含逆变型分布式电源的小电阻接地方式配电网单相接地故障分析*

徐玉琴，杨浩，李鹏

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定071003)

0 引 言

随着新能源发电技术的发展和国家政策的支持，越来越多的分布式电源(Distributed Generator，DG)接入到了配电网中，在尽可能利用可再生能源的同时，也为配电网带来了诸多新的问题，其中分布式电源对配电网故障特征的影响便是近年来研究的热点问题。由于我国配电网大都为小电流接地方式，DG接入前后配电网发生单相接地时故障特性变化不大[1-2]，所以目前对于有源配电网故障特性的研究主要集中在三相短路[3-7]和相间短路[8-11]，但是随着城区配电网电缆覆盖率的提高，网架结构的增强，部分地区配电网选择了小电阻接地方式，DG接入后，DG侧变压器中性点不同的接地方式会使单相接地故障特性产生较大差异[12]，将会对接地保护产生影响。

文献[12]对含分布式电源的小电阻接地方式配电网的单相接地故障进行了深入的分析，但是其研究的DG类型为旋转型，而目前使用较多的为逆变型分布式电源(Inverter Interfaced Distribution Generator, IIDG)，其故障输出特性取决于逆变器的控制策略，较旋转型DG有很大差异，因此有必要对含逆变型分布式电源的小电阻接地方式配电网的单相接地故障特性进行研究。

为此，根据IIDG的控制策略将其故障输出特性等效为只含有正序分量的恒流源模型，结合对称分量法，针对小电阻接地方式配电网，建立IIDG并网后，其上游侧和下游侧的单相接地故障分析模型，对 IIDG侧并网变压器在不同接地方式下的故障点电流，主网侧和IIDG侧的各序和各相电流分别进行了分析，最后利用PSCAD/EMTDC搭建了故障仿真模型，验证了分析的正确性，为并网变压器接地方式的选择和继电保护配置提供依据。

1 IIDG的控制策略及其故障输出模型

1.1 PQ控制策略及其输出特性

IIDG并网时，其电压和频率可由大电网支撑，所以大多使用PQ控制策略对IIDG进行控制，保证DG输出功率的恒定。PQ控制策略需要将ABC三相静止坐标系下的各电气量转换到同步旋转d-q坐标系下对有功功率和无功功率进行解耦控制，之后经过功率外环控制和电流内环控制得到dq轴参考电压Ed和Eq，再经过Park反变换，得到PWM控制调制波，最后与载波比较后产生触发脉冲，即可控制逆变器IGBT(或GTO)的导通与关断，从而实现控制目标，其控制原理如图1所示。

图1 PQ控制原理图

图1中Pref、Qref、Pout、Qout分别为有功功率和无功功率的参考值和实际输出值，Idref、Iqref、Id、Iq分别为d轴和q轴的参考电流和实际电流，Ud、Uq分别为电网d轴和q轴电压，L为滤波电感。

当电网正常运行时，PQ控制策略下的IIDG，其输出特性为功率控制的电流源模型，而当发生故障后，其输出特性变为恒流源[1,5-6]，且其输出电流仍为故障前的输出电流。

1.2 正序分量控制策略

当配电网发生不对称故障时，IIDG会产生负序分量，不仅会加剧电网的不对称度，而且将在正序旋转d-q坐标系下变换为2倍频分量，产生谐波电流，会严重影响电网的电能质量。另外，逆变器输出负序电流会影响逆变器的工作性能，增加损耗。因此，在电网发生不对称故障时，若能消除IIDG的负序分量，便能改善电能质量，减小故障对逆变器性能的影响。为此IIDG在不对称故障情况下，通常采用正序分量控制策略，即将负序分量控制为0，仅以正序分量作为反馈量进行调节，从而改善逆变器的输出特性。

