基于IEC60909标准的风/光互补微电网短路电流水平分析

句荣滨，宋旭日，钟丽波，赵晓娜，郑 璐

(1.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006；2.中国电力科学研究院，北京 100192； 3.国网沈阳供电公司，辽宁 沈阳 110003；4.国网辽宁省电力有限公司技能培训中心，辽宁 锦州 121003； 5.国网葫芦岛供电公司,辽宁 葫芦岛 125003)

微电网是具有规模小、分散式特点的独立系统，利用丰富而先进的现代电力技术，将分布式电源(燃气轮机、风机、光伏发电、燃料电池等)储能及保护系统等装置整合在一起，直接与用户侧相接。微电网作为我国社会经济发展的基础设施和重要的公用事业，充分发挥其资源优化配置，满足了电力短缺地区用户的特定需求，有效提高了用户侧的电力特性，例如在提高本地供电可靠性的同时降低了馈线损耗；在保持本地电压稳定性和提供不间断电源的同时提高了余热能量利用效率等[1-4]。

目前微电网控制特性、能量管理及控制是微电网集中性研究范畴，而对于微电网动态运行特性缺少更加专业且深入地发掘及研究。文献[5-6]首先在不同微电源的微电网动态仿真结果的基础上，分析研究不同微电源配置方案对微电网运行模式转换动态运行特性的影响，但没有对不同微电源的特性进行对比研究分析；文献[7]建立了风/光/柴互补的微电网，对故障情况下微电网故障恢复能力进行了仿真验证，但没有对抑制微电网暂态特性的措施进行研究；文献[8]考虑了风/光/燃气轮机等微电源的动态特性，对微电网运行模式切换进行了仿真，但忽略了模式切换过程中的暂态特性；文献[9-10]阐述了基于IEC60909标准的分布式电源短路计算，用交/直流电压源代替分布式电源，但忽略了各微电源的外在特性。

风能和太阳能具有天然互补性，因此风能与太阳能混合微电网可以向用户提供更加稳定的电能，从而提高微电网的供电可靠性。本文在电磁暂态仿真软件EMTP/ATP搭建太阳能电池模型、永磁同步风力发电机模型、负荷模型，并利用软件自带的变压器、线路等一起构成简单的微电网模型。根据IEC60909标准对微电网暂态运行特性(包括三相接地短路、单相接地短路等)进行了仿真研究，结果表明本文建立的微电源及微电网模型能够很好的模拟实际运行情况，为实际工程计算提供了方法和手段。

1 IEC60909标准概述

IEC60909标准是2001年由国际电工委员会IEC(International Electrotechnical Commission)制定的新的关于短路计算的国际标准，标准明确指出三相交流系统短路电流计算使用的元件数学模型、计算方法、计算假定条件等，可以为暂态稳定计算提供支持。

IEC60909标准规定电力系统内部某点发生短路故障时，在该点引入1个虚拟电压源作为网络的唯一电压源。其他电源电势为零，并用内阻抗代替，包括同步发电机、同步电动机、异步电动机和其他馈电网络的电势等。短路电流计算如图1所示。

对称三相短路初始电流计算为

(1)

IEC 60909对于各元件通用模型处理方法基本是以元件铭牌参数作为变量，以相应系数进行计算修正。通过不同系数值的变量变换，得出模型系统最大及最小短路电流值。各元件数学模型主要分析如下。

a.同步发电机(适用于永磁同步风力发电机)

系统发生短路时，同步发电机存在1个暂态过程，尤其靠近发电机机端短路瞬间发电机会产生较大的次暂态电势，该暂态过程不可以忽视。假定短路瞬间E″的纵分量保持不变，如图2所示，可以算出发电机短路阻抗修正公式，见式(2)、式(3)。

(2)

(3)

b.异步电动机(适用于太阳能电池)

IEC60909规定通过DC/AC并网的微电源，忽略其原动机类型，可将其等效为异步电动机，等效电路为接地阻抗，短路阻抗值为

(4)

式中：UrM、IrM和SrM分别为异步电动机的额定电压、额定电流和额定视在功率；ILR/IrM为异步电动机的堵转电流与额定电流比值，一般取3。

c.变压器

IEC60909标准规定变压器短路阻抗可以根据式(5)进行修正。

(5)

