬高，造成配电系统负荷潮流发生变化，也将缓解其他馈线电压骤降的幅值，但缓解程度明显比馈线Line2小。

2.2 不同故障类型下分布式电源对配电网电压骤降的影响

将节点2接入一个容量为3 MV·A同步发电机型DG，考察DG在馈线Line3发生对称和不对称故障对馈线Line2电压骤降的影响。

由图6可以看出，对于由对称故障引起的电压骤降，分布式电源的接入将有效抑制馈线处电压骤降幅值的下降，能够起到阻止电压骤降的作用。

图6 对称故障下DG接入前后馈线Line2电压骤降波形Fig.6 The waveform of voltage sags on Line2 at the symmetrical fault before and after interconnection of DG

中心点不接地系统在正常运行时，各相对地电压都是相电压，而当发生不对称故障（单相接地故障）时，大地的电位就是故障相的电压，所以非故障相对地的电压变成线电压。由图7、图8可以看出，若是由不对称故障引起的电压骤降，分布式电源的接入虽然可抑制故障相电压骤降，但是会造成非故障相电压幅值抬高，甚至可能引起电压骤升，加重电压升高现象。因此，分布式电源对因不同故障类型引起的电压骤降影响是不同的。

2.3 分布式电源并网方式对电压骤降的影响

将节点2分别接入一个容量为3 MV·A同步发电机型DG和逆变器型DG，假定在馈线Line3发生三相短路故障，考察DG在不同的并网方式下对馈线Line2电压骤降的影响程度。

由表2可以看出，分布式电源并网方式对电压骤降特征参数的影响差别较明显。同步发电机在抑制电压骤降幅值方面较逆变器形式DG强。相反，由于同步发电机形式DG在对外部调制信号的响应速度上明显慢于逆变器形式DG，因此同步发电机形式DG减少电压骤降持续时间和相位跳变的能力明显不如逆变器形式DG。

图7 不对称故障下DG接入前后馈线Line2故障相电压骤降波形Fig.7 The waveform of voltage sags on Line 2 at the asymmetrical fault before and after interconnection of DG

图8 不对称故障下DG接入前后馈线Line2非故障相电压骤降波形Fig.8 The non-fault phase waveform of voltage sags on Line 2 at asymmetrical fault before and after interconnection of DG

表2 不同并网方式馈线Line2电压骤降特征参数Tab.2 The characteristic parameters of Line 2 voltage sag under different interconnection types

逆变器形式DG控制策略一般是基于闭环SPWM进行控制，通过比较实际输出值与给定值产生误差，由PI控制器产生驱动信号以控制逆变器形式DG输出的功率和电压值，因此逆变器形式DG的输出受外部参数和控制方式影响较敏感，在抑制电压骤降持续时间和相位跳变方面的能力较强。

2.4 分布式电源接入容量对电压骤降的影响

随着电网中分布式电源能量渗透率的升高，将对大电网的稳态潮流分布的暂态故障电流分布产生重大影响，造成配电网无法运行[24-27]。

本文假定在馈线Line3发生三相短路故障，考察低渗透率DG接入不同容量对馈线Line2电压骤降的影响程度。

由表3可以看出，在低渗透率下，随着分布式电源容量的增大，抑制馈线Line2电压骤降的幅值能力越强，但对电压骤降的持续时间和相位跳变2个特征参数影响不大。在不改变DG接入位置和并网方式的情况下，电压骤降幅值是由分布式电源的容量大小来决定，容量越大，抑制电压骤降幅值能力越强。当节点2接入5 MV·A容量分布式电源DG后，可以有效抑制该馈线骤降幅值为0.45 pu的电压骤降。

表3 不同容量DG下馈线Line2电压骤降特征参数Tab.3 The characteristic parameters of Line 2 voltage sag under different capacities of DG

2.5 分布式电源安装位置对电压骤降的影响

首先假定在馈线Line3发生三相短路故障，考察分别在馈线末端和变电站低压母线侧接入不同容量DG对馈线Line2电压骤降的影响。

由图9可以看出，在10 kV系统发生故障，无论在线路末端还是变电站10 kV母线侧接入分布式电源，都能够起到线路末端电压达到抑制电压骤降的作用。但要取得相同的抑制电压骤降的效果，安装在电网的变电站10 kV母线侧DG的容量要远远大于安装在馈线末端，电压骤降幅值为0.7 ～0.9 pu，安装在变电站低压侧的容量约是安装在馈线末端的2 ～3倍，在电压骤降深度较大的情况下，安装在变电站低压侧的容量将为安装在馈线末端容量的4 ～5倍[28]。

图9 不同接入位置的DG容量Fig.9 Capability of DG related to different locations

3 结论

本文基于分布式电源接入配电网的特点，利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC建立分布式电源模型，研究分布式电源并网方式、安装容量和接入位置对配电网电压骤降的影响，仿真结果对合理配置配电网中分布式电源具有较高的参考价值。结合以上分析，得到主要结论如下：

1）配电网接入分布式电源，将有效缓解分布式电源周围的电压骤降。

2）分布式电源的接入将有效抑制因对称故障引起的电压骤降，但对于由不对称故障引起的电压骤降，分布式电源的接入可能会造成非故障相电压幅值抬高，甚至可能引起电压骤升。

3）同步发电机型DG在抑制电压骤降幅值方面较逆变器型DG强，但减少电压骤降持续时间和相位跳变的能力却明显不如逆变器形式DG。

4）合理配置分布式电源的并网方式、容量和接入位置能更好地缓解电压骤降问题。

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