综上所述，含PQ控制和正序分量控制IIDG的配电网发生不对称故障时，故障输出特性可等效为只含有正序分量的恒定电流源。

2 含IIDG配电网的单相接地故障分析

以图2所示的简单配电网为例，对含IIDG配电网的单相接地故障进行分析。

图2 含IIDG小电阻接地方式配电网

2.1 IIDG上游侧单相接地故障分析

2.1.1 IIDG上游侧单相接地故障分析模型

图2所示系统中无旋转型设备，所以其正负序参数相同。当f1点发生单相接地故障时，根据边界条件，可得复合序网如图3所示。

图3 f1点发生单相接地故障时的复合序网图

2.1.2 f1点故障电流分析

设故障点f1距变压器T1低压侧母线的距离为x，线路单位长度的正序、零序阻抗分别为Z(1)和Z(0)，由复合序网图可得主网侧正负零序阻抗ZM(1)、ZM(2)、ZM(0)分别为：

(1)

IIDG在正序网络中为恒流源输出特性，其输出电流与其串联的阻抗无关，在负序网络中开路，所以无需考虑IIDG侧的正序和负序阻抗。IIDG侧的零序阻抗则受并网变压器T2中性点接地方式的影响，其侧零序阻抗ZDG(0)为：

(2)

将复合序网图简化之后根据节点电压法可列出如下方程组：

(3)

式中Z∑(0)为零序网络等效阻抗其表达式为：

Z∑(0)=ZM(0)//ZDG(0)

(4)

(5)

当T2中性点不接地时：

Z∑(0)=ZM(0)=ZS(0)+xZ(0)+3R1

(6)

当T2中性点也经10 Ω电阻接地时：

(7)

此时故障点电流约为T2中性不接地时的两倍。随着故障点f1逐渐靠近PCC，ZM(1)逐渐增大，Z∑(0)基本不变，所以随着故障点逐渐靠近PCC，故障电流仍然逐渐减小。

当T2中性点直接接地时：

Z∑(0)≈(l-x)ZL(0)+ZT2

(8)

此时较不接地和小电阻接地时的故障点电流急剧增大。另外，随着故障点f1逐渐靠近PCC，ZM(1)逐渐增大，Z∑(0)逐渐减小，因为Z(0)≈3Z(1)，所以2ZM(1)+Z∑(0)逐渐减小，因此，当T2中性点直接接地时，随着f1逐渐靠近PCC，故障点电流逐渐增大。

2.1.3 主网侧和IIDG侧各序电流分析

由图3可知在正序网络中：

(9)

在负序网络中：

(10)

在零序网络中：

(11)

当T2不接地时，ZDG(0)为无穷大，有:

(12)

当T2经小电阻接地时，ZDG(0)≈ZM(0)，有:

(13)

当T2直接接地时，ZDG(0)远小于ZM(0)，有:

(14)

2.1.4 主网侧和IIDG侧相电流分析

主网侧和IIDG侧ABC三相电流如式(15)、式(16)所示：

(15)

(16)

(17)

由此可知，非故障相B相和C相中也有故障电流流过，大小正好为IIDG的输出电流，随着IIDG容量的增大，BC相中的故障电流也会增大。

(18)

(19)

由式(18)、式(19)可知，主网侧BC相中的故障电流较中性点不接地时增大，IIDG侧中由于零序电流的存在，使得该侧的各相电流不再对称。

(20)

(21)

2.2 IDG下游单相接地故障分析

2.2.1 IIDG下游侧单相接地故障分析模型

f2点发生单相接地故障时的复合序网如图4所示。

图4 f2点发生单相接地故障时的复合序网图

2.2.2 f2点故障电流分析

(22)

简化网络后根据节点电压法可列出如下方程组：

(23)

由式(23)解得f2点故障时的故障点电流为：

(24)