式中：xT为短路电抗，对于三绕组变压器，把xT改为xAB，xBC，xAC。

2 微电源模型

2.1 永磁同步风力发电机模型

a.风轮机模型

风轮机简化数学模型为

(6)

式中：Pg为风轮机获得风能的功率，W;ρ为空气密度(标准状况为1.29 kg/m3)；A为扫风面积，m2；R为风轮机叶片半径，m；Cp为风能利用系数；Vw为风速，m/s。

风轮机捕获风能的大小是由风能利用系数CP决定，CP是桨距角β和叶尖速比λ的函数，叶尖速比λ计算为

(7)

式中：ω为风轮角速度,rad/s；R为风轮半径,m；Vw为风速,m/s。

b.永磁同步风力发电机模型

永磁同步风力发电机仿真模型如图3所示[11]。

永磁同步风力发电机在dq同步旋转坐标系下电压方程为

(8)

式中：id和iq分别为发电机的d轴和q轴电流；Ld和Lq分别为发电机的d轴和q轴的电感；Ra为定子电阻；ωe为电角频率，ωe=npωg；np为发电机转子极对数；λ0为永磁铁磁链，λ0=0.175 Wb；ud和uq分别为发电机出口电压的d轴和q轴分量。

永磁同步风力发电机电磁转矩为

Te=1.5np[(Ld-Lq)idiq+iqλ0]

(9)

永磁同步风力发电机传动模型为

(10)

式中：ω为风轮角速度,rad/s；R为风轮半径,m；Vw为风速,m/s。

2.2 太阳能发电单元模型

2.2.1 太阳能电池数学模型

本文采用的太阳能电池数学模型为工程用模型，模型计算技术参数为工程技术参数，包括短路电流Isc、开路电压Uoc、最大功率点电流Im、最大功率点电压Um、最大功率点功率Pm，从而可以在一定精度的计算模型基础上，研究分析太阳能电池特性。太阳能电池模型描述如下[12-13]。

a.参考条件下，输出电压为Uo、对应电流为I时，太阳能电池的I-U特性方程为

(11)

在最大功率点处，式(11)仍然成立。

式中:参数C1、C2分别为

(12)

(13)

式中:Np为光伏电池并联数;Ns为光伏电池串联数。

b.考虑不同光照强度、不同温度的太阳能电池输出特性变化

首先通过已知的参考日照强度和参考电池温度的Isc、Uoc、Im、Um计算出新的日照强度和电池温度的I＇sc、U＇oc、I＇m、U＇m,然后代入实用表达式得到新的太阳能电池的I-U特性曲线。

(14)

式中：Sref为参考太阳能辐射强度(1000 W/m2)；Tref为参考电池温度(25 ℃)；ΔT为实际电池温度与参考电池温度的差值；ΔS为实际光强与参考光强差值；太阳光强为S和电池温度为T时，I＇sc为太阳能电池短路电流；U＇oc为开路电压；I＇m为最大功率点电流；U＇m为最大功率点电压；a、b、c的典型值为a=0.0025/℃、b=0.5/℃、

c=0.00 288/℃。

2.2.2 太阳能电池控制策略

太阳能电池输出电流为直流，输出电压受温度、光强等因素影响，所以输出频率并不稳定，因此需要通过整流逆变装置进行电路调节后对负载供电，从而提高稳定的供电特性。太阳能电池并网控制如图4所示。

太阳能电池采用下垂控制，高压系统的功率因数受控制频率影响，因此可以通过改变逆变器输出电压频率控制有功功率的动态表现，同理控制逆变器输出电压幅值可以控制其无功功率的流动。

3 风/光互补微电网电磁暂态模型

微电网仿真系统电压等级为10 kV；变压器容量为400 kVA；变比为10 kV/400 V；输电线路为等值模型，其中Lc=0.264 mH/km,Rc=0.28 Ω/km，为方便计算负荷模型由RL串、并联组成；系统功率因数为0.8。具体参数如图5所示，为方便计算，供电线路均采用三相三线制，所有的微电源和负荷为三相电源和负荷，仿真主要设计三相对称接地短路和单相接地短路，利用电力系统分析软件EMTP/ATP进行仿真计算。

4 仿真分析

当公共耦合母线发生故障，与其对应的PCC(公共耦合点)并网断路器检测到系统电压降落，并有较大的故障电流持续从微电网涌入大电网，此时断路器能够及时动作。微电网内部各微电源在合理的控制策略下，维持微电网电压和频率稳定，保证对微电网内部负荷持续供电。

4.1 发生三相接地短路故障

假设图5中公共耦合母线t=0.8 s时发生三相接地短路故障，故障持续0.4 s，t=1.2 s时故障解除。微电网暂态特性分析如下。

微电网各微电源出口端电压值如图6所示，0.8 s前，系统正常运行，端电压为220 V；0.8 s时系统发生三相接地短路故障，端电压下降为正常值的20%左右；1.2 s后故障解除，端电压恢复到短路前正常水平。由于风机、太阳能电池等效短路阻抗不同，同时由于线路阻抗的存在，故障时其端电压并不相同。

如图7所示，0.8 s前系统电流处于正常水平，0.8 s系统发生三相接地短路故障。短路初期，图7(a)中太阳能电池出口短路冲击电流高达68 A，5个周波之后，由于直流分量迅速衰减到零，短路电流稳定值为38.3 A左右，为正常值的6～7倍，短路冲击系数为1.78；1.2 s后故障切除，系统恢复正常。图7(b)中风机出口短路冲击电流高达120 A，3个周波之后，由于直流分量迅速衰减到零，短路电流稳定值为67.54 A左右，为正常值的4～5倍，短路冲击系数为1.75；1.2 s后故障切除，系统恢复正常。由于风机、太阳能电池内阻抗值不同，短路电流直流分量衰减速度存在一定的差距，阻抗L/R比值越低，直流分量衰减越快，短路电流达到暂态稳定的速度也就越快。

4.2 发生单相接地短路故障

假设图5中公共耦合母线t=0.8 s时发生A相接地短路故障，系统检测到故障发生，断路器断开微电网与大电网之间连接，故障持续0.4 s，t=1.2 s后故障解除，微电网重新并网运行。以风机为例进行系统故障暂态特性分析。

如图8所示，0.8 s之前系统正常运行，风机各相端电压均为220 V；0.8 s时系统发生A相接地短路故障，风机A相端电压下降为正常值的10%左右，而B、C两相则上升为线电压；1.2 s之后故障切除，A、B、C各相端电压恢复到短路前正常水平。

如图9所示，0.8 s之前，系统电流处于正常水平；0.8 s系统发生A相接地短路故障，与B、C相相比，A相短路电流幅值增加较大，为正常值的4倍左右；1.2 s之后系统恢复正常。

5 算例验证

为验证在EMTP/ATP平台上搭建的模型及基于IEC60909标准的短路计算有效性，本部分采用手算的方法来验证，包括相关计算模型参数和最大化的三相接地短路故障结果，系统接线如图5所示，建模过程中对系统进行如下处理。

a.将太阳能发电单元、风力发电单元以等值电压源加内阻抗串联代替，其他参数与图5相同。

b.忽略线路正序和零序的对地电容，采用等值线路参数。

c.负荷采用定负荷模型，以恒定阻抗代替。

表1 风力发电单元三相短路计算结果对比

表2 太阳能发电单元三相短路计算结果对比

由于在数学模型和计算方法上的差异，EMTP/ATP和手算模型的计算结果不完全一致，但差别不大。从表1和表2的计算结果来看，短路电流交流分量初始值误差较大，为13%左右，冲击电流误差值较小，基本可以验证模型的有效性。

引起计算结果误差的原因有以下3个方面。

a.模型元素自身误差，例如风力发电单元、太阳能发电单元。

b.应用典型参数带来的误差，例如输电线路采用的典型参数与实际参数有一定偏差。

c.运行方式选取带来的误差，IEC60909的结果实际是对最大短路电流的估算，并没有提供系统运行方式的详细数据。

6 结束语

本文在电磁暂态仿真软件EMTP/ATP环境中搭建风/光互补发电的微电网模型，并基于IEC60909标准对微电网暂态短路特性进行仿真，详细分析了微电网公共耦合母线处三相接地短路和单相接地短路故障。研究表明在故障情况下，微电源出口电压会降为正常值的20%左右，短路电流水平为正常值的6～10倍；故障解除后微电网能够快速恢复稳定运行，满足用户的电能质量要求；最后通过与人工计算的短路电流结果进行对比，结果证明了模型的有效性。