2.2.3 主网侧和IIDG侧各序和各相电流分析

f2点发生单相接地故障时主网侧和IIDG侧的各序和各相电流分析方法和f1点发生故障时相同，只不过相比于在f1点发生故障时的各序网络中，加入了故障点到PCC之间的阻抗，所以f2点故障电流比f1点故障时小，其他变化规律和特点均相同，此处不再赘述。

3 仿真验证

为了验证上述对含IIDG的小电阻接地方式配电网单相接地故障的理论分析，利用PSCAD/EMTDC搭建了图2所示的10 kV配电网仿真模型，主网变压器T1额定容量为100 MV·A，变比为110 kV/10.5 kV，接地变压器容量为3 MV·A，IIDG并网变压器T2的额定容量为3 MVA，变比为10.5 kV/1.1 kV，三个变压器的阻抗电压百分值均为Uk%=10%，所以，主网电源和变压器正序阻抗之和Zs(1)=j0.2 Ω；主网电源和变压器零序阻抗之和为Zs(0)=j4 Ω，ZT2=j3.33 Ω，IIDG的接入容量为2 MW，小电阻接地方式配电网中电缆覆盖率较大，选择型号为JYV22-3×300的电缆，线路的单位正序阻抗Z(1)=(0.061+j0.088) Ω/km，单位零序阻抗Z(0)=(0.61+0.37) Ω/km，中性点接地电阻R1=R2=10 Ω，l=5 km。

IIDG并网前及并网后变压器T2在不同中性点接地方式下，各位置的故障点电流幅值如表1所示。

表1 各种情况下故障点电流幅值|(kA)

故障点电流的变化趋势如图5所示。

图5 故障点电流随故障点位置的变化曲线

T2中性点不同接地方式下，1.5 s时PCC附近发生单相接地故障的主网侧和IIDG侧各序电流如图6～图11所示。

图6 不接地时主网侧各序电流

在图6中，由于负序电流和零序电流相等，所以负序和零序电流的波形重合，导致只看到了两条波形曲线。

图8 小电阻接地时主网侧各序电流

图9 小电阻接地时IIDG侧各序电流

图10 直接接地时主网侧各序和各相电流

由图6～图11中IIDG侧各序电流可以看出，T2在不同接地方式下，IIDG侧的正序电流都没有发生变化，且负序电流在稳态后始终为零，所以验证了PQ控制和正序控制下IIDG输出特性的正确性。而且不同接地方式下主网侧和IIDG侧的各序电流特性也与第二节的理论分析相一致。

得出各序电流后，运用对称分量法便可得出各相电流，鉴于文章篇幅，只给出直接接地时IIDG侧各相电流波形如图12所示。

图11 直接接地时IIDG侧各序电流

图12 直接接地时IIDG侧各相电流

由图12可以看出，直接接地时IIDG侧的各相故障电流符合分析结果，另外系统中各相都出现了逐渐衰减的直流分量，其最大值约为1 kA。

4 结束语

利用对称分量法对含PQ控制IIDG的小电阻接地方式配电网在各种条件下的单相接地故障特征进行了分析，并通过PSCAD/EMTDC仿真验证，得出了以下结论：

(1)IIDG上游故障时，故障点电流在T2不接地时最小，小电阻接地时约为不接地的两倍，直接接地时最大。随着故障点位置逐渐远离母线，不接地和小电阻接地时故障点电流逐渐减小，直接接地时逐渐增大;

(2)IIDG下游故障时，故障点电流大小的规律与上游故障时相同，但此时T2在三种接地方式下，故障点电流随着故障点位置逐渐远离母线均减小;

(3)无论是上游故障还是下游故障，主网侧和IIDG侧除故障相中有故障电流外，非故障相也存在故障电流，非故障相的电流大小取决于IIDG的容量和T2的接地方式。

综合分析，IIDG并网时，并网变压器中性点选择不接地方式与IIDG并网前的单相接地故障特征相比变化较小，无需对接地保护的整定和配置进行较大的调整，因此选择不接地方式较为合适。